Page 10 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 廖章文, 等: 冰雪滑动摩擦研究现状及发展趋势 795

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Scherge等 通过控制环境条件，利用最新的摩擦 Portable temp.logger
Battery
模型计算摩擦系数随滑动速度和冰表面温度的变化.
Data
所测得的数据显示，不同温度下冰的摩擦系数存在差
异，当温度较高时初始状态的摩擦系数更低一些，波 24 bit A-D convertor ΔT/℃

动幅度约为0.01，相对稳定. 当速度提高到30和55 m/s
0.8
时温度与摩擦系数成正相关，温度越低，摩擦系数越
Thermal conductive
低，最低达到0.008. 冰面上钢销滑动产生摩擦热，在接 adhesive 0.6
Sensing
触面上形成起到润滑作用的融水膜. 当速度和温度升 part
Hole (ϕ1 mm)
高时，融水膜的产生会形成湿冰面. 对于冰在−6 ℃的 0.4
Ski
低速状态下，湿冰面相较于干冰面拥有更低的摩擦系
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数 . 这里未将钢的不同热导率与比热进行考虑，模 Gliding V snow =3 m/s 0.2
surface
型还需要进一步改进. Snow
0.0
当速度和温度一定时，对冰摩擦有影响的还有表
Fig. 6 Schematic diagram of the portable accurate
面的材质、粗糙度和亲疏水性等. 通过试验方法发现，
temperature measurement system and the temperature
粗糙度是影响较为显著的因素. 聚合物类的材料通过 distribution around the thermistor at 54 kg [52]
[26]
控制粗糙度可以获得更好的摩擦特性 . 冰摩擦机理 图 6 便携式精确温度测量系统原理图与加载重量54 kg时
热敏电阻周围的温度分布 [52]
是受多方面因素影响的复杂体系，如何通过试验做出
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合理的并可重复的结果极具挑战性. Velkavrk等 采
3 s后的温度，并找到温差(温度界面与传感器区域平
用两组试验装置：倾斜冰轨摩擦仪和振动摩擦仪，两
均温度的差值)与摩擦热的关系，发现总体重量、速度
组都具有相同的试验环境以及设置的相关参数. 由于
和传感器位置均对温差有影响. 传感器距离越远，摩
毛细抑制作用的存在，当冰与聚合物或钢表面接触属
擦热从探针端到传感器的梯度越大，因此离尖端较远
于干摩擦或者混合摩擦状态时，摩擦通常与滑块或者
的位置温差将变大. 热敏电阻内部的温度分布由热敏
冰的粗糙度成正相关. 若为流体摩擦状态，由于黏附
电阻与周围材料的热传导率和界面处的产热率决定.
的降低和准液体层摩擦的减小，摩擦系数随滑块或冰
该系统有较好的重复性，能够直接对滑雪板表面与雪
的粗糙度增大而减小. 考虑到整个系统中存在摩擦与
滑动速度关系是未知的，后续还需要进一步分析不同 接触的温度进行检测.
滑雪板的摩擦特性，依赖于聚合物滑雪板的材质
摩擦状态下表面粗糙度对冰摩擦影响的研究.

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4.2 雪摩擦测试方法 和表面粗糙度 . 研究发现，由于融水膜附着力的存
随着过去几十年的创新科技发展，雪摩擦测试设 在，粗糙度过大或过小对接触面的摩擦均有增大的效
备技术与测试方法都在不断地进步. 滑雪板与雪之间 果，特别是沿滑动方向上无序的表面结构. 当表面粗
的摩擦属于滑动摩擦的范畴，滑动摩擦系数的大小不 糙度R 值达到最佳状态范围0.2~1 μm时，摩擦系数就
a
仅与材料性质有关，与相对速度、载荷、温度、颜色以 不过分依赖化学成分和表面拓扑结构. 接触面的温度
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及接触面积等都有关系 . 滑雪竞技大部分都是露天 变化是融水膜产生的原因，Bäurle等 将研究重点放
场地，在高速滑动过程中，颜色和接触面积不同的滑 在聚乙烯与雪面的接触上，直接对滑雪板与雪之间的
雪板对太阳光吸收热量的程度不一样，影响着滑雪板 温度变化进行摩擦测量，发现接触面滑动过程可以用
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的热量平衡 . 滑雪板与雪面接触温度的变化，会改 流体力学模型来解释. 但是这种方法需要明确融水膜
变融水膜产生的可能性，增加或降低二者间的摩擦系 的厚度与实际接触面积的参数值. 这样一个摩擦过程
数. 这种温度变化可以通过仪器进行测试. Okajima等 [52] 的参数确定，还需要更多的研究工作，特别是多学科
为此开发出1套温度测量系统(见图6)，可以通过数值 的协作.
仿真技术对界面真实温度进行修正，从而达到高分辨 过去检测设备精度不高，达不到观测要求，雪摩
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率和高精度. 擦测试的实地测量数据可重复性有限. Takeda等 利
通过滑动时的温升部分描述界面温度T 和传感 用摩擦计的方法对缩小型滑雪板的模型进行测试，在
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部分平均温度T 的时间变化，数据收集采用滑行开始 控制环境温度，以及雪粒大小后，试验发现摩擦系数
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