Page 9 - 《摩擦学学报》2021年第6期

794 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

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杂. Canale等 使用纳米级灵敏度的探针摩擦仪，研究 温度，使其表面累积1层薄冰 . 对沉积过程的不同时
摩擦滑动期间冰界面的力学特性，得到的结果表明融 间进行原位XPS分析，氧化物在冰沉积前有所贡献，
水膜具有复杂的力学性能，并显示出复杂屈服材料的 之后则是水的贡献在增加，最后形成1个完整的冰层.
流变性. 其高黏度及弹性响应，产生了良好的流体动 当钢峰消失时，冰层为最薄的状态. 摩擦球是直径5 mm
力润滑性能，最后导致摩擦降低. 准液体层本身非常 的AISI 52 100钢球. 测试前先将摩擦球与冰面接触，通

薄，随表面温度变化，冰的基面和主棱柱面会逐层融 过热传递降低摩擦球的温度，之后再进行试验. 摩擦
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化 . 准液体层的动力学决定了冰的摩擦特性，但分 试验开始时，保证圆盘温度恒定，若冰层融化或者磨
子结构和动力学的关系研究目前还难以研究透彻. 损，都将会使得摩擦增加. 试验结果显示，摩擦系数在
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Kling等 通过分子动力学(MD)模拟研究冰表面准液 不同温度下相对比较稳定，波动不大，且随温度的升
体层的分子结构和动力学随温度变化的情况，结果表 高呈现不断减小的趋势. 结论表明，在低温情况下，融
明在任何情况下，只要温度低于270 K，只有最外层的 水层是有条件地存在于冰表层. 在这种低温和低速下
表层会发生扩散，可以认为其形成准液体层. 在更低 压力融化只能改变冰融点，不会产生融水膜. 而在大
温度(200 K)下，冰的表面也像液体一样无序，但分子 于4 m/s的速度下，摩擦生热则可以引起冰表面融化，
的迁移率受到限制. 产生融水膜.

钢材是冰上运动项目装备常用的材料，因此钢与
4 冰雪摩擦测试技术研究现状
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冰的摩擦研究具有重要意义. Koning等 对溜冰鞋进

4.1 冰摩擦测试方法 行分析，检测出直道和曲线的平均摩擦系数分别为
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冰摩擦测试方法与衡量标准是冰上冬季运动装 0.004 6和0.005 9，Federolf等 也得到类似的结果. 速
备升级的基础，多年来一直是研究的重点和难点. 早 度滑冰和短道速滑运动都是以较高的速度进行竞技，
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在1939年，Bowden等 采用科学的方法进行冰和雪的 实地测量赛场的摩擦数据是很难的一件事. Zhang等 [46]
摩擦研究，提出摩擦融化的概念，即摩擦产生的热量 研制出一种超高速球盘摩擦试验系统[见图5(a)]，采用

融化产生融水层，充当了润滑剂的作用. 多年后，通过 超精密切削和原位动平衡相结合的解决方案[见图5(b)]，
对真实雪板和缩小的雪板模型在不同温度下进行试 确保超高速滑动时的稳定摩擦. 借助超高速超稳态的
验，证实了在低摩擦状态下冰表面的局部融化是由摩 优势，不但可模拟冰刀在冰面上高速运动状态，对于
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擦加热所致 . 像越野滑雪和高山滑雪这种高速的雪板运动状态，也
在低温状态下，研究人员利用超高真空球盘摩擦 提供有效的试验解决办法. 在低温环境下，将专用装
试验机去观察样品载体钢表面冰膜的摩擦行为. 试样 雪夹具固定，利用缩小型滑雪板在雪面上高速滑动，
制备是将水蒸气引入钢盘所在的腔室内，降低钢盘的 间接检测出摩擦系数.

(a) Z-direction Feed system (b)
The first step: The second step: The third step:
Feed control On-line precision cuttiing In-situ dynamic balance Ball on disc test
system
Cutting tool Rotation Raw surface
X-direction
Feed system Loading
Feed Machined surface Wear track
Balance mass m 1 Ball
Eccentric mass m
On-line cutting m 1 r 1
mr O
Spindle m′r′
Cast iron bed control system Z m 2 r 2
X Dynamic balance state:
Y O mr=m′r′ Balance mass m 2
Arbor Cutting tool Disc
In-situ dynamic balance
Tribology test
Balance mass
Z Disc
X
Disc O
Balance monitor Y
Vibration and Ball Fixture Disc
speed sensors

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Fig. 5 Ultrahigh-speed ball-on-disc friction test system : (a) the structure of the ultrahigh-speed ball-on-disc friction tester;
(b) the schematic diagram of the friction test solution
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图 5 超高速球盘摩擦试验系统 ：(a) 超高速球盘摩擦试验机结构；(b) 摩擦试验解决方案示意图