Page 7 - 《摩擦学学报》2021年第5期

596 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

由润滑层与粗糙表面共同承载，在发生混合摩擦时， 开，此时发生的摩擦方式为流体动力学摩擦[见图2(a)]，
由于润滑层厚度增加，粗糙表面上毛细作用形成液 固体表面之间的直接接触和固体间的黏着作用影响
桥，阻碍接触表面之间的相对运动，摩擦系数会随润 减弱，润滑层的黏度、毛细作用形成的液桥和冰雪在
滑层的增加而上升；当润滑层厚度大于表面粗糙度 该温度下变软而发生的塑性形变是摩擦系数增大的
时，由于流体动力的作用，两个表面完全被润滑层隔 关键因素.

0.20
(a) (b)
Capillary drag μ lub
Solid-solid Viscous 0.16
contact shearing
0.15
Mixed
Boundary friction Hydrodynamic 0.12
lubrication
friction
Friction coefficient 0.10 Friction coefficient 0.08 μ dry
0.05
μ
0.04
μ cap
0 0
0 5 10 15 20 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0
Film thickness/μm Film thickness/μm
[20]
Fig. 2 (a) The relationship between the friction mechanism of the ice and snow surface and the thickness of the lubricating layer ;
[4]
(b) The relationship between water film thickness and friction coefficient in Colbeck (1988) empirical model
[20]
图 2 (a) 冰雪表面摩擦机制与润滑层厚度关系 ；(b) Colbeck(1988)经验模型中水膜厚度与摩擦系数关系 [4]

雪上摩擦是1个非常复杂的过程，是由犁沟效应、 μ、μ 、μ 和μ 与水膜厚度的关系：一定厚度的水膜
cap
dry
lub
水润滑摩擦、干摩擦、毛细吸力和污染物吸收等几种 能够起到润滑作用，使得滑雪板与雪面之间的摩擦系
摩擦的综合效应造成的. 而摩擦系数是描述滑雪板在 数最小. 水膜过薄或者过厚都会影响到润滑作用，摩
[23]
雪地上滑行的基本的、通用的度量 [1, 21] . 1992年，Colbeck 擦系数显著增加 . 滑雪板和积雪之间水膜的厚度又
用摩擦力和法向力的比值来描述滑雪时的总摩擦系 受到许多因素的影响，包括滑雪板基底的结构、材料
数，假设不同摩擦分量是相互独立的，因此，雪上摩擦 特性和积雪的状况、环境温度、速度和局部接触压力
[21] 等. 其中，温度是影响水膜厚度的关键因素，并决定了
系数可描述为 .
[22]
(1) 滑雪板的滑行能力 . Buhl的试验表明：聚乙烯滑雪
µ total = µ plow +µ dry +µ lub +µ cap +µ dirt
[22]
板在−3 ℃左右滑行速度最快，即摩擦系数最小 . 在
式中： µ total为滑雪板滑行面与雪面之间的摩擦系数；
此温度下，摩擦生热产生的水膜厚度适中. 低于-5 ℃
µ plow 为雪面犁沟效应产生的摩擦系数； µ dry 为雪面固体
和高于0 ℃时，即水膜的厚度会发生变化. 在低温条件
变形产生的摩擦系数； µ lub 和µ cap是由于冰晶表面水润
下，一方面，雪中液态水的含量较低导致其表面的水
滑和毛细作用产生的摩擦系数； µ dirt 代表的是雪面污
膜很薄，滑雪板与雪面之间的主要摩擦机制为边界摩
染物引起的摩擦系数. 但是实际上，不同的摩擦机制
擦. 摩擦阻力则完全或部分来源于滑雪板与凹凸不平
之间并不是独立的. 滑雪板和雪面之间的摩擦热所产
的雪面之间的接触产生的塑性形变，或者来源于雪面
[22]
生的水膜的厚度决定了不同摩擦形式的分布 . Colbeck
凸起的断裂. 另一方面，雪的硬度较大，滑雪板从表面
的经验模型虽然没有涉及 µ plow和 µ dirt ，但其考虑了水膜
滑过，会对滑雪板表面造成划伤. 在温度较高的情况
的厚度，将滑雪板面与雪面之间的摩擦力描述为
下，例如0 ℃左右的湿雪，其液态水含量高，雪面的水
µ dry µ lub
µ = µ cap + (2) 膜过厚，雪面与滑雪板之间会建立毛细吸力作用且占
µ dry +µ lub
主导地位 ，毛细吸力作用能够增大滑雪板表面与雪
[24]
µ dry = εe −ξh (3)
面之间的粘附力，从而增大摩擦阻力.

µ cap = βh 3 (4) 1.3 雪上摩擦系数的影响因素
其中：h代表水膜厚度；β、ε和ξ是可以通过试验确定的 雪上摩擦系数的影响因素很多，可归纳总结分为
常数，但随试验条件的改变而变化. 图2(b)显示了上述 雪基参数、滑雪板基底参数和其他因素，各因素列于