2.2 材料与方法
2.2.1 实验材料
实验选用具有代表性的杨木、水曲柳、红松、中密度纤维板（MDF）和刨花板（PB）作为材料。实验材料采取窑干处理，并在20℃的室温条件下陈放两周，以达到平衡含水率。杨木（Populus Cathayanna），密度0.40g/cm3，含水率MC=10.0%；水曲柳（Fraxinus Mandshurica Rupr.），密度0.59g/cm3，含水率MC=10.7%；红松（Pinus Koraiensis），密度0.44g/cm3，含水率MC=9.8%；中密度纤维板，密度0.70g/cm3，含水率MC=9.0%；刨花板，密度0.67g/cm3，含水率MC=10.0%。
根据《塑料薄膜和薄片摩擦系数测定方法》（GB 10006—88）规定，试件尺寸规格如下：①滑块试件（长×宽×厚）63mm×63mm×10mm；②平台试件（长×宽×厚）200mm×80mm×5mm。另外，试件应平整、无明显缺陷，试件表面无灰尘、指纹和可能改变摩擦性质的划痕，试件边缘应圆滑。实验配重分别为10N、50N、100N、150N和200N。
2.2.2 实验设备
实验采用北京林业大学木工机械实验室摩擦系数仪MXD-02，实验装置如图2-1所示，它主要由导轨、滑动平台、力传感器、牵引绳和操作面板组成。该设备用于测量木材、橡胶等材料滑动时的静摩擦系数和动摩擦系数，实验原理如图2-2所示。
图2-1 MXD-02摩擦系数仪
1—力传感器；2—滑动平台；3—打印机；4—有机玻璃罩；5—试件夹紧；6—滑动导轨；7—操作面板
图2-2 摩擦系数仪实验原理图
实验采用如图2-3所示的实验装置，测量不同压力条件下木质材料之间的摩擦系数。实验装置主要由实验平台、滑动导轨、拉力传感器、配重、数据采集卡及计算机控制系统组成。实验测试仪器包括MCL-S0拉力传感器、USB-7660数据采集卡、2206B型表面粗糙度测量仪、含水率测定仪、Sartorius BSA423S精密天平和游标卡尺。其中拉力传感器的量程分别为50N、100N和300N。
图2-3 不同压力条件下摩擦系数测量装置示意图
1、2—实验平台；3、4—摩擦副；5—滑动导轨；6—拉力传感器；7—数据采集卡；8—计算机；9—电机
2.2.3 实验方法
2.2.3.1 表面粗糙度测量
为实现不同的表面粗糙度，实验采用砂带磨料粒度为60目、80目、120目、150目和180目的宽带砂光机磨削试件。表面粗糙度测量采用2206B型表面粗糙度测定仪。仪器测量范围4μm/40μm/400μm,最高分辨率0.001μm，取样长度为0.25mm、0.8mm和2.5mm。实验选取取样长度L=2.50mm，评定长度为5L=12.5mm。
参照国家标准《产品几何量技术规范（GPS） 表面结构 轮廓法 木制件表面粗糙度参数及其数值》（GB/T 12472—2003）。该标准适用于木制件、中密度纤维板和木质刨花板未经涂饰处理表面粗糙度的评定。标准中规定，采用中线制评定木质材料试件的表面粗糙度，选取高度特征参数轮廓算术平均偏差（Ra）和轮廓最大高度（Rz）作为主要参数，根据功能需要，可以选择间距特征参数轮廓微观不平度平均间距（Rsm）作为附加参数，本书还增加了轮廓支承长度率（Rmr）对木质材料表面的轮廓微观形状进行分析的内容。垂直于纹理方向测定表面粗糙度，在不同位置测量5次，然后取算术平均值，作为试件最终表面粗糙度值。
（1）轮廓算术平均偏差Ra。即在取样长度L内，轮廓上各点至中线距离绝对值的算术平均值。它反映了轮廓高度相对于中线的离散程度，在一定程度上也反映了材料表面结构的均匀程度。其计算公式为
（2）轮廓最大高度Rz。即在取样长度L内，轮廓曲线最高峰与最低谷垂直于中线方向上的距离之和。
（3）轮廓微观不平度平均间距（Rsm）。即轮廓高度算术平均值Ra和轮廓最大高度（Rz）是一维表面形貌,而一维表面形貌参数不能够阐明表面形貌的几何特征与摩擦学特性之间的关系，因此还需微观不平度形状特性参数（Rsm）作为附加参数，它是在取样长度L内，轮廓与中线相交的各微观不平度间距的平均值。其计算公式为
（4）轮廓支承长度率（Rmr）。即在取样长度L内，用一平行于中线的直线与轮廓曲线相截，所截得的各段截线长度之和（Zi）与取样长度L之比。轮廓峰顶线与平行线之间的距离称为水平截距（C）。从轮廓峰顶线向下截取的水平截距（C）不同，轮廓支承长度率（Rmr）也不相同（C通常用轮廓最大高度Rz的百分数来表示），将各个C值对应的Rmr值作图即可绘出轮廓支承长度率曲线，也称为Abbott-Firestone曲线。轮廓支承长度率曲线可反映轮廓的实际接触面积。对于相同的水平截距而言，轮廓支承长度率越大，其实际接触面积越大。其计算公式为
2.2.3.2 拉力传感器标定
实验前，采用静态标定法对传感器进行标定，校准传感器的精确性。将拉力传感器标定电压数据（见表2-1）进行线性回归得到输出电压回归曲线，如图2-4所示，图2-4（a）～（c）分别为50N、100N和300N传感器的标定结果。
表2-1 拉力器不同配重时的标定电压
图2-4 输出电压回归曲线
2.2.3.3 摩擦系数测量
按照国家标准《塑料薄膜和薄片摩擦系数测定方法》（GB 10006—88）规定，采用摩擦系数仪MXD-02，分别测定顺纹-顺纹（两试件纹理均与滑动方向平行）、横纹-横纹（两试件纹理均与滑动方向垂直）和横纹-顺纹（两试件纹理互相垂直）3种接触情况下木材自相交摩擦时的静摩擦系数和动摩擦系数，分析木材纹理对摩擦系数的影响。分别测定了采用60目、80目、120目、150目和180目的砂带磨削木质材料后的静摩擦系数和动摩擦系数，分析表面粗糙度对摩擦系数的影响。摩擦系数仪MXD-02的技术参数见表2-2。
表2-2 摩擦系数仪MXD-02的技术参数
实验前将平台试件装夹到滑动平台上，用钢丝绳连接传感器和被测试件，使试件实验方向与滑动方向平行，并要求钢丝绳接近被拉直，仅有轻微下垂，然后对相应实验参数进行设置，即可开始实验。实验时试件滑动行程为70mm，滑动速度为100mm/min。摩擦力随位移变化趋势如图2-5所示。实验对每个试件测3次，然后记录3组数据的平均值，并且要保证3组摩擦系数的置信度在90%以上，对于置信度较低的数据，需要重新进行实验。
图2-5 摩擦力随位移变化趋势图（杨木试件，P60砂带磨削）
采用图2-3的装置测定正压力分别为10N、50N、100N、150N和200N时木质材料的静摩擦系数和动摩擦系数，分析正压力对摩擦系数的影响。实验前，首先将拉力传感器固定在滑动导轨上，将试件固定在工作台上，然后将拉力传感器与滑块试件连接，并保持水平，最后将配重放在滑块试件上，启动电机即可开始实验。实验时试件滑动行程为120mm，滑动速度控制在500mm/min，数据采集频率为50Hz。