2.3 实验结果与分析

木质材料作为一种各向异性的天然高分子材料，会表现出介于弹性体和非弹性体之间的粘弹性，发生蠕变现象。因此，木质材料摩擦副的摩擦系数包括黏附和迟滞两项。

实验测定不同纹理和表面粗糙度的杨木-杨木、水曲柳-水曲柳和红松-红松摩擦副的静摩擦系数和动摩擦系数，实验结果见表2-3，μ_s、μ_d分别代表静摩擦系数和滑动摩擦系数。

从表2-3中可以看出，3种摩擦副摩擦时静摩擦系数大于动摩擦系数；杨木的静摩擦系数为0.40～0.78，动摩擦系数为静摩擦系数的63%～68%；水曲柳的静摩擦系数为0.29～0.60，动摩擦系数为静摩擦系数的48%～63%；红松的静摩擦系数为0.40～0.77，动摩擦系数为静摩擦系数的65%～78%。

实验测定不同表面粗糙度的中密度纤维板和刨花板试件自相交摩擦时的静摩擦系数和动摩擦系数，实验结果见表2-4。

表2-4中即为中密度纤维板和刨花板摩擦副不同表面粗糙度的摩擦系数值。从表2-4中可以看出，静摩擦系数大于动摩擦系数；中密度纤维板的静摩擦系数为0.43～0.54，动摩擦系数为静摩擦系数的72%～82%；刨花板的静摩擦系数为0.41～0.53，动摩擦系数为静摩擦系数的61%～64%。

为避免表面粗糙度对摩擦实验结果的影响，所有木质材料表面采用80目砂带磨削，实验测定不同正压力条件下木质材料的静摩擦系数和动摩擦系数。实验结果见表2-5。

表2-5中即为不同压力条件下杨木-杨木、水曲柳-水曲柳、红松-红松、中密度纤维板和刨花板摩擦副的摩擦系数值。从表2-5中可以看出，静摩擦系数大于动摩擦系数。同一压力条件下不同摩擦副的静、动摩擦系数并不相同，同一摩擦副在不同压力条件下，其摩擦系数波动较大。其中杨木的静摩擦系数为0.33～0.86，动摩擦系数为静摩擦系数的67%～80%；水曲柳的静摩擦系数为0.31～0.65，动摩擦系数为静摩擦系数的52%～80%；红松的静摩擦系数为0.43～0.85，动摩擦系数为静摩擦系数的70%～81%；中密度纤维板的静摩擦系数为0.35～1.24，动摩擦系数为静摩擦系数的66%～68%；刨花板的静摩擦系数为0.36～0.81，动摩擦系数为静摩擦系数的67%～78%。

由于木材是一种粘弹性材料，其表面分布着大量的凹凸和沟槽，随着压力逐渐增大，微观接触点逐渐增多，实际接触面积和表面变形也随之变大。在较低压力下，木材表面变形较小，木质材料的摩擦以黏附效应为主。随着压力继续增大，木材表面发生塑性变形，实际接触面积不再发生变化，在较高压力下，木质材料的摩擦以犁沟效应为主。

2.3.1 木材纹理方向对摩擦系数的影响

图2-6为木材纹理对摩擦系数的影响，图2-6（a）～（e）分别为60目、80目、120目、150目和180目砂带磨料粒度磨削木材的静摩擦系数和动摩擦系数。

利用SPSS软件对数据进行单因素方差分析SNK检验，检验纹理方向对木材摩擦系数的影响是否显著。图2-6中，不同的字母（a、b、c）表示显著性差异，同一字母表示差异不显著，不同字母表示具有显著性差异。

从图2-6中可以看出，使用不同砂带磨料粒度的砂带磨削木材后，木材的摩擦系数与纹理之间的关系表现出一致的规律。当两试件纹理均与滑动方向垂直时，摩擦系数最大，两试件纹理均与滑动方向平行时次之，两试件纹理互相垂直时摩擦系数最小。主要原因是，当两试件纹理均与滑动方向垂直，即木材纤维方向和滑动方向垂直时，更容易在木材表面产生划痕，由此导致的迟滞造成了摩擦。另外，我们可以把木材试件表面看成是由许多微小颗粒叠加而成，具有较小间距和高低不平的波峰波谷，相对滑动时，实际上是粒子与粒子之间的接触，容易产生接触部的凝聚以及凹凸部位间的嵌合，即形成了黏附摩擦。当两试件纤维方向一致时，粒子与粒子之间的接触以及凹凸部位的黏合较大，黏附摩擦较大。综上，当两试件的纹理方向均与滑动方向垂直时，黏附摩擦和迟滞摩擦两项均为最大，因此这种接触情况下木材的摩擦系数最大；当两试件纤维方向垂直时，粒子与粒子之间的接触较少，由此产生的黏附作用较小，因而这种接触情况下摩擦系数最小。木材的摩擦主要是由木材纤维的排列方向和滑动方向共同决定的。当纤维方向与滑动方向一致时，木材的迟滞摩擦较小；相反，当纤维方向与滑动方向垂直时，木材的迟滞摩擦最大。另外，当两个试件纤维方向一致时，木材的黏附摩擦较大；而当两个试件的纤维方向垂直时，木材的黏附摩擦最小。

2.3.2 表面粗糙度对摩擦系数的影响

木材作为一种多孔性材料，在磨削加工过程中，木材结构中的导管、管胞、木射线和树脂道等在表面上不断裸露出新的孔隙和切面，而且由于木材早晚材、心边材结构的变化，木材表面会形成凹凸和沟槽（孙媛和李黎，2010）。使用不同砂带磨料粒度砂带磨削木材时，就会在木材表面形成深浅不同的凹凸和沟槽，即不同的表面粗糙度。5种不同砂带磨料粒度磨削木质材料的表面轮廓如图2-7所示，

图2-7（a）～（e）分别为杨木、水曲柳、红松、中密度纤维板和刨花板的表面轮廓图。表面粗糙度如表2-6所示。

从表2-6可以看出，分别采用砂带磨料粒度为60目、80目、120目、150目和180目的砂带磨削试件时，随着砂带磨料粒度的增大，表面粗糙度Ra先减小后增大。杨木、水曲柳和红松的Ra值都在砂带磨料粒度为150目时达到最小，采用180目的砂带磨削后，表面粗糙度反而增大，主要原因是木材结构比较复杂，使用较大砂带磨料粒度砂带（P180目）磨削木材时，测得的粗糙度受木材微观结构的影响。从表2-6中还可以看出，采用同一砂带磨料粒度砂带磨削木材时，水曲柳表面粗糙度值最高，其次是杨木，红松最小，主要原因是阔叶材中的环孔材（如水曲柳）和早、晚材导管直径变化明显，早材管孔在肉眼下可见，晚材管孔甚小（赵广杰，1992），生长轮对粗糙度的影响较大，而红松结构均匀。中密度纤维板和刨花板的表面粗糙度也随着砂带磨料粒度的增大先减小后增大，表面粗糙度在150目时达到最小。

木质材料不同的表面粗糙度，其支承长度率曲线各不相同，如图2-8所示，分别为杨木、水曲柳、红松、中密度纤维板和刨花板不同表面粗糙度的支承长度率曲线。

从图2-8中可以看出，当水平截距相同时，不同的表面粗糙度，其支承长度率也不相同。表面粗糙度越大，支承长度率越小；表面粗糙度越小，支承长度率越大。支承长度率的大小和表面的实际接触面积有一定关系，支承长度率数值大说明轮廓凸起的实体部分较多，凹下的空隙部分较少，其配合表面实际接触面积较大；相反，支承长度率数值越小，配合表面实际接触面积就越小。

图2-9为木质材料摩擦系数与表面粗糙度的关系，其中图2-9（a）～（c）分别为顺纹-顺纹、横纹-横纹和横纹-顺纹接触时实木的摩擦系数与表面粗糙度的关系，图2-9（d）为人造板的摩擦系数与表面粗糙度的关系。从图2-8（a）～（c）可以看出，实木摩擦副的摩擦系数与表面粗糙度Ra呈线性关系，实木的摩擦系数随着表面粗糙度的变大而变大，表面越粗糙，摩擦副的静摩擦系数和动摩擦系数越大。这一结果主要有两方面的原因，原因一可用图2-8来解释，主要由于表面粗糙度Ra越大，其对应的支承长度率越小，摩擦副表面的实际接触面积就越小，单位面积压强越大，由此产生的黏附摩擦越大；原因二是表面越粗糙，克服表面不规则度所需的能量就越大，由此产生的迟滞摩擦也较大。然而木质材料之间的摩擦以黏附作用为主，因此综合两项摩擦可知，表面越粗糙，实木的摩擦系数就越大（李萃裕，2009）。比较杨木-杨木、水曲柳-水曲柳和红松-红松3种摩擦副的摩擦系数可得出结论，杨木、红松的静摩擦系数明显大于水曲柳，红松-红松的动摩擦系数最大，其次为杨木-杨木，水曲柳-水曲柳的动摩擦系数最小。这可能是因为红松的材质较软，表面容易发生变形，因而其摩擦系数较大，而水曲柳材质较硬不容易发生变形，其摩擦系数较小。

从图2-9（d）可以看出，人造板的摩擦系数与表面粗糙度Ra呈二次幂变化规律，随着表面粗糙度Ra的增大，中密度纤维板、刨花板的摩擦系数迅速增大，随着表面粗糙度Ra的进一步增大，摩擦系数保持不变。采用同一目数砂带磨削中密度纤维板和刨花板，二者的静摩擦系数相差不大，而中密度纤维板的动摩擦系数是大于刨花板的。图2-9中所得到的回归线可用公式来表示，其中实木和人造板摩擦系数与表面粗糙度的回归方程分别为

式（2-4）和式（2-5）的回归系数见表2-7。

2.3.3 压力对摩擦系数的影响

木质材料作为一种粘弹性材料，当木材承受压力时，会产生弹性变形和塑性变形。弹性变形与压力成比例变化，并且是可逆的；塑性变形是不可逆的，在外力消失后，木材所残留的那部分变形。木材表面分布着大量的凹凸和沟槽，随着压力的逐渐增大，微观接触点逐渐增多，实际接触面积和表面变形也随之变大。在较低压力下，木材表面变形较小，木质材料的摩擦以黏附效应为主。随着压力继续增大，木材表面发生塑性变形，实际接触面积不再发生变化，在较高压力下木质材料的摩擦以犁沟效应为主。

图2-10为木质材料的摩擦系数与压力的关系，图2-10（a）和图2-10（b）分别为实木和人造板的摩擦系数与压力的关系。从图2-10中可以看出，相同压力下，静摩擦系数大于动摩擦系数。其中静摩擦系数和动摩擦系数与压力之间的关系均呈二次幂变化规律，在弹性接触阶段（0～100N），摩擦系数随着压力的增大大幅度降低；在塑性接触阶段（100～150N），摩擦系数几乎不随着压力的变化而变化；在形成犁沟阶段（150～200N），摩擦系数随着压力的增大而略有增大。这主要是因为木质材料表面分布着大量的凹凸和沟槽，随着压力的逐渐增大，实际接触面积增大，在较低压力时，单位面积上的接触应力反而随压力的增大而降低，黏附摩擦减小，从而使摩擦系数随着压力的增大而降低。当压力达到100N时，木材表面已发生塑性变形，实际接触面积不再变化，当压力继续增大时摩擦系数略有增大，可能是由于在较大压力作用下，木质材料表面被磨掉的木屑填充在表面空隙中，从而使摩擦系数变大。

图2-10中得到的回归线可用公式来表示，摩擦系数与压力的回归方程为

式（2-6）的回归系数见表2-8。

2.3.4 方差分析

利用SPSS软件对测得的数据进行方差分析，检验纹理方向、表面粗糙度、材种和压力对实木摩擦副摩擦系数的影响是否显著，并检验表面粗糙度、材种和压力对人造板摩擦副摩擦系数的影响是否显著，方差分析结果见表2-9和表2-10。

从表2-9可以看出，在显著性水平0.01下，实验因子纹理方向、表面粗糙度、材种和压力对实木摩擦副的静、动摩擦系数的影响均显著，其中压力对摩擦系数的影响最大。

从表2-10可以看出，在显著性水平0.05下，实验因子表面粗糙度和压力对人造板摩擦副的静、动摩擦系数的影响均显著。实验因子材种对静摩擦系数影响显著性的值为0.788，大于0.05，因此材种对静摩擦系数的影响不显著，而对动摩擦系数的影响显著。