MARINE SYSTEM ENGINEERING /March2005

B１２２リボン鋼と銅の接触面の磨耗損傷と温度上昇挙動に関する実験的研究
平松宗也（指導教員：北浦，岡田）を行った．（試験片番号は１〜６）

1. 緒言
構造物や構造要素では２つの材料が接触しているとき，そこに必ず摩擦が生じる．この外部エネ
ルギーの一部が材料を損傷し、他の一部は熱に変換される。そこで，本研究では熱に変換されたエネルギー（温度）を測定することにより，材料の摩擦による損傷（焼きつき）を実験的に調べる．

2.実験装置及び実験方法
今回磨耗部試験片としては銅（直径５ｍｍ円）を使用した．また回転部にはリボン鋼（ビッカ−ス
硬さ 497−496）を使用した．これらは共に試験を行うごとに取り替えることができる．図１は実験装置概略である．上部天板におもりを載せることで試験部に荷重がかかるようになっている。また摩擦面上部１８０ｍｍに歪測定部を作り歪ゲージを２枚つけ，１６ｍｍに温度ゲージをはりつけた。回転部はモーターにつながれ回転数を自由に設定できる．また引っ張り試験より歪測定部のヤング率は 165×103 N/mm2である．
歪測定部

温度測定部

荷重一定，回転数一定で，４００秒回転させる．
温度が室温になるまで停止させ（１０分間），再び４００秒回転させる．これを繰り返し焼きつきがおこるまで行う．焼きつきはトルクの変動で判断した．回転数、荷重を変えて６種類の実験を行った．(連続と同じ条件・試験片番号は順に７〜１２)
Table１ 連続摩擦・断続摩擦試験状態
試験片番号 回転数（回転荷重（ｋｇｆ）
連続摩擦 断続摩擦 /分）

1
7283
9410511612
変動荷重摩擦試験

828282
123
123
123

69.58
118.58167.5869.58
118.58167.58

荷重一定、回転数一定で４００秒回転させる．温度が室温になるまで停止させ（１０分間），再び４００秒回転させる．これを数回行った後，荷重を変化させ、同様のことを焼きつきが起こるまで行う．４種類の実験を行った．
Table2 変動荷重摩擦試験状態
試 験 片回 転 数 （ 回番号転/分）
荷重（N）
1382 69.58（400 秒×4 回）→167.58
1482 167.58（400 秒×４回）→69.58
15123 69.58（400 秒×6 回）→167.58
16123 167.58（400 秒×４回）→69.58

試験片Fig.1 試験装置概略図

断続摩擦試験

回転部
歪ゲージ

3.実験結果4mmμε

Fig.２ 歪測定部概略図

T（℃）

800

試験片番号１

試験片番号１4

歪は２点計測した．それぞれの値をεa，εbとして，ε＝（εa−εb）/ 2 とし、歪を計測することにより摩擦応力を算出できるようにした。温度は分解能力 100 分の１の温度ゲージで１点計測した。
熱伝導をよくするため温度ゲージと温度測定部の接触面にシリコンを塗布しセロハンで巻きビニールテープで固定した。また回転部のモーターのトルクを計測した．
実験は以下の 3 種類行った．

連続摩擦試験

一定荷重、一定回転数で焼きつきが起こるまで回転させる．焼きつきはトルクメーターの変動で判断した。回転数、荷重を変えて６種類の実験

600

4002200002000
4000
Fig.3 T−t の関係

6000
t（秒）

0020004000
Fig.4 ε−t の関係

6000
t（秒）

Fig.3・Fig.4 は試験片番号 1 における温度―時間・歪−時間の関係を示している．摩擦開始直後に温度は急激に上昇する．摩擦力は，ほぼ一定状態を保つ．ある状態に至ると温度もほぼ一定の状態を保ち，焼きつきにいたる．焼きつきに至る時に摩擦力・温度ともに急激に上昇する．

B122-1

T（℃）

定値が求められる。

με3 試験片番号9

試験片番号 9N t =（1 −ｔ/ｔｆ）ｔｆ （２）2

この結果は Fig10 に示す。

5.温度ゲージの測定温度と理論値

1002000
Fig.5 T−t の関係

4000t/tf

0Fig.６2000
ε−t の関係

4000t/tf

Fig5・Fig6 は試験片番号９における温度―時間・歪−時間の関係を示している。摩擦開始直後に温度は急激に上昇する。摩擦力は変化しつつ、温度は徐々に上昇しつつ、焼きつきにいたる。摩
擦力が変化するのは回転を止めている間に、試験片が冷めることによる、金属の凝縮などによるものかと推測される。焼きつきに至る時に摩擦力・温度ともに急激に上昇する。
μεT（℃）

試験片番号 13

試験片番号13600

2400

断続実験の結果を使って温度ゲージの測定温度と理論値の差を調べた。ここでは試験片番号⑦、⑧、⑨のものを求めた。
丸棒が平面板状を v m/s の速度で滑るとき発生
熱量 Q はQ=µWgv
J0T − T0 =00

2000
Fig.7

4000
T–t の関係

6000ｔ（秒）02000
4000Fig.8 ε−ｔ の関係

6000 t/tf

Fig７・Fig８は試験片番号 13 における温度―時間・歪−時間の関係を示している。

4..試験片の焼きつき時間推定⊿T2○試験片番号７●試験片番号８□試験片番号９■試験片番号１０△試験片番号１１▲試験片番号１２αQ 1exp(− 2σ x)kr
πr 2σkr（6）となる。
ここでそれぞれの値をいれ、実験値と理論値の差を比べる。
摩擦係数 µ の値を正確に知ることはできない。
そこで本研究では µWg を実験で求めたヤング率と歪より摩擦応力を計算し Q を求めた。またそれぞれの係数は、参考文献より引用した。この結果を Fig１１に示す。試験片番号⑧・⑨においては理論値と実験値とによい一致が見られるが試験片番号⑦においては差が見られた。また⑦・⑧・⑨に共通して言えることは理論値が実験値よりも大きくなっているということである。これは理論式は摩擦時の発生エネルギーすべてが熱に変換されたという仮定で計算したからである。
理論値（℃）

推定値（秒）
6000○試験片番号１３□試験片番号１４▲試験片番号１５1（3）となる。ここで µ は動摩擦係数、W は丸棒にかかる荷重、ｇは重力加速度、J は熱の仕事当量である。
また丸棒の表面からｘの距離にある微小高さに流入する熱量は熱伝導率をｋとして
σ は冷却係数、T は放熱面の温度 T0 は周囲の温度である。発生熱量のうち α の割合だけ上の丸棒に伝わるとすると、1200cal/s●試験片番号７○試験片番号８△試験片番号９×試験片番号１６

14000

20000

Fig90.5
T60−t/tf の関係

1t/tf

2000
Fig１０

断続実験において試験機始動ご６０秒での温度上昇率を T60 とする。これを縦軸に、繰り返し時間比t/tfを横軸にとりFig9 に表す。ここでtf=4800
秒 (試験片番号⑦)、4702.32 (試験片番号⑧)、4204.88（試験片番号⑨）、4656.16（試験片番号⑩）、3200 (試験片番号⑪)、2920.56（試験片番号⑫）である。T60 とt/tfの関係は以下の形に整理できる。ただしa,bともに定数とする。
T60=a(t/tf)x+b （１）
断続・状態変化の実験ではじめに与えた摩擦を前歴被害とする。その後の試験での温度上昇を（１０）式に代入すると前歴被害がどの程度の繰り返し時間比に相当しているかがわかる。また（１０）式の温度上昇率から求めた繰り返し時間比を以下の式に代入すると、試験片の焼きつき時間の推

4000
Ne−Nf の関係

6000
実験値（秒）

00

Fig110.51
温度・理論値−実験値

実験値（℃）

6.結言

本研究において、リボン鋼と銅の摩擦時における、焼きつきに至るまでの、連続時・断続時の摩擦力と温度挙動を確認した。また、ある摩擦が与えられた銅が、その後焼きつきに至るまでの時間を推定した。この推定はある多少のばらつきがあるものの（②）式により推定できることがわかった。
しかし今後も様々な条件下で，多数のデータを得る必要があると考えられる。
また摩擦力と温度上昇の理論値と実験値を比較し実験の確かさを確認した。
参考文献
バウデン･デイバー 固体の摩擦と潤滑 丸善株式会社
摩擦のお話 田中久一朗 日本規格協会

B031-2MARINE SYSTEM ENGINEERING /March2005

1000

試験片番号９3（２）式に代入すると、試験片の焼きつき時間の推定値が求められる．

μεT（℃）

試験片番号 9N t =（1 −ｔ/ｔｆ）ｔｆ （２）2

この結果を縦軸に推定値 Nt、横軸に実験値 Nfをとり Fig10 に示す．

15.温度ゲージの測定温度と理論値
000

Fig.5

2000
T−t の関係

04000t（秒）

Fig.6

2000
ε−ｔ の関係

4000t（秒）Fig5・Fig6 は試験片番号９における温度―時間・歪−時間の関係を示している．摩擦開始直後に温度は急激に上昇する．摩擦力は変化しつつ、温度は徐々に上昇しつつ、焼きつきにいたる．摩
擦力が変化するのは回転を止めている間に，試験片が冷めることによる金属の凝縮などによるものかと推測される．焼きつきに至る時に摩擦力・温度ともに急激に上昇する．
μεT（℃）

試験片番号１３

試験片番号13600

2400

120002000
Fig.7

4000
T–t の関係

6000ｔ（秒）

02000
Fig.8

µWgv
J4..試験片の焼きつき時間推定⊿T○試験片番号７●試験片番号８□試験片番号９■試験片番号１０△試験片番号１１▲試験片番号１２cal/s

αQ 1exp(− 2σ x)kr
πr 2σkr（4）となる．
ここでそれぞれの値をいれ、実験値と理論値の差を比べる．
摩擦係数 µ の値を正確に知ることはできない．
そこで本研究では µWg は実験で求めたヤング率と歪より摩擦応力を計算し Q を求めた．またそれぞれの係数は，参考文献より引用した．この結果を縦軸に理論値，横軸に実験値をとり，Fig１１に示す．試験片番号⑧・⑨においては理論値と実験値とによい一致が見られるが試験片番号⑦においては差が見られた．また⑦・⑧・⑨に共通して言えることは理論値が実験値よりも大きくなっているということである。これは理論式は摩擦時の発生エネルギーすべてが熱に変換されたという仮定で計算したからである．
推定値（秒）
6000○試験片番号１３□試験片番号１４▲試験片番号１５1（3）となる．ここで µ は動摩擦係数，W は丸棒にかかる荷重，ｇは重力加速度、J は熱の仕事当量である．
また丸棒の表面からｘの距離にある微小高さに流入する熱量は熱伝導率をｋとしてσ は冷却係数、T は放熱面の温度 T0 は周囲の温度である。発生熱量のうち α の割合だけ上の丸棒に伝わるとすると，

4000
6000t（秒）ε−t の関係

Fig７・Fig８は試験片番号 13 における温度―時間・歪−時間の関係を示している．

2Q=

T − T0 =00

断続実験の結果を使って温度ゲージの測定温度と理論値の差を調べた．ここでは試験片番号⑦、⑧、⑨のものを求めた．
丸棒が平面板状を v m/s の速度で滑るとき発生
熱量 Q は理論値（℃）●試験片番号７○試験片番号８△試験片番号９×試験片番号１６
14000

2000

0

Fig90.5
T60−t/tf の関係

1t/tf

断続実験において試験機始動後６０秒での温度上昇率を T60 とする．これを縦軸に，繰り返し時間比t/tfを横軸にとりFig9 に表す。ここでtf=4800
秒 (試験片番号⑦)，4702.32 (試験片番号⑧)、4204.88（試験片番号⑨），4656.16（試験片番号⑩），3200 (試験片番号⑪)，2920.56（試験片番号⑫）である．T60 とt/tfの関係は以下の形に整理できる．ただしa,bともに定数とする．
T60=a(t/tf)x+b （１）
断続・状態変化の実験ではじめに与えた摩擦を前歴被害とする．その後の試験での温度上昇を（１）式に代入すると前歴被害がどの程度の繰り返し時間比に相当しているかがわかる．また（１）式の温度上昇率から求めた繰り返し時間比を

2000
Fig.１０

6.結言

4000
Nt−Nf の関係

006000
実験値（秒）

0.5
Fig.11

1

温度・理論値−実験値

実験値（℃）

本研究において、リボン鋼と銅の摩擦時における焼きつきに至るまでの，連続時・断続時の摩擦力と温度挙動を確認した．また，ある摩擦が与えられた銅が，その後焼きつきに至るまでの時間を推定した．この推定はある多少のばらつきがあるものの（②）式により推定できることがわかった．
しかし今後も様々な条件下で，多数のデータを得る必要があると考えられる．
また摩擦力と温度上昇の理論値と実験値を比較し実験の確かさを確認した．
参考文献
バウデン･デイバー

B122-2固体の摩擦と潤滑

丸善株式会社

摩擦のお話 田中久一朗

日本規格協会B031-4