摩擦振动对摩擦学特征的影响

摩擦振动对摩擦学特征的影响摩擦振动对摩擦学特征的影响 2016/04/20 工具技术杂志2016年第二期摘要:利用ABAQUS仿真模拟往复式摩擦副干摩擦特性，提取摩擦过程中的速度特征，以振动烈度来量化摩擦振动，分析了仿生密度所激励出的摩擦振动对摩擦学特征值的影响。结果表明，由同一种密度的仿生副所产生的摩擦振动、温度、摩擦应力、磨损深度都具有相同的效果，振动烈度摩擦学特征值曲线呈递增趋势，合理的仿生密度可以起到减振、消磨、降温的作用。关键词:摩擦学特性;仿生密度;摩擦振动;ABAQUS1引言研究表明，带有一定程度的非光滑摩擦表面具有更好的耐磨性能13。非光滑摩擦表面通常以耦合仿生单元的形式，制备出具有一定分布密度与尺寸的仿生表面，其分布密度对耐磨性能的影响具有重要的作用。瑞典学者Hammerstrom等4认为通过增加摩擦副摩擦面的局部粗糙度，可以减小摩擦振动与噪声。申龙章、Ko等5，6通过对摩擦副施加外部振动的方法，达到了控制摩擦振动、消减磨损量的目的。通过研究仿生密度激励的摩擦振动对摩擦学特性的影响，寻找合理的仿生密度，对于减少摩擦磨损、降低摩擦温度具有重要的意义。由于仿生密度分布十分复杂，不适合大量实验，因此本文采用有限元仿真模拟干摩擦条件下的往复式滑动摩擦，细化仿生密度的分布，从而找出仿生密度激励的摩擦振动与摩擦学特性的规律。2有限元仿真采用往复式干摩擦模型，在98m/s2的重力载荷下，固定端与往复式滑动的仿生表面自由接触。初始速度为40mm/s，x轴负方向，耦合上仿生表面的滑动端前后两个面加载上变速载荷，使得摩擦模型在4s中循环两次。模型尺寸为固定端33mm20mm10mm，滑动端15mm35mm60mm，材料采用45钢7。仿生单元采用正四棱锥椎体，底面边长1mm，深度05mm。由于仿生面积有限，因此仿生单元的分布存在不均匀的情况，为使仿真数据采样更科学，采用两种仿真方案:间距分布和数量分布。间距分布如图1a所示:固定仿生面左上角一个仿生单元的位置，通过改变横纵方向上间距L、C，改变仿生密度。数量分布如图1b所示:在仿生面固定一个区域，使仿生单元等间距分布，通过改变横纵方向上仿生单元的个数M、N，改变仿生密度。3试验结果31摩擦学特性如图2所示，摩擦学特性值(即最高温度、平均温度、平均摩擦应力、平均磨损深度)的分布规律基本相同，均以波动状曲面为主。横向间距在12m，纵向间距在125以下的矩形范围内，摩擦情况较为理想，摩擦学特性值较小。同时摩擦温度、摩擦应力、磨损之间的极值基本互相对应。32振动仿真以滑动端的输出速度来表征摩擦振动。如图3所示，摩擦学特性值随摩擦振动幅度增大而增大。结果表明仿生结构表面通过激励摩擦振动，使得摩擦学特性有较大的改变。与无仿生单元的结构相比，合理的仿生密度与其分布方式可以达到减振降磨的效果，而不合理的仿生密度与其分布方式则会加重摩擦振动，使得摩擦学特征值增大。这与文献5，6，8，9的研究结果基本一致。图4所示的振动烈度间距关系图表明，振动烈度与仿生密度的曲面的波动情况与对应的摩擦学特性值曲面相似，可见由仿生单元激励的摩擦振动对摩擦学特性值有着较大的影响。33摩擦振动特性曲线如图5所示，建立振动烈度摩擦学特征值曲线(即摩擦振动特性曲线)，以此分析摩擦振动对摩擦学特性的具体影响。四种摩擦学特性值关于振动烈度呈递增关系。普通对照组的振动烈度为0224464，基本位于曲线的中部。可见由仿生密度激励的摩擦振动变化较大，当摩擦振动数值较大时，其对应的摩擦学特性值也较大，这与消振减磨、增振加磨的实际规律相符1，6，8，9。4结语(1)仿生密度对于摩擦学特性值的影响是基本统一的，即一种密度的仿生副产生的4个摩擦学特性值具有相同的趋势。(2)通过定义振动烈度，量化摩擦振动，构建振动烈度摩擦学特性值曲线，结果表明摩擦振动与摩擦学特性值是递增趋势。(3)仿生单元可以改变摩擦过程中的振动情况，合理的仿生单元密度可以起到减振、消磨、降温的作用。