沟槽型织构化表面摩擦噪声特性试验研究

用电火花加工方法在制动盘蠕墨铸铁材料表面加工出不同沟槽宽度和间距的沟槽型表面织构,在自行研制的新型摩擦噪声试验装置上,采用球-平面接触方式,选取直径10 mm的GCr15球为对摩副,对沟槽型织构表面和光滑表面进行摩擦噪声对比试验,研究沟槽型织构对摩擦噪声的影响.结果表明:本试验条件下沟槽型表面织构的尺寸及分布对摩擦噪声具有重要影响,一定尺寸及分布的织构表面可明显降低摩擦噪声.本试验条件下的摩擦噪声产生主要归因于接触表面的不平顺、磨屑层不均匀分布以及犁削作用等界面因素,这些因素导致了界面摩擦力高频成分的产生,当其与系统的自然频率耦合时,将引起摩擦系统强烈的自激振动并最终产生摩擦噪声.而摩擦界面存在尺寸分布合理的沟槽型表面织构,将能提高界面排屑能力并打断摩擦界面连续的接触,扰乱摩擦系统的自激振动,抑制摩擦噪声的产生.     

表面形貌对滑动接触界面摩擦行为的影响

为了研究表面形貌对拉延形成的滑动接触界面摩擦行为的影响,设计了一种新型的摩擦试验装置.在油润滑条件下,针对具有单向沟槽、规则圆形凹坑和随机表面的铝合金试样,以不同滑动速度与接触压力进行一系列摩擦试验.利用非接触式三维轮廓仪测量出试验前后试样的三维表面形貌参数,并选取表面高度算术平均偏差Sa,表面支承指数Sbi,中心区空体体积Vvc和谷区空体体积Vvv来分析滑动接触界面表面形貌的变化规律.结果表明:规则圆形凹坑表面比单向沟槽表面和随机表面具有较低的摩擦系数;在相对低的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而减小,但在高的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而增大;在接触压力一定的情况下,3种表面的摩擦系数对滑动速度有显著依赖性;表面形貌、滑动速度和接触压力是影响滑动接触界面摩擦行为的重要因素.     

表面粗糙度对摩擦尖叫噪声特性的影响

采用不同结构刚度的测量装置,对光滑表面和喷砂处理表面进行滑动摩擦噪声对比试验,研究不同粗糙度表面在不同试验装置上的摩擦尖叫噪声特性及其对摩擦尖叫噪声的影响和作用机理.结果表明:摩擦表面粗糙度和磨损情况对摩擦尖叫噪声的产生及演变具有重要的影响,表面粗糙度越大的喷砂处理表面能更明显地抑制界面摩擦尖叫噪声的产生.本试验条件下,磨屑堆积和黏着剥落等磨损特征对应的黏着撕裂作用更易引起摩擦力高频成分的产生并导致较高强度的尖叫噪声,而喷砂处理的粗糙表面能减轻这些界面因素的形成,削弱摩擦力高频成分,抑制摩擦尖叫噪声的产生.     

表面形貌变形对塑性成形滑动接触界面摩擦的影响

为了更好地理解塑性成形滑动接触界面的摩擦行为,构建了一种新型的摩擦试验装置,运用表面纹理化技术制备了两类表面形貌的1050铝材试件,在不同的接触压力和滑动速度条件下进行一系列拉伸摩擦试验.对试验前后试件三维表面形貌进行了测量;提取真实接触面积比、封闭空体面积比和开放空体面积比等三维表面参数,来描述试件表面形貌的变化.试验发现:摩擦系数随名义接触压力和滑动速度增加而逐渐减小;试件初始表面形貌对摩擦有明显的影响;试件表面形貌和参数随接触条件出现了规律性变化.基于机械流变模型的分析表明:随着试件表面形貌变形,不同的机理决定界面摩擦行为,摩擦系数对名义接触压力和滑动速度的依赖性可分别归因于微观塑性流体动压润滑效应和入口区流体动压牵引效应.     

实现振动解耦的摩擦学行为模拟试验台设计方法

摩擦学行为研究对认识界面摩擦磨损特征，揭示摩擦自激振动产生机理及演变规律，保证摩擦系统的可靠运行具有重要意义.目前的摩擦学行为模拟试验装置由于刚性连接方式对界面摩擦振动响应的干扰，难以精确开展摩擦学行为研究和材料磨损性能评估，亟需隔离摩擦界面与机械连接部件之间的耦合振动.为此，基于气浮轴承设计了1种可实现振动解耦的摩擦学行为模拟试验台，通过锤击试验以及与非振动解耦摩擦试验机的对比试验，测定并验证了试验台振动解耦功能的有效性.锤击试验表明，未充气状态下在气浮轴承轴套处检测到多个频率，而充气状态下仅有较低的单一频率存在.摩擦学对比试验发现，随着法向载荷或往复滑移频率的增加，振动解耦试验台测得的振动加速度均方根变化率线性增加，而非振动解耦试验机的振动加速度均方根变化率呈先增后减的趋势，存在明显差异.因此，该摩擦学行为模拟试验台成功实现了摩擦界面与机械连接部件之间的振动解耦，为进一步精确探究界面摩擦学行为的影响因素和演变规律、揭示摩擦自激振动产生机理以及在对比评估不同材料摩擦磨损性能时排除摩擦学设备的影响方面提供了新的思路及有效的手段.     

模拟原子氧环境的真空摩擦试验装置

将超高真空系统、原子氧束流源和球-盘式摩擦试验机优化集成,研制出可在地面实验室条件下模拟低地球轨道原子氧和超高真空环境的摩擦试验装置.所研制的试验装置在无油真空环境下工作,极限压强达2.0×10-7Pa,漏率小于2.0×10-11Pa·m3/s;原子氧束流的通量密度大于3.0×1019atoms/m2·s,能量1～10eV,束流直径40mm,辐照距离达100mm,在1～100mPa气压范围内工作状态稳定;球-盘摩擦试验机的法向载荷为1～10N(最大接触压强达1.5GPa以上),试盘转速在0～3000r/min范围内连续可调,摩擦力可精确测量并连续记录.采用所研制的试验装置和CZM-1真空摩擦试验机对MoS2溅射薄膜试样进行比对试验,结果表明,所研制的装置具有较高的可靠性和较好的可比性.该装置可用于研究材料在地球低轨道环境中的摩擦学性能和破坏机制,为空间摩擦学研究提供基本试验手段和技术保障.     

冰面上轮胎摩擦牵引力的实验研究

研制开发了测试冰雪面轮胎力学特性的试验装置,该装置具有可作往复运动的平台冰槽。在不同冰基体温度下,分析了轮胎摩擦引力受侧偏角,载荷和轮胎充气压力的影响,从试验角度论证了轮胎中央充放气系统对改善冬季轮胎牵引性能的作用,该装置的建立将有利于轮胎新结构和新材料的开发,并起到完善现有轮胎力学模型的作用。     

超声马达转子摩擦材料厚度对驱动性能的影响研究

制备了一系列不同厚度的摩擦材料 ,利用超声马达摩擦特性模拟试验装置 ,研究了摩擦材料厚度对超声马达空载转速和堵转力矩的影响 .基于一个简化的行波超声马达定子和转子接触模型 ,用有限元法计算了定子和转子接触变形随摩擦材料厚度的变化规律 ,提出了定子和转子具有合理接触变形的摩擦材料厚度范围 .根据试验和理论计算结果确定了摩擦材料最佳厚度 ,为超声马达摩擦材料厚度设计提供了理论依据     

电接触材料摩擦学研究进展

电接触材料在生活生产应用中发挥着重要的作用，但其面临着较为复杂的摩擦磨损问题，因此对电接触材料的研究至关重要. 文章从摩擦学角度出发，综述了当前几种常见的铜基、银基和金基电接触材料的特点以及存在的问题，分析了不同接触载荷、电流和滑动速度等条件下电接触材料的载流摩擦学行为、载流摩擦磨损机制、计算模拟研究以及当前还存在的问题. 提出未来应发展石墨烯等性能优异的新型电接触材料以及加强对多因素耦合作用下电接触体系的摩擦磨损行为和失效机制的研究，这将为未来电接触材料摩擦学的研究发展提供一定的参考价值.      

高速列车制动闸片摩擦块形状对制动界面摩擦学行为的影响

在自行研制的高速列车制动缩比试验台上,对六边形、五边形和圆形摩擦块进行拖曳制动试验,研究摩擦块形状对高速列车制动界面摩擦学行为的影响,并采用有限元方法分析了不同摩擦块形状下制动界面接触行为的差异,探讨了摩擦块形状对接触压力分布及表面热分布的影响. 结果表明:摩擦块形状显著影响了制动界面磨损特性及接触压力分布,使得制动盘产生不同的温度分布现象. 在本试验条件下,六边形摩擦块表面磨损轻微,接触平台大小较为均匀,而五边形和圆形摩擦块表面呈现明显的犁沟和剥落特征,且大接触平台占比较高;六边形摩擦块与制动盘拖曳制动过程,界面具有较大的接触面积,使得接触压力分布较为均匀,表现出较好的接触行为,而五边形和圆形摩擦块的接触行为相对较为复杂,与之对摩的制动盘产生明显的热聚集现象.      

不同法向力和纹理间距下的手指皮肤感知能力研究

手指与物体表面接触摩擦过程中会产生压缩、拉伸等机械变形,这一过程中包含丰富的触觉信息,对人体感知外界环境具有重要意义.针对当前研究中难以将摩擦信号与人体主观感受相结合的问题,采用UMT-II多功能摩擦磨损试验机对受试者食指部位施加不同的恒定法向载荷来模拟触摸力,通过改变触摸样品的纹理间距、接触介质及直径,对木棒数目做出判断.结果表明:指尖滑过试验样品时所受周期性压力变化曲线可以反映受试者的摩擦感知状况;随着法向力及样品纹理间距的增大,受试者判断的准确性逐步提高,摩擦感知能力增强;指尖与样品之间的润滑介质减小了手指皮肤与样品间的摩擦力,从而降低了受试者感知判断的准确性;直径较大的一组样品引起指尖皮肤的变形较大,受试者摩擦感知灵敏性增强.     

紫外照射对FOTS自组装分子膜表面特性和摩擦特性的影响

利用自组装技术在硅基底制备FOTS自组装分子膜,对FOTS自组装分子膜进行紫外照射.采用接触角测量仪、原子力显微镜(AFM)、傅里叶红外变换光谱仪(FTIR)、X光电子能谱(XPS)和多功能摩擦磨损试验机(UMT)评价薄膜的表面特性和摩擦学特性.结果表明:FOTS自组装分子膜的蒸馏水接触角为109°.紫外照射导致C元素被O₃氧化,形成亲水的-COOH末端基团,使其接触角变小,表面粗糙度增大.在微载荷下,FOTS自组装分子膜和经不同时间紫外照射的FOTS自组装分子膜均可降低硅基底的摩擦和磨损.紫外照射后使FOTS自组装分子膜的摩擦系数增大,磨损加剧,这与其表面结构和润湿性变化相关.     

Nonlinear dynamics of an elastic rod with frictional impact

A model is presented for the impact with friction of a flexible body in translation and rotation. This model consists of a system of nonlinear differential equations which considers the multiple collisions as well as frictional effects at the contacting end, and allows one to predict the rigid and elastic body motion after the impact. The kinetic energy is derived by utilizing a generalized velocity field theory for elastic solids. The model uses a dry coefficient of friction and a nonlinear contact force. We introduce a finite number of vibrational modes to take into account the vibrational behavior of the body during impact. The vibrations, the multiple collisions, and the angle of incidence angle, are found to be important factors for the kinematics of frictional impact. Analytical and experimental results were compared to establish the accuracy of the model.     

Pitting formation under rolling contact

The mechanism of pitting caused by rolling contact is analyzed using the fracture mechanics approach. The governing factors are the initial crack length, crack angle, contact force, friction, strain hardened layer, and the hydraulic pressure of trapped fluid acting on the crack surface. Mode I and II stress intensity and the strain energy density factors are calculated by application of the two-dimensional finite element method. The strain energy density criterion is applied to show that shallow angle crack under small rolling contact force and friction enhances the probability of pitting under the roller’s running surface. The presence of a strain hardened surface layer also tends to affect the fracture behavior. The analytical results agree well with the experimental observations.     

考虑摩擦因素的结合面切向接触刚度分形预估模型及其仿真分析

为建立更完善和精确的结合面接触刚度模型,本文根据分形理论和摩擦学原理,从微观角度建立了考虑摩擦因素的结合面切向接触刚度分形预估模型.通过数值仿真分析研究了接触载荷、分形维数、摩擦系数和接触面积等因素对结合面切向接触刚度的影响.分析结果表明:结合面切向接触刚度随法向载荷和分形维数的增加而增大,而随分形尺度参数的增大而减小;摩擦系数对结合面切向接触刚度的影响较大,不同实际接触面积下的切向刚度相差较大;当分形维数较小时,摩擦系数对结合面切向刚度的影响将降低.这些研究对于进一步开展结合面的动力学特性研究具有重要意义.     

天然关节软骨与医用不锈钢摩擦磨损行为研究

采用天然关节软骨与不锈钢摩擦副在往复运动试验机上进行关节软骨的摩擦学试验研究,探讨载荷、速度、润滑和作用时间对摩擦磨损行为的影响并分析其作用机理,并对摩擦磨损前后的软骨表面进行分析.结果表明:随着载荷从10 N增至22 N,软骨与不锈钢间的摩擦系数从0.147降至0.117;在同样的润滑和压力下,速度越大软骨和不锈钢的摩擦系数越小;透明质酸溶液可以有效降低软骨与不锈钢之间的摩擦,长时间试验后摩擦系数基本保持在0.23左右.试验后软骨表面出现磨损并伴有大量磨损颗粒,表面有明显的划痕出现,磨粒的粒径大小分布范围较窄,小尺寸的磨粒数目较多.     

正畸弓丝与托槽间摩擦力建模及试验研究

正畸矫治过程中,正畸弓丝与托槽间的相对滑动趋势将产生摩擦力,进而降低有效矫治力,影响矫治的性能和效率. 针对目前正畸摩擦力预测方法量化预测精度低的问题,依据正畸弓丝与托槽间的几何关系、力学关系及物理参数,提出一种基于分力叠加原理的计及接触角度的正畸摩擦力预测模型建立方法. 探究影响正畸摩擦力的主要因素以及变化规律,提出采用有限滑动法测量正畸摩擦力,搭建了基于六维力传感器的正畸摩擦力测量系统,进行了不同弓丝-托槽组合和不同接触角度的摩擦力测量,试验数据与预测模型的理论数据间误差率处于0.55%~9.65%之间,证明该预测模型可为医师明确正畸矫治器参数-摩擦力-矫治力的关系提供理论依据,为实现数字化正畸提供理论支撑,保证个性化正畸方案的高效、高可靠性和高舒适度,最终达到轻力矫治的效果.      

Analytical and experimental investigation on friction of non-conformal point contacts under starved lubrication

This paper presents an analytical and experimental study on the friction of non-conformal point contacts (ball-on-disk) under starved lubrication. Theoretical models were developed to simulate the behavior of friction and separation versus the degree of starvation while experimental measurements were conducted by using a Tribometer equipped with a torque sensor and a digital camera, which provided the possibility to use the optical interferometry technique simultaneously with measuring the friction. The effect of air-oil meniscus distance from the center of Hertzian contact on the friction between non-conformal surfaces was observed under starved conditions in sliding motion by capturing interferometric images. In addition, the reduction of friction by artificially-produced shallow micro-dents was investigated under severely starved and fully flooded conditions. Results show that the coefficient of friction increases dramatically when the air-oil meniscus starts to touch the circle of Hertzian contact and there is not such a significant difference in the friction between starved and fully flooded contacts since the air-oil meniscus is far away from the borders of Hertzian contact. In other words, the starvation of lubrication causes a high level of fatigue and wear of machine components when there is interference between the air-oil meniscus and the Hertzian contact. However, it was found that shallow micro-dents are helpful in reducing the friction under severe starvation conditions while the benefits of micro-dents are negligible for fully flooded conditions.     

碳纤维束-圆辊细观接触行为研究

为探索碳纤维束-圆辊的接触机制,本文中采用自制摩擦模拟试验装置,结合薄膜压痕法分析了纤维束接触部位的三维(3D)表面形貌,研究了预加张力和接触角度对碳纤维束-圆辊接触面积的影响规律. 结果表明:碳纤维束-圆辊接触面内的纤维束取向度是影响接触面积的关键因素,当接触角度从60°增加到170°时,纤维束取向度逐渐减小,碳纤维束-圆辊接触面积也逐渐减小,且接触角度为60°时的接触面积是170°时的22倍;当预加张力从0.19 N增加到1.47 N时,纤维束取向度逐渐增大,碳纤维束-圆辊接触面积逐渐增大,且预加张力为1.47 N时的接触面积是0.19 N时的2倍. 在Hertz接触理论的基础上,考虑纤维束取向度建立碳纤维束-圆辊接触面积的理论预测模型,通过试验数据验证了该模型能够准确预测碳纤维束-圆辊的接触面积.