粗糙表面的摩擦触觉感知研究

本文中研究了手指触摸粗糙表面的摩擦振动特性、脑电生理反应和主观评价,为产品触感舒适性和抓握可靠性设计以及产品触感量化表征提供理论依据. 研究结果显示:随着表面轮廓算术平均偏差和轮廓单元平均宽度的降低,摩擦系数和功率谱重心逐渐增大,垂直偏差逐渐降低;垂直偏差、功率谱重心和摩擦系数特征参数能够反应粗糙表面的形貌特征变化,并且与人的主观感知评价一致,可以用来定量表征人对材料表面粗糙度、细致度和黏着度的感知. ERP曲线的P200成分峰值与接触表面的粗糙特征相关,粗糙度大的表面诱发的P200峰值高;P300成分与人的主观认知判断有关,粗糙感强、细致感差及黏着感低的表面诱发的P300峰值高且潜伏期短. 研究表明,材料表面的粗糙特性通过影响皮肤的接触摩擦行为,进而影响人脑的触觉感知和主观评价. 表面摩擦振动特性、人脑电生理反应和触感主观评价具有相关性,三者结合是系统研究粗糙表面摩擦触觉感知的有效手段.      

织物表面摩擦特性测试装置及试验研究

为了评价织物表面的摩擦特性,表征织物和皮肤接触过程中摩擦力的动态变化信息,研制了一种能测试织物表面动态摩擦特性的机械测试装置,该装置集成了机械装置、传感器及控制系统,能一次性测试织物的静、动摩擦系数.基于测试过程中采集的原始数据,定义了摩擦功、静摩擦系数及动摩擦系数3个指标来评价织物表面的摩擦特性.试验采用12种典型的织物样本,对织物的表面摩擦特性进行了客观测试及主观评价,并在日本Kawabata KES-FB4系统上进行了对比试验.结果表明:针对12种典型的织物样本,3个评价指标均存在着显著的差异,牛仔布具有最大的静摩擦系数,经编网眼针织布具有最小的静摩擦系数,与常理相符.客观测试得到的动态指标摩擦功和主观评价的结果具有一致性.本测试装置得到的动态摩擦系数和KES-FB4测试得到的平均摩擦系数也具有一致性.该测试装置可以为相关领域的研究提供一种新的测试手段.     

电极电势对氮化硅／黄铜滑动摩擦副摩擦磨损性能的影响研究

在自制摩擦磨损试验机上考察了黄铜表面电极电势的变化对氮化硅 /黄铜滑动摩擦副摩擦磨损特性的影响 .结果表明 ,在不同的电势区间内 ,摩擦系数表现出不同的变化趋势 ,特别是在 - 1.4～ - 1.0 V电势区间内摩擦系数表现出可控性 .利用扫描电子显微镜观察发现 ,在摩擦系数可控区摩擦系数有所增大但磨损并未加剧 .根据黄铜在润滑液中的循环伏安曲线可以初步推断 ,在不同的电势区间内 ,电化学反应的不同是引起摩擦系数变化的主要原因     

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.     

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.     

水深对POM摩擦学性能的影响

本文中以聚甲醛(POM)作为摩擦副材料,与不锈钢(0Cr17Ni12Mo2)配对,研究了POM在0~300 m不同模拟水深(去离子水)中的摩擦磨损性能,并与大气压下干摩擦进行对比,试验目的主要是探寻水深变化引起的水环境压力变化对POM材料摩擦磨损性能的单因素影响.采用白光共焦三维轮廓仪与扫描电子显微镜对试验前后的表面形貌进行测量与分析.结果表明:模拟水深对POM磨损深度及POM/0Cr17Ni12Mo2摩擦副的摩擦系数有较大影响,且有明显规律;在0~300 m模拟水深(去离子水)范围内,随着模拟水深深度的加大,POM的磨损深度和POM/0Cr17Ni12Mo2摩擦副的摩擦系数均有所减少;模拟水深对试样摩擦后的表面粗糙度无明显影响;对主导的磨损机理无明显影响.     

引入特征粗糙度参数的Stribeck曲线试验研究

为探讨表面粗糙度对Stribeck曲线的影响,对不同初始表面的不锈钢销试件与45#钢盘试件在浸油润滑条件下进行摩擦磨损试验,研究摩擦系数的变化规律.结果表明:摩擦副表面越粗糙,对应Stribeck曲线上混合润滑区域面积越大,曲线斜率越小,使得不同表面粗糙度下的摩擦系数试验模型不具有唯一性.因此,将由分形参数导出的能客观表征粗糙表面的"特征粗糙度"参数引入Stribeck动压参数,从而提出新的动压参数.在新的动压参数下,具有不同表面粗糙度摩擦副的Stribeck曲线具有较好的一致性,继而可建立与粗糙度无关的摩擦系数试验模型.     

外加极化电位对双相不锈钢在硫酸介质中腐蚀磨损及摩擦性能的影响

利用专门设计制造的腐蚀磨损试验机，对在不同经电位下双相不锈钢于硫酸介质中的腐蚀员行为和摩擦性能进行了试验研究，并且借助于扫描电子显微镜地度样的磨损表面作了观察与分析，结果表明：采用适当的阴极保护有效地降低双相不锈钢的腐蚀磨损率；在钝化电位下在损率在比在自然电位和阴极保护电位下的都高；外加极化电位在阴极保护电位区或腐蚀电位相当时，摩擦系数民位下的低；钝化区的摩擦系数比自然电位下的高，可见此时钝化膜的     

人手指腹与光滑物体间的静摩擦力与湿度和抓持力的关系

为了研究人手指抓持表面光滑物体时静摩擦力与湿度和抓持力的关系，在本研究中设计并制作了一种可在被抓持物体的重量连续变化的条件下测量指腹变形、抓持力及摩擦力的装置. 在不同湿度和被抓持物体重量的条件下测量并分析了指腹变形及其与表面光滑物体之间的最大静摩擦系数，通过指腹变形量度量指腹与被抓持物体之间的黏着力，以此分析湿度对最大静摩擦系数的影响机理. 结果表明:最大静摩擦系数依存于抓持力，随抓持力的增加先呈负幂函数变化，然后稳定为一定值；湿度会影响指腹与被抓持物体之间的黏着力，从而影响抓持的最大静摩擦力；潮湿时黏着力最大，抓取表面光滑物体最省力且不易打滑；湿度对最大静摩擦系数的影响是非线性的，最大静摩擦系数随湿度的增加而增加，到达峰值后逐渐减小.      

相对湿度对类金刚石薄膜摩擦磨损性能的影响

利用等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅表面制备了含氢类金刚石薄膜,在球-盘摩擦磨损试验机上考察了相对湿度对薄膜摩擦磨损性能的影响,利用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪观察和分析其磨损表面形貌和化学状态的变化情况.结果表明,随着相对湿度增加,DLC薄膜的摩擦系数和磨损率增加.这主要是由于薄膜表面氧化作用所致.     

不同尖锐度纹理形状的摩擦触觉感知与表征研究

通过开展触觉感知不同尖锐度纹理形状的接触摩擦特性、主观认知行为和功能核磁共振试验,从皮肤的“感”、大脑的“知”和主观的“评”全面系统地对不同纹理形状的摩擦触觉感知进行了量化表征研究. 研究表明:接触摩擦力、主观评价、激活脑区面积和强度是表征摩擦触觉感知的有效参数. 触摸不同纹理表面的摩擦力中黏着摩擦力比形变摩擦力占比大,触摸平角纹理的摩擦力最大,尖角纹理的摩擦力最小. 黏着感主要受接触面积和黏着摩擦力的影响;尖锐感主要受触觉感受体所受应力和形变摩擦的影响;而舒适感受到表面摩擦机制和触觉感受体所受应力综合影响. 触觉感知纹理形状激发的大脑功能区以躯体感觉皮层为主,激活脑区主要位于中央前回和后回. 触摸过程的舒适感与激活脑区大小和强度成反比,舒适感差的纹理激发的脑区范围和强度大,且存在负激活现象.      

蠕墨铸铁／40Cr配副干摩擦三维表面形貌特征研究

采用探针式三维表面形貌仪考察了销－盘式干磨擦试验条件下蠕墨铸铁度销磨损表面的三维形貌特征。结果表明：度销磨损表面主要呈现犁沟型、孤岛型及二者的混合型３种形貌特征,其中具有孤岛型磨损表面形貌特征的试样的摩擦系数较高,磨损率较低;而具有犁沟型磨损表面形貌特征的试样的摩擦系数最低,磨损率最高,分析表面形貌参数发现：犁沟型表面形貌具有最大的表面高度偏差和表面空隙率及高负值的表面高度分布参数;而孤岛型表面形貌的表面高度偏差和表面空隙率最小,表面高度分布参数为高正值。     

Unsteady MHD mixed convection flow over an impulsively stretched permeable vertical surface in a quiescent fluid

The unsteady mixed convection flow of an incompressible laminar electrically conducting fluid over an impulsively stretched permeable vertical surface in an unbounded quiescent fluid in the presence of a transverse magnetic field has been investigated. At the same time, the surface temperature is suddenly increased from the surrounding fluid temperature or a constant heat flux is suddenly imposed on the surface. The problem is formulated in such a way that for small time it is governed by Rayleigh type of equation and for large time by Crane type of equation. The non-linear coupled parabolic partial differential equations governing the unsteady mixed convection flow under boundary layer approximations have been solved analytically by using the homotopy analysis method as well as numerically by an implicit finite difference scheme. The local skin friction coefficient and the local Nusselt number are found to decrease rapidly with time in a small time interval and they tend to steady-state values for t*≥5. They also increase with the buoyancy force and suction, but decrease with injection rate. The local skin friction coefficient increases with the magnetic field, but the local Nusselt number decreases. There is a smooth transition from the unsteady state to the steady state.     

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.     

迷彩服织物与人体肘部皮肤摩擦特性研究

在往复摩擦模式下模拟迷彩服穿着环境,研究了5种不同迷彩服织物的表面结构、亲疏水性、接触力值以及干湿状态对皮肤摩擦特性的影响.结果表明:在法向载荷为1 N时,湿态下的环境增强了织物与皮肤间的黏着力,织物与皮肤在湿态下的摩擦系数均高于干态;当法向载荷增加到5 N时,界面间的干湿状态对织物与皮肤的摩擦系数无明显影响.在干态时,不同迷彩服织物与皮肤的摩擦性能与织物的材质和针织结构有关,纯棉材质和斜纹结构的织物与皮肤的摩擦系数较小;在湿态时,不同迷彩服织物与皮肤的摩擦性能与织物的亲疏水性有关,疏水性强的织物由于增强了皮肤的水合作用以及界面间的粘附力,因此增加了织物与皮肤的摩擦系数.质地较硬的平纹结构织物易造成摩擦后的皮肤表面粗糙,造成皮肤不同程度的角质层分离及表皮撕裂,增加了皮肤表面损伤的风险.     

汗液对皮肤摩擦特性的影响研究

采用人工汗液模拟人体汗液,在连续和间歇式往复摩擦运动模式下研究汗液对正常人体皮肤、穿戴假肢皮肤以及残肢疤痕皮肤摩擦性能的影响,并模拟假肢穿戴环境研究汗液对皮肤摩擦舒适度的影响. 结果表明:在法向载荷为0.2 N和0.7 N的连续和间歇式往复摩擦运动模式下,汗液均通过改变皮肤表面的物理化学性能而对皮肤的摩擦行为产生影响;在汗液逐渐干燥的过程中,皮肤的摩擦行为从粘着向相对滑移状态转变,摩擦系数变化经历从小到大再减小、最后达到稳定的过程;在法向载荷为8.0 N、模拟假肢穿戴环境的连续式往复摩擦运动模式下,汗液环境中的正常小腿皮肤、穿戴假肢皮肤和残肢疤痕皮肤的摩擦系数均大于干燥环境.根据皮肤在摩擦过程中的疼痛感、牵扯感和灼热感等同时提出皮肤摩擦舒适度概念,与干燥的假肢穿戴环境相比,汗液均加强了不同皮肤的摩擦不舒适感.     

横倾状态下地板表面形貌对人体步进摩擦的影响

人体在行走过程中足底与地面之间产生的间歇性摩擦现象称为步进摩擦，地板表面形貌作为步进摩擦的重要影响因素之一而受到广泛关注. 现有研究成果多是基于水平路面，对坡度道路，特别是横倾状态下地板表面形貌对人体步进摩擦的影响研究较少. 本文作者以普通碳钢作为地板材料，机械加工出不同的表面形貌，利用止滑试验机研究了水平状态下地板表面形貌与其能够提供的最大临界摩擦系数的关系，利用步进摩擦试验平台研究了横倾状态下地板表面形貌对人体步进摩擦的影响. 结果表明:水平状态下，随着表面粗糙度的增大和表面纹理间距的减小，临界摩擦系数与人体行走实际所产生的有效摩擦系数均增加，防滑性能提高；横倾状态下，随着路面横倾角度的增大，有效摩擦系数及其侧向分量增大，侧滑风险提高；地板表面纹理排列方向对有效摩擦系数的影响明显，横向分布的防滑性能优于纵向.      

Transient flows of a second grade fluid

Exact analytical solutions for a class of unsteady unidirectional flows of an incompressible second-order fluid are constructed. The flows are generated impulsively from rest by motion of a plate or two plates or by sudden application of a pressure gradient. Expressions for velocity, flux and skin friction are obtained for both large and small times. It is found that large and small times solutions are dependent on the coefficient of viscoelasticity. The solutions corresponding to Newtonian fluids can be easily obtained from those for fluids of second order by letting the viscoelastic parameter to be zero.