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.      

载荷和电压对纯铜滚动载流摩擦学性能的影响

基于FTM-CF100型滚动载流摩擦试验机,研究了纯铜滚动载流摩擦副在不同载荷和外加电压下的性能变化规律,并利用扫描电子显微镜、白光干涉三维形貌仪等对摩擦表面进行微观分析,揭示了稳态运行时性能变化的机理.研究表明:增加载荷和增加电压均促进粗糙接触表面发生形变,真实接触面积的增加降低了接触电阻,摩擦区域粗糙度的改善提高了动态摩擦系数和动态电阻的稳定性.但电阻热促进材料黏着,因而同一载荷下载流摩擦系数高于单纯机械摩擦系数,且随外加电压的增加持续增加.     

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.     

表面粗糙度对UHMWPE微动摩擦磨损性能的影响

采用SRV-4微动摩擦磨损试验机,研究了在干摩擦和水润滑条件下,表面粗糙度对UHMWPE微动摩擦磨损性能的影响.结果表明:干摩擦时,随着UHMWPE表面粗糙度的增加,摩擦系数先降低后升高,比磨损率则单调递增.利用光学显微镜和扫描电子显微镜对磨损表面形貌进行分析观测,发现干摩擦时表面粗糙度较小的UHMWPE磨损表面有少量犁沟,并伴随轻微的塑性变形,随着表面粗糙度的增加,摩擦副接触表面间的黏合点增多,黏着磨损加剧,且在对偶钢球的表面形成转移膜.而在水润滑条件下,摩擦系数和比磨损率显著降低,随着表面粗糙度的增加,摩擦系数和比磨损率同干摩擦时的变化趋势一致,磨损以磨粒磨损为主.     

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.     

配副金属表面粗糙度对丁腈橡胶O型圈摩擦学特性的影响

UMT-3多功能摩擦磨损试验机上,以丁腈橡胶O型圈/316L不锈钢粗糙表面配副为研究对象,系统研究了配副金属表面粗糙度对丁腈橡胶摩擦学行为的影响,重点探讨了不同表面粗糙度下摩擦系数和磨损体积的变化规律、揭示了不同表面粗糙度下橡胶表面的损伤机制.结果表明:表面粗糙度对丁腈橡胶O型圈的摩擦磨损有重要影响;随着表面粗糙度的增加,稳定阶段的摩擦系数呈先降低后升高的变化趋势.当表面粗糙度在Ra为0.1μm左右时,丁腈橡胶表现出较低的摩擦系数和材料磨耗,磨损表面呈现出典型的花纹磨损特征;而过高或过低的表面粗糙度下丁腈橡胶均表现出较高的摩擦系数和材料磨耗,其磨损机制以黏着磨损和疲劳磨损为主.     

界面润湿性和粗糙度对橡胶滑动摩擦行为的影响

当黏弹性体接触界面介于湿和干之间时，总是捕捉到1个高于干摩擦的润湿状态，称为黏着态.该状态下最大摩擦系数称为摩擦峰.本文中利用涂覆不同材料的载玻片探究了界面润湿性(θ)和粗糙度(Ra)对摩擦峰的影响.摩擦试验发现，干燥条件下，Ra相近时，PDMS半球与θ较小的表面，摩擦更大；θ相近时，与Ra较小的表面，摩擦更大.润湿转变试验中发现，黏着态下摩擦系数最大增长百分比(Δμ%)与滞后位移增长百分比(ΔS%)之间呈较好的线性关系.摩擦系数与滞后位移的增长与接触表面间残余液滴有关.试验发现：光滑载玻片表面的Ra相近时，θ较小的表面，摩擦峰较低；θ相近时，Ra较小的表面，摩擦峰较低.该结果表明，黏着态下接触区域内微液桥的数量和形状对摩擦峰具有重要影响.     

基于表面粗糙度影响的摩擦声发射特性研究

接触表面粗糙度是影响摩擦的重要因素之一,而摩擦为复杂的动态过程,在线测量非常困难.为了研究表面粗糙度对摩擦的影响,利用声发射技术对不同粗糙度表面的摩擦过程进行了检测.研究结果表明：摩擦系数随着表面粗糙度的增大而增大,但当粗糙度增至一定程度时,摩擦系数随着表面粗糙度的增大而减小;声发射信号各参数（振铃计数、振幅、能量）随表面粗糙度的变化规律与摩擦系数随粗糙度的变化规律一致;声发射信号各参数与表面粗糙度存在密切的对应关系,因此,用声发射技术实时监测摩擦过程是可行的.     

磨合过程中液体润滑实现超低摩擦的混合模型研究

针对球-盘滑动试验,在磨合过程中获得超低摩擦的液体润滑状态,建立耦合流体润滑、粗糙接触力学、Archard磨损方程和相关物理参数(液体黏度、表面粗糙度和磨损系数)时变函数的混合模型,研究磨合过程中液体润滑的摩擦系数演化. 通过数值模拟结果可知:在磨合过程中,润滑介质等效黏度增大,形成流体动压润滑薄膜,有效隔开粗糙表面;其次在磨合过程中,新生成的表面粗糙度降低,减少粗糙峰承载比,实现超低摩擦润滑状态;最后在适当的液体黏度和提高表界面效应减少边界摩擦系数,可进一步实现液体超低摩擦润滑状态. 为磨合过程宏观液体润滑性能演化所建立的混合数值模型对提高液体润滑超低摩擦设计效率具有重要价值意义.      

不同粗糙度煤岩界面超低摩擦效应与声发射特征试验研究

为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象,通过改变煤块与砂岩块体表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,以粗糙度系数表征煤岩界面粗糙程度,工作块体水平位移表征冲击过程中超低摩擦效应强度,声发射能量为工作块体摩擦滑动过程中的信号参数,进行应力波扰动下不同粗糙度煤岩界面超低摩擦试验.研究结果表明:(1)超低摩擦滑动过程中,工作块体水平位移、声发射能量计数以及累计能量曲线呈现出孕育阶段、激发阶段、稳定阶段变化特征;(2)煤岩界面粗糙度越小,工作块体水平位移和声发射能量峰值越大,煤岩界面越易发生超低摩擦效应;(3)不同煤岩界面粗糙度下,相比于其他扰动频率, 2 Hz时更易发生超低摩擦效应;(4)给出了声发射能量峰值与煤岩界面粗糙度系数对应关系.声发射能量峰值可以有效表征超低摩擦效应强度,可以用声发射能量峰值预测超低摩擦效应强度.     

45钢/PA66配副干滑动摩擦磨损性能研究

采用45钢销和尼龙PA66盘，运用正交试验法在MMW-1A万能摩擦磨损试验机上研究干滑动摩擦条件下速度、载荷和金属销表面粗糙R_a对45钢/PA66配副摩擦学性能的影响. 通过极差分析与方差分析发现:载荷、粗糙度对摩擦系数与磨损量有显著影响，而速度影响相对较小. 当载荷为50 N，速度为11.25 m/s，R_a为0.60 μm时，摩擦系数与磨损量最小. 基于正交试验的最优结果，开展控制变量试验，试验结果表明:载荷小于90 N时，PA66以黏着磨损为主；载荷为90 N时，PA66磨损形式为犁削磨损和黏着磨损. 载荷为140 N时，PA66的磨损形式为黏着磨损并伴有胶合现象的产生. R_a小于0.46 μm时，PA66以黏着磨损为主；R_a为0.46 μm时，PA66的磨损形式为黏着磨损和犁削磨损且在对偶金属销表面上形成连续的转移膜；R_a大于0.46 μm时，PA66以犁削磨损为主.      

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.     

摩擦诱发的事件相关电位认知成分特征研究

本研究旨在讨论人在探索物体表面时由物体表面摩擦属性的影响而引起的脑电变化.而事件相关电位技术是观测这一变化的理想手段.试验通过Neuroscan 64导事件相关电位采集系统来采集脑电信号,采用Oddball范式来诱发P300电位,并观察摩擦诱发的事件相关电位的认知成分P300的潜伏期和峰值特点.样本为摩擦系数不一样但其他属性基本一致的三种纸类.受试者通过手指主动触摸的方式判断物体表面摩擦力大小,观察此过程中的事件相关电位.试验发现,摩擦系数大样本诱发的P300的潜伏期小,峰值大.摩擦系数小的样本诱发的P300潜伏期大,峰值小.     

受限颗粒体对制动系统非线性振动的影响

制动系统在工作时,往往受到沙粒、尘土以及磨屑等受限颗粒体的影响,这些受限颗粒体在摩擦副中的高度分布具有较强的随机性,一定程度诱发了制动系统的非线性振动. 本文中基于制动片切向振动模型,引入了新的受限颗粒体摩擦模型,提出了用波动系数来描述受限颗粒体高度分布随机性的强弱. 发现在特定参数下,当此系数为0时,制动片切向振动为周期运动;但是当此系数不为0时,制动片切向振动呈现拟周期或混沌运动,此时的切向振动分岔特性图的稳定轨道也会出现数量或分布的变化,甚至表现出混沌特性. 同一时变信号内,受限颗粒体引发制动片切向非线性振动包括发散、收敛以及拟周期运动等多种形式.      

珩磨缸套表面粗糙度预测及多目标优化研究

为了对粗珩阶段缸套内孔表面粗糙度R_k粗糙度集中的R_k、R_pk和R_vk进行预测,进而对粗珩加工参数进行优化,以珩磨压力(P)、珩磨头旋转速度(V_R)和往复速度(V_Re)为决定因素,R_k粗糙度集为目标响应,进行多目标优化. 建立基于广义回归神经网络(Generalized regression neural network, GRNN)与响应曲面法(Response surface methodology, RSM)的粗糙度预测模型,并采用三因素三水平的全因子珩磨试验进行验证,结果表明所建立模型的预测结果与试验结果具有很好的一致性. GRNN预测模型决定系数R2的均值为0.959,RSM多元回归预测模型决定系数R2的均值为0.963,与RSM所建立的多元回归预测模型相比,GRNN预测模型在预测R_k和R_pk时,预测精度更高,预测误差更小,R2分别提高了0.025和0.020,在预测R_vk时RSM多元回归模型更优,R2提高了0.057. 进一步结合响应曲面法分析了3个决定因素对粗糙度的影响显著性并进行了排序,对于R_k:V_Re>P>V_R;对于R_pk:P>V_Re>V_R;对于R_vk:P>V_Re>V_R. 结合多元回归模型与NSGA-Ⅱ (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm Ⅱ)优化算法进行多目标优化,获得Pareto最优解的Pareto前沿.      

水环境下纳米SiO2增强超高分子量聚乙烯防滑性能的影响研究

超高分子聚乙烯材料因具有优良的耐磨性、耐蚀性和轻质性而逐渐应用在船舶甲板表面. 船舶甲板的湿滑、海浪冲击和颠簸环境严重影响甲板仪器设备和人员的平衡性,进而挑战其可靠性和船员人身安全. 为了提升超高分子聚乙烯(UHMWPE)材料在湿滑环境下表面防滑性能,采用具有高硬度和优异増摩性能的纳米二氧化硅(SiO₂)对其进行共混改性,探究不同体积分数的SiO₂在摩擦磨损试验过程中对UHMWPE摩擦系数的影响规律. 试验结果表明:一方面,纳米SiO₂在一定程度上削弱了水膜在纳米SiO₂改性UHMWPE复合材料的浸润能力和吸附性,使其从亲水性逐步向疏水性转变,改善湿滑环境下的防滑效果;另一方面,纳米SiO₂颗粒坚硬且不易变形的特性让其逐渐在摩擦磨损过程中显露出来,在外界载荷的作用下与陶瓷球之间形成啮合摩擦现象,导致UHMWPE的摩擦系数呈现上升趋势,最终表现出与干摩擦相近的摩擦系数,达到防滑需求. 研究结果对设计和制造一种能在湿滑环境下具有优异防滑性能的船舶甲板高分子复合材料提供理论支持.      

船用凸轮-挺柱副摩擦润滑性能研究

随着船舶柴油机功率密度和转速等性能参数的不断提升,配气凸轮-挺柱副面临着更加严苛的工作环境,尤其是界面微观接触区的摩擦学特性,在瞬态载荷冲击、速度冲击、曲率变化及局部粗糙峰接触条件下,界面摩擦及闪温迅速突变,带来磨损和胶合等表面失效问题. 本研究中基于先进三维线接触混合润滑模型,考虑凸轮-挺柱副瞬态突变工况及几何变化、瞬态表面粗糙度影响以及润滑油非牛顿流体作用,采用稳定性好、收敛速度快的准系统数值分析方法开展凸轮-挺柱副摩擦闪温分析,揭示粗糙度参数、工况改变及几何结构对其润滑状态和摩擦闪温特性的影响规律,为船舶柴油机配气凸轮-挺柱副摩擦学优化设计及磨损胶合失效预测提供理论指导.      

时变接触特性表面对界面摩擦学行为的影响

通过在锻钢基材表面沟槽中分别填充灰铸铁HT300、Mn-Cu合金和Mn-Cu阻尼合金材料获得具有时变接触特性的表面,并对锻钢光滑表面试样和时变接触特性表面进行摩擦学试验,研究不同时变接触特性表面对界面摩擦学行为(摩擦噪声、摩擦振动以及磨损行为)的影响. 结果表明:填充HT300的时变接触特性表面缓解了界面磨损,有效延续摩擦系统的稳定状态,抑制摩擦振动和噪声的产生;相反,填充Mn-Cu合金和填充Mn-Cu阻尼合金的时变接触特性表面加剧了界面磨损,加速了摩擦系统不稳定状态的出现,进而激发出高强度的摩擦振动和噪声. 在本研究中,摩擦系统失稳引起摩擦振动和噪声主要归因于摩擦磨损过程中黏着撕裂和犁削等界面作用,填充材料的阻尼特性未能起到减振降噪的效果.