摩擦信号分形维数与载荷和速度的关系研究

在立式万能摩擦磨损试验机上对GCr15/45#钢摩擦副进行不同接触载荷和滑动速度下的摩擦磨损试验,对初始滑动距离1 000 m内的摩擦系数信号进行数据采集,运用结构函数测度方法对摩擦系数信号进行分形表征,计算不同载荷和速度下的分形维数,研究摩擦信号的分形维数随载荷和速度的变化规律.结果表明,摩擦系数信号具有显著的分形特征,其分形维数随载荷和速度而变化.在相同载荷下,分形维数随滑动速度增加而增大;在相同速度下,分形维数随着接触载荷增加而增大.磨损率与摩擦系数信号的分形维数正相关.     

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.     

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.     

粗糙度纹理对有限长线接触混合润滑影响

采用统一Reynolds方程建立有限长线接触混合润滑模型,研究横向、纵向和二维规则表面粗糙度的波长、幅值及工况变化对润滑影响.结果表明:波长、幅值与工况对三种表面粗糙度接触副的润滑影响类似;随着载荷增大,平均膜厚降低,摩擦系数、接触载荷比与接触面积比均增大;随着转速升高,平均膜厚增大,摩擦系数、接触载荷比与面积比均降低,其中摩擦系数随转速进一步增大而小幅升高.在润滑状态转换区域润滑特征参数变化显著,而其他润滑区域变化平缓.沿卷吸速度方向的压力与膜厚波动分布存在相位差,垂直方向则同相位;相同的工况和粗糙度参数时,纵向粗糙度分布更有利于接触润滑.     

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.      

非晶含氢碳薄膜摩擦与抗擦伤性能的实验研究

用射频等离子体增强化学气相沉积法在钛合金表面制备了非晶含氢碳（a-C:H)薄膜,利用原小孩子显微镜、纳米力学探针、划痕仪以及滑动摩擦和微动摩擦试验仪器等研究了其表面形貌、粗糙度、硬度和摩擦性能,分析了薄膜的表面粗糙度、硬度及载荷对摩擦系数的影响。结果表明：随着薄膜厚度的增加,硬度略有提高,划痕临界载荷明显提高,而表面粗糙度先增加后降低,最后趋于稳定;室温空气中的滑动摩擦系数随硬度的增大以及表面粗糙度和载荷的减小而降低;在微动摩擦试验中,随相对湿度增加,摩擦系数降低,这有利于其在体液环境中的应用;薄膜具有良好的耐磨性能,经5000次摩擦后磨损很小。     

线接触状态下激光加工微造型表面摩擦特性研究

为了研究表面形貌对线接触弹流状态下摩擦副摩擦特性的影响,采用激光微造型技术,通过控制微造型的形状、深度、间距和面积占有率等参数制造了两组表面高度算术平均值Sa分别相同的试件.使用Talysurf CCI Lite非接触式三维光学轮廓仪对表面进行测量,采用ISO25178参数及连通性系数Us对测量表面进行表征,最后在JPM-1型双盘摩擦磨损试验机上对试件进行富油摩擦试验,得到不同转速、不同载荷工况下的摩擦系数.结果表明:线接触状态下,微造型形状、方向及深度均会对表面的摩擦特性产生影响,顺向箭头微造型表面表现出了最优的摩擦特性;试件摩擦系数随着转速的增大呈线性增长趋势,随着载荷的增大而减小,减小的幅度随载荷的增大逐渐变得缓慢;表面形貌三维表征参数Ssk、Sku、Vvv、Vvc、Us与摩擦特性均有一定的关联性.     

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.     

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.     

微观加工形貌对三维线接触Stribeck曲线与疲劳寿命的影响

齿轮的传递效率和寿命与齿面成形方式紧密相关,针对圆柱齿轮常见的剃削、磨削、珩磨、抛光四种加工方式,采用三维线接触混合润滑分析模型,结合Zaretsky接触疲劳寿命计算方法,系统分析了高速到极低速工况下,界面摩擦系数对接触疲劳寿命的影响,以及不同微观加工形貌作用下三维线接触Stribeck曲线与疲劳寿命的变化规律.研究表明:全膜润滑状态下,界面摩擦对疲劳寿命的影响较小,各类组合表面的摩擦系数基本一致,但各组合表面疲劳寿命差异较大,抛光组合表面的疲劳寿命最优;在混合润滑状态下,各类组合表面的摩擦系数变化差异明显,而相对疲劳寿命差异明显减小,其中,磨削组合表面摩擦系数较大,抛光组合表面摩擦系数最小;值得注意的是,研究表明界面摩擦系数和疲劳寿命不是表面粗糙度的简单函数,不随界面粗糙度值的大小变化而单调变化.     

磨合过程摩擦力单重分形和多重分形的研究

分别在CD40润滑油和加入添加剂的CD40润滑油润滑条件下,通过销-盘摩擦磨损试验机对船用柴油机活塞环和缸套进行磨合磨损试验,提取摩擦力的时间序列信号,应用分形维数和多重分形谱研究了摩擦力的分形行为.结果表明:摩擦力信号具有分形特征;随着磨合磨损过程的进行,信号的分形维数和多重分形谱出现规律性的变化;不同阶段信号的分形维数趋于减小,与磨损表面粗糙度的变化规律一致;不同阶段信号的多重分形谱呈现出递增或递减趋势,反映了磨损表面的动态变化过程.因此,摩擦力信号的分形维数和多重分形谱可以对磨合磨损过程进行定量分析.     

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.      

Development of a New Method to Investigate the Dynamic Friction Behavior of Interfaces Using a Kolsky Tension Bar

To understand interfacial interaction of a bi-material during an impact loading event, the dynamic friction coefficient is one of the key parameters that must be characterized and quantified. In this study, a new experimental method to determine the dynamic friction coefficient between two metals was developed by using a Kolsky tension bar and a custom-designed friction fixture. Polyvinylidene fluoride (PVDF) force sensors were used to measure the normal force applied to the friction tribo pairs and the friction force was measured with conventional Kolsky tension bar method. To evaluate the technique, the dynamic friction coefficient between 4340 steel and 7075-T6 aluminum was investigated at an impact speed of approximately 8 m/s. In addition, the dynamic friction coefficient of the tribo pairs with varied surface roughness was also investigated. The data suggest that higher surface roughness leads to higher friction coefficients at the same speed of 8 m/s.     

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.      

Determination of hydrodynamic behavior of gas–solid fluidized beds using statistical analysis of acoustic emissions

In the processes involving the movement of solid particles, acoustic emissions are caused by particle friction, collision and fluid turbulence. Particle behavior can therefore be monitored and characterized by assessing the acoustic emission signals. Herein, extensive measurements were carried out by microphone at different superficial gas velocities with different particle sizes. Acoustic emission signals were processed using statistical analysis from which the minimum fluidization velocity was determined from the variation of standard deviation, skewness and kurtosis of acoustic emission signals against superficial gas velocity. Initial minimum fluidization velocity, corresponding to onset of fluidization of finer particles in the solids mixture, at which isolated bubbles occur, was also detected by this method. It was shown that the acoustic emission measurement is highly feasible as a practical method for monitoring the hydrodynamics of gas–solid fluidized beds.     

高速轧机工作界面非稳态混合润滑过程多因素耦合辊缝力学特性研究

综合运用摩擦润滑理论、流体力学理论、轧制理论,建立了考虑动态辊缝非稳态润滑过程多因素耦合轧制界面力学模型.该模型综合运用了基于非稳态润滑过程的界面摩擦模型、工作辊运动模型、辊缝应力分布模型构成的界面薄膜约束多因素耦合模型.系统分析了非稳态混合润滑状态下,当压下率和表面粗糙度为定值时不同时刻工作区压应力和摩擦应力的分布情况,以及压下率为定值时工作区压应力、摩擦应力随表面粗糙度和后张应力变化的情况.结果表明:在压下率和表面粗糙度为定值时,当具有较大的后张应力时,工作区压应力和摩擦应力却较低,同时压应力梯度和摩擦应力梯度也相当小,摩擦应力在入口和出口边缘处达到最大,当后张应力减小时,辊缝间压应力和摩擦应力增加,压应力梯度和摩擦应力梯度较大;在压下率为定值而表面粗糙度为变量时,当后张应力较大时,表面粗糙度对工作区中的压应力和摩擦应力影响非常大,辊缝间压应力和摩擦应力随着表面粗糙度的增加而增加,当后张应力较小时,表面粗糙度对工作区中的压应力和摩擦应力影响不太明显.     

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.     

坡面道路上地面形貌对人体步进摩擦的影响

人体行走经常发生滑摔事故，而坡面道路是人体行走的典型路况之一. 当前通过改变鞋底和地板的材料、鞋底和地板的表面形貌以提高步进摩擦系数的研究多是基于水平路面，对坡面道路上的人体行走，特别是地面形貌变化对坡面道路上的人体行走研究较少. 本文中以45钢作为材料，制备出表面波纹度相同而表面形貌不同的地板，利用步进摩擦试验平台改变行走路面的坡度研究了地面形貌变化对坡面道路上人体步进摩擦的影响. 结果表明:坡度对有效摩擦系数的影响高于表面形貌；随着坡度的增加，安全行走所需的必要摩擦系数增大，地面提供的有效摩擦系数减小，步频则先增大后减小；上坡启动时脚掌与路面的有效接触面积和下坡制动时脚跟的有效接触面积随坡度的增加而减小，导致有效摩擦系数降低，滑摔倾向增大. 人体行走姿态为了保持平衡而缩短步长以降低必要摩擦系数.      

轮轨试样表面粗糙度取向对油润滑下摩擦系数的影响

黏着力是列车安全与平稳运行的关键因素之一.最大黏着力与摩擦力有关,摩擦力的减小会导致黏着力的降低.表面粗糙度及其取向是影响摩擦系数的重要因素,然而,有关表面粗糙度取向对于混合润滑状态下摩擦系数的影响的研究结论似乎是矛盾的.用激光离散改性技术将车轮试样表面制备成具有菱形、纵纹、横纹3种典型的形貌,并且与不作激光离散改性处理的车轮试样作对比,用基于确定性模型的统一雷诺方程数值分析法和小比例尺度的轮轨试样摩擦学实验,得到的结论是:在油润滑状态下,激光表面形貌大幅提高摩擦系数,其中菱形对应的摩擦系数最大,纵纹与横纹的摩擦系数相差不大,摩擦系数的大小主要取决于由表面粗糙度取向决定的接触区内粗糙峰接触压力与总压力之比,侧流效应也是影响摩擦系数的重要因素,它主要取决于接触区内表面粗糙度的取向.