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.     

路面横倾角度对人体步进摩擦的影响

预防滑摔是步进摩擦研究的主要目的,但现有研究集中于水平路面和上下坡,对横倾路面研究较少.通过采用自制步进摩擦试验平台测试人体在横倾路面上行走时的摩擦力、足偏角和步态周期,计算必要摩擦系数.结果表明：随着横倾角度的增大,重力的侧向分量增大,导致侧向摩擦系数增大并起主要作用,侧滑风险升高,可调整重心向低侧偏移以减小必要摩擦系数,从而降低滑摔风险;低侧脚足偏角减小,高侧脚足偏角增加,可增加低侧脚足偏角的方法增加动态稳定域以提高行走时的稳定性;路面横倾增大了侧滑风险,人体自适应平衡机制随之减缓步速,并缩短较危险的单支撑期和延长较安全的双支撑期以防止滑摔.     

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.     

人体头发的摩擦特性实验研究

采用微观摩擦磨损试验机对受损、干性和油性头发的摩擦系数及其发根和发稍的摩擦系数进行测试;通过扫描电子显微镜分析3种不同发质头发发根和发梢的表面形貌.结果表明:受损、干性和油性头发发根部位的平均摩擦系数分别为0.133、0.124和0.120,发梢部位的平均摩擦系数分别为0.151、0.138和0.136,摩擦系数从高到低依次为受损头发＞干性头发＞油性头发;受损头发的摩擦系数比自然头发高;干性头发和油性头发的摩擦系数相差不大;发根部位的摩擦系数比发稍部位低.头发品质和受损程度是头发摩擦特性差异的主要因素.     

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.     

人体步进摩擦的主要影响因素

人体步进摩擦是指在行走过程中,人脚与地面之间产生的间歇性摩擦现象.步进摩擦系数的大小直接关系到人体在行走过程中的安全性.本文介绍了影响人体步进摩擦系数大小的主要因素,包括材料?路面润滑状况?鞋底花纹?鞋跟形式与高度?人体步态参数等.在文章的最后分析了目前研究中存在的问题,进而指出了下一步的研究重点和目标.     

不同滑动干摩擦条件下钢／铁摩擦副的摩擦磨损性能与表面形貌特征研究

考察了不同滑动速度与接触压力条件下蠕墨铸铁的摩擦学性能及其三维表面形貌特征。结果表明：在与40Cr钢配副时,蠕墨铸铁的摩擦磨损性能与滑动速度和接触压力之积（pv值）呈现出良好的相关性;不同摩擦条件下的三维磨损表面形貌具有不同的特点,且主要表面形貌参数与pv值之间呈现出较好的相关性。     

凹坑表面形貌在面接触润滑状态下的减阻研究

设计了一套试验装置,并在面接触润滑状态下,进行凹坑表面形貌的润滑试验.结果表明,在一定的试验条件下,由于摩擦副接触面上凹坑形貌的存在,可观察到有气泡稳定存在于油膜中.气泡的存在取决于凹坑的深度和润滑油量,凹坑深度越深,润滑油量越少,稳定存在的气泡比例越高.分析可知,由于接触面中气油界面的弯月面力作用,气泡被封存于凹坑中,从而能稳定存在,因此,在乏油润滑时,在润滑油和气泡的共同承载作用下,较其他试样,摩擦力明显减小.在面接触润滑时,从乏油润滑到全膜润滑的过程中,存在着一个最优凹坑深度,在此深度时,摩擦阻力最小.通过计算分析可知,凹坑的最优深度和摩擦副间距大小相当,且理论分析结果和试验结果吻合.     

面接触多体摩擦过程界面特性试验研究

基于前期自制的精密摩擦测试系统,以界面间噪声、摩擦系数等界面特性为研究对象,对Si C金相砂纸和不锈钢试件组成的摩擦副由二体摩擦状态向三体摩擦状态演变的过程进行了实时监测,考察了磨粒粒径、载荷、转速等工况条件对界面特性的影响,并探究了试验后试件表面粗糙度情况。试验结果表明:二体摩擦状态向三体摩擦状态演变过程中,界面间噪声逐渐下降后保持稳定;粒径在15μm~30μm范围内,粒径越小,稳定噪声越大,载荷、转速对稳定噪声的影响不明显,摩擦系数先迅速减小又逐渐增大后趋于稳定;粒径在15μm~30μm范围内,增大磨粒粒径、转速、载荷均会使摩擦系数的稳定状态提前、稳定摩擦系数增大;试验后的试件表面粗糙度与界面间的摩擦系数具有很强的相关性,但基于不同工况条件,这种相关性并不一致;对于变磨粒粒径试验,摩擦系数越大,试件表面粗糙度值越大;对于变载荷试验和变转速试验,摩擦系数越大,试件表面粗糙度值越小。     

步进摩擦分析测试平台的研制

研制了步进摩擦分析测试平台,可用于检测人体在静止及运动路面上的步进摩擦特性.该平台主要由六自由度摇摆台、三维测力台和数据采集系统三部分构成,六自由度摇摆台可提供六个自由度的任意组合运动,用来模拟舰船、海浪和地震等工况;三维测力台可测量出人体在行走时的三维力和力矩;数据采集系统将六自由度运动平台和三维测力台的输出数据采集并保存到计算机中,用来分析人体运动时的步进摩擦特性.采用研制平台进行了一组试验,结果表明:人在上、下坡行走时的垂直地面反作用力与在水平路面行走时的垂直地面反作用力具有不同的分布规律,并且垂直地面反作用力均随坡度角的增大而减小.     

表面工程摩擦学研究进展

综述了第二代表面工程技术和表面工程摩擦学的研究进展 ,展望了 2 1世纪表面工程摩擦学研究的发展动向 .     

分形表面形貌对应力集中系数的影响

提出了复杂表面形貌有限元建模的新方法,依据线弹性力学计算了分形W-M函数构造的表面形貌在不同测量尺度下的应力集中系数,分析了分形参数及轮廓谱矩参数与应力集中系数之间的关系。结果表明表面形貌对应力集中系数的影响与轮廓仪器分辨率密切相关,轮廓二阶谱矩能够反映表面形貌的应力集中程度,在分析表面形貌对结构疲劳特性的影响时需界定表面形貌的截止频率。     

表面改性技术在微动摩擦学领域中的应用

对近年来国内外在采用表面改性技术改善材料的抗微动损伤性能方面的研究和进展作了简要的综述。分析了各种表面改性层在微动摩擦学中的应用和作用机制。指出采用多种表面改性手段，如表面机械强化，表面化学处理及表面涂覆等可不同程度地提高材料的抗微动损伤性能，延长零件的服役寿命。     

摩擦表面无机保护膜摩擦学研究进展

就化学热处理表面无机化合物改性层以及润滑油添加剂在摩擦表面形成的摩擦化学反应膜的摩擦学研究现状进行了总结；分析了润滑油添加剂同化学热处理表面相互作用研究的重要性及其对低摩擦、长寿命复合材料制备科学和技术研究的促进作用；指出通过化学热处理可以在材料表面形成由无机化合物组成的表面改性层，从而有效地提高材料的承载和抗磨能力；而润滑油添加剂通过摩擦化学作用亦可在摩擦表面形成主要由无机化合物构成的表面保护膜，从而大幅度地提高摩擦副的减摩抗磨性能，并延长其服役寿命．从摩擦学特别是摩擦学表面改性领域的发展趋势来看，摩擦表面无机保护膜制备技术研究将成为减轻机械设备摩擦磨损和提高其使用寿命的主流热点．     

微纳米摩擦的弹性棘轮模型与形貌的尺度效应

建立了弹性棘轮模型并用于研究微观形貌参数对摩擦性能的影响,通过研磨和抛光的方法在硅材料表面进行形貌修饰,并采用原子力显微镜和自制微摩擦测试仪分别在纳米和微米尺度下进行摩擦力测量试验.结果表明：硅表面经过形貌修饰后,摩擦力不仅与粗糙峰的斜率有关,而且与接触副的等效曲率半径相关;在纳米尺度下,粗糙峰斜率对摩擦力的影响较大;在微米尺度下,等效曲率半径对摩擦力的影响较大;棘轮模型只适用于斜率影响为主导因素的情况,而弹性棘轮模型由于综合考虑了形貌斜率和等效曲率半径的影响,能够更好地描述不同尺度接触副的摩擦规律.     

蠕墨铸铁干摩擦表面形貌研究

运用三维表面形貌测试技术,分析了蠕墨铸铁的干摩擦表面接触形貌特征,并从传热学的角度分析了摩擦表面形貌特征与其干摩擦学特性的关系,结果表明：蠕墨铸铁干摩擦表面主要有犁沟型、弧岛型和犁沟－弧岛混合型３种特征形貌,犁沟型和弧岛型特征形貌沿垂直于摩擦表面方向不对称分布;而混合型特征形貌沿垂直于摩擦表面方向对称分布;犁沟型表面形貌的最大高度最大,空隙率最高,而弧岛型表面形貌的最大高度最小,空隙率最低;表面形