界面摩擦过程黏滑行为特征研究

通过建立界面摩擦系统动力学模型,并利用原子力显微镜测试云母、石英以及单晶硅片界面摩擦条件下的黏滑行为特征,探讨摩擦系统内外因素对黏滑频率、幅值的影响。结果表明:同一实验条件下,不同材料的黏滑频率与黏滑波动幅值不同;缓慢滑动时,黏滑的频率主要取决于表面势场的频率,波动幅值取决于表面势场强度,随着滑动速度逐渐增大,黏滑频率同时取决于表面势场频率和探针系统的固有频率,波动幅值取决于表面势场强度和探针系统结构;滑动速度较大时,黏滑频率及波动幅值主要取决于探针系统,且随着滑动速度增大,波动幅值逐渐减小。     

基于非连续能量耗散的界面摩擦黏滑行为动力学研究

建立界面摩擦过程黏滑行为动力学模型,仿真分析摩擦系统内外因素对黏滑行为的影响规律.结果表明:界面摩擦过程中,黏滑行为不仅与材料本身如晶格常数、原子质量、原子间横向刚度系数有关,而且与系统外界参数如滑动速度及滑动部件的质量有关;材料的原子间横向刚度、晶格常数、原子质量、滑动机构质量愈小,黏滑行为愈显著,而相对滑动速度愈大,黏滑行为愈显著.     

连接界面黏滑摩擦模型参数辨识研究

连接界面的非线性黏滑摩擦行为对结构的动力学响应有重要影响。基于描述界面多尺度黏滑摩擦行为的Iwan模型建模连接刚度和阻尼的非线性特性,利用连接结构的幅变非线性动力响应时程信息,提取响应包络作为特征参量,构造用于模型参数辨识的多层前馈神经网络,并分别以含非线性连接的集总参数系统和螺栓搭接梁结构为对象,进行数值和实验验证。结果表明,该方法所提取的特征量和构造的神经网络能够有效地应用于连接界面非线性黏滑摩擦模型参数的辨识,且具有简单、精度高和对噪声有一定鲁棒性的优点。     

一种考虑粗糙结合面切向黏滑摩擦模型

提出一种描述粗糙结合面的跨尺度黏滑摩擦行为的参数化力学模型。将名义平面的接触问题视作服从随机分布规律的微凸体的接触问题。基于Mindlin弹性接触理论并采用KD(Kragelsky-Demkin)表面粗糙度描述形式,应用概率统计方法导出粗糙表面切向相对位移与作用力、结合面能量耗散之间的关系。将该模型计算结果与光滑表面接触模型结果进行对比,研究模型参数变化对结合面黏滑摩擦行为的影响。结果表明,提出的考虑粗糙表面接触的结合面黏滑摩擦模型能够描述结合界面的跨尺度黏滑摩擦行为;粗糙度参数对切向刚度和振荡激励的能量耗散有很大的影响。     

摩擦离合器黏滑振动特性的显式动力学分析

针对摩擦离合器在接合过程中出现的黏滑振动问题,建立了某车型离合器三维有限元模型,通过采用有限元软件ABAQUS内嵌的显式动力学分析算法,对离合器系统在接合过程中产生的黏滑振动特性进行研究,通过改变法向载荷和摩擦片厚度,探讨了两者对离合器系统黏滑振动行为的影响.研究结果表明,利用ABAQUS显式动力学分析能有效地模拟出离合器接合过程中产生的黏滑振动现象.黏滑振动发生过程中,系统位移信号呈现出明显的锯齿状波动,飞轮盘和摩擦片会在一定时刻形成相互咬合的状态.离合器黏滑振动的频率和系统的自然频率非常接近,受到系统结构的影响.当法向载荷从1.0 MPa增大到1.5 MPa时,系统振动位移信号的波动幅值增大,黏滑振动周期减小,系统颤振现象更加明显.但当法向载荷进一步增大到3.0 MPa时,黏滑振动逐渐演变为持续的摩擦自激振动现象.通过合理地调控离合器接合的法向载荷,有利于改善黏滑振动现象.摩擦片厚度对系统黏滑振动特性的影响显著,当摩擦片厚度从2 mm逐渐增加为4 mm时,系统的结构频率发生变化,从而使得系统黏滑振动的频率发生变化.此外,增大摩擦片厚度能够改善系统黏滑振动行为,降低系统黏滑振动强度,因此适当地增大摩擦片厚度,是改善黏滑振动强度的有效手段.     

摩擦离合器黏滑振动特性的显式动力学分析

针对摩擦离合器在接合过程中出现的黏滑振动问题,建立了某车型离合器三维有限元模型,通过采用有限元软件ABAQUS内嵌的显式动力学分析算法,对离合器系统在接合过程中产生的黏滑振动特性进行研究,通过改变法向载荷和摩擦片厚度,探讨了两者对离合器系统黏滑振动行为的影响.研究结果表明,利用ABAQUS显式动力学分析能有效地模拟出离合器接合过程中产生的黏滑振动现象.黏滑振动发生过程中,系统位移信号呈现出明显的锯齿状波动,飞轮盘和摩擦片会在一定时刻形成相互咬合的状态.离合器黏滑振动的频率和系统的自然频率非常接近,受到系统结构的影响.当法向载荷从1.0 MPa增大到1.5 MPa时,系统振动位移信号的波动幅值增大,黏滑振动周期减小,系统颤振现象更加明显.但当法向载荷进一步增大到3.0 MPa时,黏滑振动逐渐演变为持续的摩擦自激振动现象.通过合理地调控离合器接合的法向载荷,有利于改善黏滑振动现象.摩擦片厚度对系统黏滑振动特性的影响显著,当摩擦片厚度从2 mm逐渐增加为4 mm时,系统的结构频率发生变化,从而使得系统黏滑振动的频率发生变化.此外,增大摩擦片厚度能够改善系统黏滑振动行为,降低系统黏滑振动强度,因此适当地增大摩擦片厚度,是改善黏滑振动强度的有效手段.     

摩擦离合器黏滑振动特性的显式动力学分析

针对摩擦离合器在接合过程中出现的黏滑振动问题,建立了某车型离合器三维有限元模型,通过采用有限元软件ABAQUS内嵌的显式动力学分析算法,对离合器系统在接合过程中产生的黏滑振动特性进行研究,通过改变法向载荷和摩擦片厚度,探讨了两者对离合器系统黏滑振动行为的影响.研究结果表明,利用ABAQUS显式动力学分析能有效地模拟出离合器接合过程中产生的黏滑振动现象.黏滑振动发生过程中,系统位移信号呈现出明显的锯齿状波动,飞轮盘和摩擦片会在一定时刻形成相互咬合的状态.离合器黏滑振动的频率和系统的自然频率非常接近,受到系统结构的影响.当法向载荷从1.0 MPa增大到1.5 MPa时,系统振动位移信号的波动幅值增大,黏滑振动周期减小,系统颤振现象更加明显.但当法向载荷进一步增大到3.0 MPa时,黏滑振动逐渐演变为持续的摩擦自激振动现象.通过合理地调控离合器接合的法向载荷,有利于改善黏滑振动现象.摩擦片厚度对系统黏滑振动特性的影响显著,当摩擦片厚度从2 mm逐渐增加为4 mm时,系统的结构频率发生变化,从而使得系统黏滑振动的频率发生变化.此外,增大摩擦片厚度能够改善系统黏滑振动行为,降低系统黏滑振动强度,因此适当地增大摩擦片厚度,是改善黏滑振动强度的有效手段.     

阻尼参数对摩擦系统稳定性及黏滑运动的影响

基于普遍的销?盘摩擦系统,建立了一个同时考虑摩擦界面的法向与切向振动的非线性四自由度数学模型,基于复特征值分析法和时域分析法研究了系统法向和切向阻尼值对系统稳定性的影响。对系统的雅各比矩阵的复特征值分析表明：法向和切向阻尼值会对系统临界摩擦因数产生重要影响,系统存在一个最优阻尼比使系统的稳定性达到最强。在选取合理阻尼比值的基础上,若同时增大法向和切向的阻尼值有利于进一步提高系统的稳定性,减少摩擦系统不稳定振动的倾向。通过数值模拟计算,在进一步考虑黏滑现象的基础上,对系统动力学行为进行时域分析。结果表明：系统的振动行为会经历振幅增大的滑动阶段、振幅增大的黏滑运动阶段和纯黏滑阶段;同时在低速状态下,系统阻尼值会对振动极限环及黏着时长产生重要影响。     

球基微操作器黏滑摩擦过程建模与分析

球基微操作器通过压电陶瓷管端部与微操作球之间惯性摩擦形成的相对位移实现微操作球三自由度的运动,这种摩擦运动中存在黏滑现象。在简化球面高副连接的条件下,建立了球基微操作器双质量摩擦振子等效工程模型,对球基微操作器黏滑驱动过程进行了阶段细分,基于等效工程模型及动态LuGre摩擦模型建立了黏滑摩擦过程的动力学方程。运用数值仿真方法分析了球基微操作器的参数特性曲线,进行了运动测试实验,进一步验证了分析的正确性。     

无级连续的动态摩擦测试方法

提出一种新的摩擦性能测试方法,该方法能无级连续地改变与摩擦力有关的因素,实现动态连续地测试材料的摩擦性能.阐述了该方法的测试原理,运用该方法能无级连续地改变主动力、正压力、摩擦副的相对运动速度等,进而探讨材料摩擦性能随时间和影响因素发生的三维变化规律.     

基于摩擦补偿的交流伺服工作台爬行控制

低速工况下由摩擦引起的爬行现象是影响机械加工精度的重要因素。建立了XY交流伺服工作台爬行的数学模型。设计了一种变结构控制和基于摩擦模型前馈补偿相结合的综合控制策略,用于减小交流伺服工作台爬行对定位精度的影响。仿真和实验结果表明,采用提出的控制策略可以明显降低爬行产生的跟踪误差。     

压电粘滑驱动系统中温度变化的实验研究

压电粘滑驱动系统具有长行程(几十毫米或更多,取决于机械结构)和高精度(几纳米)的特点.摩擦在粘滑驱动器中具有积极的作用.但在驱动器运行中,摩擦也可能造成"明显的"温度变化,在微运动中,该温度变化可能影响驱动器的精度.本次研究的目的是开发一种温度测量系统来测量粘滑驱动器在运行中的温度变化.其关键技术在于如何妥善处理如此小信噪比物理信号.实验表明,通过设计合理的滤波器和选择合适的高分辨率传感器,这里开发的温度测量系统可以很好的测量出温度变化.通过实验发现,压电粘滑驱动器中温度变化既来自于摩擦又来自于压电陶瓷自身发热.由压电陶瓷自身发热导致的温度变化呈非线性,而由摩擦导致的温度变化呈线性.     

环境湿度下硅材料表面的粘滑行为及其抑制

通过自行开发的微摩擦测试仪,分别研究了小载荷湿度环境下光洁硅片、物理形貌修饰表面和OTS膜修饰表面的微摩擦行为。实验结果表明,OTS膜表面和凹坑形貌修饰表面在高湿度环境下可以有效地抑制粘滑现象的发生。通过对湿度环境下液桥作用机制的研究,初步认为摩擦力来自于工作间隙的固固、固液和液液3个接触面间相互作用,并且高湿度下是否出现粘滑现象取决于这3种界面间力的竞争关系。     

粘-滑比对干摩擦约束结构动态响应的影响

用AFT(Alternated Frequency/Time)方法计算了受干摩擦约束系统稳态响应,进而计算了干摩擦能耗及干摩擦触点的粘滞-滑移状态。结果表明:干摩擦能耗最大值对应的结构稳态振幅没有达到最小。而应用干摩擦触点粘-滑比率来衡量干摩擦约束结构的减振性能是一种更有效的方法。最后,分析了结构内阻对选择粘-滑比率的影响。     

压电薄膜型精密运动平台研究

提出了一种利用双压电晶片驱动小型平台的研究方案,该平台可实现水平面内的两自由度精密运动.在对粘滑型运动机构的工作原理进行分析的基础上,建立了压电式粘滑机构的动力学模型并进行了仿真分析,设计研制了试验样机,并从运动性能和承载能力两个方面对样机进行了实验研究.实验结果表明,设计的压电薄膜型精密运动平台结构简单、体积小、质量轻、步距稳定且行程大,电压低于30 V驱动时,步距误差不超过0.5μm,承载能力约为自身质量的7～8倍.     

PD3与U71Mn钢轨材料微观与宏观磨损性能分析

采用纳米压痕划痕仪与AFM,研究PD3与U71Mn钢轨微观力学性能与摩擦磨损特性,通过拉伸实验和JD-1轮轨模拟试验机研究2种钢轨的宏观力学特性与摩擦磨损性能。结果表明:2种材料力学性能在微观和宏观表现一致,即PD3钢轨硬度较大、抗压能力强,具有良好的抗磨损能力;U71Mn钢轨塑性高、韧性大,具有良好的抵抗疲劳的能力。微观实验结果显示,2种钢轨在载荷不大时都以磨粒磨损为主,随载荷增大,交变应力作用增强,受疲劳影响PD3钢轨划痕两侧出现沟纹;U71Mn划痕损伤在犁沟摩擦力作用下,产生塑性变形。微观与宏观实验结果具有一致性,对2种钢轨磨损特性的测量误差在5%之内,因此在一定程度上可以用微观实验来代替宏观实验研究钢轨材料的摩擦磨损特性。     

Energy dissipation in scanning force microscopy-friction on an atomic scale

Stick-slip behaviour for a typical scanning force microscope setup operated in the wearless friction regime is modelled. Not only the deflection of the cantilever but also the local elastic deformation of tip and sample are taken into account. The combined effect of macroscopic spring and microscopic elastic deformation is a key feature to the scanning motion of the tip. Within this model, energy dissipation arises naturally due to mechanical instabilities either of the macroscopic cantilever or of the microscopic tip-sample contact. Our model reproduces all features of atomically resolved friction loops, which can be calculated from interatomic potentials. Moreover, a general scheme is introduced which allows the exact response of the tip-sample system to be calculated from the different interacting potentials.