界面黏滑摩擦现象的研究进展

从宏观尺度和微观尺度两个方面介绍了界面黏滑摩擦的研究进展,重点概述了宏观黏滑现象及其摩擦特性、微观黏滑现象及其摩擦特性、黏滑摩擦的建模以及黏滑实验研究进展,分析了现阶段界面黏滑摩擦研究中的重点问题。最后指出,从微观和介观尺度上研究界面摩擦行为是黏滑摩擦的未来发展方向。     

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。     

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。     

摩擦界面的表面膜研究

本文在摩擦化学理论的指导下，对不同润滑条件下摩擦界面上的表面膜结构进行了深入研究，提出了摩擦界面表面膜的结构模型。     

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。     

超薄类金刚石膜纳米摩擦性能研究

使用原子力显微镜对由微波等离子体电子回旋共振化学气相沉积技术制备的超薄类金刚石薄膜的纳米摩擦性能进行了研究。结果表明：氢化非晶碳膜(a-C：H)的摩擦力和外加载荷基本成线性关系，可以使用修正的Amonton公式进行表征；厚度在64．9nm以下薄膜的微观承载性能和膜厚存在明显的正比例关系。通过分析磨损深度和循环次数之间的关系以及对磨损区域的导电性研究，表明a-C：H膜表层的微观承载性能较其内层相差很大，表面存在着一层软膜。     

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。     

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。     

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。     

基于摩擦耗能原理的抑振镗杆

讨论了摩擦耗能镗杆的原理,建立了有非线性库仑干摩擦环节的力学模型,并以摩擦参数为变化量,通过数值分析的方法考察了模型的吸振效果。研制了一种基于摩擦减振的新型镗杆,结合颤振发生的机理与切削稳定性理论,分析了不同摩擦条件下镗杆的抑振效果。将不同摩擦条件下的镗杆切削实验结果与理论模型仿真结果进行对比,发现在既定的摩擦阻尼器中,有滑动摩擦与粘接两个状态,而且存在一个最优正压力使得滑动摩擦消耗能量达到最大值又不处于粘接的状态,此时系统抑振效果达到最佳。切削实验发现基于摩擦减振原理的镗杆有良好的颤振抑制效果。      

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.     

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.     

Nano/microtribology Stick-Slip Number Under an Atomic Force Microscope and Its Characteristics

The atomic force microscope (AFM) has become a main instrument in observing nano/microtribological characteristics of sample surfaces. In this paper, we investigated the micro-scale adhesive contact between the AFM tip and the sample surface based on the Maugis–Dugdale contact model, and analyzed the energy conversion and dissipation process during the AFM scanning process. A dimensionless stick-slip number = 8U₁h²/(kR_s ²) was defined, which can serve as a characteristic index for the appearance of nano/microtribology stick-slip behavior. If the stick-slip number is less than one, i.e., <1, the AFM tip slides on the sample surface and no stick-slip behavior occurs in the AFM lateral force signal. When the stick-slip number equals one, i.e., = 1, the tip jumps on the sample surface and the AFM lateral force signal begins to exhibit a stick-slip behavior but without energy dissipation. Only in the case of >1 does the stick-slip behavior appear in the AFM lateral force signal accompanied by an obvious energy dissipation. The defined stick-slip number demonstrates that the nano/microtribological stick-slip behavior is due to the adhesive hysteresis as well as the instability motion of the AFM tip during the scanning process. Finally, the influence on nano/microtribology stick-slip behavior of sample surface energy, surface topography, scanning velocity, spring constant of AFM cantilever probe, etc. are investigated theoretically and experimentally. Various experimental results of nano/microtribology stick-slip behavior under AFM are successfully interpreted according to the stick-slip number.