工业摩擦学 第二讲:摩擦与磨损

一、摩擦一个物体在外力作用下,相对于另一个物体运动或有运动趋势时,其公共界面上所生的切向阻力叫做摩擦力。两个物体相接触的表面在无润滑的干摩擦状态下,物体受力在刚足以开始作相对运动时,界面上的切向阻力为“极限静摩擦力”,比极限静摩擦力小的力所引起的切向阻力为“静摩擦力”;相对运动的两表面间的摩擦力为“动摩擦力”。1.摩擦定律、摩擦系数和表面性质摩擦定律是指:摩擦力与法向载荷成正比;摩擦力与表观接触面积无关;动摩擦力大体上与滑动速度     

金属滑动干摩擦条件下高频噪声的测试与分析

基于面-面接触旋转式滑动干摩擦系统,选用A3&45#钢为摩擦副材料,研究相对滑动速度,表面压力对高频摩擦噪声的影响和规律。运用ABAQUS有限元模态分析高频摩擦噪声产生的原因与机理。通过实验与模态分析发现,摩擦高频噪声易于发生在相对滑动速度较低处。A3&45#摩擦副,在面-面接触旋转式滑动干摩擦条件下,产生的高频摩擦噪声能量集中分布在7950 Hz,9200 Hz。验证了干摩擦条件下,摩擦高频噪声是由于摩擦界面形成类似"锤击效应"的微凸体之间的运动,使得摩擦力高频成分和系统固有频率耦合引起的系统不稳定现象。     

谈摩擦与自锁

一、摩擦当两物体的接触表面有相对运动或有相对运动趋势时,将出现对运动的阻碍。这种现象叫摩擦。摩擦现象很多,我们可以从不同的角度出发来加以分类。按照物体的接触部分相互运动的情况来分,可以把摩擦分为滑动摩擦和滚动摩擦。另一方     

导轨爬行机理的研究

本文通过理论分析和实验指出引起导轨爬行现象的动静摩擦力差异是由一种摩擦过程的“动力响应”连成的。摩擦过程中的动力响应使摩擦表面实际接触区域随着相对滑动速度的增加而得到“动力强化”,使上下表面由原来平衡位置相互脱离,因而使摩擦力随速度的增加而减少;由动力响应引起的表面动力强化和表面微幅振动在相对静止后不能立即消失,而是随时间逐渐消失,进入分子作用区域的面积也随着逐渐增加,因而摩擦力随相对静止持续时间的增加而增加。由动力响应观点可以建立摩擦力和速度关系的数学模型和经验公式。由于动力响应能使摩擦副表面内产生严重的接触应力集中,加剧磨损,所以也可把动力响应大小作为摩擦副配偶好坏的准则之一。     

表面结构致摩擦力负增长的实验研究

以控制摩擦力变化为目的,通过3D打印制备尼龙试件,模拟具有特殊结构的接触面,研究相对滑动中摩擦力随接触压力的变化关系。实验中对两种试件在干摩擦滑动条件下的接触压力和摩擦力进行了测试,结果分析表明:对于具有特殊结构的接触面,摩擦力和接触压力之间的关系总体上满足库仑摩擦定律,但由于滑动中表面结构受力变形会引起接触面积发生变化,当接触压力在特定范围内变化时,摩擦力会随着接触压力的增大而减小。表面结构设计对实现摩擦力调控具有参考意义,可应用于仿生机器人设计和其它工程实践中。     

高速、高精度数控伺服工作台摩擦误差的研究

建立了一种考虑摩擦影响的PID控制下的高速、高精度进给伺服工作台的数学模型。伺服机构中的摩擦力是采用一种“两维混合摩擦模型”来描述的。该模型可以根据滑动速度、表面接触物体的油膜厚度等计算摩擦力。通过数值仿真与实际测量 ,在大范围的工况下 ,研究了圆运动过象限时出现凸起的误差现象。通过计算与试验结果的比较 ,证明了提出的考虑摩擦影响的数学模型能够精确地模拟PID控制下的高速、高精度进给伺服工作台的动力学过程 ,能够正确地预测进给运动过程中摩擦误差大小及特征。     

车轮全滑动轮轨摩擦温升三维有限元分析

基于有限元法和非稳态导热问题微分方程,建立轮轨摩擦温升三维数值分析模型.分析轮载、相对滑动速度和摩擦因数对轮轨接触区附近摩擦温度场的影响.模型中考虑了轮轨与环境间的对流换热和轮轨接触界面的相互导热过程.分析结果表明,轮载、相对滑动速度和摩擦因数对轮轨摩擦接触温升及其热影响层深度都有明显影响.轮重不仅影响轮轨表面最高摩擦温升,而且影响热影响区域的大小;相对滑动速度变大,热影响层深度和宽度分别变浅和变宽;摩擦因数越大,热影响区越大.     

不同滑动速度下干接触体瞬态温度场计算

工程实际中,由于摩擦力的存在,接触副的运动将导致接触区内产生大量的摩擦热,使接触副温度升高;由此产生的瞬时高温会使接触副更易发生弹塑性变形、引起表层下裂纹的萌生及扩展,甚至使接触副表面发生化学变化。建立了不同滑动速度下干接触体的滑动接触模型,利用快速傅立叶变换,通过求解拉普拉斯热传导方程,获得光滑及粗糙表面接触副的瞬时温升以及接触体内部各离散点的温度分布,即半无限体干接触的温度场。结果表明,相同载荷及摩擦因数条件下,相对滑动速度对接触体的温升及其温度分布有重要影响;粗糙峰表面接触处的瞬时温升远高于光滑表面接触处的瞬时温升。     

不同真空度气体对粗糙表面接触摩擦的影响

在大气压作用下,通过对不同真空度下接触物体表面摩擦力的测量,研究气体对粗糙接触物体表面摩擦的影响,该实验采用的摩擦副材料是铝合金/有机玻璃、45钢/有机玻璃。实验结果显示:随着真空度的增大,2种摩擦副的摩擦力近似呈现线性变化,静摩擦因数则先减小而后趋于稳定,再有回增的趋势;45钢/有机玻璃摩擦副静摩擦因数取得最小值所对应的真空度比铝合金/有机玻璃摩擦副的更大。通过分析得出静摩擦因数变化的原因:随着真空度的增大,摩擦副接触间隙间的气体密度减小,当固体刚开始运动时,产生摩擦的气体分子与固体表面的分子减少;随着真空度的增大,正压力增大,材料的变形程度增大。     

金属橡胶材料干摩擦阻尼的产生机理及力学模型

金属橡胶材料干摩擦阻尼、非线性刚度的产生机理是一个较为复杂的问题,其内部存在大量的干摩擦接触,通过螺旋型金属丝相互摩擦接触来损耗振动能量。干摩擦阻尼与物体表面的微观结构密切相关,从微观角度分析了金属橡胶材料干摩擦阻尼的产生机理,欲准确地揭示干摩擦阻尼的减振规律,还必须正确的提出描述干摩擦规律的数学模型。由于金属橡胶客观存在不光滑的非线性泛函本构关系,使得含有干摩擦环节的金属橡胶结构的响应计算问题非常困难。介绍了关于两固体接触表面间的干摩擦问题的四种数学模型,即Sgn摩擦模型、滞迟模型、动态系统中干摩擦力的数值计算模型、三次非线性粘性阻尼双线性滞迟模型,这四种模型为后人在该领域的继续研究奠定了坚实的理论基础。     

加速滑动系数

齿侧表面损坏往住有三种形式:磨粒磨损、胶合和点蚀。一物体相对另一物体移动时的加速滑动(滑动冲击)总会引起相互作用物体表面的材料加快磨耗,这种现象可由我们日常经验所证实。就是说,在其他条件相同情况下,轮齿相对加速度越大,齿侧表面磨损现象越严重。上述情况与物体滑动表面之间存有润滑油层并没有什么原则上的差别。存在油层并不能消除两物体(两轮齿)之间的摩擦作用及其磨损,而仅仅是使这种现象减轻。油层还是能在较低程度上防止物体(轮齿)的相对加速移动对磨损量的影响。与物体(轮齿)间没有油层时相比较,油层仅能在某种程度上使这种影响有所变化。由于油的粘性及吸附性,油层边界对齿     

轴承发展简史

从远古起，人类就要常常面对自然力，有时这种力量是巨大的，不可抗拒的。在与自然力抗争的过程中，人类很快意识到，对于搬运重物，他们的力量，或者他们能够驾驭的经驯化的家畜的力量，都是远远不够的。但是人类是聪明的，他们克服了这种困难——物体之间的摩擦——在物体间放置一些滚动体以避开两相接触的物体间有较大摩擦力的滑动而引入摩擦力较小的滚动运动。雪橇在无雪的地方就很难滑行（或者橇形运输工具行出沙地或湿地时）。古人是会遇到这种情况的，他们先是尝试在雪橇下面放置一些木棍以帮助雪橇前行，最后这些木棍就成为专用于帮助搬运的工具了。这就是滚动轴承的始祖。     

表面结构互动减阻机理数值模拟

研究发现,表面织构及仿生表面结构具有改善滑动摩擦特性的作用,但多数的相关工作只关注摩擦副单一表面上的结构对摩擦的影响,而对摩擦副双表面结构互动减阻机理的研究很少.受多足爬行动物的启发,将摩擦副表面结构设计为物体的"足"时,物体可以像蜈蚣一样在对摩副表面结构上爬行滑动,其所受到的摩擦力等于驱动足结构转动的横向力.对足结构的抗弯性能进行设计,可以使接触面之间的滑动摩擦系数很低.有限元模拟表明,在一定条件下互动结构摩擦副的摩擦力可与法向压力无关,从而揭示了一种摩擦减阻的新机制.本研究提出了一种以滑动界面上表面结构的互动作用来控制摩擦力的新颖方法,因此在工程应用中具有很大的潜力.     

新型耐水解聚氨酯的摩擦性能研究

采用环块试验机,考察钢质摩擦环与高分子材料聚氨酯块在不同接触压力、不同相对运动速度、不同润滑条件下的摩擦磨损情况。结果表明:聚氨酯块与钢环之间的干摩擦运动不存在平稳的磨合期,摩擦力在试验期间不断地发生变化;充分润滑条件下,摩擦界面的摩擦力对接触压力的变化不敏感;聚氨酯材料耐磨性能较好,即使在滴油润滑状态下,与刚性材料接触时在摩擦界面上也极易形成润滑膜,但在高速、高接触压力条件下,润滑膜容易失效。     

法向载荷和滑动速度对纳米摩擦的影响

由于尺度效应,纳米尺度摩擦机制与宏观尺度有很大差别。在原子力显微镜实验基础之上,探讨纳米尺度干摩擦中微摩擦力与法向载荷以及滑动速度之间的关系。当法向载荷较小时,摩擦力与法向载荷之间并非线性关系,而近似与法向载荷的2/3次方成正比。当滑动速度小于摩擦系统临界滑动速度时,摩擦力随速度的对数增长而增长,而当速度超过临界滑动速度时,摩擦力几乎不受滑动速度变化的影响。     

复杂接触运动下非线性摩擦力的求解

提出了复杂接触运动下求解接触非线性摩擦力的数值轨迹跟踪方法,利用该方法对几种复杂接触运动下的非线性摩擦力进行了计算。计算结果表明:数值方法在分析二维接触椭圆运动时可以得到更准确的结果;计算接触面摩擦力时不能忽略法向运动与切向运动之间的相位差,该相位差对接触状态的转变、摩擦力的大小以及迟滞回线的形状都有很大的影响;对于接触面的三维运动,必须同时考虑法向运动与接触面内两个方向切向运动之间的耦合;数值轨迹跟踪方法可以方便地求解一维、二维以及三维接触运动下的非线性摩擦力,为求解带干摩擦阻尼结构的动态响应提供了一种实用算法。     

往复滚动工况下车轮钢磨损机制研究

利用往复滚动试验装置,对不同制动状态和频率下的车轮钢摩擦磨损机制进行了研究.结果表明:随切向摩擦力的增加,滚动摩擦副间的相对滑动量、摩擦因数和线接触区域的拉压应变相应变大,车轮钢平面试样表面的损伤形式呈现从擦伤到磨粒磨损再到粘着和疲劳剥离的变化规律;摩擦因数一定时,随频率的增加,磨损形式由磨粒磨损逐渐向疲劳磨损转变.     

单壁碳纳米管与石墨基底间摩擦的模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了常温300 K时,公度、不公度情况下,单壁碳纳米管CNT(10,10)在石墨基底上的运动、摩擦行为。计算中首先使碳纳米管在基底上弛豫平衡,而后施加持续时间500 fs的固定外力,撤去外力后碳纳米管在基底上减速至相对基底静止。结果表明,碳纳米管在石墨基底上不同的放置位置决定了它与基底接触面的微观构型,从而决定了碳纳米管的运动、摩擦规律。公度时,碳纳米管先在基底上滑动,摩擦力、平动能均呈现周期性起伏,之后碳纳米管在基底上滚动、滑动、翻转,滑动、转动之间运动形式的转变提高了能量耗散,增大了摩擦力,非公度时摩擦力约为公度时的70%。非公度时碳纳米管一直在基底上滑动,平动能和摩擦力不具有周期性。     

表面结构刚度对摩擦力影响 的有限元分析

通过结构设计获取新型功能材料引起越来越多的关注,是固体力学的热点之一。建立了滑块在具有连续梁式表面结构的弹性接触面上滑动的有限元模型,通过数值模拟研究了表面结构刚度对摩擦力的影响。参数分析表明,滑块在连续梁式表面结构上滑动时,其所受到的切向阻力和正压力之间的关系与结构弹性模量相关;等效摩擦力和正压力的关系仅在结构刚度很低或接近刚性时满足Amontons干摩擦定律;优化结构刚度,可降低摩擦阻力,并使其低于干摩擦定律理论值。研究结果为开发低摩阻超材料提供了新思路,对工程中的摩擦减阻设计具有指导意义。     

摩擦力-相对滑动速度关系的实验研究

对金属往复滑动摩擦力-相对滑动速度的关系进行了试验研究，通过设计相对滑动速度曲线实现了无摩擦振动工况下的摩擦力-相对滑动速度关系的测量。文中还对摩擦振动工况下的摩擦力的测量作了探讨。本文的试验数据可作为摩擦振动和摩擦噪声理论研究的基础数据。