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《工具技術(shù)雜志》2016年第二期

摘要:

利用ABAQUS仿真模擬往復(fù)式摩擦副干摩擦特性，提取摩擦過程中的速度特征，以振動烈度來量化摩擦振動，分析了仿生密度所激勵出的摩擦振動對摩擦學(xué)特征值的影響。結(jié)果表明，由同一種密度的仿生副所產(chǎn)生的摩擦振動、溫度、摩擦應(yīng)力、磨損深度都具有相同的效果，振動烈度—摩擦學(xué)特征值曲線呈遞增趨勢，合理的仿生密度可以起到減振、消磨、降溫的作用。

關(guān)鍵詞:

摩擦學(xué)特性;仿生密度;摩擦振動;ABAQUS

1引言

研究表明，帶有一定程度的非光滑摩擦表面具有更好的耐磨性能［1－3］。非光滑摩擦表面通常以耦合仿生單元的形式，制備出具有一定分布密度與尺寸的仿生表面，其分布密度對耐磨性能的影響具有重要的作用。瑞典學(xué)者Hammerstrom等［4］認為通過增加摩擦副摩擦面的局部粗糙度，可以減小摩擦振動與噪聲。申龍章、Ko等［5，6］通過對摩擦副施加外部振動的方法，達到了控制摩擦振動、消減磨損量的目的。通過研究仿生密度激勵的摩擦振動對摩擦學(xué)特性的影響，尋找合理的仿生密度，對于減少摩擦磨損、降低摩擦溫度具有重要的意義。由于仿生密度分布十分復(fù)雜，不適合大量實驗，因此本文采用有限元仿真模擬干摩擦條件下的往復(fù)式滑動摩擦，細化仿生密度的分布，從而找出仿生密度激勵的摩擦振動與摩擦學(xué)特性的規(guī)律。

2有限元仿真

采用往復(fù)式干摩擦模型，在9．8m/s2的重力載荷下，固定端與往復(fù)式滑動的仿生表面自由接觸。初始速度為40mm/s，x軸負方向，耦合上仿生表面的滑動端前后兩個面加載上變速載荷，使得摩擦模型在4s中循環(huán)兩次。模型尺寸為固定端33mm×20mm×10mm，滑動端15mm×35mm×60mm，材料采用45鋼［7］。仿生單元采用正四棱錐椎體，底面邊長1mm，深度0．5mm。由于仿生面積有限，因此仿生單元的分布存在不均勻的情況，為使仿真數(shù)據(jù)采樣更科學(xué)，采用兩種仿真方案:間距分布和數(shù)量分布。間距分布如圖1a所示:固定仿生面左上角一個仿生單元的位置，通過改變橫縱方向上間距L、C，改變仿生密度。數(shù)量分布如圖1b所示:在仿生面固定一個區(qū)域，使仿生單元等間距分布，通過改變橫縱方向上仿生單元的個數(shù)M、N，改變仿生密度。

3試驗結(jié)果

3．1摩擦學(xué)特性如圖2所示，摩擦學(xué)特性值(即最高溫度、平均溫度、平均摩擦應(yīng)力、平均磨損深度)的分布規(guī)律基本相同，均以波動狀曲面為主。橫向間距在1－2m，縱向間距在1．25以下的矩形范圍內(nèi)，摩擦情況較為理想，摩擦學(xué)特性值較小。同時摩擦溫度、摩擦應(yīng)力、磨損之間的極值基本互相對應(yīng)。

3．2振動仿真以滑動端的輸出速度來表征摩擦振動。如圖3所示，摩擦學(xué)特性值隨摩擦振動幅度增大而增大。結(jié)果表明仿生結(jié)構(gòu)表面通過激勵摩擦振動，使得摩擦學(xué)特性有較大的改變。與無仿生單元的結(jié)構(gòu)相比，合理的仿生密度與其分布方式可以達到減振降磨的效果，而不合理的仿生密度與其分布方式則會加重摩擦振動，使得摩擦學(xué)特征值增大。這與文獻［5，6，8，9］的研究結(jié)果基本一致。圖4所示的振動烈度—間距關(guān)系圖表明，振動烈度與仿生密度的曲面的波動情況與對應(yīng)的摩擦學(xué)特性值曲面相似，可見由仿生單元激勵的摩擦振動對摩擦學(xué)特性值有著較大的影響。

3．3摩擦振動特性曲線如圖5所示，建立振動烈度—摩擦學(xué)特征值曲線(即摩擦振動特性曲線)，以此分析摩擦振動對摩擦學(xué)特性的具體影響。四種摩擦學(xué)特性值關(guān)于振動烈度呈遞增關(guān)系。普通對照組的振動烈度為0．224464，基本位于曲線的中部。可見由仿生密度激勵的摩擦振動變化較大，當(dāng)摩擦振動數(shù)值較大時，其對應(yīng)的摩擦學(xué)特性值也較大，這與消振減磨、增振加磨的實際規(guī)律相符［1，6，8，9］。

4結(jié)語

(1)仿生密度對于摩擦學(xué)特性值的影響是基本統(tǒng)一的，即一種密度的仿生副產(chǎn)生的4個摩擦學(xué)特性值具有相同的趨勢。(2)通過定義振動烈度，量化摩擦振動，構(gòu)建振動烈度—摩擦學(xué)特性值曲線，結(jié)果表明摩擦振動與摩擦學(xué)特性值是遞增趨勢。(3)仿生單元可以改變摩擦過程中的振動情況，合理的仿生單元密度可以起到減振、消磨、降溫的作用。

作者：馬廉潔 單泉 顧立晨 王華 于愛兵 單位：東北大學(xué)秦皇島分校 東北大學(xué) 寧波大學(xué)