機(jī)械結(jié)合面切向接觸參數(shù)的織構(gòu)效應(yīng)分析

張藝，史熙

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

機(jī)械結(jié)合面切向接觸參數(shù)的織構(gòu)效應(yīng)分析

張藝，史熙

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

接觸剛度和接觸阻尼是表征機(jī)械結(jié)合面動(dòng)力學(xué)性能的兩個(gè)重要參數(shù)，而機(jī)械結(jié)合面的動(dòng)力學(xué)性能很大程度上影響著整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)水平，因此對(duì)于接觸參數(shù)的研究一直是相關(guān)學(xué)者關(guān)注的方向。介紹了一種測(cè)試機(jī)械連接界面切向接觸剛度和接觸阻尼的實(shí)驗(yàn)裝置和方法，并將表面織構(gòu)技術(shù)運(yùn)用到機(jī)械結(jié)合面設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析初步探索了機(jī)械結(jié)合面切向接觸參數(shù)的表面織構(gòu)效應(yīng)。

機(jī)械織構(gòu)；接觸剛度；接觸阻尼

0 引言

接觸剛度和接觸阻尼對(duì)于機(jī)械結(jié)合面的動(dòng)力學(xué)特性會(huì)產(chǎn)生顯著的影響，有很多學(xué)者對(duì)此開(kāi)展過(guò)研究。饒柱石等人[1]采用彈性接觸理論和概率分析方法研究了粗糙平面的法向接觸參數(shù)，并得出接觸剛度隨載荷增大而增大的結(jié)論。李輝光等人[2]基于彈塑性理論對(duì)具有粗糙表面的長(zhǎng)方微元體進(jìn)行有限元接觸分析發(fā)現(xiàn)：法向界面的接觸剛度隨壓力的增加先增大后減小；切向界面接觸剛度隨法向載荷和摩擦系數(shù)的增加而增加，隨切向載荷的增加而減小。Y.F. Gao等人[3]通過(guò)對(duì)切向接觸剛度的測(cè)量來(lái)評(píng)估粗糙界面的初期微觀滑動(dòng)。張學(xué)良等人曾開(kāi)展過(guò)對(duì)螺栓結(jié)合部切向動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，并且得出結(jié)論：表面加工精度越高，切向剛度和阻尼越大；油介質(zhì)的存在可以提高切向接觸界面的阻尼[4]。溫淑花等人[5]對(duì)結(jié)合面接觸剛度分形模型進(jìn)行建立與仿真后，得出了切向接觸剛度隨法向載荷的增加而增加，隨切向載荷的增加而減小的結(jié)論。張學(xué)良[6]還曾對(duì)平面結(jié)合面切向接觸阻尼進(jìn)行過(guò)仿真研究，得出結(jié)合面法向載荷越大，接觸阻尼越小的結(jié)論。但目前學(xué)者研究工作僅限于對(duì)接觸參數(shù)的測(cè)量及計(jì)算，對(duì)接觸參數(shù)的主動(dòng)控制往往只能通過(guò)材料的選用來(lái)實(shí)現(xiàn)。而近年來(lái)表面織構(gòu)技術(shù)的興起為結(jié)合面接觸特性的控制提供了新的思路。表面織構(gòu)技術(shù)是一種在指定表面有目的加工溝槽或凹坑的表面處理方法，而加工后的表面往往具有與加工前表面不同的物理屬性。如荷葉表面織構(gòu)會(huì)改變表面的疏水性，而壁虎腳掌織構(gòu)會(huì)增強(qiáng)表面的粘附性等。Ulrika等人[7]通過(guò)研究得出特定表面織構(gòu)會(huì)影響接觸表面的摩擦及磨損性能。而Arghir等人[8]通過(guò)建模研究具有表面織構(gòu)的密封環(huán)，得出織構(gòu)會(huì)對(duì)接觸面接觸參數(shù)有一定影響。但織構(gòu)對(duì)結(jié)合面接觸參數(shù)的具體影響方式及影響機(jī)理，還鮮有學(xué)者研究。因此本文的目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究織構(gòu)對(duì)切向接觸剛度和阻尼產(chǎn)生的影響，從而探索通過(guò)控制表面織構(gòu)來(lái)控制機(jī)械結(jié)合面接觸參數(shù)的新方法。

1 實(shí)驗(yàn)方法及原理

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

擬測(cè)量具有不同表面織構(gòu)的界面切向接觸剛度和接觸阻尼，以調(diào)查其影響大小和影響方式。使用接觸諧振法來(lái)測(cè)量結(jié)合面切向接觸參數(shù)，所謂接觸諧振法，即在一定的預(yù)載荷情況下給接觸界面施加一個(gè)切向沖擊，由于界面的接觸剛度對(duì)應(yīng)一個(gè)接觸諧振頻率，這個(gè)頻率在沖擊激發(fā)的振動(dòng)頻譜上會(huì)體現(xiàn)出來(lái)，然后利用特征值實(shí)現(xiàn)算法(ERA)對(duì)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，可得出該載荷下的接觸諧振頻率及對(duì)應(yīng)的接觸阻尼，接觸剛度可以由接觸諧振頻率反推得到。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。使用兩塊永磁體施加定值的法向載荷，切向載荷的控制由微米計(jì)和貼在軟簧上的應(yīng)變片及與之連接的應(yīng)變儀來(lái)實(shí)現(xiàn)。在達(dá)到預(yù)定切向載荷后，通過(guò)釋放一根穿過(guò)中空管的細(xì)鋼棒給接觸界面施加切向沖擊。由固定在上質(zhì)量塊的上表面的兩個(gè)加速度傳感器采集沖擊產(chǎn)生的加速度數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到接觸諧振頻率和系統(tǒng)頻率，由ERA分析直接得到特征頻率對(duì)應(yīng)的接觸阻尼，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到接觸界面的剛度。實(shí)驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)化模型如(b)圖所示。

圖1 接觸剛度和接觸阻尼測(cè)量裝置示意圖

根據(jù)簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂闪谐稣駝?dòng)方程：

(1)

(2)

此方程的特征方程為：

(3)

由此解出接觸剛度：

(4)

把接觸諧振頻率帶入式(4)即可計(jì)算得出接觸剛度。

1.2 織構(gòu)樣品設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在不銹鋼試樣(牌號(hào)06Cr19Ni10)表面加工溝槽型織構(gòu)。為了便于試樣的固定，試樣設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 織構(gòu)樣品設(shè)計(jì)示意圖

為研究不同尺寸的織構(gòu)對(duì)接觸界面剛度和阻尼的影響，用到了6種尺寸不同的樣本，它們的尺寸分別如表1所示。

表1 織構(gòu)樣品相關(guān)參數(shù)表

其中a,b,c分別為圖2中所示溝槽的寬度，凸起的寬度，及溝槽的深度。其中O，J樣品為未加工織構(gòu)的光滑表面樣品，表面經(jīng)過(guò)精磨。有織構(gòu)的樣品采用線切割的方式加工，表面也經(jīng)過(guò)精磨。表1中b/(a+b)即凸起的面積占總面積的百分比。表格最后一列Ra是用三維輪廓儀測(cè)得的織構(gòu)表面粗糙度。加工得到的典型織構(gòu)表面形貌如圖3所示。

圖3 織構(gòu)樣品表面形貌圖

1.3 實(shí)驗(yàn)條件的控制

本文所述實(shí)驗(yàn)主要研究切向載荷對(duì)接觸界面參數(shù)的影響。通過(guò)永磁體對(duì)接觸面進(jìn)行法向加載，避免了法向載荷在切向上的耦合作用。由于永磁體能提供的法向載荷最大僅29.2N，為了避免試樣有切向的滑動(dòng)，確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，選取如下四組較小的切向載荷，分別為2.45N，4.9N，7.35N，9.8N。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析在各載荷條件下不同尺寸的織構(gòu)樣品與光滑表面的樣品O接觸的接觸剛度和阻尼值。并對(duì)潤(rùn)滑條件下界面的接觸剛度和阻尼進(jìn)行了分析(采用美孚10W-30潤(rùn)滑油)。

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集

值得注意的是，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)控制細(xì)鋼棒的釋放以保證得到單脈沖沖擊的系統(tǒng)激勵(lì)。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)各載荷條件進(jìn)行10次重復(fù)實(shí)驗(yàn)并取平均值以減少隨機(jī)因素影響。實(shí)驗(yàn)的前后均對(duì)應(yīng)變儀進(jìn)行標(biāo)定，以確保施加載荷的準(zhǔn)確性。圖4為典型的標(biāo)定曲線，可以看出，應(yīng)變儀的線性度良好，每20mv對(duì)應(yīng)4.9N的載荷。

圖4 應(yīng)變儀標(biāo)定曲線圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)得到的典型加速度信號(hào)和其頻譜如圖5所示，頻譜中的兩個(gè)峰值即系統(tǒng)頻率和接觸諧振頻率。用ERA識(shí)別算法處理加速度信號(hào)可得出接觸諧振頻率及其對(duì)應(yīng)的接觸阻尼，由接觸頻率即可推出接觸剛度。

圖5 典型加速度信號(hào)及其頻譜(載荷100N)圖

2.1 織構(gòu)對(duì)切向剛度的影響

圖6為織構(gòu)對(duì)切向剛度的影響，實(shí)驗(yàn)均在無(wú)潤(rùn)滑的條件下進(jìn)行。從圖6可以看出，隨著切向載荷的增加，切向接觸剛度明顯下降。這是由于任何表面均是由微觀凸起構(gòu)成的，而接觸面靠這些表面凸起相互嚙合來(lái)抵抗切向變形。切向力增大不利于凸起間的嚙合，使表面抵抗切向載荷的能力降低。因此隨著切向載荷的增加，切向剛度減小。從圖6還可以看出，帶有織構(gòu)的表面的剛度明顯低于光滑表面。并且隨著織構(gòu)的凸起部分面積占總面積的比例的減少，剛度的降低越明顯。這是由于織構(gòu)是加工在切向接觸表面上，這樣接觸面上有了一些空隙，接觸的實(shí)際面積減少，可以承載切向載荷的能力變小，所以切向界面的切向剛度減小。并且隨著凸起占接觸表面總面積的比例b/(a+b)的減小，接觸剛度越來(lái)越小。

圖6 織構(gòu)對(duì)切向剛度的影響(無(wú)潤(rùn)滑)圖

2.2 潤(rùn)滑對(duì)切向剛度的影響

圖7所示為在無(wú)潤(rùn)滑和有潤(rùn)滑情況下測(cè)得的接觸界面剛度隨載荷變化的情況。其中實(shí)心的符號(hào)代表的是加了潤(rùn)滑油的情況。從圖中可以看出，潤(rùn)滑劑的存在會(huì)降低切向接觸剛度。這一點(diǎn)張學(xué)良在文獻(xiàn)[4]中也曾提到，但并未對(duì)其作出解釋。本文認(rèn)為潤(rùn)滑劑的存在會(huì)降低切向接觸剛度的原因是，對(duì)于擠壓和剪切來(lái)說(shuō)，潤(rùn)滑油帶來(lái)的影響是不一樣的。在法向界面上潤(rùn)滑油會(huì)填充接觸表面的空隙，提高接觸表面的抗壓能力，因?yàn)闈?rùn)滑油分擔(dān)了部分壓力和變形量。而切向接觸界面是通過(guò)接觸面微觀凸起的相互嚙合來(lái)抵抗切向變形，潤(rùn)滑油的存在給表面凸起上覆蓋了一層油膜，其表面變“滑”，凸起不能很好的相互擠壓和嚙合，所以抵抗切向變形能力下降。

圖7 潤(rùn)滑對(duì)切向剛度的影響圖

2.3 織構(gòu)及潤(rùn)滑對(duì)切向阻尼的影響

圖8是切向載荷和切向阻尼的關(guān)系。可以看出隨著切向載荷的增大，切向接觸阻尼的變化趨勢(shì)和剛度是相反的，越來(lái)越大。這一點(diǎn)和文獻(xiàn)[5]的研究結(jié)果是一致的。切向載荷越大，越不利于結(jié)合面之間表面微小凸起的相互結(jié)合，更易使結(jié)合面產(chǎn)生滑移甚至失效，能量更易耗散。所以切向載荷越大，切向接觸阻尼越大。其次，從圖8還可以看出，有織構(gòu)的樣本的切向接觸阻尼高于無(wú)織構(gòu)的樣本的接觸阻尼。并且織構(gòu)的凸起占總接觸面積的比例b/(a+b)越小，切向接觸阻尼增大的越多。這是由于織構(gòu)的存在減少了兩表面的接觸面積，削弱了結(jié)合面的結(jié)合緊密程度，使界面抵抗切向力的能力下降，更容易產(chǎn)生相對(duì)滑移，能量耗散的更快， 故有織構(gòu)的結(jié)合界面切向接觸阻尼較大。

圖8 織構(gòu)對(duì)阻尼的影響(無(wú)潤(rùn)滑情況)圖

圖9是潤(rùn)滑對(duì)阻尼的影響，實(shí)心的圖形為加了潤(rùn)滑劑的情況?？梢钥闯鰧?duì)于每個(gè)樣本來(lái)說(shuō)，潤(rùn)滑劑均提高了接觸阻尼。這是因?yàn)闈?rùn)滑劑使切向接觸界面更容易產(chǎn)生滑移，從而使阻尼增大。

圖9 潤(rùn)滑對(duì)阻尼的影響圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并使用了一種測(cè)試機(jī)械結(jié)合面切向接觸剛度和阻尼的實(shí)驗(yàn)裝置及方法。并針對(duì)不同設(shè)計(jì)的表面織構(gòu)進(jìn)行了切向接觸界面剛度和阻尼的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明隨著切向載荷的增加，切向剛度降低，切向阻尼增大?？棙?gòu)及潤(rùn)滑油均會(huì)削弱切向界面的接觸剛度，提高接觸阻尼。

[1] 饒柱石，夏松波，汪光明.粗糙平面接觸剛度研究[J]，機(jī)械強(qiáng)度，16,2,72-75,71.

[2] 李輝光，劉恒，虞烈，粗糙機(jī)械結(jié)合面的接觸剛度研究[J]，西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，45(6)69-74.

[3] Y.F.Gao, B.N.Lucas, J.C.Hay, W.C.Oliver and G.M.Pharr. Nanoscale incipient asperity sliding and interface micro-slip assessed by the measurement of tangential contact stiffness. Scripta Materialia, 2006,55,653-656.

[4] 張學(xué)良，溫淑華，螺栓結(jié)合部切向動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J]，太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào),13,3,87-95.

[5] 溫淑花，張學(xué)良，文曉光，等.結(jié)合面切向接觸剛度分形模型建立與仿真[J]，農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009,40(12):223-227.

[6] 張學(xué)良，溫淑花，蘭國(guó)生，等.平面結(jié)合面切向接觸阻尼分形模型及其仿真[J]，西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),45(5)74-77,136.

[7] Ulrika Pettersson,Staffan Jacobson,Influence of surface texture on boundary lubricated sliding contacts,Tribology International,2003,857-864.

[8] M.Arghir,F.Billy,G.Pineau,J.Frene,A.Texier,Theoretical Analysis of Textured “Damper”Annular Seals,Journal of Tribology,2007(129)669-678.

Experimental Investigation on Effect of Surface Texture on Tangential Contact Parameters of Mechanical Joint Interface

ZHANG Yi ，SHI Xi

(College of Mechanio and Power Engineering,Shanghai Jiaofong University,Shanghai 200240,China)

Contact stiffness and damping are two important parameters which affect the dynamics of mechanical joint interface.And its dynamics affects the vibration of entire mechanical system significantly. So the contact parameters is followed with inferestly the relevant scholars. This paper introduces an experimental method which is used to obtain its tangential contact parameters, and discusses the effect of tangential load and lubrication on the stiffness and damping of tangential contact interface.

mechanical surface texture;contact stiffness;contact damping

國(guó)家十二五支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAK06B05-05)及機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(MSV201111)

張藝(1991-)，女，安徽蚌埠人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻缑鎰?dòng)力學(xué)。

TH113.1

B

1671-5276(2014)02-0015-04

2013-02-22