超聲減摩技術(shù)及其在氣動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究與展望

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1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 氣動(dòng)技術(shù)中心， 黑龍江 哈爾濱　150080； 2. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春　130012)

引言

超聲減摩，指由超聲振動(dòng)(通常20 kHz以上，微米級(jí)振幅)引起的摩擦副間摩擦力/摩擦系數(shù)減小的現(xiàn)象，成功地應(yīng)用于加工、固液減摩，甚至是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。近年來(lái)，氣動(dòng)領(lǐng)域也在研究超聲減摩，以解決由摩擦力以及壓縮氣體的非線性帶來(lái)的可控性相對(duì)較差的問(wèn)題。本研究將介紹超聲減摩技術(shù)的起源、發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域，并闡述其在氣動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究與展望。

1　超聲減摩技術(shù)的起源與發(fā)展

早在20世紀(jì)60年代，美國(guó)學(xué)者HD.Fridman就發(fā)現(xiàn)6～42 kHz的振動(dòng)可以大幅度減小摩擦副間靜摩擦力[1]。D.Godfrey于1967年研究了20 Hz、100 Hz、 500 Hz、1000 Hz的振動(dòng)對(duì)金屬—金屬接觸摩擦副在有、無(wú)潤(rùn)滑條件下摩擦力的影響[2]。

對(duì)超聲減摩更為深入與廣泛的研究始于20世紀(jì)的90年代。1996年，K.Adachi研究了超聲振動(dòng)的負(fù)載、振幅和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響[3]。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入超聲振動(dòng)后的摩擦力不足原摩擦力的十分之一，摩擦力是關(guān)于負(fù)載、振幅和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的函數(shù)。在其它條件不變的情況下，摩擦力的大小與負(fù)載正相關(guān)；摩擦力隨著振幅的減小而增加，當(dāng)振幅很小時(shí)，摩擦力幾乎為常值。摩擦力隨著相對(duì)速度的增加而增加，到達(dá)一定值后趨于穩(wěn)定。其實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1　K.Adachi超聲波摩擦驅(qū)動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖

1998年，程光明等提出了超聲振動(dòng)使得接觸面間接觸時(shí)間減少?gòu)亩档推骄Σ亮Φ睦碚?，并以此作為超聲減摩的原因。該研究認(rèn)為當(dāng)振子的振動(dòng)頻率使振子頂端和其上的物體在整個(gè)振動(dòng)過(guò)程中不能保證同時(shí)接觸時(shí)，上方物體有“騰空”現(xiàn)象。由于“騰空”階段兩者之間不接觸，摩擦力趨于零，故平均摩擦力減小[4，5]。這也是超聲減摩研究早期憑借經(jīng)驗(yàn)論而被廣泛認(rèn)可的一種減摩機(jī)理。

2001年，W.Littmann等人研究了超聲減摩的效果與滑塊移動(dòng)速度和滑塊的振動(dòng)速度比值的關(guān)系[6]。研究認(rèn)為縱向超聲振動(dòng)速度方向與滑塊運(yùn)動(dòng)速度方向平行時(shí)，其減摩的程度與滑塊宏觀移動(dòng)速度和滑塊所受超聲驅(qū)動(dòng)引起的振動(dòng)速度的比值有關(guān)。比值越小，減摩越明顯；比值越大，減摩越不明顯。其理論與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的曲線如圖2所示。

圖2　減摩比與速度比之間關(guān)系的理論與測(cè)試曲線

2004年，V.C.Kumar通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，不論加入的超聲振動(dòng)方向與滑動(dòng)體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向平行或是垂直，所測(cè)摩擦力都大幅度減小，其減小值大于原摩擦力的80%[7]。同時(shí)，有、無(wú)超聲振動(dòng)時(shí)的摩擦力比值是振動(dòng)速度峰值與平均滑動(dòng)速度比值的函數(shù)。當(dāng)試件間壓力較大或振動(dòng)的振幅偏大時(shí)，偏脆性的金屬使偏塑性的金屬顆?；洌瑢?dǎo)致接觸區(qū)域的黏附力增大，從而使得減摩效果不如預(yù)期逐步增大，而出現(xiàn)摩擦力回升的現(xiàn)象。

同年，周鐵英提出在超聲振動(dòng)下摩擦副間的摩擦力的顯著減小是由慣性力和聲懸浮力所致[8]，超聲振動(dòng)振幅越大，頻率越高，試樣間預(yù)壓力越小，超聲振動(dòng)減摩效果就越明顯。這也為超聲減摩的機(jī)理研究提出了一種新的方向。

2005年，常穎等人針對(duì)徑向超聲波軸承研究了其減摩機(jī)理，認(rèn)為聲輻射壓和擠壓氣膜共同作用實(shí)現(xiàn)超聲波軸承的懸浮與減摩[9]。超聲換能器受到激勵(lì)產(chǎn)生超聲振動(dòng)時(shí)，由于軸瓦與超聲換能器緊密接觸，因此將高頻超聲振動(dòng)傳給軸瓦，軸瓦的超聲振動(dòng)不但能產(chǎn)生聲輻射壓，還能使軸與軸瓦之間的氣體產(chǎn)生擠壓膜從而實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑。

2006年，M.A.Chowdhury做出振動(dòng)頻率與濕度對(duì)摩擦系數(shù)的影響研究[10]。2008年，該課題組又重點(diǎn)探討了多種材料在不同的振動(dòng)振幅下對(duì)摩擦系數(shù)的影響[11]。

2010年，V.L.Popov對(duì)鋼、黃銅、銅、鈦、玻璃、鋁、橡膠以及聚四氟乙烯與鋼試件之間在超聲振動(dòng)下的摩擦特性進(jìn)行了研究[12，13]。經(jīng)試驗(yàn)，其摩擦系數(shù)與滑動(dòng)速度、振幅大小的函數(shù)關(guān)系與基于簡(jiǎn)單庫(kù)倫定律的理論模型相吻合。在20～60 nm振幅范圍內(nèi)，靜摩擦力的減小十分顯著，并處于對(duì)摩擦系數(shù)的可控范圍。Popov對(duì)于部分摩擦材料在超聲振動(dòng)下摩擦系數(shù)增加的現(xiàn)象做出了相應(yīng)解釋，但本領(lǐng)域?qū)Υ爽F(xiàn)象也持有不同的意見(jiàn)，例如從對(duì)振動(dòng)本身的力測(cè)量以及試驗(yàn)條件與摩擦材料的選擇等方面的分析。鋼試樣與九種材料在不同振幅下靜摩擦系數(shù)的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3　鋼與九種材料靜摩擦系數(shù)與超聲振動(dòng)振幅的關(guān)系

2010年，曲建俊研究了環(huán)境壓力、超聲振動(dòng)的振幅、以及滑動(dòng)速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響[14]，為苛刻環(huán)境下，如太空中超聲電機(jī)或減摩機(jī)構(gòu)的應(yīng)用做出探索。其研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境壓力從1個(gè)大氣壓到幾近真空的 2×10-3Pa變化過(guò)程中，減摩現(xiàn)象越發(fā)不明顯，如圖4所示。此結(jié)果也從另一個(gè)角度說(shuō)明了超聲振動(dòng)對(duì)空氣的擠壓作用為減摩帶來(lái)的影響。

圖4　環(huán)境壓力對(duì)減摩效果的影響

2012年，P.Gutowski在Matlab-Simulink環(huán)境下建立并應(yīng)用計(jì)算模型，提出了超聲減摩研究領(lǐng)域被廣泛承認(rèn)的一項(xiàng)結(jié)論是錯(cuò)誤的[15]。此項(xiàng)結(jié)論的內(nèi)容是“只有當(dāng)振動(dòng)速度幅值大于相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體滑動(dòng)速度幅值時(shí)，超聲減摩現(xiàn)象才會(huì)存在”。這也將為該領(lǐng)域在此問(wèn)題的研究上帶來(lái)新一輪的討論。圖5所示為四組不同速度幅值的振動(dòng)對(duì)摩擦力的影響情況。

圖5　四組振動(dòng)速度幅值對(duì)摩擦力的影響

各國(guó)學(xué)者對(duì)超聲減摩的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：① 超聲振動(dòng)的各參數(shù)(振幅、振速、頻率等)對(duì)同一摩擦副摩擦力的影響規(guī)律研究；② 各種摩擦材料在同等超聲振動(dòng)條件下的減摩現(xiàn)象及其規(guī)律研究；③ 超聲振動(dòng)的減摩機(jī)理研究；④ 苛刻環(huán)境下超聲減摩規(guī)律的研究；⑤ 將超聲減摩現(xiàn)象應(yīng)用于各領(lǐng)域的研究。以上學(xué)者的研究緊密圍繞振動(dòng)/超聲振動(dòng)對(duì)摩擦副的影響，但在減摩機(jī)理與摩擦規(guī)律的認(rèn)識(shí)上也持有不同的觀點(diǎn)，對(duì)一些重要問(wèn)題沒(méi)有定論。但是與此同時(shí)，在現(xiàn)有的超聲減摩研究基礎(chǔ)上，各國(guó)學(xué)者并沒(méi)有停止將這種技術(shù)應(yīng)用在各領(lǐng)域的一些關(guān)鍵問(wèn)題中。

2　超聲減摩技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

超聲減摩的應(yīng)用范圍，主要集中在加工、驅(qū)動(dòng)、以及機(jī)械減摩中。

在超聲加工的研究領(lǐng)域，1969年日本茨城大學(xué)的M.Kubota等人率先在金剛石刀具上加入了超聲振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬質(zhì)合金的深孔精密加工，得到更好的加工質(zhì)量[16]。其后的1977年，英國(guó)A.I.Markov對(duì)多種硬質(zhì)非金屬材料的鉆削和銑削在超聲輔助下的切除率、刀具磨損等進(jìn)行了研究[17]。1998年，清華大學(xué)孟永鋼等研究了超聲波在拔絲加工中的減摩降載作用[18]。超聲振動(dòng)的引入可以有效地降低拉拔力，超聲波輸出功率愈大，拉拔力的降低幅度愈大，在此項(xiàng)研究的工況范圍內(nèi)，最大可降低37%。2008年，T.Tawakoli利用超聲輔助干磨對(duì)軟質(zhì)鋼進(jìn)行加工，如圖6所示。在無(wú)切削液的條件下，超聲振動(dòng)使得干磨過(guò)程中的法向磨削力降低了60%～70%，切向磨削力降低了30%～50%，此項(xiàng)研究一定程度上改善了干磨過(guò)程中的發(fā)熱、磨損、高耗能及切削效率低等問(wèn)題[19]。2014年，R.Zhang將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于工件表面微細(xì)結(jié)構(gòu)的車削中[20]。超聲振動(dòng)有效的減小了摩擦力，同時(shí)，磨損也得到了改善。俄亥俄州立大學(xué)的S.Dong對(duì)22 kHz的超聲振動(dòng)給摩擦盤帶來(lái)的磨損情況做了研究，其結(jié)果表明，摩擦力減小了62%，而磨損減小49%[21,22]。

圖6　超聲輔助磨削加工

在摩擦驅(qū)動(dòng)方面，南京航空航天大學(xué)X.Lu利用超聲減摩作為一種“推—拉”驅(qū)動(dòng)方式中減小摩擦的方法[23]。圖7所示為其試驗(yàn)臺(tái)。

圖7　利用超聲減摩驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用研究

在各種存在摩擦的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，諸多學(xué)者利用超聲減摩原理做出了相應(yīng)嘗試。吉林大學(xué)曾平等設(shè)計(jì)了一種超聲波徑向支撐軸承結(jié)構(gòu)[9, 24]，如圖8所示。她從理論上驗(yàn)證了軸承工作狀態(tài)下存在氣模潤(rùn)滑，試驗(yàn)測(cè)定了超神波軸承的摩擦因數(shù)，摩擦因數(shù)為深溝球軸承的10%。

圖8　超聲波徑向支撐軸承結(jié)構(gòu)示意圖

日本靜岡大學(xué)S.Hashim將超聲振動(dòng)應(yīng)用于改善滾珠軸承的直線運(yùn)動(dòng)定位精度上[25]。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，最大位移誤差減小了約40%，平均誤差減小26%。

圖9　S.Hashim滾珠軸承裝置示意圖

東京大學(xué)Y.Matsuura利用超聲振動(dòng)減小摩擦轉(zhuǎn)矩提高了電磁旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的測(cè)量精度[26]。如圖10所示。

以上是超聲減摩的一些典型應(yīng)用，這項(xiàng)減摩技術(shù)具有維護(hù)方便，集成度高、潤(rùn)滑條件可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在各領(lǐng)域中的發(fā)展前景較為廣闊。

圖10　利用超聲減摩設(shè)計(jì)的電磁旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)

3　超聲減摩在氣動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

氣動(dòng)系統(tǒng)中的摩擦問(wèn)題一直以來(lái)都是本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。氣體的可壓縮性與摩擦力等較強(qiáng)非線性因素的存在使得氣動(dòng)伺服中的位置精度及力控制變得更加復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于減小不同環(huán)境條件下的摩擦力采取了一系列有針對(duì)性的措施。如顫振補(bǔ)償[27]、氣浮軸承結(jié)構(gòu)氣缸[28，29]、氣液聯(lián)控[30]、旋轉(zhuǎn)電機(jī)顫振[31]、微型PDMS唇形圈[32，33]、納米顆粒潤(rùn)滑油[34]、間隙密封與表面張力的混合密封[35]、混合磁流體密封[36]、“多葉型”密封圈[37]以及多種密封圈涂層技術(shù)等。

以上方法都能夠在相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合為減小氣動(dòng)執(zhí)行器的摩擦力、改善摩擦特性發(fā)揮重要的作用。然而，超聲減摩技術(shù)在各領(lǐng)域中的成功應(yīng)用自然地激發(fā)起氣動(dòng)領(lǐng)域?qū)W者對(duì)它的興趣。將此種減摩方式應(yīng)用于氣動(dòng)執(zhí)行器中，將為改善氣動(dòng)系統(tǒng)中粘滑摩擦力特性提供一種新的思路。

根據(jù)已有文獻(xiàn)資料，哈爾濱工業(yè)大學(xué)氣動(dòng)技術(shù)中心、臺(tái)灣高雄第一科技大學(xué)及德國(guó)漢諾威大學(xué)是較早對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行器在超聲振動(dòng)下的摩擦特性做出研究的單位。近年來(lái)通過(guò)對(duì)氣動(dòng)密封材料摩擦副(各類橡膠與金屬)在超聲振動(dòng)下的摩擦特性做出實(shí)驗(yàn)研究與機(jī)理分析，并對(duì)多款自主設(shè)計(jì)的整合了壓電元件的原理驗(yàn)證性氣缸樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)與調(diào)試，初步取得了一些成果。

3.1　超聲振動(dòng)對(duì)氣動(dòng)密封材料的摩擦特性影響研究

為探索將超聲振動(dòng)應(yīng)用于氣動(dòng)系統(tǒng)減摩的可行性，圖11所示為研究氣缸中主要摩擦副(丁腈橡膠與鋁合金)在超聲振動(dòng)下的摩擦特性試驗(yàn)臺(tái)[38，39]。此研究表明橡膠與金屬之間的超聲減摩現(xiàn)象是存在的，將超聲振動(dòng)應(yīng)用于氣缸減摩具備可行性。

在諧振頻率f0=32.36 kHz，激勵(lì)電壓峰峰值Vp-p=300 V， 振幅A=0.43 μm的超聲振動(dòng)下， 橡膠的最大靜摩擦力變化情況如圖12所示。在橡膠面積一定，僅僅改變法向壓力時(shí)，最大靜摩擦力隨法向壓力的增大而增大，且與常態(tài)下相似，具備較好的線性。在法向壓力一定時(shí)，隨著橡膠面積的增大，最大靜摩擦力呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，且法向壓力越大最大靜摩擦力減小越快。橡膠-鋁合金這對(duì)摩擦副在處于超聲振動(dòng)時(shí)的最大靜摩擦力與沒(méi)有施加超聲振動(dòng)時(shí)的常態(tài)情況相比，存在不同程度的減少，最大減小為原來(lái)的23.1%。

圖11　平面摩擦副超聲減摩試驗(yàn)臺(tái)照片

圖12　超聲振動(dòng)下橡膠-鋁合金摩擦副最大靜摩擦力F與其面積s和法向壓力F1間的關(guān)系曲線

3.2　超聲振動(dòng)對(duì)氣缸的摩擦特性影響的典型研究

氣缸摩擦力主要產(chǎn)生于各動(dòng)密封橡膠圈與活塞桿及缸筒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。以下介紹幾種典型的把超聲振動(dòng)以不同的位置和方向加載于氣缸從而降低氣缸摩擦力的研究。

文獻(xiàn)[40]、[41]研究了振動(dòng)方向垂直于氣缸軸向條件下氣缸靜摩擦力的特性。將超聲換能器緊固于雙聯(lián)氣缸的缸筒外壁，研究換能器的振動(dòng)頻率和振幅對(duì)氣缸的摩擦力特性的影響。實(shí)驗(yàn)裝置如圖13所示。

圖13　振動(dòng)方向垂直于氣缸軸向條件下氣缸的靜摩擦力測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

如圖14所示，超聲換能器的振動(dòng)頻率從20 kHz到37 kHz的范圍內(nèi)變化，氣缸最大靜摩擦力先減小后增大。在包含諧振頻率點(diǎn)的30 kHz～32 kHz的振動(dòng)頻率范圍內(nèi)，減摩效果顯著，氣缸的最大靜摩擦力最大可以減小至常態(tài)下摩擦力的38.9%。

圖14　振動(dòng)頻率對(duì)最大靜摩擦力的影響

當(dāng)氣缸的高壓腔壓力為0.2 MPa時(shí)，使換能器工作在頻率為31.65 kHz的諧振狀態(tài)下，研究激勵(lì)電壓對(duì)最大靜摩擦力的影響，測(cè)試結(jié)果如圖15所示。超聲振動(dòng)下的氣缸最大靜摩擦力隨著激勵(lì)電壓的增大呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。在激勵(lì)電壓的峰峰值為200 V時(shí)，最大靜摩擦力達(dá)到最小值5.32 N，低于常態(tài)下的13.69 N，即減小為常態(tài)下摩擦力的38.9%。可見(jiàn)，在一定激勵(lì)電壓范圍內(nèi)，氣缸的減摩效果隨著電壓的升高而越發(fā)顯著。

圖15　激勵(lì)電壓對(duì)最大靜摩擦力的影響

文獻(xiàn)[42]研究了將超聲振動(dòng)施加于沿氣缸軸向的缸筒外壁條件下氣缸靜摩擦力特性。通過(guò)將氣缸連接超聲換能器的方式改造商用成品氣缸，設(shè)計(jì)成沿軸向縱向振動(dòng)模態(tài)的超聲減摩氣缸。下圖為其樣機(jī)照片及沿軸向縱振的模態(tài)圖示。

圖16　樣機(jī)照片及沿軸向縱振的模態(tài)圖示

由橡膠材料摩擦力的特點(diǎn)可知，氣缸摩擦力的重復(fù)測(cè)量精度較低，因此此項(xiàng)研究做了對(duì)氣缸摩擦力分布特性的工作。下面分別給出在常態(tài)和超聲振動(dòng)下25次靜摩擦力的測(cè)量結(jié)果分布圖(橫軸為靜摩擦力)。如圖17所示，無(wú)論是否加入超聲振動(dòng)，摩擦力分布都呈現(xiàn)正態(tài)分布的規(guī)律。在常溫常壓下為氣缸通入電壓150 V、頻率32.5 kHz的正弦信號(hào)后，正態(tài)分布圖向左平移，即氣缸的摩擦力平均值降低，由無(wú)振動(dòng)時(shí)的4.5 N 降低為3.5 N左右。同時(shí)，超聲振動(dòng)的引入使氣缸摩擦力的分布更加集中，即方差變小，摩擦力的穩(wěn)定性與試驗(yàn)的可重復(fù)度提高，不確定性降低。

文獻(xiàn)[43]通過(guò)在氣缸活塞桿一端加入壓電裝置，利用超聲振動(dòng)的顫振效應(yīng)有效地提高了氣缸的定位精度。其實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖18所示。

文獻(xiàn)[44]在嘗試將超聲振動(dòng)加到氣缸活塞的研究過(guò)程中，通過(guò)建立對(duì)等的電路轉(zhuǎn)換模型確定密封材料的阻尼。圖19為其得到的諧振條件下超聲換能器上各位置對(duì)應(yīng)的最大導(dǎo)納的仿真與測(cè)量值。

文獻(xiàn)[45]研究了彎曲振動(dòng)模態(tài)下氣缸動(dòng)、靜摩擦力特性。將壓電堆整合至氣缸缸筒外壁中， 實(shí)現(xiàn)了一種基于一階彎振模態(tài)的低摩擦氣缸。摩擦力測(cè)試中，只需為壓電堆輸入5 V電壓的振動(dòng)信號(hào)，即可將摩擦力減小到原摩擦力的一半以下。圖20為其樣機(jī)照片。

圖17　有/無(wú)超聲振動(dòng)時(shí)氣缸摩擦力的分布規(guī)律

圖18　氣缸精密定位裝置

圖19　超聲換能器各位置對(duì)應(yīng)的最大導(dǎo)納的仿真與測(cè)量值

圖20　基于彎曲振動(dòng)模態(tài)的低摩擦氣缸樣機(jī)

為探討超聲振動(dòng)對(duì)氣缸內(nèi)摩擦力的影響，搭建了如圖21所示的氣缸摩擦力測(cè)試平臺(tái)。音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)氣缸缸筒沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣缸的動(dòng)摩擦力信號(hào)通過(guò)與活塞桿連接的力傳感器采集。

圖21　氣缸摩擦力測(cè)試平臺(tái)

使音圈電機(jī)輸出往復(fù)運(yùn)動(dòng)的行程從零開(kāi)始緩慢增大?？梢钥吹綒飧赘淄才c活塞之間的相對(duì)位移從無(wú)到有，并不斷增加，期間經(jīng)歷靜摩擦、過(guò)渡部分、和動(dòng)摩擦三個(gè)過(guò)程。與此同時(shí)，摩擦力也從零開(kāi)始緩慢增加其幅值，直至靜摩擦完全轉(zhuǎn)換成動(dòng)摩擦?xí)r輸出穩(wěn)定變化的周期性摩擦力。在沒(méi)有超聲振動(dòng)的條件下，氣缸活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中切換速度方向時(shí)，存在明顯的由靜、動(dòng)摩擦力轉(zhuǎn)換帶來(lái)的摩擦力凸峰，且此凸峰的峰-峰值在1.5 N以上，如圖22a所示。

當(dāng)加入振動(dòng)以后，摩擦力的數(shù)值明顯減小，同時(shí)，摩擦力凸峰消失，靜、動(dòng)摩擦力轉(zhuǎn)換過(guò)渡得十分平滑，如圖22b所示。因此可以得到超聲振動(dòng)使得此氣缸摩擦力特性大幅度改善的結(jié)論。

為探討超聲振動(dòng)振幅對(duì)氣缸摩擦力的影響，定義摩擦比概念，即超聲振動(dòng)下摩擦力與無(wú)振動(dòng)條件時(shí)摩擦力的比值。由圖23所示，不論氣缸工作于干摩擦條件下還是有潤(rùn)滑油存在，摩擦比均隨著振幅的增大而減小。因此，在一定范圍內(nèi)，增大超聲振動(dòng)的振幅或使氣缸工作于其諧振頻率下有助于改善氣缸摩擦力特性。

圖22　氣缸的位移及摩擦力曲線

圖23　試驗(yàn)中氣缸摩擦力與超聲振動(dòng)振幅的關(guān)系

通過(guò)對(duì)超聲振動(dòng)條件下橡膠-金屬摩擦副及各模態(tài)下超聲振動(dòng)對(duì)氣缸摩擦力特性的影響研究，我們可以看到：超聲振動(dòng)可以大幅度改善氣動(dòng)系統(tǒng)摩擦力的特性。

4　超聲減摩在氣動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用展望

氣動(dòng)執(zhí)行器在工業(yè)生產(chǎn)中大范圍應(yīng)用的同時(shí)也對(duì)其成本、能耗、定位精度及可靠性等提出更高的要求。超聲減摩技術(shù)在氣動(dòng)研究領(lǐng)域中的提出為解決長(zhǎng)期以來(lái)困擾氣動(dòng)領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)鍵問(wèn)題提供了一種全新的思路與解決方案。因此，對(duì)其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、成本的控制，以及應(yīng)用范圍與前景的把握等就成為我們進(jìn)一步需要思考的問(wèn)題。

用成本與能耗更低的壓電片替代壓電疊堆，并將之與氣缸整合，成為高度集成化的超聲減摩氣缸將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。通過(guò)對(duì)振動(dòng)條件下不同摩擦副間摩擦特性的研究發(fā)現(xiàn)，摩擦力的減小并不需要受迫振動(dòng)提供很大的能量，一個(gè)小于1微米甚至幾十納米振幅的微振動(dòng)即可使摩擦力大幅度減小。因此，對(duì)施振機(jī)構(gòu)(壓電片、壓電疊堆等)的選擇與優(yōu)化還存在一定空間。如圖24所示氣缸結(jié)構(gòu)，將壓電片整合到氣缸缸筒、活塞桿、甚至活塞等結(jié)構(gòu)上，同時(shí)利用各種振動(dòng)模態(tài)或多模態(tài)耦合的振動(dòng)模式作用于氣動(dòng)系統(tǒng)的摩擦副中，都將是對(duì)超聲減摩氣缸的優(yōu)化手段。

圖24　超聲減摩氣缸方案

利用超聲振動(dòng)的減摩效應(yīng)改變螺紋機(jī)構(gòu)的自鎖條件，并將其應(yīng)用于與氣動(dòng)相關(guān)的新型定位機(jī)構(gòu)中將是未來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。采用新型工作原理的螺旋式超聲解鎖與速度控制機(jī)構(gòu)，并將其應(yīng)用到氣動(dòng)控制系統(tǒng)中，可以有效地改善氣動(dòng)系統(tǒng)的定位精度與速度控制能力[46]。與傳統(tǒng)氣動(dòng)系統(tǒng)中采用機(jī)械鎖緊的定位方式相比，帶有超聲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的新型氣動(dòng)控制系統(tǒng)可以獲得更高的定位精度。

將超聲減摩應(yīng)用于氣動(dòng)滑閥結(jié)構(gòu)中，解決因摩擦力帶來(lái)的死區(qū)問(wèn)題。由于氣動(dòng)滑閥靜態(tài)摩擦力的存在，使得閥芯通過(guò)中位附近時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將有一段時(shí)間不能響應(yīng)指令信號(hào)，即存在一定的中位死區(qū)。此時(shí)一個(gè)微幅的振動(dòng)將使閥芯處于更容易發(fā)生動(dòng)、靜轉(zhuǎn)換的不穩(wěn)定狀態(tài)。利用超聲振動(dòng)減小滑閥的最大靜摩擦力，從而提高氣動(dòng)閥的性能指標(biāo)，將有望成為本領(lǐng)域?qū)W者值得探索的課題。

超聲振動(dòng)對(duì)粘滑摩擦力的控制和氣動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的改善作用已被證明。將來(lái)的研究將主要集中于與減小氣動(dòng)執(zhí)行器或氣動(dòng)閥的摩擦、磨損相關(guān)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、能耗優(yōu)化、摩擦磨損以及與氣動(dòng)耦合影響等方面的研究。

5　結(jié)論

本研究從超聲減摩技術(shù)的起源與發(fā)展入手，對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域給予闡述，通過(guò)介紹橡膠-金屬摩擦副在超聲振動(dòng)下的摩擦力特性研究引出不同振動(dòng)參數(shù)條件對(duì)氣缸摩擦力的影響。隨著氣動(dòng)技術(shù)與相關(guān)學(xué)科的進(jìn)步，超聲減摩技術(shù)必將通過(guò)大幅改善系統(tǒng)的性能而得到更加廣泛的重視與長(zhǎng)足的發(fā)展。此種減摩方式較高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值與廣闊的應(yīng)用前景不容低估。

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