基于界面調(diào)控的摩擦系統(tǒng)減振降噪方法

王 權(quán)， 王安宇， 吳元科， 尹家寶， 項載毓， 莫繼良

(1.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031；2.西南交通大學(xué) 軌道交通運維技術(shù)與裝備四川省重點實驗室，成都 610031；3.四川航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院 飛行器制造系，成都 610100)

摩擦引起的振動和噪聲現(xiàn)象廣泛存在于各種機械系統(tǒng)中，如齒輪傳動系統(tǒng)[1]、軸承系統(tǒng)[2]、輪軌系統(tǒng)[3]、制動系統(tǒng)[4-5]等。摩擦振動會加速摩擦副表面材料的磨損及零部件的失效，嚴重影響機械系統(tǒng)的可靠性及服役壽命，造成高額的維修費用甚至帶來巨大的經(jīng)濟損失[6-7]。同時，強烈的振動會使系統(tǒng)對外輻射高頻率、高強度的噪聲，嚴重影響周邊人的身心健康[8-10]。因此，尋求抑制摩擦振動及降低噪聲的方法具有重要意義。

目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者從調(diào)控摩擦界面的角度出發(fā)，在抑制摩擦振動及噪聲方面取得了大量的研究成果，大致可將這些基于摩擦界面調(diào)控減小振動及噪聲的方法分為兩種:一種是直接改變摩擦接觸界面特征(直接調(diào)控)，如對摩擦副表面進行織構(gòu)化處理[11-13]、改變摩擦副材料[14-15]、優(yōu)化摩擦界面幾何參數(shù)[16-17]等；另一種是在摩擦副背面添加阻尼元件[18-19],從而影響界面摩擦學(xué)行為(間接調(diào)控)。但大多數(shù)成果都只研究了單一界面調(diào)控方法對摩擦振動及噪聲的影響，而沒有進一步探索幾種界面調(diào)控方法組合后對摩擦振動及噪聲的作用效果。因此，研究不同界面調(diào)控方法的組合(組合調(diào)控)對摩擦振動及噪聲的影響，并揭示其作用機理具有重要的理論研究及工程指導(dǎo)意義。

本研究通過在不具有界面調(diào)控的摩擦副背面安裝阻尼元件、摩擦副表面加工溝槽型織構(gòu)以及摩擦副背面安裝阻尼元件且摩擦副表面加工溝槽型織構(gòu)的方式，分別得到了阻尼元件單獨調(diào)控、溝槽型織構(gòu)單獨調(diào)控以及阻尼元件和溝槽型織構(gòu)組合調(diào)控摩擦界面的摩擦系統(tǒng)。然后對以上三種具有不同界面調(diào)控方法的摩擦系統(tǒng)以及不具有界面調(diào)控的摩擦系統(tǒng)進行摩擦振動噪聲試驗，并采用有限元方法和摩擦界面壓力測試做進一步分析。結(jié)合試驗結(jié)果與理論分析對三種具有不同界面調(diào)控方法的摩擦系統(tǒng)影響摩擦振動噪聲的機理進行了深入探討，分析結(jié)果可為抑制摩擦振動和噪聲提供新思路，并且對改善界面磨損特征，提高摩擦系統(tǒng)穩(wěn)定性具有一定理論指導(dǎo)意義。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試驗裝置

為研究摩擦界面不同調(diào)控方法對摩擦振動及噪聲的影響，在自行搭建的摩擦振動噪聲試驗臺上進行拖曳試驗。圖1為試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖，該試驗裝置主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、摩擦系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、信號采集分析系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)通過控制伺服電機驅(qū)動摩擦盤旋轉(zhuǎn)，并控制加載系統(tǒng)推動摩擦塊與摩擦盤接觸產(chǎn)生摩擦力。法向力、徑向力、摩擦力信號由三維力傳感器監(jiān)測，振動加速度信號由安裝在夾具上的三向加速度傳感器監(jiān)測，麥克風(fēng)放置在離摩擦界面約100 mm處，用于捕獲聲壓信號。設(shè)備參數(shù)信息如表1所示。所有動態(tài)信號均傳輸至振動噪聲測量分析儀實現(xiàn)同步采集，并做進一步分析。

圖1 試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

表1 設(shè)備參數(shù)

1.2 試驗樣品及試驗條件

圖2為試驗樣品尺寸及四種不同摩擦系統(tǒng)組成示意圖。在本次試驗中，摩擦塊材料是高速列車制動片銅基粉末冶金，外形尺寸為30 mm×20 mm×20 mm，摩擦塊表面的溝槽型織構(gòu)采用數(shù)控加工，溝槽寬度為2 mm，溝槽深度為0.3 mm。阻尼元件選用丁苯橡膠，其外形尺寸為30 mm×20 mm×5 mm。摩擦盤的材料為Q345鋼，外徑360 mm，內(nèi)徑65 mm，盤的厚度為16 mm。

圖2 試驗樣品尺寸及四種不同摩擦系統(tǒng)組成示意圖

本次試驗所需要的四種摩擦系統(tǒng)分別為：原始系統(tǒng)，由不具有界面調(diào)控行為的未加工溝槽型織構(gòu)的摩擦塊構(gòu)成；阻尼調(diào)控系統(tǒng)，由未加工溝槽型織構(gòu)的摩擦塊及其背面對摩擦界面具有間接調(diào)控行為的阻尼元件組成；溝槽調(diào)控系統(tǒng)，由對摩擦界面具有直接調(diào)控行為的加工有溝槽型織構(gòu)的摩擦塊構(gòu)成；阻尼+溝槽調(diào)控系統(tǒng)，由加工有溝槽型織構(gòu)的摩擦塊及其背面的阻尼元件組成。阻尼元件放置在摩擦塊與夾具之間，摩擦塊幾何中心到摩擦盤轉(zhuǎn)動中心的距離(摩擦半徑)為120 mm。

為保證試驗過程中摩擦界面貼合良好，在正式試驗前摩擦塊應(yīng)充分跑合。正式試驗時，摩擦盤轉(zhuǎn)速為75 r/min，法向力為500 N，環(huán)境溫度控制在20～25 ℃，相對濕度控制在(60±10)%。為保證測試結(jié)果的重復(fù)性和可靠性，對每組試驗重復(fù)進行四次，每次測試時間為60 s。試驗完成后，進行摩擦界面壓力測試分析。

1.3 有限元模型

為進一步研究不同界面調(diào)控方法對界面摩擦學(xué)行為的影響機理，利用ABAQUS軟件建立簡化的試驗臺有限元模型，如圖3(a)所示。該模型主要由摩擦盤、摩擦塊、阻尼元件、夾具、力傳感器、推桿、支座七個零部件組成。圖3(b)為對有限元模型施加的邊界條件，僅保留摩擦盤繞X軸的轉(zhuǎn)動，限制其余五個方向的運動，旋轉(zhuǎn)方向如圖所示。法向載荷均勻分布在推桿末端，對支座施加完全約束，支座與推桿之間、摩擦盤與摩擦塊之間采用面-面接觸(surface to surface)，并分別將推桿、摩擦盤設(shè)定為主面，對應(yīng)的支座、摩擦塊設(shè)定為從面。其余部件之間均采用Tie連接。由于阻尼元件為彈性材料，將其網(wǎng)格劃分為八節(jié)點一階線性雜交單元(C3D8H)，其余零部件網(wǎng)格劃分為八節(jié)點一階線性縮減單元(C3D8R)。

為保證建立的有限元模型可以準(zhǔn)確地反映出摩擦系統(tǒng)的真實特性，需要對有限元模型進行可靠性驗證。通過調(diào)整有限元模型中各零部件材料參數(shù)，使有限元模態(tài)分析和錘擊試驗所得的試驗臺自然頻率具有很好的一致性，即有限元模型中各零部件材料參數(shù)設(shè)定基本正確，建立的有限元模型基本可靠。其中，阻尼元件采用Mooney-Rivlin模型，材料參數(shù)通過單軸拉伸試驗獲得，結(jié)果為C10=1.86，C01=2.76，其余零部件的材料參數(shù)如表2所示。

表2 零部件材料參數(shù)

2 振動噪聲試驗結(jié)果分析及討論

2.1 時域分析

為研究摩擦系統(tǒng)不同界面調(diào)控方法對摩擦振動及噪聲的影響，首先將試驗采集得到的四種摩擦系統(tǒng)的聲壓信號以10 s為等效時間，進行A計權(quán)等效聲壓級分析，結(jié)果如圖4所示。可以看出，原始系統(tǒng)噪聲信號的等效聲壓級始終維持在較高水平，而三種調(diào)控系統(tǒng)噪聲信號的等效聲壓級均低于原始系統(tǒng)，且阻尼+溝槽調(diào)控系統(tǒng)的等效聲壓級最低。分析結(jié)果表明，在摩擦副背面安裝阻尼元件或在摩擦副表面加工溝槽型織構(gòu)均可以有效減小摩擦噪聲，并且將以上兩種界面調(diào)控方法組合后可以進一步降低摩擦噪聲強度。

(a) 有限元模型

(b) 載荷及邊界條件

圖4 等效聲壓級時域信號

圖5為四種摩擦系統(tǒng)穩(wěn)定階段5 s內(nèi)的法向振動加速度、切向振動加速度及聲壓的時域信號。觀察發(fā)現(xiàn)，原始系統(tǒng)的法向、切向加速度和聲壓信號均出現(xiàn)了較大的幅值，可推測系統(tǒng)此時產(chǎn)生了強烈的振蕩，并輻射出高強度的噪聲。而阻尼調(diào)控系統(tǒng)和溝槽調(diào)控系統(tǒng)在法向、切向的加速度振蕩幅值和聲壓信號幅值均明顯下降，說明這兩種調(diào)控方法能在一定程度上抑制系統(tǒng)振動，進而降低摩擦噪聲強度。在阻尼+溝槽調(diào)控系統(tǒng)中，加速度振蕩幅值進一步降低且聲壓信號幅值也進一步減小，說明摩擦副背面的阻尼元件和摩擦副表面的溝槽型織構(gòu)協(xié)同作用下能夠有效抑制系統(tǒng)振動，削弱摩擦噪聲強度。

(a) 原始系統(tǒng)

(b) 阻尼調(diào)控系統(tǒng)

(c) 溝槽調(diào)控系統(tǒng)

(d) 阻尼+溝槽調(diào)控系統(tǒng)

2.2 頻域分析

對四種摩擦系統(tǒng)的法向振動加速度和聲壓信號進行功率譜密度分析，結(jié)果如圖6所示。觀察得知，四種摩擦系統(tǒng)均存在三個明顯的主頻，其中第二、第三主頻是第一主頻的諧波響應(yīng)，且三種調(diào)控系統(tǒng)的主頻大小與原始系統(tǒng)相比并未發(fā)生明顯的變化。進一步對比主頻能量發(fā)現(xiàn)，原始系統(tǒng)的法向振動加速度和聲壓信號對應(yīng)主頻處能量值均最高，而具有界面調(diào)控行為的阻尼調(diào)控系統(tǒng)和溝槽調(diào)控系統(tǒng)對應(yīng)主頻處能量值均明顯下降，且阻尼元件和溝槽型織構(gòu)兩種界面調(diào)控方法協(xié)同作用下的阻尼+溝槽調(diào)控系統(tǒng)中主頻處能量值最小。由此說明，在摩擦副背面安裝阻尼元件或在摩擦副表面加工溝槽型織構(gòu)以及摩擦副背面的阻尼元件與摩擦副表面的溝槽型織構(gòu)協(xié)同作用下對摩擦系統(tǒng)振動及聲壓的頻率影響較小，但均可以降低振動主頻和聲壓主頻處幅值，尤其是阻尼元件和溝槽型織構(gòu)協(xié)同作用時，振動主頻和聲壓主頻幅值降低最明顯，說明這種組合調(diào)控可以顯著抑制摩擦系統(tǒng)振動，從而有效降低噪聲強度。

(a) 原始系統(tǒng)

3 機理探討

3.1 不同調(diào)控方法對界面貼合程度的影響

為揭示不同界面調(diào)控方法對界面摩擦學(xué)行為的作用機理，利用有限元分析摩擦盤轉(zhuǎn)動時摩擦界面的接觸情況，并將摩擦界面接觸面積與摩擦塊面積的比值定義為界面貼合度。設(shè)置增量步為0.002 s，分析時長為0.5 s，即每0.002 s為一幀，共得到251幀，提取每一幀下摩擦界面的接觸面積，按照定義得到界面貼合度隨時間變化的曲線，結(jié)果如圖7所示。對比發(fā)現(xiàn)，具有界面調(diào)控行為的三種摩擦系統(tǒng)界面貼合度均大于原始系統(tǒng)，并且阻尼+溝槽調(diào)控系統(tǒng)的界面貼合度最大。這說明在摩擦副背面安裝阻尼元件或在摩擦副表面加工溝槽型織構(gòu)均可以增大摩擦界面貼合度，且阻尼元件和溝槽型織構(gòu)兩種界面調(diào)控方法協(xié)同作用下可以使摩擦界面貼合度進一步增大。

圖7 界面貼合度

圖8(a)為四種摩擦系統(tǒng)0.3 s時刻的摩擦界面接觸情況。原始系統(tǒng)摩擦界面接觸區(qū)域主要集中在摩擦塊前角；阻尼調(diào)控系統(tǒng)界面接觸區(qū)域分布在整個摩擦塊前端并且有向摩擦塊后端延伸的趨勢；溝槽調(diào)控系統(tǒng)界面接觸區(qū)域從摩擦塊前端向摩擦塊后端擴散；阻尼元件和溝槽型織構(gòu)兩種界面調(diào)控方法協(xié)同作用下的界面接觸區(qū)域進一步擴大。圖8(b)為不同界面調(diào)控方法示意圖。摩擦盤轉(zhuǎn)動時在摩擦塊切入端(前端)存在摩擦力Ff的作用，造成摩擦塊后端的傾斜。此外，由于摩擦盤單側(cè)受到摩擦塊的壓力，離轉(zhuǎn)動中心越遠，摩擦盤的位移變形越大，從而導(dǎo)致摩擦塊左側(cè)與摩擦盤保持接觸而摩擦塊右側(cè)無法與摩擦盤接觸。因此，綜合兩方面的影響因素后可得知，原始系統(tǒng)界面接觸區(qū)域主要集中在摩擦塊前角；阻尼調(diào)控系統(tǒng)中通過丁苯橡膠阻尼元件受壓時的彈性變形，調(diào)整摩擦塊前-后端方向和左-右側(cè)方向的界面接觸區(qū)域，從而增大摩擦界面貼合度；溝槽調(diào)控系統(tǒng)由于摩擦塊前角溝槽的存在，使前角區(qū)域無法與摩擦盤接觸，因此摩擦界面接觸區(qū)域向后移動，且界面接觸區(qū)域產(chǎn)生的摩擦力沿垂直于溝槽方向的分力Ff1會造成摩擦塊右側(cè)的轉(zhuǎn)動，使摩擦塊右側(cè)向摩擦盤靠近，從而在界面接觸區(qū)域后移的同時也使摩擦塊前端的界面接觸區(qū)域得到調(diào)整，進而增大界面貼合度；阻尼+溝槽調(diào)控系統(tǒng)在阻尼元件和溝槽型織構(gòu)兩種調(diào)控摩擦界面方法的協(xié)同作用下，使界面貼合度進一步增大。

(a) 0.3 s時刻摩擦界面接觸情況

(b) 不同界面調(diào)控方法示意圖

試驗完成后用壓力膜測試摩擦界面的壓力分布，結(jié)果如圖9所示?？紤]到摩擦振動噪聲試驗會造成摩擦塊表面一定程度的磨損，磨損區(qū)域由于摩擦材料的轉(zhuǎn)移或喪失，在壓力測試時該區(qū)域無法與摩擦盤接觸，因此壓力測試分析結(jié)果中無界面壓力分布區(qū)域即為磨損區(qū)域。將摩擦界面壓力測試分析得到的磨損區(qū)域與0.3 s時刻摩擦界面接觸區(qū)域?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的一致性。原始系統(tǒng)中磨損區(qū)域主要集中在摩擦塊前角，這種磨損狀態(tài)主要是由于摩擦盤轉(zhuǎn)動及單側(cè)受壓導(dǎo)致摩擦塊不均勻磨損導(dǎo)致；而阻尼調(diào)控系統(tǒng)中磨損區(qū)域則分布在整個摩擦塊前端，溝槽調(diào)控系統(tǒng)中磨損區(qū)域從摩擦塊前端向摩擦塊后端延伸，阻尼+溝槽調(diào)控系統(tǒng)中磨損區(qū)域進一步擴大。由此證明，三種界面調(diào)控方法均可以通過增大摩擦界面之間的接觸區(qū)域調(diào)整摩擦界面貼合度，進而改善由摩擦盤轉(zhuǎn)動和單側(cè)受壓引起的摩擦塊不均勻磨損現(xiàn)象，提高摩擦系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制摩擦振動及噪聲的產(chǎn)生。并且，阻尼元件和溝槽型織構(gòu)組合調(diào)控摩擦界面的方法得到的界面貼合度最大，因此，阻尼元件和溝槽型織構(gòu)的協(xié)同作用在抑制摩擦振動噪聲方面表現(xiàn)出更大的潛力。

3.2 界面貼合穩(wěn)定性分析

由于摩擦盤轉(zhuǎn)動時摩擦界面的接觸狀態(tài)是一個動態(tài)變化的過程，因此界面貼合度也在時刻發(fā)生變化。對四種摩擦系統(tǒng)對應(yīng)的界面貼合度曲線單獨進行分析，并將穩(wěn)定階段內(nèi)(0.1～0.5 s)界面貼合度的最大值與最小值之差記為R，R值越小，表明界面貼合度的變化幅值越小,其結(jié)果如圖10所示。對比R值，發(fā)現(xiàn)阻尼調(diào)控系統(tǒng)(1.4%)小于原始系統(tǒng)(5.14%)、阻尼+溝槽調(diào)控系統(tǒng)(3.14%)小于溝槽調(diào)控系統(tǒng)(7.18%)，說明摩擦副背面安裝的阻尼元件在增大界面貼合度的同時還可以減小界面貼合度的變化幅值。而溝槽調(diào)控系統(tǒng)R值大于原始系統(tǒng)，這表明溝槽型織構(gòu)在增大界面貼合度的同時也造成界面貼合度的變化幅值增大。但從試驗結(jié)果得知溝槽調(diào)控系統(tǒng)振動噪聲強度低于原始系統(tǒng)。由此推測，界面貼合穩(wěn)定性同時受界面貼合度和界面貼合度變化幅值的影響，且界面貼合度占主導(dǎo)因素。因此，阻尼+溝槽調(diào)控系統(tǒng)在綜合利用阻尼元件和溝槽型織構(gòu)進一步增大界面貼合度的同時，也利用阻尼元件的優(yōu)勢減小界面貼合度的變化幅值，使界面貼合更加穩(wěn)定，因而在抑制摩擦振動及噪聲方面表現(xiàn)出更大的潛力。

圖9 試驗后摩擦界面壓力測試分析結(jié)果

(a) 原始系統(tǒng)

(b) 阻尼調(diào)控系統(tǒng)

(c) 溝槽調(diào)控系統(tǒng)

(d) 阻尼+溝槽調(diào)控系統(tǒng)

4 結(jié) 論

本文通過試驗研究了三種不同界面調(diào)控方法對摩擦振動及噪聲的影響，并利用有限元和摩擦界面壓力測試分析揭示了不同界面調(diào)控方法對界面摩擦學(xué)行為的作用機理，主要得到以下結(jié)論：

(1) 試驗結(jié)果表明在摩擦副背面安裝具有間接調(diào)控行為的阻尼元件或在摩擦副表面加工具有直接調(diào)控行為的溝槽型織構(gòu)均可以在一定程度上抑制摩擦振動及噪聲，并且阻尼元件和溝槽型織構(gòu)組合調(diào)控摩擦界面的方法更能有效地削弱系統(tǒng)振動、降低噪聲強度。

(2) 有限元和摩擦界面壓力測試分析結(jié)果顯示，摩擦界面貼合度對界面摩擦振動及噪聲的產(chǎn)生有重要影響。溝槽調(diào)控系統(tǒng)借助溝槽型織構(gòu)使摩擦塊前角的接觸區(qū)域向摩擦塊后端擴散，并且可通過調(diào)整摩擦塊的受力改善界面接觸狀態(tài)，從而使摩擦界面貼合度增大。阻尼元件和溝槽型織構(gòu)組合協(xié)同調(diào)控時，阻尼元件的彈性變形可以使摩擦界面貼合度進一步增大，進而更好地提高摩擦系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此在抑制摩擦振動及噪聲方面表現(xiàn)出更大的潛力。

(3) 具有界面調(diào)控行為的阻尼元件既可以增大摩擦界面貼合度，還能有效減小摩擦界面貼合度的變化，使界面貼合更加穩(wěn)定，從而達到抑制摩擦振動及噪聲的目的。