| 真空下橫向高頻振動對滑動摩擦力的影響
周寧寧，曲建俊，王彥利
(哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：研制出一種新型高頻振動減摩實驗裝置，并在大氣、低真空(1×103Pa)、中真空(2Pa)和高真空(2. 0×10-3Pa)四種環(huán)境壓強下，測試了PTFE基復合材料與磷青制之間普通滑動和帶有橫向高頻振動情況下的滑動摩擦力，研究了橫向高頻振動激勵電壓、預緊力、滑動速度和環(huán)境壓強對滑動摩擦力的影響。結(jié)果表明：隨著激勵電壓的增加，帶有橫同高頻振動的滑動摩擦力減小；滑動速度對帶有橫同高頻振動的滑動摩擦力影響較大，隨著滑動速度增加，橫向高頻振動減小摩擦力的作用減弱；環(huán)境壓強對橫向高頻振動減摩有一定影啊，隨著真空度的增加，橫同振動減摩的作用稍微減弱；隨著預緊力的增加，帶有橫同振動的滑動摩擦系數(shù)增加。
關(guān)鍵詞：摩擦；振動；真空；滑動速度
O引言
振動能夠減小物體之間的摩擦力早已被人們所共知，并且已經(jīng)在各種加工中得到應用。
根據(jù)超聲波振動方向，超聲波振動分為垂直于滑動平面的縱向振動和平行于滑動平面的橫向振動。Mitskevich最早建立了橫向振動對摩擦力影響的理論模型，得出當振動速度高于滑動速度時，橫向振動具有減小摩擦力的作用。后來，學者基于Mitskevich的模型對橫同振動的減摩作用進行了實驗研究。基于Mltskevich模型相同的假設，Litttmann，Kumar和Hutchings利用經(jīng)典庫倫摩擦力定律，建立了具有面內(nèi)超聲波振動的摩擦力計算的理論模型。Tsai在Littmann模型的基礎(chǔ)上，考慮了材料切向彈性對面內(nèi)振動減摩的作用，建立了面內(nèi)振動減摩的理論模型，用該模型得到的理論值與實驗值更加一致。Hesledal等研究了微觀機械接觸中由超聲引起摩擦力減小的起源，得出摩擦力減小的原因僅與垂直超聲部分有關(guān)，面內(nèi)聲波沒有減小摩擦力的作用。
目前為止，真空下，高頻橫向振動的減摩作用有何變化仍不清楚。因此本文利用自制的高頻振動減摩實驗裝置，在四種環(huán)境壓力下研究了普通滑動和帶有橫向高頻振動的減摩作用，揭示了真空下橫向高頻振動減摩的規(guī)律，為真空下利用超聲波振動控制摩擦力以及研究超聲波電機的摩擦驅(qū)動機理和超聲波電機在真空下的應用提供了實驗數(shù)據(jù)。
1試驗設備與方法
1 1試驗裝置
試驗所用高頻振動減摩測試裝置示意圖如圖1所示，它主要由驅(qū)動電機、預緊力加載結(jié)構(gòu)、縱、扭復合超聲換能器和摩擦力測量結(jié)構(gòu)等部分組成。其中驅(qū)動電機通過聯(lián)軸器帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，進而帶動上摩擦副固定盤轉(zhuǎn)動。摩擦副之間的接觸形式為盤一盤接觸，下摩擦副為工程塑料，粘貼在縱、扭復合高頻換能器的端部，縱、扭復合高頻換能器提供實驗過程中摩擦副之問的振動。縱、扭復合高頻換能器固定在一個可以自由轉(zhuǎn)動的底座上，該底座能夠?qū)嶒炦^程中摩擦副之間的摩擦力傳遞給力傳感器。實驗過程中，通過驅(qū)動電機控制上摩擦副的滑動速度(滑動速度由速度傳感器測量)，通過調(diào)整螺旋彈簧的伸縮長度控制摩擦副間的預緊力，通過調(diào)整縱、扭復合高頻換能器的縱、扭振動的輸入電壓，控制摩擦副之間振動的形式以及振動的幅度，并且上下摩擦副均可方便的更換，將該試驗臺放在真空腔內(nèi)進行實驗。真空腔內(nèi)的真空度可實現(xiàn)由大氣到中真空(2．0Pa)和到高真空(2．0×10-3Pa)的連續(xù)變化。實驗過程中，高頻驅(qū)動控制系統(tǒng)在線顯示測量的摩擦力、滑動速度和溫度等參數(shù)，并且由計算機進行實時采集。
1 2縱、扭復合高頻換能器
試驗所用縱、扭復合高頻換能器是高頻振動減摩試驗臺中的關(guān)鍵部分，其直徑為φ40mm，長度為84 mm。該縱、扭復合高頻換能器的縱扭共振頻率并沒有進行兼并，其縱向共振頻率為20 kHz，扭轉(zhuǎn)共振頻率為11 6kHz。由于縱振子是由整片壓電晶片加工而成，設計較為容易，因此該縱、扭復合超聲換能器的設計主要是扭轉(zhuǎn)振子的設計。
由于極化整個環(huán)狀壓電陶瓷使其能夠產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動存在困難，通常將環(huán)狀壓電陶瓷分成多個扇塊，分別極化后，再按極化方向?qū)⑸葔K粘結(jié)成一個圓環(huán)。本文中扭轉(zhuǎn)振子的設計過程如圖2所示，先將長方體壓電陶瓷沿寬度方向極化，然后將極化后的長方體陶瓷片切割成一定的形狀，并按相同的極化方向把切割后的陶瓷粘結(jié)成近似的圓環(huán)體，再將粘結(jié)后環(huán)狀壓電陶瓷上下兩表面精磨并涂銀極，最后在陶瓷的上下兩表面附下銅電極，按極化方向?qū)善沾煞聪虿⒙?lián)安裝在換能器中。
1 3試驗方法
試驗過程中使用摩擦副的材料為PTFE基復合材料／磷青銅，其中PTFE基摩擦材料粘帖在振動體的端部，摩擦材料的尺寸為φ40mm×φ30mm×0 .5mm，磷青銅摩擦環(huán)的尺寸為φ44mm×φ27mm×5mm，磷青銅摩擦環(huán)由驅(qū)動電機帶動繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。每種工況即實驗參數(shù)一定的條件下，均進行了3次試驗，每次試驗10min，然后將3次實驗巾穩(wěn)定階段的摩擦力的平均值作為該工況下摩擦副之間的摩擦力。
2橫向高頻振動的減摩模型
圖3為振動減摩測試裝置的簡化模型，其中上摩擦副以恒定速度Vs水平滑動，下摩擦副以振幅Vv和頻率w進行水平周期振動，兩摩擦副之間的壓力為Fc。則上摩擦副相對于下摩擦副的相對滑動速度為：
Vrel(wt)=vs-vvsinwt (1)
根據(jù)經(jīng)典庫倫摩擦定律，兩摩擦副之間的瞬時滑動摩擦力F為：
F(wt)=μFcsgn(vs-vvsinwt)=f0sgn(vs-vvsinwf) (2)
其中，μ為摩擦副間無橫向高頻振動時的摩擦系數(shù)，f0為摩擦副間無橫向高頻振動時的滑動摩擦力。
定義滑動速度vs和振動速度幅值vv的比為：
 (3) 根據(jù)文獻7知，帶有水平振動的摩擦副間的時間平均滑動摩擦力為：
 (4) 3試驗結(jié)果與討論
3 1激勵電壓和滑動速度的影響
大氣下，摩擦副間的滑動摩擦力隨扭轉(zhuǎn)振動激勵電壓的變化如圖4所示。由圖可看出，當扭轉(zhuǎn)振動激勵電壓峰峰值超過100V時，橫向高頻振動具有減摩作用，并且隨著激勵電壓的增加，減摩作用逐漸增強。圖5為滑動速度對橫向高頻振動減摩作用的影響。從圖中可以看出，當滑動速度較小時，橫向振動的減摩作用超過百分之八十，隨著滑動速度的增加，橫向振動減摩作用逐漸減弱，最后減摩效果趨于零。
定義橫向高頻振動的減摩率為
其中，f0為摩擦副間無橫向高頻振動時的摩擦力，fv為摩擦副間帶有水平高頻振動時的平均滑動摩擦力。
 由式(4)知，橫向高頻振動的減摩效果跟滑動速度與振動速度幅值的比有關(guān)。當，r≥l時，即橫向高頻振動速度幅值小于滑動速度時，橫向振動減摩的效果不明顯。當O
一定時，隨著滑動速度的增大，滑動速度與橫向振動速度比值增加，根據(jù)式(4)知，摩擦副問的平均滑動摩擦力Fv逐漸增加，故橫向高頻振動的減摩率將減小。
3 2真空度的影響
圖6為一定激勵電壓下，橫向高頻振動的減摩效果隨環(huán)境壓強的變化。從圖中可以看出，隨著環(huán)境壓強的減小，橫向高頻振動的減摩作用稍微減弱。隨著真空度的增加，摩擦副之間容易發(fā)生粘結(jié)，導致振動體端部粘貼的摩擦材料向銅環(huán)表面轉(zhuǎn)移。由于摩擦材料的切向彈性變形大于銅的切向彈性變形，所以隨著摩擦材料向銅環(huán)表面的逐漸轉(zhuǎn)移，接觸界面接觸點的切向彈性變形增加，根據(jù)文獻[10]知，接觸點的切向彈性變形將減小橫向振動的減摩效果，所以隨著環(huán)境壓強的減小，橫向高頻振動的減摩作用減弱。
3 3法向力的影響
大氣下，帶有橫向而頻振動的滑動摩擦系數(shù)隨預緊力的變化曲線如圖7所示。從圖中可以看出，隨著預緊力的增加，摩擦副間的滑動摩擦系數(shù)增大。相同扭轉(zhuǎn)振動激勵電壓的情況下，摩擦副間的預緊力增大時，摩擦副間的橫向高頻振動幅度減弱，滑動速度與橫向高頻振動速度比值增加，導致摩擦副間的滑動摩擦力增大，帶有橫向高頻振動的滑動摩擦系數(shù)增加。
4結(jié)論
利用自制的高頻振動減摩測試裝置，在四種環(huán)境壓力下研究了橫向高頻振動減摩的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：
(1)隨著激勵電壓的增加以及滑動速度的減小，帶有橫向高頻振動的滑動摩擦力逐漸減小。當橫向高頻振動速度大于滑動速度時，由于橫向振動的存在，在振動的一個周期內(nèi)的某段時間，摩擦副之間的瞬時摩擦力的方向發(fā)生了改變，導致摩擦副之間的時間平均摩擦力減小，并且隨著滑動速度與橫向振動速度幅值的比減小，摩擦副之間的時間平均摩擦力逐漸減小，直到摩擦副之間的摩擦力為零。
(2)隨著環(huán)境壓強的減小，橫向振動減摩的作用略微減弱。真空下橫向高頻振動減摩效果減弱的原因是：真空F接觸界面之間的接觸點的切向彈性變形對橫向高頻振動的減摩效果具有減弱的作用，并且隨著真空度的增加，摩擦材料向銅環(huán)表面轉(zhuǎn)移，接觸界面之間的接觸點的切向彈性變形增大，導致真空下橫向高頻振動減摩效果減弱。
(3)隨著預緊力的減小，帶有橫向高頻振動的滑動摩擦系數(shù)逐漸減小。由于預緊力的減小，相同扭轉(zhuǎn)振動激勵電壓的條件下，橫向振動的幅度增強，滑動速度與橫向振動速度幅值的比減小，導致滑動摩擦系數(shù)逐漸減小。 |
