機械結合面切向接觸參數的織構效應分析

張藝，史熙

(上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

機械結合面切向接觸參數的織構效應分析

張藝，史熙

(上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

接觸剛度和接觸阻尼是表征機械結合面動力學性能的兩個重要參數，而機械結合面的動力學性能很大程度上影響著整個機械系統的振動水平，因此對于接觸參數的研究一直是相關學者關注的方向。介紹了一種測試機械連接界面切向接觸剛度和接觸阻尼的實驗裝置和方法，并將表面織構技術運用到機械結合面設計，通過實驗測量分析初步探索了機械結合面切向接觸參數的表面織構效應。

機械織構；接觸剛度；接觸阻尼

0 引言

接觸剛度和接觸阻尼對于機械結合面的動力學特性會產生顯著的影響，有很多學者對此開展過研究。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，并得出接觸剛度隨載荷增大而增大的結論。李輝光等人[2]基于彈塑性理論對具有粗糙表面的長方微元體進行有限元接觸分析發現：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]通過對切向接觸剛度的測量來評估粗糙界面的初期微觀滑動。張學良等人曾開展過對螺栓結合部切向動態特性參數的實驗研究，并且得出結論：表面加工精度越高，切向剛度和阻尼越大；油介質的存在可以提高切向接觸界面的阻尼[4]。溫淑花等人[5]對結合面接觸剛度分形模型進行建立與仿真后，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論。張學良[6]還曾對平面結合面切向接觸阻尼進行過仿真研究，得出結合面法向載荷越大，接觸阻尼越小的結論。但目前學者研究工作僅限于對接觸參數的測量及計算，對接觸參數的主動控制往往只能通過材料的選用來實現。而近年來表面織構技術的興起為結合面接觸特性的控制提供了新的思路。表面織構技術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。如荷葉表面織構會改變表面的疏水性，而壁虎腳掌織構會增強表面的粘附性等。Ulrika等人[7]通過研究得出特定表面織構會影響接觸表面的摩擦及磨損性能。而Arghir等人[8]通過建模研究具有表面織構的密封環，得出織構會對接觸面接觸參數有一定影響。但織構對結合面接觸參數的具體影響方式及影響機理，還鮮有學者研究。因此本文的目的是通過實驗研究織構對切向接觸剛度和阻尼產生的影響，從而探索通過控制表面織構來控制機械結合面接觸參數的新方法。

1 實驗方法及原理

1.1 實驗裝置及原理

擬測量具有不同表面織構的界面切向接觸剛度和接觸阻尼，以調查其影響大小和影響方式。使用接觸諧振法來測量結合面切向接觸參數，所謂接觸諧振法，即在一定的預載荷情況下給接觸界面施加一個切向沖擊，由于界面的接觸剛度對應一個接觸諧振頻率，這個頻率在沖擊激發的振動頻譜上會體現出來，然后利用特征值實現算法(ERA)對產生的振動信號進行識別，可得出該載荷下的接觸諧振頻率及對應的接觸阻尼，接觸剛度可以由接觸諧振頻率反推得到。

實驗裝置如圖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和貼在軟簧上的應變片及與之連接的應變儀來實現。在達到預定切向載荷后，通過釋放一根穿過中空管的細鋼棒給接觸界面施加切向沖擊。由固定在上質量塊的上表面的兩個加速度傳感器采集沖擊產生的加速度數據，對數據進行處理得到接觸諧振頻率和系統頻率，由ERA分析直接得到特征頻率對應的接觸阻尼，然后根據實驗系統的動力學模型計算得到接觸界面的剛度。實驗裝置的簡化模型如(b)圖所示。

圖1 接觸剛度和接觸阻尼測量裝置示意圖

根據簡化的實驗模型可列出振動方程：

(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)即可計算得出接觸剛度。

1.2 織構樣品設計

實驗在不銹鋼試樣(牌號06Cr19Ni10)表面加工溝槽型織構。為了便于試樣的固定，試樣設計如圖2所示。

圖2 織構樣品設計示意圖

為研究不同尺寸的織構對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 織構樣品相關參數表

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樣品為未加工織構的光滑表面樣品，表面經過精磨。有織構的樣品采用線切割的方式加工，表面也經過精磨。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是用三維輪廓儀測得的織構表面粗糙度。加工得到的典型織構表面形貌如圖3所示。

圖3 織構樣品表面形貌圖

1.3 實驗條件的控制

本文所述實驗主要研究切向載荷對接觸界面參數的影響。通過永磁體對接觸面進行法向加載，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，確保實驗的準確性，選取如下四組較小的切向載荷，分別為2.45N，4.9N，7.35N，9.8N。通過實驗測量分析在各載荷條件下不同尺寸的織構樣品與光滑表面的樣品O接觸的接觸剛度和阻尼值。并對潤滑條件下界面的接觸剛度和阻尼進行了分析(采用美孚10W-30潤滑油)。

1.4 實驗數據的采集

值得注意的是，實驗中通過控制細鋼棒的釋放以保證得到單脈沖沖擊的系統激勵。實驗中，對各載荷條件進行10次重復實驗并取平均值以減少隨機因素影響。實驗的前后均對應變儀進行標定，以確保施加載荷的準確性。圖4為典型的標定曲線，可以看出，應變儀的線性度良好，每20mv對應4.9N的載荷。

圖4 應變儀標定曲線圖

2 實驗結果與分析

實驗得到的典型加速度信號和其頻譜如圖5所示，頻譜中的兩個峰值即系統頻率和接觸諧振頻率。用ERA識別算法處理加速度信號可得出接觸諧振頻率及其對應的接觸阻尼，由接觸頻率即可推出接觸剛度。

圖5 典型加速度信號及其頻譜(載荷100N)圖

2.1 織構對切向剛度的影響

圖6為織構對切向剛度的影響，實驗均在無潤滑的條件下進行。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成的，而接觸面靠這些表面凸起相互嚙合來抵抗切向變形。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，帶有織構的表面的剛度明顯低于光滑表面。并且隨著織構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，接觸剛度越來越小。

圖6 織構對切向剛度的影響(無潤滑)圖

2.2 潤滑對切向剛度的影響

圖7所示為在無潤滑和有潤滑情況下測得的接觸界面剛度隨載荷變化的情況。其中實心的符號代表的是加了潤滑油的情況。從圖中可以看出，潤滑劑的存在會降低切向接觸剛度。這一點張學良在文獻[4]中也曾提到，但并未對其作出解釋。本文認為潤滑劑的存在會降低切向接觸剛度的原因是，對于擠壓和剪切來說，潤滑油帶來的影響是不一樣的。在法向界面上潤滑油會填充接觸表面的空隙，提高接觸表面的抗壓能力，因為潤滑油分擔了部分壓力和變形量。而切向接觸界面是通過接觸面微觀凸起的相互嚙合來抵抗切向變形，潤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 潤滑對切向剛度的影響圖

2.3 織構及潤滑對切向阻尼的影響

圖8是切向載荷和切向阻尼的關系。可以看出隨著切向載荷的增大，切向接觸阻尼的變化趨勢和剛度是相反的，越來越大。這一點和文獻[5]的研究結果是一致的。切向載荷越大，越不利于結合面之間表面微小凸起的相互結合，更易使結合面產生滑移甚至失效，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，有織構的樣本的切向接觸阻尼高于無織構的樣本的接觸阻尼。并且織構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。這是由于織構的存在減少了兩表面的接觸面積，削弱了結合面的結合緊密程度，使界面抵抗切向力的能力下降，更容易產生相對滑移，能量耗散的更快， 故有織構的結合界面切向接觸阻尼較大。

圖8 織構對阻尼的影響(無潤滑情況)圖

圖9是潤滑對阻尼的影響，實心的圖形為加了潤滑劑的情況?？梢钥闯鰧τ诿總€樣本來說，潤滑劑均提高了接觸阻尼。這是因為潤滑劑使切向接觸界面更容易產生滑移，從而使阻尼增大。

圖9 潤滑對阻尼的影響圖

3 結論

本文設計并使用了一種測試機械結合面切向接觸剛度和阻尼的實驗裝置及方法。并針對不同設計的表面織構進行了切向接觸界面剛度和阻尼的測量實驗。實驗表明隨著切向載荷的增加，切向剛度降低，切向阻尼增大。織構及潤滑油均會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]，機械強度，16,2,72-75,71.

[2] 李輝光，劉恒，虞烈，粗糙機械結合面的接觸剛度研究[J]，西安交通大學學報，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] 張學良，溫淑華，螺栓結合部切向動態特性參數的實驗研究[J]，太原重型機械學院學報,13,3,87-95.

[5] 溫淑花，張學良，文曉光，等.結合面切向接觸剛度分形模型建立與仿真[J]，農業機械學報, 2009,40(12):223-227.

[6] 張學良，溫淑花，蘭國生，等.平面結合面切向接觸阻尼分形模型及其仿真[J]，西安交通大學學報,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

國家十二五支撐計劃項目(2011BAK06B05-05)及機械系統與振動國家重點實驗室開放基金(MSV201111)

張藝(1991-)，女，安徽蚌埠人，碩士研究生，研究方向為界面動力學。

TH113.1

B

1671-5276(2014)02-0015-04

2013-02-22