機(jī)械摩擦界面中多多少少存在一些受限顆粒體,這些受限顆粒體和復(fù)雜的微凸體接觸,并與局部液體潤滑膜共同形成了具有明顯非線性的混合摩擦狀態(tài)。受限顆粒體在機(jī)械副中的行為往往處于介觀尺度,并且形式多樣、機(jī)理復(fù)雜。首先闡述了摩擦非線性在機(jī)械摩擦副中的體現(xiàn)以及受限顆粒體在此問題中的機(jī)理,并概括了受限顆粒體在不同界面條件下可能起到的減摩、增摩、誘發(fā)噪聲或摩擦力不穩(wěn)定性等作用。針對混合摩擦狀態(tài)下的受限顆粒體引發(fā)的摩擦非線性問題,對不同應(yīng)用背景的含受限顆粒體的摩擦界面的實(shí)驗(yàn)研究,包括顆粒Couette流剪切實(shí)驗(yàn)、粉末層SEM觀察實(shí)驗(yàn)、外來顆粒以及磨損顆粒實(shí)驗(yàn),進(jìn)行了歸納,并對摩擦界面內(nèi)受限顆粒體實(shí)驗(yàn)研究的空白和難點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。針對受限顆粒體在摩擦界面中的行為的建模研究,包括FEM、DEM以及動(dòng)力學(xué)建模,分析了各種建模方法的優(yōu)劣,并提出了未來建模工作的趨勢。最后,對受限顆粒體誘發(fā)的機(jī)械副的黏滑和爬行現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了分析,并闡述了其研究意義。 

【文章來源】：表面技術(shù). 2020,49(05)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

宏觀機(jī)械系統(tǒng)的不穩(wěn)定、介觀顆粒集體的流變問題以及微觀力鏈結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

現(xiàn)有的FEM或DEM建模大多基于商業(yè)軟件，在現(xiàn)有的含受限顆粒體的摩擦界面的模擬中，雖然其建模過程較為簡單，但是無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的顆粒間作用的模擬，例如粉末在潮濕環(huán)境下粘連、顆粒破裂等。模型的摩擦力對預(yù)設(shè)定中的摩擦系數(shù)-速度（或溫度）關(guān)系設(shè)定有較強(qiáng)的依賴性，無法更深入地探究摩擦力與接觸之間的關(guān)系。和FEM-DEM建模相比，受限顆粒體誘發(fā)的摩擦非線性的動(dòng)力學(xué)建模具有簡明性、實(shí)用性的特點(diǎn)。基于摩擦非線性的建模，通常有兩種方法：第一種是基于摩擦非線性的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)性建模，第二種是從接觸出發(fā)的接觸模型。在Andy等人[37-38]的總結(jié)中，第一種模型能夠較好地應(yīng)用到機(jī)械系統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，如何運(yùn)用較少的參數(shù)、較為簡明的方程來表達(dá)摩擦非線性現(xiàn)象，是相關(guān)摩擦學(xué)學(xué)者以及機(jī)械工程師的首要目標(biāo)。例如楊斌[24]通過顆粒流潤滑下的鋼（45號）-鑄鐵（HT250）摩擦副摩擦測試試驗(yàn)，得出了顆粒流潤滑下的速度-摩擦系數(shù)Stribeck曲線，并將其引入Lugre模型框架建立了經(jīng)驗(yàn)性模型。但是用經(jīng)驗(yàn)性模型來表達(dá)含受限顆粒體的摩擦界面的非線性現(xiàn)象，需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合并缺乏直觀性。

在實(shí)際機(jī)械副界面中，磨損第三體顆粒具有豐富且復(fù)雜的形態(tài)和分布。Descartes等人[22]對含MoS2涂層的磨損第三體的微觀形態(tài)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)磨損第三體顆粒在摩擦界面中，在接觸區(qū)域以外分布較為松散，但在接觸區(qū)域內(nèi)存在內(nèi)部流、進(jìn)入流、逃逸流等多種運(yùn)動(dòng)形式，并依此提出了“第三體摩擦學(xué)循環(huán)”的概念，這一概念是含循環(huán)受限顆粒流摩擦界面建模的必要前提之一。Filippov等人[23]在研究銅-鐵摩擦副的理化分析中，發(fā)現(xiàn)第三體顆粒在其磨損過程以及混合層的破壞中起到了重要的作用。楊斌[24]在觀察粉末潤滑下高強(qiáng)鋼成形過程中，較低的摩擦速度容易導(dǎo)致粉末潤滑層受到嚴(yán)重的破壞（圖2），并發(fā)現(xiàn)粉末潤滑劑和磨損顆粒會(huì)分散在磨損產(chǎn)生的溝壑中，誘發(fā)強(qiáng)烈的摩擦非線性。在表面織構(gòu)中，受限顆粒體既能夠起到減摩減噪的作用，也能起到增強(qiáng)摩擦非線性的作用。Xu等人[25]發(fā)現(xiàn)少量的受限磨損顆粒能引發(fā)明顯的噪聲和振動(dòng)，并發(fā)現(xiàn)使用電磁場能夠有效地去除表面磨損顆粒。Wang等人[26]研究了在均勻分布的表面微織構(gòu)中的受限顆粒體引發(fā)的摩擦非線性，發(fā)現(xiàn)顆粒的材料性質(zhì)是決定其是否能夠起到對摩擦界面的穩(wěn)定作用的重要因素。田明等人[27]對石墨粉末潤滑下的摩擦界面的粉末邊界層進(jìn)行觀察，并研究了載荷、速度、粉末厚度等因素對石墨粉末潤滑效果的影響。Yang等人[9]研究了沙粒沉積對金屬表面的影響，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入表面溝壑中的沙粒能夠起到一定的減摩作用[9]。學(xué)者對摩擦界面中的受限顆粒體的研究，主要集中于受限顆粒體對表面的破壞以及對平均摩擦力的影響，卻很少有關(guān)于受限顆粒體引發(fā)的摩擦非線性的實(shí)驗(yàn)研究。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]界面黏滑摩擦現(xiàn)象的研究進(jìn)展[J]. 宋保江,閻紹澤.  中國機(jī)械工程. 2017(13)
[2]粉末潤滑界面邊界層狀態(tài)微觀形態(tài)觀察和分析[J]. 田明,王超,楊斌,劉焜.  表面技術(shù). 2017(06)



本文編號：3398044