机械结合面切向接触参数的织构效应分析

张艺，史熙

(上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

机械结合面切向接触参数的织构效应分析

张艺，史熙

(上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

接触刚度和接触阻尼是表征机械结合面动力学性能的两个重要参数，而机械结合面的动力学性能很大程度上影响着整个机械系统的振动水平，因此对于接触参数的研究一直是相关学者关注的方向。介绍了一种测试机械连接界面切向接触刚度和接触阻尼的实验装置和方法，并将表面织构技术运用到机械结合面设计，通过实验测量分析初步探索了机械结合面切向接触参数的表面织构效应。

机械织构；接触刚度；接触阻尼

0 引言

接触刚度和接触阻尼对于机械结合面的动力学特性会产生显著的影响，有很多学者对此开展过研究。饶柱石等人[1]采用弹性接触理论和概率分析方法研究了粗糙平面的法向接触参数，并得出接触刚度随载荷增大而增大的结论。李辉光等人[2]基于弹塑性理论对具有粗糙表面的长方微元体进行有限元接触分析发现：法向界面的接触刚度随压力的增加先增大后减小；切向界面接触刚度随法向载荷和摩擦系数的增加而增加，随切向载荷的增加而减小。Y.F. Gao等人[3]通过对切向接触刚度的测量来评估粗糙界面的初期微观滑动。张学良等人曾开展过对螺栓结合部切向动态特性参数的实验研究，并且得出结论：表面加工精度越高，切向刚度和阻尼越大；油介质的存在可以提高切向接触界面的阻尼[4]。温淑花等人[5]对结合面接触刚度分形模型进行建立与仿真后，得出了切向接触刚度随法向载荷的增加而增加，随切向载荷的增加而减小的结论。张学良[6]还曾对平面结合面切向接触阻尼进行过仿真研究，得出结合面法向载荷越大，接触阻尼越小的结论。但目前学者研究工作仅限于对接触参数的测量及计算，对接触参数的主动控制往往只能通过材料的选用来实现。而近年来表面织构技术的兴起为结合面接触特性的控制提供了新的思路。表面织构技术是一种在指定表面有目的加工沟槽或凹坑的表面处理方法，而加工后的表面往往具有与加工前表面不同的物理属性。如荷叶表面织构会改变表面的疏水性，而壁虎脚掌织构会增强表面的粘附性等。Ulrika等人[7]通过研究得出特定表面织构会影响接触表面的摩擦及磨损性能。而Arghir等人[8]通过建模研究具有表面织构的密封环，得出织构会对接触面接触参数有一定影响。但织构对结合面接触参数的具体影响方式及影响机理，还鲜有学者研究。因此本文的目的是通过实验研究织构对切向接触刚度和阻尼产生的影响，从而探索通过控制表面织构来控制机械结合面接触参数的新方法。

1 实验方法及原理

1.1 实验装置及原理

拟测量具有不同表面织构的界面切向接触刚度和接触阻尼，以调查其影响大小和影响方式。使用接触谐振法来测量结合面切向接触参数，所谓接触谐振法，即在一定的预载荷情况下给接触界面施加一个切向冲击，由于界面的接触刚度对应一个接触谐振频率，这个频率在冲击激发的振动频谱上会体现出来，然后利用特征值实现算法(ERA)对产生的振动信号进行识别，可得出该载荷下的接触谐振频率及对应的接触阻尼，接触刚度可以由接触谐振频率反推得到。

实验装置如图1所示。使用两块永磁体施加定值的法向载荷，切向载荷的控制由微米计和贴在软簧上的应变片及与之连接的应变仪来实现。在达到预定切向载荷后，通过释放一根穿过中空管的细钢棒给接触界面施加切向冲击。由固定在上质量块的上表面的两个加速度传感器采集冲击产生的加速度数据，对数据进行处理得到接触谐振频率和系统频率，由ERA分析直接得到特征频率对应的接触阻尼，然后根据实验系统的动力学模型计算得到接触界面的刚度。实验装置的简化模型如(b)图所示。

图1 接触刚度和接触阻尼测量装置示意图

根据简化的实验模型可列出振动方程：

(1)

(2)

此方程的特征方程为：

(3)

由此解出接触刚度：

(4)

把接触谐振频率带入式(4)即可计算得出接触刚度。

1.2 织构样品设计

实验在不锈钢试样(牌号06Cr19Ni10)表面加工沟槽型织构。为了便于试样的固定，试样设计如图2所示。

图2 织构样品设计示意图

为研究不同尺寸的织构对接触界面刚度和阻尼的影响，用到了6种尺寸不同的样本，它们的尺寸分别如表1所示。

表1 织构样品相关参数表

其中a,b,c分别为图2中所示沟槽的宽度，凸起的宽度，及沟槽的深度。其中O，J样品为未加工织构的光滑表面样品，表面经过精磨。有织构的样品采用线切割的方式加工，表面也经过精磨。表1中b/(a+b)即凸起的面积占总面积的百分比。表格最后一列Ra是用三维轮廓仪测得的织构表面粗糙度。加工得到的典型织构表面形貌如图3所示。

图3 织构样品表面形貌图

1.3 实验条件的控制

本文所述实验主要研究切向载荷对接触界面参数的影响。通过永磁体对接触面进行法向加载，避免了法向载荷在切向上的耦合作用。由于永磁体能提供的法向载荷最大仅29.2N，为了避免试样有切向的滑动，确保实验的准确性，选取如下四组较小的切向载荷，分别为2.45N，4.9N，7.35N，9.8N。通过实验测量分析在各载荷条件下不同尺寸的织构样品与光滑表面的样品O接触的接触刚度和阻尼值。并对润滑条件下界面的接触刚度和阻尼进行了分析(采用美孚10W-30润滑油)。

1.4 实验数据的采集

值得注意的是，实验中通过控制细钢棒的释放以保证得到单脉冲冲击的系统激励。实验中，对各载荷条件进行10次重复实验并取平均值以减少随机因素影响。实验的前后均对应变仪进行标定，以确保施加载荷的准确性。图4为典型的标定曲线，可以看出，应变仪的线性度良好，每20mv对应4.9N的载荷。

图4 应变仪标定曲线图

2 实验结果与分析

实验得到的典型加速度信号和其频谱如图5所示，频谱中的两个峰值即系统频率和接触谐振频率。用ERA识别算法处理加速度信号可得出接触谐振频率及其对应的接触阻尼，由接触频率即可推出接触刚度。

图5 典型加速度信号及其频谱(载荷100N)图

2.1 织构对切向刚度的影响

图6为织构对切向刚度的影响，实验均在无润滑的条件下进行。从图6可以看出，随着切向载荷的增加，切向接触刚度明显下降。这是由于任何表面均是由微观凸起构成的，而接触面靠这些表面凸起相互啮合来抵抗切向变形。切向力增大不利于凸起间的啮合，使表面抵抗切向载荷的能力降低。因此随着切向载荷的增加，切向刚度减小。从图6还可以看出，带有织构的表面的刚度明显低于光滑表面。并且随着织构的凸起部分面积占总面积的比例的减少，刚度的降低越明显。这是由于织构是加工在切向接触表面上，这样接触面上有了一些空隙，接触的实际面积减少，可以承载切向载荷的能力变小，所以切向界面的切向刚度减小。并且随着凸起占接触表面总面积的比例b/(a+b)的减小，接触刚度越来越小。

图6 织构对切向刚度的影响(无润滑)图

2.2 润滑对切向刚度的影响

图7所示为在无润滑和有润滑情况下测得的接触界面刚度随载荷变化的情况。其中实心的符号代表的是加了润滑油的情况。从图中可以看出，润滑剂的存在会降低切向接触刚度。这一点张学良在文献[4]中也曾提到，但并未对其作出解释。本文认为润滑剂的存在会降低切向接触刚度的原因是，对于挤压和剪切来说，润滑油带来的影响是不一样的。在法向界面上润滑油会填充接触表面的空隙，提高接触表面的抗压能力，因为润滑油分担了部分压力和变形量。而切向接触界面是通过接触面微观凸起的相互啮合来抵抗切向变形，润滑油的存在给表面凸起上覆盖了一层油膜，其表面变“滑”，凸起不能很好的相互挤压和啮合，所以抵抗切向变形能力下降。

图7 润滑对切向刚度的影响图

2.3 织构及润滑对切向阻尼的影响

图8是切向载荷和切向阻尼的关系。可以看出随着切向载荷的增大，切向接触阻尼的变化趋势和刚度是相反的，越来越大。这一点和文献[5]的研究结果是一致的。切向载荷越大，越不利于结合面之间表面微小凸起的相互结合，更易使结合面产生滑移甚至失效，能量更易耗散。所以切向载荷越大，切向接触阻尼越大。其次，从图8还可以看出，有织构的样本的切向接触阻尼高于无织构的样本的接触阻尼。并且织构的凸起占总接触面积的比例b/(a+b)越小，切向接触阻尼增大的越多。这是由于织构的存在减少了两表面的接触面积，削弱了结合面的结合紧密程度，使界面抵抗切向力的能力下降，更容易产生相对滑移，能量耗散的更快， 故有织构的结合界面切向接触阻尼较大。

图8 织构对阻尼的影响(无润滑情况)图

图9是润滑对阻尼的影响，实心的图形为加了润滑剂的情况。可以看出对于每个样本来说，润滑剂均提高了接触阻尼。这是因为润滑剂使切向接触界面更容易产生滑移，从而使阻尼增大。

图9 润滑对阻尼的影响图

3 结论

本文设计并使用了一种测试机械结合面切向接触刚度和阻尼的实验装置及方法。并针对不同设计的表面织构进行了切向接触界面刚度和阻尼的测量实验。实验表明随着切向载荷的增加，切向刚度降低，切向阻尼增大。织构及润滑油均会削弱切向界面的接触刚度，提高接触阻尼。

[1] 饶柱石，夏松波，汪光明.粗糙平面接触刚度研究[J]，机械强度，16,2,72-75,71.

[2] 李辉光，刘恒，虞烈，粗糙机械结合面的接触刚度研究[J]，西安交通大学学报，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] 张学良，温淑华，螺栓结合部切向动态特性参数的实验研究[J]，太原重型机械学院学报,13,3,87-95.

[5] 温淑花，张学良，文晓光，等.结合面切向接触刚度分形模型建立与仿真[J]，农业机械学报, 2009,40(12):223-227.

[6] 张学良，温淑花，兰国生，等.平面结合面切向接触阻尼分形模型及其仿真[J]，西安交通大学学报,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

国家十二五支撑计划项目(2011BAK06B05-05)及机械系统与振动国家重点实验室开放基金(MSV201111)

张艺(1991-)，女，安徽蚌埠人，硕士研究生，研究方向为界面动力学。

TH113.1

B

1671-5276(2014)02-0015-04

2013-02-22