机械系统中摩擦模型的研究

2015-02-02李坤全

绿色科技 2015年12期

李坤全，文睿

（河南工程学院，河南郑州450000）

1 引言

在大自然界中摩擦无处不在，摩擦作为非线性物理现象的一种并存在于两运动物体之间，在日常生活中，有些摩擦是有利的，比如人和车辆在路上行走，还有日常生活中的夹持、切割、洗刷等，机械设备中的摩擦压力机、摩擦离合器、摩擦传动机、摩擦自动装置等，但在机械系统中摩擦受各种因素的影响会对机械的精密系统运动带来不良影响。为了消除摩擦带来的不良影响，技术人员也运用了不同的方法来进行改善，也在其中运用了摩擦模型的补偿技术。目前，技术人员也建立了多种摩擦模型，每种摩擦模型都各具特点，要想在实际使用中发挥良好的效果，就务必要掌握各种模型的适用范围、构成原理和自身特点。本文就对机械系统中的摩擦模型进行了阐述。

2 摩擦现象分析

摩擦现象是两个运动物的接触面之间存在的切向作用力，在现实生活中，有很多的因素都会产生摩擦现象，比如润滑情况、速度、两物体表面的接触情况、滑动速度的情况等。技术人员也对摩擦现象进行了研究，根据各种实验的研究结果也对摩擦现象的本质有了一定的了解，下文对生活中比较常见的摩擦现象进行分析。

2.1 库伦摩擦

库伦摩擦是运行摩擦中比较典型的摩擦现象，也是较早进行研究的一种物理运动，库伦摩擦力的大小是由两运动物之间的接触面积来决定的，库伦摩擦与运动方向是反比的关系，但库伦摩擦会随着法向荷载的变化而发生改变，速度幅值的变化不会对库伦摩擦造成任何影响。

2.2 粘性摩擦

两接触物之间流性物的粘性大小决定了粘性摩擦力的大小，两物体的运动速度和粘性摩擦是正比关系，运动物的速度值和粘性摩擦力的速度值是相等的。

2.3 Stribeck摩擦

Stribeck摩擦也可叫做Stribeck，低速区域的摩擦行为就是用Stribeck来进行定义的，Stribeck摩擦是稳态速度函数的一种，Stribeck摩擦和物体运动速度是反比关系，具体表现是：物体运动速度增加，Stribeck摩擦力会下降。

2.4 静摩擦力

静摩擦力是普遍存在自然界之中，静摩擦力具体是来描述两物体从静止到运动这一过程中所需力的大小，静摩擦力的大小是由两物体之间的力来决定的，而两物体之间的相对速度对静摩擦力没有任何影响，静摩擦力与库伦摩擦力相比，静摩擦力值要大于库伦摩擦力值。

2.5 顶滑动位移

顶滑动位移是当两个物体发生接触时，如果两物体之间的最大静摩擦力大于两物体的外力，那么两物体的接触面就会出现位移现象，这种位移的变化是很小的。顶滑动位移现象和弹簧是非常相似的，顶滑动位移的摩擦力不能用速度函数来描述，因为它是一种位移函数。

2.6 摩擦滞后

摩擦滞后也可叫做摩擦记忆，它是描述摩擦力改变滞后和两物体相对滑动速度变化的情况，其中两物体的滑动速度和摩擦力会形成迟滞环，当滑动速度降低时，摩擦滞后值会小于加速时的摩擦滞后值，其中的迟滞环的宽度和速度值是正比关系。

3 摩擦模型

摩擦模型一般分为静态摩擦模型和动态摩擦模型两大类，其中的静态摩擦模型把摩擦力用两物体相对速度的函数来进行描述，从而对静态模型进行了诠释。而静摩擦模型的建模在静摩擦界面中是没有运动的，单从力学角度来分析，静擦模型在法向和切向上的接触都是属于柔性的；动态模型是把摩擦力用两物体相对速度和位移函数来进行描述，这样一来不仅能对摩擦的静态特征进行描述，还能对动态特征进行描述，所以动态摩擦模型能较为全面的描述两物体界面中的摩擦状态。

3.1 库伦模型

技术人员依据大量的实验结果印证得出，库伦模型的摩擦力会随着法向荷载的变化而发生改变，但与两物体的运动方向是呈反比关系，与两物体的速度变化值无关。库伦摩擦模型是较早来进行描述摩擦模型的一种模型，库伦模型的摩擦力是用速度方向函数来进行描述的，所以，库伦模型的表达也在一定程度上受到了限制，并且只能对两物体的摩擦力在运动速度大于零时进行描述，倘若两物体的运动速度是零，那么库伦模型的摩擦值也会相对变化。

3.2 Dahl模型

在Dahl模型中，当两物体界面没有达到最大静摩擦值之前，其摩擦界面中的接触峰会与弹簧相类似，此时在两界面中会出现预滑动位移现象。Dahl对这一现象用微分方程进行了描述，主要是描述摩擦力和位移关系之间的变化曲线。Dahl模型是一种连续模型，它能弥补静态模型中状态切换不连续问题的缺点，并运用切向柔顺性把预滑动位移带入到摩擦模型中。在机械系统中Dahl模型能对预滑动位移进行描述，也能对摩擦滞后进行预测，但它不能对静态摩擦力进行描述，也没有Stribeck效应。

3.3 鬃毛模型

鬃毛模型用微观角度来对两物体表面接触点的特性进行诠释。如果两运动物体的摩擦表面是弹性的鬃毛接触，其上表面的刚度小于下表面，此时两物体的运动会使鬃毛弹性出现变形，从而产生摩擦力，当两物体相对运动速度增加时，鬃毛就会出现滑动。鬃毛模型能对摩擦模型的随机特征进行准确捕捉，其缺点就是没有对耗时问题进行计算，鬃毛之间的空间很狭隘，并且鬃毛有突然断开的不连续性，这也就需要在很短的时间内来对鬃毛模型的仿真积分进行计算，这样的计算是需要大量时间的，所以，鬃毛模型在数值效果上不是很好，也因此不用于仿真。

3.4 集成模型

集成模型是把摩擦在所有阶段内表现出的不同特征连接在一起，从而对摩擦特性进行全面的描述，它是一种较完善的摩擦模型。集成模型能充分反映出库伦摩擦、粘性摩擦、静摩擦力、Stribeck摩擦及摩擦滞后的摩擦现象，同时也能反映出摩擦的动态和静态特征，其实把静态摩擦和动态摩擦强硬的结合在一起，那就会有两个状态间的切换问题，这样的切换问题从物理角度来来分析是不合理的，并且也没有较为明确的物理意义，在一定程度上阻碍了模型的实际执行，再加上此模型还有冗余参数，且模型结构复杂，所以，集成模型在工程上的实用价值很小。

3.5 Lugre模型

Lugre模型是Dahl模型的扩充，同时也是连续摩擦模型，该模型运用了鬃毛模型的思想，Lugre模型用一阶段微分方程就能对所有动态摩擦和静态摩擦进行了描述，比其它模型更能描述摩擦现象，它也比较适用于摩擦力补偿的设计和应用。Lugre模型的缺点是不能对摩擦模型的参数进行识别。

4 摩擦补偿

摩擦会在一定程度上对伺服系统造成较大影响，在不同的系统中，对摩擦进行补偿的目的也不尽相同。摩擦补偿分为两大类，一类是非模型补偿，另一类是基于模型补偿。非模型的补偿在原理上相对简单，在对两物体相对速度是零时的补偿力有限，因为补偿能力的提高关系到机械系统中的很多因素，所以非模型的补偿方法在应用方便受到很大的限制；基于模型的补偿是要根据现有的模型，并在系统中施加控制作用，对于出现在各个时段的摩擦力予以抵消。基于模型的补偿方法不能确定模型的摩擦参数，为了解决摩擦问题，目前的研究方向是基于智能控制的摩擦补偿方法，具体为重复控制方法、模糊控制方法、神经网络控制方法。