低相对速度下摩擦诱发振动-试验和理论研究及抑制方法

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低相对速度摩擦诱发振动(LRV-FIV)是摩擦副之间的相对速度较低时,由摩擦引起的振动,其中粘滑振动(stick-slip振动)是LRV-FIV中的一种典型的非线性振动。LRV-FIV广泛存在于工程和生活中,通常情况下LRV-FIV是有害的,它不仅会加速零部件的损坏而缩短使用寿命造成工程事故,而且会产生噪声污染而影响人们的身心健康;为此,国内外学者开展了大量的研究探索LRV-FIV的特性及其抑制方法。目前关于LRV-FIV的工作大多集中于理论研究,比如建立多自由度理论模型并利用理论方法研究振动特性,但是单纯的理论研究无法考虑到摩擦界面摩擦学特性对LRV-FIV的影响,有很大的局限性。因此利用试验手段研究LRV-FIV的振动特性及其摩擦学特性以及两种特性之间的耦合关系,对深入研究LRV-FIV特性,并探索其抑制方法有重要的研究意义,是必不可少的。同时,综合理论研究和试验研究的优点,将两种方法有效地结合起来,不仅可以丰富LRV-FIV的研究体系,更有助于全面研究LRVFIV的特性,同时为降低LRV-FIV提供理论指导依据。为此,本文首先开展了LRV-FIV试验研究,然后结合理论研究探索LRV-FIV发生机理及其抑制方法,并研究如何根据试验建立准确的理论模型,以此将试验研究和理论研究有效结合,主要结论如下:1.首先基于stick-slip振动发生原理,自主设计加工并搭建卧式pin-on-disc的stickslip振动试验机,该试验机可以进行不同法向力、不同转速、不同摩擦副材料、不同摩擦副个数等多种不同工况的stick-slip振动试验,为本文的stick-slip振动试验研究奠定了基础。2.基于自主搭建的CETR UMT-3摩擦诱发振动试验装置,选用锻钢、铸铁、Al合金和Mn-Cu合金作为对比材料,研究Mn-Cu阻尼合金作为摩擦副材料时对摩擦系统stick-slip振动的影响;通过摩擦界面磨损特性分析研究摩擦副的摩擦学特性和stick-slip振动特性之间的相互耦合关系。研究结果表明锻钢和铸铁作为摩擦副材料时系统有明显的stick-slip振动,Mn-Cu合金作为摩擦副材料时,在一定程度上降低了系统的stickslip振动,Al合金作为摩擦副材料时系统在试验的稳定阶段有效抑制了stick-slip振动,Mn-Cu阻尼合金作为摩擦副材料时系统在整个试验阶段有效抑制了stick-slip振动。摩擦界面的磨损分析表明,锻钢和铸铁表面的磨损较轻微,磨损量较小,而Mn-Cu合金、Al合金和Mn-Cu阻尼合金表面的磨损较为严重,尤其是Al合金和Mn-Cu阻尼合金,摩擦界面有大量的磨屑堆积。Mn-Cu合金、Al合金和Mn-Cu阻尼合金表面的磨屑充当了“固体润滑剂”,进而减小了stick-slip振动,而Mn-Cu阻尼合金的高阻尼特性是其能在整个试验过程中有效抑制stick-slip振动的另一个主要因素。3.为研究沟槽型橡胶垫对stick-slip振动的影响,在橡胶垫表面分别加工出竖直沟槽(沟槽垂直于相对速度,简称V-G-R)、对角沟槽(沟槽和相对速度夹角为45°,简称D-G-R)和水平沟槽型(沟槽平行于相对速度,简称H-G-R),并将其分别引入摩擦系统在自主设计加工并搭建的卧式pin-on-disc结构stick-slip振动试验机,采用单对摩擦副(即一个pin和一个disc),进行stick-slip振动试验,并通过对摩擦界面进行磨损特性分析研究摩擦副表面的摩擦学特性和摩擦系统stick-slip振动特性之间的关系。试验结果表明在相比原始系统(无橡胶垫),V-G-R有效地抑制了stick-slip振动,V-G-R的摩擦副表面的严重磨损区域最大,表面形貌最复杂。进一步地通过有限元软件ABAQUS对摩擦系统进行应力和变形分析可知,V-G-R的摩擦界面接触应力分布最均匀,最大应力值最小,橡胶垫变形最大,因此在摩擦系统中引入竖直沟槽型橡胶垫可以有效调控摩擦界面进而降低stick-slip振动。4.利用卧式stick-slip振动试验机,采用两对摩擦副(即两个pin和一个disc),进行不同法向力和不同速度的stick-slip振动试验,并研究不同工况下的stick-slip振动在时域和频域内的特性。其次根据试验机结构建立简化二自由度理论模型,为了识别理论模型中参数,还开展了锤击试验、拉伸试验等来研究试验机特性并以此识别理论模型中的质量、刚度等参数。利用二自由度理论模型开展和试验相同工况下的理论研究,并对比分析同一工况下的试验结果和理论结果。分析结果表明,两种方法所得结果之间误差非常小,完全在可接受范围内,所建立的二自由度理论模型可以准确地模拟stick-slip振动试验,这说明所建立的二自由度理论模型是可信的。5.为解决LRV-FIV研究中有限元仿真分析对设备要求高、计算效率低等问题,参与了针对摩擦系统的模态缩减研究工作并做出了重要贡献。首先通过模态缩减方法对九自由度理论模型进行模态缩减得到缩减模型,结果发现全模型和缩减模型的理论分析结果误差很小,该模态缩减方法在理论研究中具有较高准确性。其次利用自主研发设计的立式摩擦诱发振动试验机进行了LRV-FIV试验,并建立了相应的ABAQUS有限元模型,使用模态缩减方法对有限元模型进行模态缩减,并对得到的缩减模型进行理论分析,并将缩减模型理论分析结果和试验结果、有限元结果进行对比分析,研究证明三种方法所得结果误差极小,完全可接受。因此利用本文摩擦系统模态缩减方法所得到的缩减模型不仅可以提高计算效率,而且准确性很高。
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