基于ABAQUS的仿生導(dǎo)軌摩擦學(xué)特性研究*

馬廉潔1，顧立晨1，陳杰1，駱勇真1，于愛兵2

(1.東北大學(xué)秦皇島分校 控制工程學(xué)院，河北 秦皇島066004； 2.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211)

摘要：以往復(fù)運(yùn)動(dòng)摩擦副為研究對(duì)象，通過(guò)ABAQUS有限元仿真，對(duì)比研究了仿生導(dǎo)軌與普通導(dǎo)軌的摩擦力分布、摩擦副溫度、磨損狀態(tài)等摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明，普通摩擦副的摩擦力分布更加集中，仿生摩擦副則相對(duì)分散。普通摩擦副上低溫區(qū)面積較大，仿生摩擦副低溫區(qū)較小，仿生單元使得導(dǎo)軌上的溫度分布更加均勻，最高溫度也有所下降。仿生摩擦副的磨損較為均勻，磨損率明顯低于普通摩擦副。

關(guān)鍵詞：摩擦磨損；仿生結(jié)構(gòu)；導(dǎo)軌；有限元

文章編號(hào)：1001-2265(2015)09-0017-03

收稿日期：2014-10-12

基金項(xiàng)目：*國(guó)家自然科學(xué)

作者簡(jiǎn)介：馬廉潔(1970—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，東北大學(xué)教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛泊嗖牧霞庸だ碚撆c技術(shù)、放生制造技術(shù)，(E-mail)mlj@mail.neu.edu.cn。

中圖分類號(hào)：TH117.1;TG506

Tribological Properties of Biomimetic Rails Based on ABAQUS

MA Lian-jie1, GU Li-chen1, CHEN Jie1, LUO Yong-zhen1, YU Ai-bing2

(1.School of Control Engineering,Northeastern University at Qinhuangdao,Qinhuangdao Hebei 066004,China;2.Faculty of Mechanical Engineering and Mechanics,Ningbo University,Ningbo Zhejiang 315211,China)

Abstract：The object is reciprocating friction in this study. Comparing with contrast bionic and ordinary rail by ABAQUS, the tribological properties were studied, such as distribution of friction, temperature friction and wear status. The results indicated that the friction distribution of ordinary rail was concentrated, and the bionic friction was fragmented. The low temperature area was larger on ordinary rail, and low temperature area was smaller on bionic ordinary rail. The temperature distribution was more uniform becausing bionic unit on the rail, and the maximum temperature was also fell. The friction wear was more evenly on bionic rail, and the wear rate was significantly lower than ordinary friction.

Key words： friction and wear; bionic structure; rail; finite element

0引言

導(dǎo)軌是高精度運(yùn)動(dòng)機(jī)械的基礎(chǔ)件之一，承受較大載荷，長(zhǎng)期進(jìn)行往復(fù)式周期性運(yùn)動(dòng)，其性能對(duì)裝備的整體壽命具有決定性作用。一般采取提高硬度的方法來(lái)改善導(dǎo)軌的耐磨性，然而，受各種因素的制約，導(dǎo)軌硬度不可能無(wú)限提高。

仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科。研究表明將仿生學(xué)應(yīng)用到機(jī)械零件表面，可以大幅度提高機(jī)械零件的使用性能[1-2]。楊卓娟等[3]利用ANSYS有限元模擬了凹坑形仿生非光滑軋輥的軋制過(guò)程，模擬研究了不同尺寸及分布密度的凹坑單元體形態(tài)對(duì)軋輥磨損性能的影響。韓志武等[4]采用激光織構(gòu)技術(shù)，在45鋼表面加工除了4種仿生表面形態(tài)，結(jié)果表明鱗片形仿生表面具有最佳抗磨效果。任露泉等[5]利用正交試驗(yàn)，研究了45鋼試件4種仿生表面，摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明材料耐磨性能按凹坑形結(jié)構(gòu)最佳。

摩擦磨損是機(jī)械零件失效的主要形式之一，本文以機(jī)床導(dǎo)軌為研究對(duì)象，通過(guò)仿生單元耦合和ABAQUS有限元仿真，研究了仿生導(dǎo)軌摩擦副的摩擦力分布、溫度、磨損深度等摩擦學(xué)特性。

1仿生導(dǎo)軌摩擦磨損有限元模型構(gòu)建

1.1Archard磨損理論

Archard磨損理論[6-7]是研究摩擦學(xué)問題的經(jīng)典理論。它表達(dá)了磨損體積與材料硬度、滑行距離、載荷的關(guān)系，如式(1)所示。

(1)

式中：V—磨損體積，W—載荷，s—滑行距離，H—接觸中較軟物體的材料硬度，k—無(wú)綱量的常數(shù)，輕微磨損時(shí)k值取10-8~10-4；嚴(yán)重磨損時(shí)k值取10-4~10-2。

對(duì)于大部分的磨損研究，磨損深度更有意義，所以式(1)常改寫成：

(2)

式中：A—實(shí)際接觸面積，h—磨損深度。

由于壓強(qiáng)p=W/A，式(2)可簡(jiǎn)化為：

(3)

實(shí)際中，磨損通常被認(rèn)為是時(shí)間上的累積量，因此等式兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，且速度v=ds/dt，

(4)

式(4)積分可得磨損深度，如式(5)所示。

(5)

1.2基于abaqus的有限元仿真模型構(gòu)建

滑塊和導(dǎo)軌材料選取45號(hào)鋼，仿真模型如圖1所示，滑塊固定，尺寸為10×20×33mm3，導(dǎo)軌為滑動(dòng)端，尺寸為15×60×35mm3，模型整體溫度載荷為20°C，Z向加載9.8m/s2的重力載荷。導(dǎo)軌加載40mm/s的速度載荷，并使其往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。

圖1　仿真模型示意圖

圖2a所示，在導(dǎo)軌上耦合仿生單元，結(jié)構(gòu)為四棱錐凹坑，相鄰凹坑以相同的橫縱間距(50mm)均勻分布在導(dǎo)軌表面。凹坑底面邊長(zhǎng)為1mm×1mm，深度為0.5mm。圖2b所示，在相同條件下，設(shè)置一個(gè)普通導(dǎo)軌仿真對(duì)照組。

(a)仿生導(dǎo)軌　　　　　　　　　(b)普通導(dǎo)軌

2結(jié)果與討論

2.1摩擦應(yīng)力分布

圖3所示為摩擦應(yīng)力合力的作用點(diǎn)分布位置?；瑝K與導(dǎo)軌的摩擦力作用點(diǎn)基本都分布在幾何中心線的位置，普通摩擦副的摩擦力作用點(diǎn)在幾何中心更加集中，而仿生摩擦副則相對(duì)分散?？梢姺律鷨卧沟媚Σ粮拥木鶆?，從而減小對(duì)摩擦副的磨損。

(a)仿生導(dǎo)軌

(b)普通導(dǎo)軌

2.2摩擦副溫度

如圖4，取第2、3、4s，輸出滑塊摩擦面上的溫度云圖，普通與仿生摩擦副對(duì)比。由圖可知，仿生摩擦副的滑塊中心低溫溫區(qū)邊緣為鋸齒狀，而普通摩擦副則是連續(xù)的，普通摩擦副上低溫區(qū)面積較大，仿生摩擦副低溫區(qū)較小。仿生單元使得導(dǎo)軌上的溫度分布更加均勻，并降低了最高溫度。

(a)普通摩擦副

(b)仿生摩擦副

仿真過(guò)程中溫度變化曲線如圖5所示，開始階段仿生摩擦副上滑塊的平均溫度較低，后期則顯著地增加并超過(guò)了普通摩擦副(圖5a)，仿生導(dǎo)軌的最高溫度較低(圖5b)。由此說(shuō)明，仿生單元對(duì)于熱量擴(kuò)散具有明顯作用，同時(shí)能夠分散摩擦應(yīng)力，其空腔中的空氣更有利于摩擦副散熱。然而仿生單元增加了摩擦面的粗糙度，使摩擦力上升導(dǎo)致摩擦熱增加，平均溫度較高。

(a)平均溫度變化過(guò)程

(b)最高溫度變化過(guò)程

2.3摩擦副磨損

摩擦副往復(fù)移動(dòng)的仿真過(guò)程中速度是不恒定的，因此取較小的時(shí)間間隔Δt，則在Δt內(nèi)近似地認(rèn)為v是恒定的，則式(5)變形為式(6)：

(6)

取n=400，H=2.5GPa，k=1.7E-5[7]，可得每一節(jié)點(diǎn)的磨損深度，其平均磨損深度分別為：普通摩擦副0.8273nm，仿生摩擦副0.8172nm。圖6所示為摩擦副磨損云圖。耦合上仿生單元后，摩擦副的磨損變得的更加均勻，滑塊上最高磨損深度減小，中心位置的磨損量減小，但邊緣磨損深度增加(圖6a,圖6b)。導(dǎo)軌上重度磨損面積亦明顯減小(圖6c,圖6d)。

(a)普通摩擦副—滑塊

(b)仿生摩擦副—滑塊

(c)普通摩擦副—導(dǎo)軌

(d)仿生摩擦副—導(dǎo)軌

為進(jìn)一步分析仿生導(dǎo)軌摩擦副的摩擦特性，引入磨損率這一概念，其定義是單位摩擦力單位摩擦距離下的磨損體積，磨損率越小說(shuō)明摩擦副的耐磨性能越好，公式如下:

(7)

式中：Q—磨損率(mm3/N·m)；h(-)—單元節(jié)點(diǎn)上的平均磨損深度(mm)；N—節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；f(-)—滑動(dòng)過(guò)程中平均摩擦應(yīng)力(N·mm-2)；s—滑動(dòng)距離(m)。

結(jié)果表明，普通摩擦副磨損率為1.571×10-5mm3/N·m，仿生摩擦副磨損率為1.488×10-5mm3/N·m。仿生摩擦副的磨損率有明顯的下降，可見，即使在常溫條件下的干摩擦，仿生單元對(duì)摩擦副的耐磨性能仍有一定的提高。

3結(jié)論

(1)普通摩擦副的摩擦力分布更加集中，而仿生摩擦副則相對(duì)分散。

(2)普通摩擦副上低溫區(qū)面積較

(3)仿生單元對(duì)于熱量擴(kuò)散具有明顯作用，同時(shí)能夠分散摩擦應(yīng)力，然而增加了摩擦面的粗糙度，使摩擦力上升導(dǎo)致摩擦熱增加，平均溫度較高。

(4)仿生摩擦副的磨損較為均勻，磨損率明顯低于普通摩擦副。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王京春,左文杰,高元明,等.仿生非光滑注射器針頭注射過(guò)程接觸有限元模擬[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2010.40(3):735-739.

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[3] 楊卓娟.凹坑形仿生非光滑軋輥耐磨性研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2006.

[4] 韓志武,任露泉,劉祖斌.激光織構(gòu)仿生非光滑表面抗磨性能研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2004,24(4):289-295.

[5] 任露泉,王再宙,韓志武.仿生非光滑表面滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2003,34(2):86-89.

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[7] Bharat Bhushan. Introduction to Tribology[M]. New York:Original English language edition Copyright, 2002.

(編輯李秀敏)