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        干滑動摩擦單自由度系統(tǒng)的滑塊運動特性及試驗驗證

        2021-03-17 08:13:50田紅亮楊蔚華方子帆董元發(fā)
        武漢科技大學(xué)學(xué)報 2021年2期
        關(guān)鍵詞:將式因數(shù)滑塊

        田紅亮,李 森,楊蔚華,方子帆,董元發(fā)

        (1.三峽大學(xué)機器人與智能系統(tǒng)宜昌市重點實驗室,湖北 宜昌,443002;2.三峽大學(xué)水電機械設(shè)備設(shè)計與維護(hù)湖北省重點實驗室,湖北 宜昌,443002;3.三峽大學(xué)機械與動力學(xué)院,湖北 宜昌,443002)

        當(dāng)物體在沒有潤滑的表面上滑動時,會產(chǎn)生干摩擦力。干滑動摩擦力的大小正比于接觸表面間的法向力,其方向與相對運動的方向相反。干摩擦阻尼(也稱庫侖阻尼)在許多工程結(jié)構(gòu)中都存在,研究人員對干摩擦特性及其應(yīng)用也較為關(guān)注。邱支振[1]給出庫侖阻尼振動的一般解,得出了表示庫侖阻尼器衰減效果的基本關(guān)系式,以便于在工程應(yīng)用中選擇庫侖阻尼器的基本參數(shù)。張萌等[2]利用分段線性方法對含庫侖阻尼系統(tǒng)的沖擊方程進(jìn)行了解析求解,研究發(fā)現(xiàn),忽略庫侖阻尼的黏滯作用或?qū)_擊激勵進(jìn)行速度階躍等效,會造成沖擊響應(yīng)計算結(jié)果嚴(yán)重偏離正常值。王棟[3]采用數(shù)值分析方法,計算了多自由度結(jié)構(gòu)附帶一個沖擊減(吸)振器前后,受突加外擾力的位移響應(yīng)歷程。程耀東等[4]給出了庫侖阻尼系統(tǒng)的理論模型,將一個非線性方程分解為兩個線性方程,推導(dǎo)了一個周期內(nèi)位移與時間之間的關(guān)系表達(dá)式。薛超等[5]研究了織構(gòu)深度、網(wǎng)狀織構(gòu)的排布夾角以及單織構(gòu)的接觸面積對鋁合金摩擦系數(shù)及磨損量的影響。Deng等[6]研究了CoCrFeNiMo高熵合金的干滑動摩擦和磨損特性。Wang等[7]研究了TiC/Al-Cu3.7-Mg1.3納米復(fù)合材料的干滑動摩擦和磨損特性。

        目前涉及干滑動摩擦的文獻(xiàn)以材料性能和試驗研究方面的居多,強調(diào)改善滑動界面的摩擦性能,提高材料的抗磨損能力,但是忽視了從機械原理角度出發(fā)建立本構(gòu)關(guān)系,例如:沒有分析滑塊往返運動的位移與時間之間的復(fù)雜關(guān)系機理;沒有全面考慮滑塊初位移和初速度;沒有建立滑塊位移與時間之間的完整數(shù)學(xué)表達(dá)式。

        本文擬采用符號函數(shù)和分段線性方法,求解干滑動摩擦力作用下單自由度系統(tǒng)中滑塊振動位移的解析解,并運用動能定理對滑塊振動位移解析解進(jìn)行證明,然后采用Matlab?R2009b軟件進(jìn)行數(shù)值仿真,并進(jìn)行滑塊在花崗巖上的滑動試驗研究,以驗證本文所推導(dǎo)出的滑塊振動位移解析解的有效性。

        1 干滑動摩擦單自由度系統(tǒng)的滑塊運動特性

        具有干滑動摩擦力的單自由度系統(tǒng)模型如圖1所示,彈簧與滑塊栓接,其中點O為彈簧原長時的右端位置,m為滑塊質(zhì)量,k為彈簧的勁度系數(shù),μ為動摩擦因數(shù),x為彈簧形變量,以點O為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系,水平向右為X軸正方向。

        由牛頓第二定律得

        mx″+kx=-μmgsgnx′

        (1)

        式中:sgn為符號函數(shù),且

        (2)

        假設(shè)系統(tǒng)的初始條件(初位移、初速度)為

        x(0)=x0>0

        (3)

        x′(0)=0

        (4)

        即把滑塊從點O緩慢向右拉到點A,然后無初速度釋放。下面利用分段線性方法進(jìn)行解析求解。

        mx″+kx=μmg,x′<0

        (5)

        式(5)的解為

        (6)

        (7)

        式中:ωn為系統(tǒng)無阻尼固有角頻率,其描述了滑塊振動的快慢。

        將式(3)代入式(6):

        (8)

        結(jié)合式(8)和式(6):

        (9)

        (10)

        將式(4)代入式(10):

        C2ωn=0?C2=0

        (11)

        將式(11)分別代入式(9)和式(10):

        (12)

        (13)

        若滑塊向左運動到圖1中點B時的速度為0,則由式(13)得:

        (14)

        (15)

        結(jié)合式(12)與式(14):

        (16)

        (17)

        (18)

        這時滑塊從運動迅速變?yōu)殪o止。

        (19)

        滑塊位于點B時,令其所受合力方向向右:

        =kx0-3μmg>0

        (20)

        則初位移要滿足

        (21)

        此時滑塊從點B向右運動,x′>0。根據(jù)式(1)和式(2)可得

        mx″+kx=-μmg,x′>0

        (22)

        式(22)的解為:

        (23)

        (24)

        結(jié)合式(24)和式(17):

        (25)

        將式(25)代入式(23):

        (26)

        (27)

        (28)

        根據(jù)式(28)和式(15):

        -ωnC4=0?C4=0

        (29)

        將式(29)分別代入式(26)和式(27):

        (30)

        (31)

        當(dāng)滑塊向右運動,若到達(dá)位于點O右邊的點C時速度為0,則由式(31)可得

        (32)

        結(jié)合式(30)與式(32):

        (33)

        (34)

        如滑塊初位移更大,滿足

        (35)

        滑塊在點C的振幅比在點B的振幅的減小量為

        (36)

        綜合式(16)和式(33),并進(jìn)行合理外推,可得

        (37)

        滑塊從滑動變?yōu)殪o止時,彈簧的彈力應(yīng)不大于干滑動摩擦力。最后,系統(tǒng)的靜止位置x滿足的2個條件是

        (38)

        (39)

        2 干滑動摩擦單自由度系統(tǒng)解析解的證明

        當(dāng)滑塊從點A向左運動到點B時,彈簧的彈力F=kx對滑塊做的功等于彈簧的初彈性勢能減去末彈性勢能,即

        (40)

        將滑塊從點O緩慢向右拉到點A,然后無初速度釋放,滑塊在固定接觸面上滑動,所受干滑動摩擦力的方向始終與滑塊位移方向相反,干滑動摩擦力做負(fù)功,并全部轉(zhuǎn)換為熱能:

        Wf=-μmg(x0-xB)

        (41)

        由動能定理得:

        (42)

        (43)

        式(43)與式(17)一致。

        當(dāng)滑塊從點B向右運動到點C時,彈簧的彈力對其做功為

        (44)

        干滑動摩擦力對滑塊做的功(即摩擦生熱的相反數(shù))為

        Wf=-μmg(xC-xB)

        (45)

        再由動能定理得

        (46)

        (47)

        將式(43)代入式(47):

        (48)

        式(48)與式(34)一致。

        3 干滑動摩擦單自由度系統(tǒng)解析解的數(shù)值仿真

        設(shè)一個質(zhì)量為15kg的滑塊,在初位移x0=5 cm時釋放,彈簧的勁度系數(shù)k=980 N/m,動摩擦因數(shù)μ=0.1,重力加速度g=9.8m/s2。試確定滑塊達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)時的位置。

        (49)

        =-0.02 m?[-0.015 m,0.015 m];

        =-0.01 m∈[-0.015 m,0.015 m]。

        最終,滑塊達(dá)到靜止時的位置為x=-1 cm,而不是停留在彈簧的自然狀態(tài)即右端位置x=0。

        采用Matlab?R2009b軟件進(jìn)行數(shù)值仿真,在初位移的作用下,滑塊運動的位移曲線如圖2所示,由圖可見,點(0.7773,-1)與理論解x=-1 cm完全吻合。

        圖2 滑塊位移曲線

        由上述分析可知,干滑動摩擦力作用下單自由度系統(tǒng)中的滑塊運動是一個具有線性衰減振幅的簡諧運動,自由振動的頻率(見式(7))不受干滑動摩擦力的影響,即與動摩擦因數(shù)無關(guān),但干滑動摩擦力會導(dǎo)致摩擦生熱,使振幅呈線性衰減(見式 (37))。

        4 干滑動摩擦單自由度系統(tǒng)解析解的試驗驗證

        一個質(zhì)量為15 kg的滑塊,材質(zhì)為工程結(jié)構(gòu)陶瓷Si3N4,滑塊一端用勁度系數(shù)k=980N/m的彈簧栓接,彈簧的另一端固定,滑塊開始靜止在花崗巖石塊上(天山紅石材光面,其密度為2.8×103kg/m3),滑塊與花崗巖之間的理論動摩擦因數(shù)μ=0.64,在初位移x0=1.44 m時釋放滑塊,重力加速度g=9.8 m/s2。

        首先,使用M-2000型環(huán)-塊摩擦磨損試驗機測量滑塊與花崗巖之間的動摩擦因數(shù),如圖3(a)所示。上試樣滑塊固定在試驗機的專用夾具上,下試樣花崗巖安裝于試驗機主軸上,用水平儀保持上、下試樣垂直接觸,設(shè)定載荷為125 N。實驗前,用丙酮CH3COCH3和體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇或無水乙醇清洗滑塊并吹干。實驗過程中,利用傳感器實時采集壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù),通過計算機軟件系統(tǒng)計算,可獲得隨時間變化的動摩擦因數(shù)。理論動摩擦因數(shù)與實際動摩擦因數(shù)的對比如圖3(b)所示,由圖可見,滑塊與花崗巖之間的實際動摩擦因數(shù)在0.61~0.66之間,與理論動摩擦因數(shù)0.64很接近。

        (a)測量動摩擦因數(shù)的試驗裝置

        (b)理論動摩擦因數(shù)和實際動摩擦因數(shù)對比

        (c)滑塊相對于花崗巖運動的位移測定原理

        (d)滑塊相對于花崗巖運動的實際位移和理論位移

        在初位移的作用下,滑塊運動的實際位移和通過解析解獲得的理論位移如圖3(d)所示,由圖可見,理論位移曲線的所有較高點形成上包絡(luò)直線,所有較低點形成下包絡(luò)直線,且理論解十分接近通過試驗得到的位移。

        5 結(jié)語

        本文求解了干滑動摩擦力作用下單自由度系統(tǒng)滑塊振動位移的解析解,并運用動能定理進(jìn)行了嚴(yán)格證明。Matlab數(shù)值仿真和滑塊在花崗巖上的滑動試驗結(jié)果與理論計算值很接近,表明本文所推導(dǎo)出的滑塊振動位移解析解有一定的普適性。

        干滑動摩擦單自由度系統(tǒng)自由振動解析解的構(gòu)建,有助于推導(dǎo)干滑動摩擦單自由度系統(tǒng)強迫振動的一般解,還有助于探索提高沖擊減振器快速耗能性能和抑振效果的途徑。

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