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金属往复滑动摩擦噪声的研究

陈光雄  
【摘要】: 在金属往复滑动条件下,对平面-平面接触和球面-平面接触滑动摩擦噪声现象进行了试验研究。使用电子扫描显微镜(SEM)、激光扫描显微镜(LSM)、光学显微镜和表面轮廓测量仪等设备对摩擦噪声发生的区域进行了详细的观察和分析,运用小波变换技术对摩擦噪声状态下的动力学变量进行了深层次的研究,应用MATLAB/SIMULINK语言对摩擦系统进行了振动动力学仿真,系统地研究了摩擦噪声的形成机理。 首先,对摩擦噪声试验系统进行了模态参数辨识,确定了噪声与振动的关系。研究结果表明,摩擦噪声的主频与摩擦部件振动的主频十分相近,噪声信号与振动信号在这些主频处的相干函数大于0.75-0.8,因而确认是摩擦部件的振动发射摩擦噪声。 其次,利用动力学和声学测量技术确定了摩擦噪声所发生的区域,在此基础上对磨痕上表面形貌进行了详细的对比分析,发现有噪声区域的形貌明显不同于没有噪声区域的形貌。有噪声磨痕形貌的特征是表面粗糙度比较大、存在不规则的犁沟、麻坑或粘着微凸体;而噪声消失后的磨痕形貌特征是表面粗糙度比较小、有微抛光作用发生。根据噪声与磨痕形貌的关系,本文提出了新的摩擦噪声形成机理:在不规则的犁沟和麻坑或粘着微凸体形成区域,摩擦力有动态成分。当动态摩擦力频率接近摩擦系统的自然频率时,系统就发生摩擦振动从而发射噪声。根据这个假设,从摩擦学的角度解释了摩擦噪声一般发生在摩擦系数比较大的区域的原因。当摩擦系数较大时,摩擦力组成分量中的犁削分量和微凸体变形分量的动态成分最强,摩擦噪声必首先发生在该区域。 通过改变往复滑动位移,试验了摩擦力-相对滑动速度负斜率对摩擦噪声形成的影响。结果表明,摩擦力-相对滑动速度负斜率并不总能引起摩擦噪声。试验发现,摩擦噪声既可以在摩擦力-相对滑动速度负斜率的区域发生,也可以在正的摩擦力-相对滑动速度斜率的区域发生。试验也显示在粘着-滑动发生的区域,噪声也不明显,这说明粘着-滑动现象也可能不是本试验条件下摩擦噪声形成的主要原因。 试验发现,有时发射摩擦噪声的振动首先在法向出现,当这个法向振动比较强时,相同或相近频率的切向振动才发生。这个现象否定摩擦噪声发生的两个机理:粘着-滑动机理和摩擦力-相对滑动速度负斜率机理,因为这两个机理描述的是切向发生的摩擦振动。 利用小波变换技术对测量的切向力、切向惯性力和法向振动加速度进行分解,对这些动力学变量之间的相互关系进行了深层次的研究。结果发现,在摩擦噪声发生的区域,摩擦力总是有动态成分。存在两种摩擦力动态成分形成机 第11页 西南交通大学搏士研究生学位论文 理:一个是山法向振动产生;另一个可能是出摩擦力组成分量的犁削和微凸体 变形分量的不规则变化产生。第一种动态摩擦力形成机理可以作为摩擦噪声产 生机理一模态耦合机理的证据,而后一种动态摩擦力形成机理否定了模态耦合 机理。 最后,本文用M卅m沼IMULINK语言对摩擦系统的振动进行了数值仿 真。用试验辨识的摩擦系统参数和实测的摩擦力数据对单自山度和二自出度振 动模型进行了数值仿真,得出粘着-滑动机理和摩擦力-相对滑动速度负斜率 机理不能引发摩擦振动的结论,在理论上验证了本文的试验结果。


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