真空下橫向高頻振動(dòng)對(duì)滑動(dòng)摩擦力的影響

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1、真空下橫向高頻振動(dòng)對(duì)滑動(dòng)摩擦力的影響周寧寧，曲建俊，王彥利(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)摘要：研制出一種新型高頻振動(dòng)減摩實(shí)驗(yàn)裝置，并在大氣、低真空(1×103pa)、中真空(2Pa)和高真空(2．0×10。Pa)四種環(huán)境壓強(qiáng)下，測(cè)試了PTFE基復(fù)合材料與磷青銅之間普通滑動(dòng)和帶有橫向高頻振動(dòng)情況下的滑動(dòng)摩擦力，研究了橫向高頻振動(dòng)激勵(lì)電壓、預(yù)緊力、滑動(dòng)速度和環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)滑動(dòng)摩擦力的影響。結(jié)果表明：隨著激勵(lì)電壓的增加，帶有橫向高頻振動(dòng)的滑動(dòng)摩擦力減??；滑動(dòng)速度對(duì)帶有橫向高頻振動(dòng)的滑動(dòng)摩擦力影響較大，隨著滑動(dòng)速度增加，橫向高頻振動(dòng)減小摩擦力的作用減弱；環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)橫向

2、高頻振動(dòng)減摩有一定影響，隨著真空度的增加，橫向振動(dòng)減摩的作用稍微減弱；隨著預(yù)緊力的增加，帶有橫向振動(dòng)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)增加。關(guān)鍵詞：摩擦；振動(dòng)；真空；滑動(dòng)速度0引言振動(dòng)能夠減小物體之間的摩擦力早已被人們所共知，并且已經(jīng)在各種加工中得到應(yīng)用【l。j。根據(jù)超聲波振動(dòng)方向，超聲波振動(dòng)分為垂直于滑動(dòng)平面的縱向振動(dòng)和平行于滑動(dòng)平面的橫向振動(dòng)。Mitskevich最早建立了橫向振動(dòng)對(duì)摩擦力影響的理論模型，得出當(dāng)振動(dòng)速度高于滑動(dòng)速度時(shí)，橫向振動(dòng)具有減小摩擦力的作用14J。后來，學(xué)者基于Mitskevich的模型對(duì)橫向振動(dòng)的減摩作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究p剖?；贛itskevich模型相同的假設(shè)

3、，Littmann，Kumar和Hutchings乖lJ用經(jīng)典庫倫摩擦力定律，建立了具有面內(nèi)超聲波振動(dòng)的摩擦力計(jì)算的理論模型糾J。Tsai在Littmann模型的基礎(chǔ)上，考慮了材料切向彈性對(duì)面內(nèi)振動(dòng)減摩的作用，建立了面內(nèi)振動(dòng)減摩的理論模型，用該模型得到的理論值與實(shí)驗(yàn)值更加一致llUJ。Hesjedal等研究了微觀機(jī)械接觸中由超聲引起摩擦力減小的起源，得出摩擦力減小的原因僅與垂直超聲部分有關(guān)，面內(nèi)聲波沒有減小摩擦力的作用¨¨。目前為止，真空下，高頻橫向振動(dòng)的減摩作用有何變化仍不清楚。因此本文利用自制的高頻振動(dòng)減摩實(shí)驗(yàn)裝置，在四種環(huán)境壓力下研究了普通滑動(dòng)和帶有橫向高頻振動(dòng)的

4、減摩作用，揭示了真空下橫向高頻振動(dòng)減摩的規(guī)律，為真空下利用超聲波振動(dòng)控制摩擦力以及研究超聲波電機(jī)的摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)理和超聲波電機(jī)在真空下的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。1試驗(yàn)設(shè)備與方法1．1試驗(yàn)裝置試驗(yàn)所用高頻振動(dòng)減摩測(cè)試裝置示意圖如圖l所示，它主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、預(yù)緊力加載結(jié)構(gòu)、縱、扭復(fù)合超聲換能器和摩擦力測(cè)量結(jié)構(gòu)等部分組成。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)上摩擦副固定盤轉(zhuǎn)動(dòng)。摩擦副之間的接觸形式為盤．盤接觸，下摩擦副為工程塑料，粘貼在縱、扭復(fù)合高頻換能器的端部，縱、扭復(fù)合高頻換能器提供實(shí)驗(yàn)過程中摩擦副之間的振動(dòng)?？v、扭復(fù)合高頻換能器固定在一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的底座上，該底座能夠

5、將實(shí)驗(yàn)過程中摩擦副之間的摩擦力傳遞給力傳感器。實(shí)驗(yàn)過程中，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制上摩擦副的滑動(dòng)速度(滑動(dòng)速度由速．213．度傳感器測(cè)量)，通過調(diào)整螺旋彈簧的伸縮長度控制摩擦副問的預(yù)緊力，通過調(diào)整縱、扭復(fù)合高頻換能器的縱、扭振動(dòng)的輸入電壓．控制摩擦副之間振動(dòng)的形式以及振動(dòng)的幅度，并且上下摩擦副均可方便的更換，將該試驗(yàn)臺(tái)放在真空腔內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。真審腔內(nèi)的真空度可實(shí)現(xiàn)由大氣到r1，真字(20Pa)和到高真空(2．0×103Pa)的連續(xù)變化。實(shí)驗(yàn)過程中，高頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在線顯示測(cè)量的摩擦力、滑動(dòng)速度和溫度等參數(shù)，并且由計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。12縱、扭復(fù)合高頻換能器試驗(yàn)所用縱、扭復(fù)臺(tái)高頻換

6、能器是高頻振動(dòng)減摩試驗(yàn)臺(tái)中的關(guān)鍵部分，其直徑為西40mm，長度為84mm。該縱、扭復(fù)合高頻換能器的縱扭菇振頻率并沒有進(jìn)行兼并，其縱向共振頻率為20kHz，扭轉(zhuǎn)共振頻率為1l6kHz。山于縱振子是由整片壓電晶片加J二而成，設(shè)計(jì)較為容易，因此該縱、扭復(fù)合超聲換能器的設(shè)計(jì)主要址j{}i轉(zhuǎn)振_『的設(shè)計(jì)。由于極化整個(gè)環(huán)狀壓電陶瓷使其能夠產(chǎn)牛扭轉(zhuǎn)振動(dòng)存在困難，通常將王1：狀壓電陶瓷分成多個(gè)扇塊．分別極化后，再按極化方向?qū)⑸葔K粘結(jié)成一個(gè)圓環(huán)。本文中扭轉(zhuǎn)振子的設(shè)計(jì)過程如圖2所示，先將長方體壓電陶瓷沿寬度方向極化，然j亓將極化后的長方體陶瓷片切割成一定的形狀，并按相同的極化方向把切割后的

7、陶瓷枯結(jié)成近似的圓環(huán)體，再將粘結(jié)后環(huán)狀壓屯陶瓷f下兩發(fā)面精磨并涂銀極，最后在陶瓷的上F阿表面附上銅電極，按極化方向?qū)善沾煞聪虿⒙?lián)安裝存換能器中。圖1高額振動(dòng)減摩測(cè)試裝簧示意幽罔2扭轉(zhuǎn)振r的制作過程13試驗(yàn)方法試驗(yàn)過程中使用摩擦副的材料為PTFE基復(fù)合材料，磷青銅，其中PTFE基摩擦材料粘帖在振動(dòng)體的端部，摩擦材料的尺寸為ff)40mm×$30mm×05mm．磷青銅庠擦環(huán)的尺寸為c塒4mmxa)27mmxSmm，磷青銅摩擦環(huán)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。每種工況即實(shí)驗(yàn)參數(shù)一定的條件下，均進(jìn)行r3次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)lOmin，然后將3次實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)