（机械电子工程专业论文）密集颗粒体——表面摩擦特性实验研究及仿真分析.pdf

工业大学 体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 阄弛 委员： 别明 飞 合肥工业大学教授 合肥工业大学教授 岁l 传中科院合肥物质科学研究院副研究员 导师： 去f 救 合肥工业大学教授 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解剑曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金蟹工些太 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝者签名灰噼 新戤：r 妇 铅l 牡 签字日期：砷1 年r 月f 日签字日期二j ，年厂月厂日 学位论文作者毕业后去向： j j ：作单位： 通讯地址： i l l 电话： 邮编： 密集颗粒体表面摩擦特性实验研究及仿真分析 摘要 本文针对颗粒流润滑和摩擦研究的需要，研制了密集颗粒体与表面摩擦特 性测试仪，用以模拟楔形滑块摩擦副中，工件表面与颗粒介质的摩擦作用。摩 擦测试仪用步进电机控制平移台做直线运动，使表面试件与颗粒体发生摩擦运 动，通过扭矩传感器和拉压力传感器分别测出试件受到的剪切阻力与法向支撑力，信 号经放大滤波，实时显示并记录下来。摩擦测试仪能实现不同速度、迎角、表面造 型、颗粒粒径等条件下，试件受力的精确测量。经过标定与分析，测试仪具有 高灵敏度、高线性度、低迟滞误差、操作便捷等特点。 实验依次选取运动速度、试件迎角、颗粒粒径和试件表面造型为变量，测 得试件所受剪切阻力和法向支撑力的变化，分析各因素对密集颗粒体与表面的 摩擦特性的影响。 在实验的基础上，用离散元软件( p f c 2 d ) 对密集颗粒体与表面的相互作 用做了一些仿真和分析。分别模拟了不同速度、迎角的条件下，墙型平板和线型排 列的颗粒团与密集颗粒体作用的过程，得到了两种模型受力的变化规律和颗粒体中力 链的分布与演变过程。 本文的主要工作点在于自主设计、制作了密集颗粒体与表面摩擦特性测试 仪，通过实验和仿真，对楔形滑块摩擦副的颗粒流润滑研究做了一些探索性工 作，为更好地实现颗粒流润滑的工程应用提供了理论依据。 关键词：颗粒物质摩擦实验研究离散元模拟 i v s p e c i m e nc o n t r o l l e db ym o t o r i z e dt r a n s l a t i o ns t a g e ，m o v e si nt h ep a r t i c l e s 1 1 1 es h e a r i n g f o r c ea n dt h en o r m a lf o r c ea r em e a s u r e db yt o r q u es e n s o ra n dp r e s s u r es e n s o rr e s p e c t t v e l y a f t e re n l a r g e da n df i l t e r e d ，t h es i g n a li sd i s p l a y e dl i v e l yt h e nr e c o r d e d t h r o u g ht h e c a l i b r a t i o na n de v a l u a t i o n ，f r i c t i o nt e s t e r c a l lr e a l i z ea na c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h e s h e a r i n gf o r c ea n dn o r m a lf o r c ei nd i f f c r c n ts p e e d ，a n g l e ，s u r f a c et o p o g r a p h y , p a r t i c l es i z e e t c ，w i t ht h em e r i t so fh i g hs e n s i t i v i t y , h i 曲l i n e a r i t ya n dl o wh y s t e r e s i s b a s e do nt h ee x p e r i m e n t s ，s o m es i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e s u r f a c ea n dt h ed e n s eg r a n u l e sh a sb e e nd o n eb yt h ep f cs o f t w a r e t h es i m u l a t i o nm a k e s t w ot y p e so fs u r f a c e ，f l a tw a l la n dp a r t i c l eg r o u po f1 i n e a ra r r a n g e d ，a n dc o n t r a s t st h e i r i n t e r a c t i o n sw i t hg r a i n su n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n ss u c ha sd i f f e r e n ts p e e da n da n g l e t h e ni t c o m e st h ef o r c er e g u l a rp a t t e mu n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n ts p e e d ，a n g e l ，s u r f a c e t o p o g r a p h y , a n dp a r t i c l es i z ea sar e s u k ， a b o u tt h ef o r c ec h a i n s a l s ot h ep r o c e s so ft h ed i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o n k e y w o r d s ：g r a n u l e s ，f r i c t i o n ，e x p e r i m e n t a t i o n ，d e m v 教授致以由衷的谢意! 三年来，您 予了无微不至的关怀和照顾。从文 ，从论文初稿到修改润色，刘老师 严谨的态度、精益求精的作风和诲 我受益终生。 导。从进入实验室开始，与您朝夕 相伴，您引导我试验研究的每一步进展；在撰写小论文及大论文过程中，您抽 出宝贵时间，字斟句酌，为我指导。感谢摩擦所的各位老师：焦明华、胡献国、 俞建卫、解挺、尹延国、田明和徐玉福等，在我读研期间为我创造了良好的学 习环境，并对我的课题研究提出很好的建议和指导，在生活各方面也给予我诸 多帮助。 感谢我的各位师兄师姐师弟师妹：刘伟、陈娟、黄红、魏庆森、万筱怡、 董慧芳、李嫒、徐新泉、张志斌等，在我的课题开展过程中给了诸多帮助；我 的同学：刘仕冬、李兵、李见、张伯平、周洋、刁新超、魏培等，在学习和生 活中给予我大量的关心和帮助。感谢所有支持关心我的同学和朋友。 特别感谢我的父亲母亲，含辛茹苦为我的学习创造了条件，一如既往的站 在我的身后默默地支持着我。焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报。 最后，感谢参与论文评审和答辩的各位专家和教授，能在百忙之中抽出宝 贵时间对论文进行评阅和审议。 作者：赵明 2 0 11 年0 4 月 录 1 4 颗粒物质摩擦润滑的工程应用7 1 5 颗粒物质润滑及摩擦研究现状评述7 1 6 本文研究内容及章节安排8 第二章密集颗粒体与表面摩擦测试仪研制9 2 1 弓i 言9 2 2 测试仪系统原理9 2 3 测试仪装置介绍1 0 2 3 1 驱动装置。1 0 2 3 2 测量装置1 0 2 3 3 数据采集装置1 1 2 4 测量系统结构1 3 2 5 测试仪性能指标分析1 7 2 6 本章小结2 0 第三章密集颗粒体与表面的摩擦实验研究2 l 3 1 引言。2l 3 2 实验方案与操作步骤2 1 3 3 速度对摩擦特性的影响2 3 3 4 迎角对摩擦特性的影响2 4 3 5 粒径对摩擦特性的影响2 5 3 6 试板表面形貌对摩擦特性的影响2 8 3 7 实验部分细节探讨2 9 3 8 本章小结3 l 第四章密集颗粒体与表面摩擦特性的仿真分析3 2 4 1 引言3 2 4 2p f c 软件建模3 2 4 3 墙型平面与颗粒体作用。3 3 v i i l l 2 3 4 5 6 3 6 4 0 4 l 4 l 41 插图清单 图1 - 1 颗粒物质崩塌实验装置、平面和斜面颗粒流实验装置2 图1 - 2 粉末润滑滑动轴承3 图卜3 环状剪切装置及剪切面测试图3 图1 - 4 莫尔包络线5 图2 - 1 楔形滑块摩擦副的颗粒流润滑模型9 图2 - 2 摩擦测试仪原理图9 图2 - 3m t s 3 0 6 精密电控平移台和s c l 0 0 步进电机控制器1 0 图2 - 4t j l - 1 型拉压力传感器1 0 图2 - 5t j n - 1 型扭矩传感器1 1 图2 - 6 信号调理电路原理图。1 2 图2 - 7 滤波电路幅频、相频特性曲线1 2 图2 - 8 摩擦测试仪实物图。1 3 图2 - 9 试板安装位置的电磁铁及其控制开关。1 4 图2 - 1 0 试板安装座与角度尺1 4 图2 - 1 2 平移台与测量臂1 6 图2 - 1 3 剪切阻力测量机构与法向支撑力测量机构1 6 图2 - 1 4 法向支撑力的散点及最小二乘线性拟合结果1 8 图2 - 1 5 法向支撑力散点与拟合直线的残差1 8 图2 - 1 6 剪切阻力的散点及最小二乘线性拟合结果1 9 图2 - 1 7 剪切阻力测量值与拟合直线残差2 0 图3 - 1 颗粒样本2 2 图3 - 2 试板表面造型2 2 图3 - 3 颗粒体表面与试板位置2 2 图3 - 4 速度变量测试结果。2 3 图3 5 试板剪切阻力和法向支撑力随迎角变化规律。2 5 图3 6 试板以1 0m m s 在三种颗粒中运动的受力比较。2 6 图3 - 7 试板在1 号颗粒中的比值r 2 6 图3 - 8 试板住2 号颗粒中的比值r 2 7 图3 - 9 试板在3 号颗粒中的比值2 7 图3 - 1 0a - l - 2 0 和b 一卜2 0 测试结果2 8 图3 1 1b - l - 2 0 ，b - 2 - 2 0 ，b - 3 - 2 0 实验对比2 9 图3 - 1 2 力链的波动3 0 图3 1 3 力链的持续3 0 图4 1p f c 仿真流程图3 3 图4 2 仿真过程3 3 图4 3 平板在1 0 。迎角下的受力3 4 图4 - 4 平板在4 0 m m s 条件下剪切阻力和法向支撑力3 4 图4 - 5 平板在2 0 m m s 条件下剪切阻力和法向支撑力3 5 图4 - 62 0 聊s 和4 0m m s 下的比值r 3 5 图4 7 力链的演变3 6 图4 - 8 迎角1 0 。时颗粒团所受剪切阻力和法向支撑力3 7 图4 - 9 仿真过程截图3 7 图4 一1 0 颗粒团4 0 m m s 运动时受力3 8 图4 - 1 1 颗粒团2 0 m m s 运动时受力。3 8 图4 - 1 22 0 m m s 和4 0 舢s 的r 值3 9 图4 - 1 3 力链的演变4 0 x x i 11 1 7 ：1 1 ：! l 颗粒物质是一种我们生活中司空见惯的物质类型，比如沙子、积雪、粮食 等，甚至川流的人群、行驶的汽车也都常作为颗粒物质体系来研究。这类物质 虽然单个颗粒是固体，但大量颗粒组成的颗粒物质体系却表现出不同于固体、 液体和气体中任何一种的奇特性质【l j 。 利用颗粒物质的特性，开展对颗粒物质的研究，至今已有很长的历史了。 我国至少在南朝( 公元4 1 2 5 8 9 年) 就有“簸之扬之，糠秕在前；洮之汰之，砂 砾在后”的说法( 出自世说新语) 。沙粒从孔中流出的流速不会随压强而改 变，古人利用这一特性发明了沙漏作为计时器具，比水漏计时更加简便和准确。 欧洲文艺复兴以后，许多著名的科学家都曾对颗粒物质做过探索性研究。 c h a r l e sd ec o u l o m b 提出了沙堆倾斜角与摩擦系数之间的关系【2 j 。m i c h a e l f a r a d a y 于1 8 31 年发现，颗粒体在振动中会形成对流，并因此而堆积起来p j 。 o s b o r n er e y n o l d s 于1 8 8 5 年首次发现，如果将颗粒体紧密堆积在一个弹性袋中， 任何外加作用都会使颗粒体所占体积增大，这也就是著名的雷诺剪切膨胀现象 【4 】。除此之外，颗粒物质还有振动分离、斑图、粮仓效应、成拱现象等许多典 型的奇特性质。 通常情况下的颗粒物质是指尺寸大于1g m 的颗粒聚集体，当颗粒体粒径小 于这个数量级时，分子热运动将非常明显，颗粒间表面力与重力之比较大，属 于统计力学的研究范畴【5 】。一般来讲，颗粒聚集体的间隙都充满气体或液体等 物质，严格而言是多相物质。但是，如果粒子为密堆积或者比间隙流体稠密得 多，饱和度小于1 ，固液耦合作用不明显，可以忽略间隙流体效应，本文中的 密集颗粒体即是所述的非流态化颗粒体( 6 】。颗粒物质的基本特性包括三个重要 的方面：相互作用以摩擦力为主，并与颗粒物质形成的历史密切相关，也就是 说与其堆积的过程有关；由温度所引起的热运动在体系的描述中可以忽略不计； 颗粒体系为能量耗散体系，体系以非弹性碰撞为主。 当前科研工作者对于颗粒物质体系的研究，最终希望能解决以下两方面的 问题：在静力学方面希望能建立一个描述离散固体物质的作用模型；在动力学 方面建立一个能描述颗粒流动的流体力学。颗粒物体系模型建立所碰到的最大 难处在于以上所提的颗粒物质的三个基本特性使得应用于固体、气体和液体的 统计力学及流体力学难以用在颗粒物质体系中。 2 0 0 5 年，s c i e n c e ) ) 将创立颗粒物质运动的动力学普遍理论列为1 2 5 个最 具挑战性的科学前沿问题之一【7 j 。诺贝尔物理奖得主d eg e n n e sp g 指出，我 们当前对于颗粒物质的认识，只相当于1 9 3 0 年对于固态物理认识的水平哺j 。在 国内，颗粒物质的研究目前仅限于物理学和粘土力学领域，摩擦、润滑领域才 金、陶瓷等的成 型工艺，以及颗粒物质( 如粮食、煤粉等) 堆积和输送，水土流失、海岸和堤 坝建设等。从摩擦学角度来看，该研究尚属空白【9 1 。 1 2 颗粒物质实验研究 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室从事了大量的颗粒物质 的相关工作，主要集中在水沙科学与水环境、岩石力学与工程等方向。他们建 立了水沙两相紊流的理论与模型，完善了泥沙运动力学的基本理论，在工程应 用方面，普定碾压混凝土拱坝筑坝新技术以及长江三峡工程大江截流设计及施 工技术取得了令人瞩目的成果，达到了世界领先的水平。 浙江大学物理系颗粒物质实验室和中国科学院物理研究所进行合作，通过 实验探索和计算机模拟，研究了颗粒物质的许多物理特性。他们研制了颗粒物 质崩塌实验装置、平面和斜面颗粒流实验装置，如图1 1 所示。主要研究成果 有：二维颗粒流通过瓶颈口时，流量与传送带的速度以及瓶颈开口的大小的关 系【1 0 】；通道宽度对颗粒物质稀疏流到密集流转变的影响 1 1 1 ：通过实验，研究了 二维斜面颗粒流在粗糙边界附近的流量密度分布规律【1 2 j 以及受通道宽度影响 的相关规律【i 引。 图卜1 颗粒物质崩塌实验装置、平面和斜面颗粒流实验装置 由于颗粒物质具有上述独特的性质，近年来，许多学者开始尝试采用颗粒物质作 为润滑介质，开展了颗粒流摩擦和润滑研究。 2 1 3 颗粒流润滑与摩擦研究 颗粒流润滑是一种直接将固体润滑剂干粉或者其它种类的固体颗粒持续不 断地导入摩擦副，利用微小颗粒的摩擦、变形、碰撞、挤压和滑滚等微观运动， 以减少作相对运动两表面的直接接触的润滑方式【1 4 l5 1 。这种全新的润滑方式， 能够克服传统润滑介质在极端温度、负荷，超高真空等许多特殊、严酷工况下 的缺点，特别是在空间领域等，具有广泛应用前景。 c r a i g 1 6 】等人设计了一个环状剪切装置，在内外圈之间填充满干燥的金属球 状颗粒，做差动旋转。低速时，颗粒为准静态流，当速度增大到某一阈值时， 转为弹性碰撞流，摩擦系数突然降低。实验结果显示，正应力和剪切应力与剪 切速度相关，并且受内外圈间隙及金属颗粒的体积分数影响。 h e s h m a t 和i i o r d a n o f f t l 7 】等人设计了一种实验装置，如图1 2 所示，将固 体颗粒物质作为第三体置于摩擦副中，研究颗粒物质在干燥接触下的行为。通 过该模拟粉末润滑的滑动轴承的试验研究，认为理化特性和机械条件都会极大 地影响第三体的行为。 图卜2 粉末润滑滑动轴承( a ) 扇形粉末的初始位置，( b ) 旋转1 0 周后的扇形粉末 d r i c h a r d 和i i o r d a n o 讲1 8 1 设计了图1 3 所示的实验装置。通过上表面加压， 下表面运动，来研究平板与颗粒体的相互作用，用以模拟与前述相类似的干燥 摩擦副的第三体问题。 图1 - 3 环状剪切装置及剪切面测试图 3 合肥工业大学摩擦学研究所【l9 】在t i m k e n 摩擦磨损试验机的基础上进行改 装，建立向环块摩擦副间隙输送粉气混合流的实验装置，以研究粉气混合流对 摩擦副的润滑情况。他们用石墨粉末进行了不同实验，结果表明，喷射装置可 以源源不断的将石墨粉气混合流带到环块摩擦副间隙中，使环块摩擦副一直处 于良好的线接触状态，具有良好的散热和润滑效果。 颗粒物质中单个颗粒的运动服从牛顿运动定律，在外力作用或内部应力状 况变化时整体发生流动，形成颗粒流。根据颗粒相互作用的形式，即是否存在 较稳定的力链，将颗粒流分为三种流态，分别采用不同的理论模型来描述l z 。 1 3 1 颗粒流动理学理论 颗粒流动理学理论的基本思想是将固体颗粒比拟为气体分子，假定固体颗 粒的速度分布函数，类比稠密气体的分子运动学理论而建立颗粒相的运动方程。 它把颗粒间的碰撞看成是瞬时的、二元的弹性碰撞，并提出用“颗粒温度”的 概念来反映颗粒相速度脉动。在连续介质假设和颗粒处于悬浮状态这两个条件 下，利用多相流体力学中的动理论，在保持宏观守恒和稳态解的基础上引入了 一定的简化原理来研究颗粒的微观行为。 h a f t 2 l 】根据宏观变量推导了一套简化的控制方程用来描述颗粒流。他将颗 粒流当作流体力学问题来处理，将颗粒的波动用虚拟温度表示，其中颗粒的虚 拟温度引入了虚拟能量方程。 j o h n s o n ，j a c k s o n f 2 2 1 ，以及k h o n s a r i 2 3 , 2 4 ，h e s h m a t 2 5 , 2 6 等将这个模型在摩 擦学领域迸一步进行了完善。引入流体力学中的连续方程和动量方程，提出了 类流体动压粉末润滑理论。该理论认为颗粒流沿厚度方向存在速度梯度，并且 压力分布与流体动压润滑压力分布类似。 z h o u ，k h o n s a r i 2 7 】在模拟粉末润滑时发现了虚拟能量方程中的粘性耗散项， 并且是非常重要的。在j o h n s o n ，j a c k s o n 2 2 i t 作的基础之上，z h o u 以及k h o n s a n 推导出适合在两个无限长的平行磁盘之间做剪切运动的颗粒物质的控制方程。 通过此方程，可以预测颗粒流的平均速度，虚拟温度( 颗粒的波动速度) ，以及 颗粒物质通过间隙时的固体体积分数。 类流体润滑理论代表了颗粒流润滑理论初期的成果，它从统计平均的角度， 借鉴了基于r e y n o l d s 方程的流体动压润滑理论，可以用于非流态化、类流体颗 粒流的润滑，计算简单，为从连续介质的角度了解颗粒物质摩擦的宏观特性起 到了积极的作用。但是，该理论忽略颗粒个体性质，过分依赖于高度简化、规 定性质的本构方程，将颗粒物质考虑为均一的系统，无法体现颗粒流的非连续 特性，对微观机理的解释也不够。 4 1 3 2 颗粒流塑性理论 塑性理论是另一种描述静态颗粒物质本构关系的理论，它把颗粒体看成一 个整体，在其内部任意处取出一单元体，此单元体单位面积上的法向压力可看 作该面上的压应力，单位面积上的剪切力可看作该面上的剪应力。颗粒沿剪切 力方向发生滑动，可以认为整体在该处发生流动或屈服。即颗粒物质的流动可 以看成与固体剪切流动破坏现象相类似。这样，就可以应用莫尔强度理论来研 究颗粒体的抗剪强度，进而对剪切机理进行分析【2 引。 根据莫尔理论【2 9 , 3 0 , 3 1 】，如果塑性体在二向应力作用下沿着某一个平面产生 破坏，则在这个平面内存在着一定的正应力d 和剪应力r 的组合。在三轴压缩 试验中，将预先压实的颗粒物质封闭在橡胶薄膜中，并放进压缩室。压缩室内 逐渐升压到预定的压力。这样，颗粒体在径向受到空气压力以的压缩，在铀向 受压缩空气压力和轴向载荷的共同作用，发生剪切时的矾值可通过记录仪测 得。重复以上程序，即可得到不同的值时颗粒体发生剪切的一些列主应力吼 值，从而得出了颗粒物质在一定压实状态下的莫尔包络线3 2 , 3 3 】。 破坏平面内的正应力和剪应力可由力平衡求出： 盯= 仃lc , o s o + 仃3s i n o f = ( 仃1 一仃3 ) e o s o s i n o 式中吼为最大主应力，仃，为最小主应力，p 为破坏平面和最大主应力平面 之间的夹角。 如图1 4 所示，莫尔圆和莫尔包络线相切的点表示颗粒体发生剪切的平面 方位及平面上的应力状态，它表示了颗粒体的强度条件。莫尔包络线可表示为： _ = c + c r t a n # 式中，f 为剪切应力，c 为颗粒间粘附力，仃是法向应力，矽为内摩擦角。 r c 乃 蚁_ 图1 - 4 莫尔包络线 莫尔包络线和水平线的夹角即为颗粒物质的内摩擦角矽。莫尔包络线即表 示颗粒物质的剪切强度。如果表示颗粒体内某点应力状态的莫尔圆落到莫尔包 络线以下，则这个点的剪切应力是小于剪切强度，颗粒体不可能产生破坏和流 动。莫尔包络线相切的任意莫尔圆表示一个非稳定状态。在非稳定状态时，用 切点表示的平面上可能出现破坏。颗粒体的剪切强度和内摩擦角可直接用图解 法求出。它们的数值也可用莫尔圆方程直接求出。 1 3 3 密集流模型理论 介于快速流和准静态流之间的，广泛存在于自然界中的密集流，在理论描 述上遇到了几乎不可逾越的困难。颗粒像流体一样流动，颗粒间又保持相对持 续的接触，塑性理论和动理学此时都不适用。c a m p b e l l 3 4 ，3 5 ，3 6 1 依据颗粒流是否 存在较为稳定的力链，将颗粒流分为弹性流和惯性流两大类。其中弹性流颗粒 间存在稳定的接触力，形成力链，力链相互连接形成网络支撑颗粒体系和外载 荷，颗粒的摩擦系数对力链形成及强度影响很大。惯性流颗粒发生瞬间碰撞， 难以形成力链。弹性准静态流和惯性碰撞流分别对应准静态流和快速流这两 种极端流动情况，通常处理成连续体，分别采用摩擦塑性模型和动理论予以描 述，而力链则成为了解决弹性流( 密集流) 问题的一个重要手段。 在重力或外载荷的作用下，毗邻颗粒间发生接触，相互挤压变形。一些颗 粒变形较大且形成准直线型，传递较大份额的力，形成强力链；其他颗粒间接 触变形微弱，传递的外力较小，形成弱力链。力链的方向基本与外载荷的方向 平行，只能承受很小的切向力。当颗粒受到接触力的作用，处于摩擦角范围之 内时，则力链中的颗粒处于自锁状态，力链处于稳定状态；否则，颗粒体发生 剪切，力链断裂、重构。 f o n e r r e ，p o u l i q u e n ”】等，受黏塑性宾汉流体行为的启发，提出了密集颗粒 流动的本构方程，可以很好地复现颗粒在不同边界条件下的复杂流动。剪切应 力f 与外应力尸关系为： f = ( ，) p 式中，l a ( i ) 是颗粒物质体系的总摩擦系数，是力链网络复杂动力学响应的 结果，与惯性系数，有关： i = yd 西弦 惯性系数可用颗粒运动的特征时间予以解释。随着剪切应变增大，颗粒物 质内部力链中的颗粒逐渐脱离相邻颗粒而达到不平衡位置。惯性系数是颗粒物 质内微观尺度颗粒运动时间和细管尺度力链持续时间的比值。 6 h a n a n o 3 8 】发明了一种用于活塞的粉末和颗粒混合的润滑基材料，可有效避 免内部瑕疵的产生，避免火灾，预防环境污染，使活塞顺滑，提高工作性能。 此外，h a n a n o ”】等人还设计了一种套管润滑机构，能够为压铸机的进料金属套 管内表面覆盖一层粉末润滑剂。机构将一个连接附件连接到套管进料口，并使 套管内部形成封闭空间，通过连接附件从套管内抽出空气，形成真空，再将粉 末通过空气经喷嘴输送到套管内，实现了粉末颗粒的润滑。 h e s h m a t 删提出一种新型的粉末润滑的滚子轴承阻尼器，用于高级涡轮喷 气航空发动机等高温、高速的转动条件。在8 0 0 下，1 0 0 0 0r p m 条件下，实验 证明将颗粒引入章动碟和摩擦垫的间隙产生了两个有意义的效果。第一，减小 了磨损，延长了阻尼器的寿命；第二，颗粒的引入，改变了摩擦副的磨损机制， 剪切层产生的压力轮廓更接近于流体油膜润滑的轴承的压力轮廓，而非经典的 库伦润滑。 h e s h m a t 4 l 】等人又用压缩空气将固体粉末润滑剂t i o ，m o s ，喷入到摩擦盘 的材料分别为，4 和s i c 的大滚滑比盘盘摩擦副中，绘制出温度在2 2 6 5 0 ，表面速度达到7 5m s 条件下，干燥粉末的摩擦系数与滑动比的关系曲 线，并且发现干燥粉末润滑剂的摩擦系数、磨损量都比较小，以及对温度敏感 程度低。 粉末润滑剂的绝热性能比传统的油溶性或水溶性润滑剂高，这将有效地防 止压铸过程中柱塞把进料管内生成的凝固层破坏，混在熔汤中流入型腔内而形 成异常组织。日本的k i m u r a 4 2 】等人通过实验研究了无机粉末( 滑石粉或三氧化 铝) 和聚乙烯蜡组成的二元复合粉末颗粒润滑剂的比例和成分对绝热性能和润 滑性的影响。结果显示，蜡质量分数为2 5 时有优良的绝热性能。关于润滑能 力，铸件脱模时的弹射力，随蜡质量分数的增加而下降。因此，质量分数为4 0 或更高的润滑剂更适合于模具润滑，而含蜡量2 5 的粉末润滑剂适用于轴承 润滑。 1 5 颗粒物质润滑及摩擦研究现状评述 当前，颗粒物质摩擦润滑领域的研究主要分为动力学普遍理论模型的建立 和工程实验的探索两个部分。理论方面，根据颗粒物质的三种流态，分别有塑 性理论、动理学理论和密集流理论进行描述。这三种理论模型都是借鉴于其他 物态的描述形式，建立的基础各不相同，仅能够对一种流态进行较合理的描述， 局限性很强。针对颗粒物质特性的普遍理论模型的建立，目前还没有突破性的 进展，甚至采用哪些参数进行表征、各参数与颗粒物质本构关系的关联，学界 还没有达成统一。 实验方面，国内外的研究人员已经在工程应用领域进行探索性的尝试。虽 然这些尝试取得了一些令人满意的结果，但是缺乏必要理论指导，无法有针对 性地对润滑效果进行必要改进。模拟实验方面，目前仅有双筒形式的内外环剪 切实验，以及在此基础上改进的上下平行圆板旋转剪切实验。针对楔形滑块摩 擦副的实验研究，目前还处于空白。 1 6 本文研究内容及章节安排 本文针对颗粒流润滑和摩擦的研究需要，研制了密集颗粒体与表面摩擦测 试仪，用以模拟楔形滑块摩擦副中，工件表面与颗粒介质的作用。通过实验， 探索在不同速度、迎角、颗粒粒径等条件下，表面与密集颗粒体作用的摩擦学 特性，具体表现为试板所受剪切阻力和法向支撑力的变化规律。在实验的基础 上，通过离散元软件仿真，尝试对宏观表现下，颗粒相互作用的微观行为做一 些分析和解释。 本文的章节安排如下： 第一章绪论部分，主要介绍颗粒物质摩擦学相关实验、理论研究及工程应 用方面的现状，并对当前的研究现状做出简要评述。 第二章密集颗粒体与表面摩擦测试仪的研制，主要介绍了摩擦测试仪的原 理和结构以及研制过程，并对测试仪的性能指标进行了标定。 第三章通过密集颗粒体与表面摩擦测试仪，研究了颗粒物质的摩擦特性， 对剪切阻力和法向支撑力的变化规律进行了分析与总结。 第四章通过离散元分析软件( p f c ) ，建立了密集颗粒体与表面摩擦作用的 仿真模型，探讨了密集颗粒体的摩擦特性和微观行为。 第五章总结与展望，对文章工作进行了全面的总结，分析了文中所含的创 新点以及尚未完善的地方，并提出了进一步的工作。 第二章密集颗粒体与表面摩擦测试仪研制 2 1 引言 楔形滑块是摩擦学中最基本的摩擦副模型，常用于斜面推力轴承的数值计 算。在颗粒流润滑条件下，问题的核心为颗粒介质与滑块表面的接触作用及颗 粒与颗粒之间的接触作用 4 3 钟】，如图2 1 所示。密集颗粒体与表面的摩擦特性 主要表现为试件表面与颗粒体接触时的受力，因此以测量试板所受水平方向的 剪切阻力和竖直方向的法向支撑力为出发点，设计了密集颗粒体与表面摩擦特 性测试仪。同时，试板迎角( 楔形) 可调、速度精确控制、颗粒体和试板的易 换性，成为测试仪必要的功能。 图2 - 1 楔形滑块摩擦副的颗粒流润滑模型 2 2 测试仪系统原理 摩擦测试仪装置涉及驱动、测量和数据采集三大部分：通过步进电机驱动 丝杠导轨带动平移台做直线运动，使试件与颗粒体发生相对运动；用扭矩传感 器和拉压力传感器分别测出试件受到的剪切阻力及法向的支撑力；传感器测得 的电信号经滤波放大，实时显示记录下来。摩擦测试仪设计原理如图2 2 所示。 图2 - 2 摩擦测试仪原理图 9 一；：专。曩p；，霜蹬 。 i 罩：。，。扣：筇；一_。敷_h龟。魁 2 3 测试仪装置介绍 2 3 1 驱动装置 电控位移系统由位移台、驱动电机、控制器三部分组成，因其高精度、快 速度、大承载、行程大、自动化而广泛应用于科研、激光应用、全自动计量检 测仪器设备、工业自动化等领域。摩擦测试仪驱动装置采用北京光学仪器厂生 产的m t s 3 0 6 精密电控平移台和s c l o o 步进电机控制器，如图2 3 所示。 囊秘豳 。 图2 - 3m t s 3 0 6 精密电控平移台和s c l 0 0 步进电机控制器 m t s 3 0 6 电控平移台采用4 2 步进电机为动力，通过滚珠丝杠传动，驱动线 性滑块导轨做直线往复运动。平移台行程3 0 0m m ，台面面积15 0m m x1 2 0m m ， 螺杆导程4m m ，分辨率0 0 0 0 3 2m m ，轴向间隙小于0 0 2m m ，最大速度4 0m m s ， 最大静扭矩5 0n c m ，最大中心负载3 0k g 。 s c l 0 0 步进电机控制器具有以下基本功能：速度调节、细分可控、三点曲 线加速、软硬件限位、零位设置、脉冲和位移输入、e e p r o m 数据存储、r s 2 3 2 通讯等。可对平移台进行编程控制，根据不同的负载的工况，执行相对运动、 绝对运动、精度补偿运动等运行方式，实现流程运动、工位运动、无限运动等 功能运动形式。 2 3 2 测量装置 测量装置为蚌埠天光传感器有限公司生产的t j l 1 型拉压力传感器和 t j n 1 型扭矩传感器，如图2 4 和图2 5 所示。 ，一_ 毫 她、 _ 一刊r _ 一+ i 专 & j o ，j 图2 - 4t j l 一1 型拉压力传感器 1 0 图2 - 5t j n - 1 型扭矩传感器 t j l 1 型拉压力传感器和t j n 1 型扭矩传感器都属于应变式传感器，其工 作原理是在传感器弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件，当力作用于传感器弹性 元件时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转变成 电压输出，电压的大小反映了被测力、力矩的大小。传感器主要技术指标如表 2 1 所示。 表2 - 1 传感器主要技术指标 型号 t j l 1t 1 量程 5k g5n m 输出灵敏度 2 0 0 5m v v1 9 9 9m v v 输出阻抗 3 5 0q 3 5 0q 绝缘电阻 5 0 0 0mq5 0 0 0mq 零点平衡 1 f s1 f s 综合误差 0 0 3 f s o 0 3 f s 2 3 3 数据采集装置 传感器输出的是相当小的电压值，因此需将待测信号通过放大、滤波等操 作，使其易于识别和处理。考虑成本和测量精度要求，装置采用前置放大器串 联巴特沃斯二阶低通滤波器的调理电路。原理图如图2 - 6 所示。 前置放大器采用低功耗、高精度的i n a l 2 8 芯片，该芯片采用3 运放设计， 具有偏置电压低、温度漂移小、高共模抑制比等特点。电阻r 。为精密可调电阻， 其阻值与放大倍数g 的关系为： g ：1 + 塑 尺窖 图2 - 6 信号调理电路原理图 滤波器采用低噪声、低静态电流的o p a 3 7 6 运算放大器构成二阶低通巴特 沃斯滤波器，由于传感器仅用于静态测量，选择截止频率为5 0h z ，放大倍数 为1 0 倍，其幅频特性和相频特性如图2 7 所示。 图2 7 滤波电路幅频、相频特性曲线 1 2 由于本文工作重点不完全为测试仪的研制，加之时间有限，为及早得到实 验结果，这里就没有用信号采集卡将装置一体化集成，而仅仅以满足实验需要， 将经过调理的信号，送至示波器实时显示，并利用其数据存储功能将采样点记 录下来，以供后期分析处理。这里，实验装置还有待进一步完善和改进。 2 4 测量系统结构 测量系统的机械结构设计为摩擦测试仪设计、制作的核心部分。考虑到加 工和制作成本，测量臂采用方形不锈钢管，部分零件采用4 5 # 钢加工而成；为 使结构轻量化，以及测量臂重心配平的需要，测量臂前端、直角连接夹座等连 接部分为尼龙材质；少数零件形状不规则，既要求加工精度又需要轻量化，如 试板角度调整铰接机构，使用了铝材以便于线切割加工。摩擦测试仪实物如图 2 8 所示，侧视及俯视结构如图2 1 l ( a ) 所示。 图2 8 摩擦测试仪实物图 考虑到实验中既能保证试板安装的可靠，又可以保证更换试板的方便，设 计试板通过一个电磁铁吸附在测量端，电磁铁的通电开关位于测量臂的末端， 如图2 - 9 所示。 1 3 图2 - 9 试板安装位置的电磁铁及其控制开关 电磁铁通过一个可手动锁紧的铰链机构，固定在垂直测量臂的一端。铰链 机构为铝制，用激光打标机在外环上将半圆周3 6 等分，作为调整迎角的角度尺。 转轴侧面用激光打标机打上指针，用于指示刻度。调整试板安装座水平，并使 转轴指针置0 后，将转轴与上部轴套用顶丝锁紧，这样安装座就可以绕定轴转 动。根据角度尺调整好迎角后，转轴与试板安装座可以通过螺母锁住，使迎角 在运动过程中保持恒定，实物如图2 1 0 所示，结构参见图2 1 1 ( b ) 。 图2 1 0 试板安装座与角度尺 垂直