（机械设计及理论专业论文）微幅波作用下的罗拉牵伸系统牵伸机理的研究.pdf

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，推导出丁在高频微幅波作用f 罗拉章伸力的理论模型。 4 ) 在可施加高频微幅渡、可存线检测牵忡力的罗拉牵伸实验系 东华大学硕士学位论文摘要 统上，选取了多种须条样品，考虑影响牵伸的多种控制因素，进行了 高频微幅波作用下的罗拉系统须条牵伸实验。采用牵伸力变化曲线、 显微照片、须条均匀度检测等手段来观察和表征高频微幅波对短纤维 束牵伸的影响。 理论分析和实验表明：1 ) 高频微幅波能降低纤维束中纤维之间 的摩擦系数；2 ) 高频微幅波能有效降低牵伸波，提高须条的均匀度， 但对纤维的伸直状态的改善不明确。 本项目扩展了罗拉牵伸中纤维的运动理论，得到高频微幅波的应 用参数，但理论分析没考虑纤维弯曲形态，实验装置的精度有待提高。 理论分析和实验有待深化。 关键字：罗拉牵伸，牵伸波，微幅波，摩擦，牵伸力模型 g e ￥m r t b l d r a f t i n g m e c h a n i s m o f t h e r o l l e r d r a f t i n gs y s t e m u n d e r t h e h i g h f r e q u e n c y m i c r o - u n d u l a t i o n i m i o n t h em dd r i l l i n gist h eb 。1 目o fs n p l ey i l m q ”t h ed m w i f f r a m e r 。v l n g m a c h i n ea 1 1 d 。r ei n t h er o l l e r6 r a t i n gs v t h ed m n g a u s e d h n 。日m g b e i n g n l 呲删h m k ”t h e s l r d l b nm dt h ef a b r i c 5q u a lj l yi t t h eo n a n ll a a1 0m i n i m i z ed r a f a n g sl n m o d e m t o “l 【 1 1 a s e do nt kl 口p o t h e s i s i i t h ed r a f t i n g mt h e l - a g l l # e q “e n c y m l c m 、u n d u l a t i o nv i b r a t i o n t h i se c t 。nt h e mi n c l u d i n gm i l e rd r a f t i n gd e v i c e ， s t a p l e t i b e rs l a n da n dh i g h f i c q u e n c y “洲m 1 m r “0 n dd e y c l 0 0 c s f o l l o w i n g 。s e 岫d t 1 1b * e d m 1 f f r i c t l o aa n d t h e f i b e r s “c 1 1 n “c h r m c t m m l ct h e m o d e lo r f i b e r s f r c l i t _ l l e a c l 1 m i h e i n f l eo f a m oh e q u c n 】n d u l m l 。m o r o n i se s t a b l i s h e d 、 a n a t h e m _ 。1 1 f a * ro f “co nc o 师c i e n ，bc e d e dk # s h o w 口t h a tm c _ l _ g h f r e q u e n c y u r d u m l o n m o t i n nc i 慨k n t h eb o n d i n g m t h e f i t t e rb u n d l w d u w i e 1 ec o a s t i n g3 w a s b e f i b e r s dc l a 。g e t h e f i b e rsc o m a hs l m e l n w h i c hd y l m m i c a l m c 口。唧is 】。口t os 。 n m c e t h e m d l o c l e n 【b c t h e 目h h x n a c c o r d i n g t h e 。e m 。n d r a f i i n g m m a t l c “n m d e l so f m l e td r a f l i n g ，t h e f o f f i b e r 一d t h et h e o r yo f 1 自r c el h e lh i m p r e dt h e m e e h a n i c a lm o d e to f f i b e r d u r i n g t r a t l i n gg u l l e do o ln u 1 f i b e r b yc t 【o 1 h t h e f m 】”m d m c 帅 】”e i o r c m o d e l n u m e t h d 5 3 ) b a s e d 。n t h ”。m “i i d e a l 吣”d 1 nt hd l 胁m l i b e rd i s t r i b u t i o n s i nd r a r 一o m d _ t h e e n g d ”m d q t i t e so f k i n d s f t b er sw 。g a n d i h e r 瑚凸。恻m p i n g 15p r c 珊t s i m u l a t ct h e m e f 饰自d t s o ni a | 3 b e r b u n d l e st h e t h e o t e t i c a l m 。d e lo e d r a l t l n g 自衅s l q 吲“t o 扯h i n h q m i e r eu i d u 【m 1 v i b m t i o nj 5d e d m e d 。t h e s 山n m l 。m t h er e l a t i v e 。e l 。qb 目1 t h e f i b e “m 4 l n 缸r 冉折嘲m g t h e _ c t 】c m 】咖 4 ) w mt h eh e l po fl h er o l l e rd r a f f i ”g w h i c hc mk1 ”p o 川h i g h 。q “q m h 。一* l d a d 。d t e nd r a t l i l l g 自l l n ：，【州一i c se “d 佗量1 ”gc o n t r o l l 东华大学硕士学位论文a b s t r a c t f a c t o r sa r ec o n s i d e r e di nt h ed r a f t i n ge x p e r i m e n t t h ef i b e r sb e h a v i o rd u r i n gd r a f t i n gw i t hh i g h f r e q u e c ym i c r o - u n d u l a t i o nm o t i o ni so b s e r v e dw i t ht h ed r a f t i n gf o r c ec u r v e ，m i c r o g r a p ha n dt h e m e a s u r i n gi n s t r u m e n to f s t r a n du n i f o r m i t y i ti ss h o w nb yt h e o r i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n tt h a tw i t ht h e i n f l u e n c eo fh i g hf r e q u e c y m i c r o u n d u l a t i o nv i b r a t i o n ，t h ef i b e r sf r i c t i o nc o e f f i c i e n tc a nb ew e a k e n e d ；t h ed r a f t i n gw a v e c a nb em i n i m i z e dw h i l et h es t r a n d su n i f o r m a t i o ni si m p r o v e de f f e c t i v e l y , b u tt h ec h a n g eo f f i b e r ss t r a i g h ts t a t ei su n c e r t a i n t h i sp r o j e c th a se x t e n d e dt h ef i b e r sm o t i o nt h e o r yi nr o l l e rd r a f t i n g ，a n dg o ts o m e p r i n c i p i u mc o n c l u s i o n h o w e v e r , d u r i n gt h et h e o r ya n a l y z i n g ，s o m ef a c t o r ss u c ha sf i b e r sc u r l s t a t eh a v e n tc o n s i d e r e d ，a n dt h ep r e c i s i o no fr o l l e rd r a f t i n ge x p e r i m e n ts y s t e mi sn e e dt ob e i m p r o v e d w ux i n g k u a n ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) s u p e r v i s e db y k e yw o r d s r o l l e rd r a f t i n g ，d r a f t i n gw a v e s ，m i c r o u n d u l a t i o nv i b r a t i o n ，f r i c t i o n ，m o d e lo f d r a f t i n gf o r c e 第一章概述 m * 牵伸& 牵伸# 目录 2 控制卓伸* 的相关_ | 宄 3 谭g 的* 日 r 题的”究自窖 g 的“z t 女 第二章徽幅被对钎堆柬纤难闻摩擦的影喃 2 i 摩擦* 2 1 牵礤分类 ! l2 镕# 基乖特性 2 i3 宏观摩擦4 * 2 14 雎擦磊* 2 i5 摩* 镕 22 纤维的摩擦特性 22 i 纤绯摩擦参数肚其相关系 222 # m 口摩擦诘 2 3m 幅# 艘变纤m 月捧n 4 2 31m 幅艘变* 维女* 维摩操的理论* 扼 18 232 徽m 被目纤维摩擦m 1 9 233 馓幅谴作月t o f 雏摩擦擐目日幢型 24 本小镕 第三章，拉章伸系统纤隼柬牵仲力的理论模型 3j m 目镕$ * 日* * * 3 1 1 m # 条简化模 3 12 * g 自# 维运自 3l3 牵坤d 的g u 目女 3 14m 鲁$ 伸* 率仲山的h m3 0 32g 镕4 罗 t # * 月1 m # 镕m 中n b 力# 横3 0 3 3 抽目m 杂* 需的牵伸力自0 月学楼 3 1 3 4 微幅艘作月t f 拉系统幸f m 挝学模掣建i 3 3 34 1 罗扭牵忡n 模日3 4 34 2 幸忡力1 j 纤维状卷3 6 3 5 牵伸力的测试方* 4 6 36 车章小结4 9 第四章可施加擞幅波的牵伸力实验系统的设计 5 0 41 日m 徽幅被的幸伸力实验系统的虑休设计5 0 4 2 牵仲系统的机构设“5 1 421 动岁拉的传动设”5 2 422 传动带紧方案5 4 43 牵伸# i 自目* *5 7 4 31 变频建* 月控制方法5 8 44 i 振方$ 前分*6 0 442 机栅扼# 自目月日#6 l 443 濑振i 裴 6 3 45 章伸在线捡系镕*6 4 45 1 幸件系统* 方$ 6 4 452 * # 器m 6 5 46 $ 十镕6 5 第五章微幄渡作用下前罗拉牵伸系统的牵伸实验 6 7 51 罗拉牵忡盘蹬系的纽a6 7 52 女n j 6 9 5 3 自杏牵忡女日匀检女镕* h 析 7 0 54 项枭均鲁度6 e 实验7 5 55 * 目志d 试实*7 6 56 $ 十#1 8 2 、d 致谢 抖兰一 薰一 东华大学硕_ j j 学位论文 第一章概述 第一章概述 纺纱技术是纺织工业的基础技术。在纺纱过程中，将成包的短纤维( 如棉花、 合成短纤维等) 加工成为纱线，要经过大约8 种纺纱设备的加工。其中，短纤维 束( 指由短纤维组成的连续的长条状纤维束，如纺织工艺中的“须条”、“粗纱” 等) 的牵伸就发生在并条、针梳、粗纱、细纱等纺纱设备上，因此，牵 f 申d nt 是 纺纱工艺中最重要的工序之一。 1 1 须条牵伸及牵伸波 在纺纱工艺中，须条的牵伸是将连续的短纤维束抽长拉细，即将纤维束沿纤 维长度方向作相对位移而使纤维分布在更长的长度上，提高纤维平行伸直度的过 程。 典型的牵伸方法是罗拉牵伸。罗拉牵伸装置包括多对罗拉( 如图1 1 所示) ， 每对罗拉对须条形成一个握持点。沿着纤维输送的方向，越靠后的罗拉的转速越 快( v l v 2 v 3 ) ，当两个握持点间存在较大的相对线速度差，且外力足以克服 纤维间的摩擦力和抱合力，使纤维间产生相对运动，须条就会被抽长拉细，从而 实现对纤维束的牵伸。 a b 图1 1 罗拉牵伸原理 然而，由于组成须条的短纤维长短不一( 即使是长度统一的纤维，各纤维在 纤维束长度方向上的投影长度也是不同的) 、卷曲形态各异，为了避免在牵伸过 程中将长纤维拉断，要求相邻罗拉对的间距须大于最长纤维的长度，因此，较短 i 匀纤维t 能被牵”f t a * 地捏持或控嘲( 目12 巾f ) ，这担纤维被称 女“# * * * ”。 显。q 万+ o 目i2 # 自t 月* t # 祷纤镕t 邻纤$ 奇勺庠擦的自，自r r 游纤维被喇的纤维h 目，# 1 一! 纤维h 轻快进鹰目，逗自【i 勺# 对浮湔纤维施加向自的摩擦 女，使o f iq n 玎口逮自0 自势其他些纤# # 目镕“h 较慢建度 动，这o o 纤难对* 蚺纤维t 豫m 会m m 其l o j 目u 加速g 自从iu 产i 自月n 的势。f 是镕1 8 通d * 维表i m 摩擦自b 的十目摩擦力使纤维在牵伸n # 十t 自具有t t 确陛。* 游纤维通战m 状地运自，口“# * ”运 m i n 纤维牵伸十m 贝l _ 性# a 种现象为“牵伸波”。牵伸* 自接g 致伸目的颓条t 目匀，m i 使月建纱度降m * 头翠* m 低口续i 序旧产效率，# m * 织目质i 。 现代“织埘持琳“目哥口自档丽料的需求越来越大，a 对纱哉的质量提出 m 自g m ，h 有赦* 决牵伸波g ，4 能性纱线加t 技术a 应现代纺织业艟 “需要。“，消障乖伸波成为代* 织n t 技术中需要解决的谋题。 l2 控制牵伸波的相美研究 d 4 研e 究i 面，为t 提高口# 牵忡的阽能， 们_ 0 响罗扣牮伸的各种 幽索进行7 研究m ，虫验，如前f 托表面材料”o ，& 面纹$ 口 ，纱线的t 规则“， 4 日纱怕掩度“，表a $ 口“，纤维0 表i b 洁崖7 等目# n f 幸仲性能的g 目b o h u 研究了低捻度纤维束键牵忡时的力分女和罗扎的轴向力 9 1 。t o h n 螂 w f k $ * 过程* $ 束* 目；t 批性$ 自m r t 计算模拟 。 y n m ，d a k a t o n d ， t 牵伸d # 进* t “# # m ，m 是强目t # 游# 加 东华人学硕i ：学位论文 第一章概述 速点的分布 1 l 】。史志陶也分析了牵伸区须条内浮游纤维运动变速点的分布 1 2 。 吕恒正浅析了并条牵伸理论及其应用 1 3 】；根据非线性动力系统理论，叶国铭对纱 条不匀数据中的混沌特性进行了分析 1 4 】；姚杰根据纱条不匀存在着的非线性、 时变性和不确定作用关系，应用局域线性预测法和全局神经网络预测法进行了预 测分析【垮】。刘国涛从牵伸型式、牵伸部件、牵伸传动、牵伸工艺与牵伸质量的关 系的角度讨论了提高粗纱牵伸质量问题 1 6 , 1 7 】；吴予群探讨了细纱牵伸系统关键 因素对成纱质量的影响机理【1 8 】；刘国涛分析了牵伸力与有关工艺参数的关系 1 9 。 在生产应用中，为了控制浮游纤维，人们设计了中间控制部件，产生附加摩 擦力界，使整个摩擦力界接近理论要求，握( 托) 持而稳定地向前输送须条，使纱 条保持一定密度和强力( 张力) ，使整个须条在伸直状态下进入前钳口。细纱机上 一般采用轻质辊、皮圈、针辊等中间控制部件；粗纱机一般采用空气( 充气) 罗拉、 轻质辊、针板、针辊等中间控制部件；前纺、并条设备上一般采用针板、针辊、 锯齿罗拉、压力棒等中间控制部件。压力棒牵伸的主要特点是后钳口摩擦力界向 前延伸和加强，强化了对浮游纤维的控制作用。这些方法在一定程度上能够改 善牵伸，但是牵伸波问题仍然是影响须条牵伸质量的瓶颈问题。 此外，人们在并条机上采用了自调匀整装置来改善须条不匀的问题 2 0 。2 2 1 。传 统的并条机自调匀整装置按其控制形式可分为开环、闭环和混合环。闭环控制存 在检测点到匀整点的一段匀整死区，理论上只能匀整较长片段的不匀；而开环控 制，针对性较强，只要棉条厚度测量准确、检测点到匀整点的延时把握得当，牵伸 倍数合适，可以取得良好的匀整效果，这一点已在实践中得到证实。不过，根据理 想状态条件下依据质量守恒定律得出的经典自调匀整公式，难以达到性能要求。 而建立实际的牵伸数学模型非常困难，因此就有人采用了模糊控制的方法。在并 条机上采用模糊控制可以实现自调匀整，其性能要优于传统自调匀整的控制方 法。但是，各种自调匀整系统都没有消除牵伸波，只是采取措施补救牵伸波引起 的须条不匀，具有滞后性，对须条的长片断不匀有一定效果，对须条的短片断不 匀基本没有效果。 从上可以看出，国外研究主要围绕工艺参数对牵伸的影响，偏理论；我国牵 伸理论方面的基础研究不多，主要结合生产工艺，针对某一具体设备，根据工艺 实验来确定制定工序和设置参数，由于各种设备的具体情况不同，所得出的结论 还不一致，甚至还有相悖之处 2 3 】，这说明我国在短纤维束的牵伸技术领域缺乏具 东华大学硕士学位论文 第一章概述 有共性的基础研究。 具体到如何消除牵伸波，国内外很少有这方面的学术论文。虽然，在生产中 应用的中间控制部件在一定程度上控制浮游纤维，应当属于减小牵伸波的一种手 段。然而，中间控制部件不能控制整个牵伸区的浮游纤维，它没有从牵伸波的产 生机理的层面上来解决牵伸波问题，因而有其局限性。因此，如何消除牵伸波的 问题有待进一步研究，有待寻找新的理论和技术来解决。 一般认为，影响浮游纤维运动的诸因素，按其可控性可分为三类：( 1 ) 与浮 游纤维接触的快速纤维量、慢速纤维量、该浮游纤维的长度和状态。三者具有随 机性，很难控制。( 2 ) 罗拉牵伸系统的摩擦力界。纤维之间的压应力虽然也有一 定的随机性，但可以通过调节罗拉牵伸系统的摩擦力界加以控制，因此，人们的 研究主要集中于通过改变影响罗拉牵伸的各种因素，提高罗拉牵伸系统的性能， 改善罗拉牵伸系统的摩擦力界控制纤维的运动；( 3 ) 纤维之间的静摩擦系数和动 摩擦系数。它们是确定的，因此，人们并没有去研究对摩擦系数的控制。 本课题正是从第三类因素出发，致力于建立一种可施加高频微幅波的罗拉牵 伸系统来消除牵伸波，研究在高频微幅波作用下的罗拉牵伸系统的牵伸机理，为 牵伸波的消除建立一种新的理论基础。 1 3 课题的提出 本课题来源于国家自然科学基金项目“高频微幅波作用下罗拉牵伸系统牵伸 机理的研究( 5 0 7 7 5 0 3 4 ) ”。该项目针对纺纱工艺的牵伸波问题，提出建立一种可 施加高频微幅波的罗拉牵伸系统来消除牵伸波的新思路。如图卜3 所示，对牵伸 区的纤维束施加高频微幅的振动，使处于牵伸区的纤维之间产生高频的微小的相 对运动，使纤维之间的摩擦处于动摩擦状态，或由动摩擦占主导地位( 动摩擦系 数。 静摩擦系数。) ，有效消除“粘滑”，从而有效地消除牵伸波。该项目拟 设计并制作一个可施加高频微幅波的罗拉牵伸系统，通过牵伸工艺实验来验证这 一新的思路，并得到相应的工艺参数。项目提出的用高频微幅波消除短纤维束牵 伸波的应用技术，对短纤维束的牵伸来说是一项通用的基础技术，可广泛应用于 并条、针梳、粗纱、细纱等纺织设备，可望改善纤维束的牵伸性能。 本课题的前期研究已开发了一种可施加高频微幅波、可在线检测牵伸力的罗 拉牵伸系统，在对罗拉牵伸区的激振研究方面，提出了机械激振的方案，并从理 4 东华人学硕二l ：学位论文 第一章概述 论上分析了超声波的减摩机理，并对超声波消除牵伸波的方法做了初步探讨。前 期的研究虽然提出了利用高频微幅波消除牵伸波的方法，也针对这一新理论进行 了牵伸理论的分析，并推导出高频振动下浮游纤维的变速点位置的公式和高频微 幅波作用下牵伸对弯钩伸直的定量的表达式，但还没有建立一套全面完整的微幅 波作用下纤维牵伸的理论，有待建立由罗拉牵伸装置、短纤维束和微幅波组成的 罗拉牵伸系统的比较完整的理论模型。 v l - - - - - 一 v 2 一 ( - i 硎一 u 出u 7 课题的研究内容： 图1 3 对纤维施加微幅振动 l 、建立由罗拉牵伸装置、短纤维束和微幅波组成的罗拉牵伸系统的理论： 建立微幅波作用下纤维牵伸过程的摩擦系数模型；改进纤维在罗拉握持作用下从 纤维束中抽出的力学模型，以及抽细须条所需的牵伸力的力学模型；推导出在高 频微幅波作用下罗拉牵伸力的理论模型，并给出牵伸力测试值与理论值的关系。 2 、在所建立的实验系统的基础上，选取多种须条样品，考虑影响牵伸的多 种控制因素，进行高频微幅波作用下的罗拉牵伸系统须条牵伸实验。采用牵伸力 变化曲线、显微照片、须条均匀度检测等手段来观察和表征高频微幅波对短纤维 束牵伸的影响。 课题的研究意义： 本课题提出的用微幅波消除短纤维束牵伸波的应用技术，对短纤维束的牵伸 来说是一项通用的基础技术，可广泛应用于并条、粗纱、细纱等纺织设备，可望 改善纤维束的牵伸。蚪i t 厶匕i = j i 二，全面提高纺纱过程中的出品质量。 东华火学硕士学位论文 第一章概述 本课题研究的微幅波作用下的罗拉牵伸系统的牵伸理论模型，可望丰富纺织 物理中的纤维运动理论；所进行的短纤维牵伸实验，对纺织牵伸工艺的革新有参 考价值。 1 4 本章小结 本章对纺织工业中牵伸工艺进行了概述，并特别对罗拉牵伸中牵伸波减小技 术的国内外研究现状进行了介绍，说明了本课题的研究背景，阐明了本课题的研 究内容和研究意义。 6 东华人学硕士学位论文 第二章微幅波对纤维柬纤维间摩擦 第二章微幅波对纤维束纤维间摩擦的影晌 本课题提出的用微幅振动消除纺纱牵伸波的思路，是对牵伸区的纤维束施加 微幅的振动，纤维之间将产生高频的微小的相对运动，纤维也将处于动摩擦状态 ( 或由动摩擦占主导地位) ，也就消除了纤维间的“粘滑”效应，从而有效地消 除牵伸波。本章将分析微幅波对纤维间摩擦的影响，为项目的开展奠定理论基础。 2 1 摩擦理论 摩擦是指两物体间相互接触并发生或将要发生相对滑动时的现象。摩擦的两 个接触表面能相互作用引起滑动阻力和能量损耗。 2 1 1 摩擦的分类 摩擦可以按照以下方式进行分类俐。 1 按摩擦副的运动状态分 静摩擦：一个物体沿着另一个物体表面有相对运动趋势但无相对运动时产生 的摩擦。静摩擦的大小随作用于物体上的外力而变化。 动摩擦：一个物体沿着另一物体表面有宏观相对运动时接触表面间的摩擦。 这时的摩擦力就是动摩擦力。一般地，对于弹塑性材料( 例如金属) 而言，动 摩擦力小于静摩擦力。 2 按摩擦副的运动方式分 滑动摩擦：两物体接触表面作相对滑动( 或具有相对滑动趋势) 时的摩擦。 滚动摩擦：一个物体在力矩作用下沿着另一物体表面滚动时接触面间的摩 擦。 3 按摩擦副的表面润滑状况分 干摩擦：无润滑的摩擦，即在大气条件下，摩擦表面间名义上没有润滑剂存 在的摩擦。严格讲，应指表面没有任何吸附膜或化合物存在时的摩擦。名义上， 无润滑并非是绝对干燥摩擦，应称为无润滑摩擦。 边界摩擦：两接触表面间存在一层极薄的油膜为边界膜，表面的较高微凸体 东华大学硕士学位论文第二章微幅波对纤维束纤维间摩擦 能穿过它，两接触表面间处于干摩擦与流体摩擦的边界状态，其摩擦和磨损取决 于接触表面和润滑剂( 除粘度外) 的特性。界面的润滑性决定了边界膜的性质， 所以边界摩擦又称为边界润滑。 混合摩擦：包括半干摩擦和半流体摩擦。半干摩擦是指接触面上同时有边界 摩擦和干摩擦的状况；半流体摩擦指同时有液体摩擦、边界摩擦的状况。 摩擦有时还分为外摩擦和内摩擦。仅与两物体实际接触部分的表面相互作用 有关，而与物体内部状态无关的摩擦为外摩擦；而阻碍同一物体( 如液体和气体) 诸部分问的相对运动的摩擦为内摩擦。 另外，现代机械设备中的摩擦副，有些是在高速、高温、低温、真空、辐射 等特殊环境条件下工作，其摩擦、磨损状况各具特点。因此，又可将摩擦分为正 常工况条件下的摩擦和特殊工况条件下的摩擦。 2 1 2 摩擦的基本特性 一般认为，l e o n a d ad ev i n c i 是第一个提出摩擦基本概念的；a m o n t o n s 进行 实验并建立了摩擦定律；库伦在进一步实验的基础上，发展了a m o n t o n s 的工作。 这些初期研究得出了四个经典摩擦定犁2 5 1 。 定律一摩擦力与载荷成正比。f = z w 。式中，f 是摩擦力；为摩擦系数； w 为正压力。该式被认为是摩擦系数的定义。 定律二摩擦系数与表观面积无关。 定律三静摩擦系数大于动摩擦系数。 定律四摩擦系数与滑动速度无关。 除了在重载荷下实际接触面积接近表观面积以外，第一定律是正确的。第 二定律一般仅仅对具有屈服极限的材料( 如金属) 是满足的，而不适用于弹性及 粘弹性材料。第三定律不适用于粘弹性材料。严格地说，第四定律不适用于任何 材料，对粘弹性显著的弹性体来说，摩擦系数则明显与滑动速度有关。 研究表明，滑动摩擦还具有以下主要特性 2 引。 1 静止接触时间的影响 由于摩擦表面在法向载荷作用下，粗糙峰彼此嵌入并产生很高的接触应力和 塑性变形，使实际接触面积增加。随着静止接触时间延长，相互嵌入和塑性变形 程度都加强，静摩擦系数将增加。 东华大学硕j ：学位论文 第二章微幅波对纤维束纤维间摩擦 2 。跃动现象 精密仪器的实验研究证明，干摩擦运动是一物体相对于另一物体断续的滑 动，称为跃动现象。有关跃动现象的解释有：一是跃动是摩擦力随滑动速度的增 加而减少造成的；二是跃动是摩擦力随接触时间延长而增加的结果。在高速滑动 条件下，前者的作用为主，而滑动速度较低时，后者是决定性的因素。 3 预位移问题 在施加外力使静止的物体开始滑动的过程中，当切向力小于静摩擦力的极限 值时，物体产生一极小的预位移而达到新的静止位置。预位移的大小随切向力而 增大，物体开始做稳定滑动时的最大预位移为极限位移。对应极限位移的切向力 就是最大静摩擦力。预位移具有弹性，即切向力消除后物体沿反方向位移，试图 回复到原来位置，但保留一定残余位移。切向力越大，残余位移量也越大。 2 1 3 宏观摩擦理论 摩擦现象涉及的因素很多，人们提出了各种不同的摩擦理论，主要的宏观摩 擦理论有以下几种【2 卯。 1 机械啮合理论 早期理论认为摩擦起源于表面粗糙度，滑动摩擦中能量损耗于粗糙峰的相互 啮合、碰撞以及弹塑变形，特别是硬粗糙峰嵌入软表面后滑动中形成的犁沟效 应。在一般条件下，减小表面的粗糙度可以降低摩擦系数，但机械啮合作用并非 产生摩擦力的唯一因素。 2 分子作用理论 由于分子的活动性和分子力作用可使固体粘附在一起而产生滑动阻力，这称 为粘着效应。t o m l i n s o n 提出分子间电荷力在滑动过程中所产生的能量损耗是摩 擦的起因。根据分子作用理论得出这样的结论，即表面越粗糙实际接触面积越小， 摩擦系数越小。这种分析除重载荷条件外是不符合实际情况的。 3 粘着摩擦理论 在2 0 世纪3 0 年代末，英国的b o w d e n 和t a b o r 经过系统的实验研究，建立 了完整的粘着摩擦理论，可分为简单粘着理论和修正粘着理论。 ( 1 ) 简单粘着理论 简单粘着理论包括以下要点： 兰罩薰量蚤 三鍪篡一娄|裂 东华大学硕士学位论文 第二章微幅波对纤维柬纤维间摩擦 当滑动速度不引起表面性质发生变化时，摩擦系数几乎与滑动速度无关。然 而在一般情况下，滑动速度将引起表面层发热、变形、化学变化和磨损等，从而 显著地影响摩擦系数。克拉盖尔斯基( k p a r e j l b c k 历，1 4 b ) 等人通过实验发现，对 于一般弹塑性接触状态的摩擦副，摩擦系数随滑动速度增加而越过一个极大值， 并且随着表面刚度或者载荷增加，极大值的位置向0 趋近。当载荷极小时，摩擦 系数随滑动速度的变化曲线只有上升部分，而在极大的载荷条件下，曲线却只有 下降部分。归纳实验结果，滑动速度对摩擦系数的影响为= ( a - i - b v ) e 一+ d ， 其中，v 为滑动速度，a 、b 、c 、d 为材料性质和载荷决定的常数。 3 摩擦系数受表面膜的影响 金属表面上的原子通常处于不平衡状态，易与周围介质作用形成表面膜。而 摩擦中的表面变形和温升促使表面膜的形成。表面膜厚度对摩擦系数有很大影 响。 2 1 5 犀摞粘滑 本课题的重点之一就是要解决纤维束牵伸过程中纤维的“粘滑”问题，因此， 有必要对摩擦粘滑进行分析2 5 1 。 机械运动系统都包含摩擦环节，而接触摩擦界面的力学行为，必然会影响到 整个机械系统的动力学特征。功能目标与传递运动有关的摩擦机械系统都可以用 图2 1 所示的模型加以模拟。模拟系统包括质量为m l 的物体1 ，该物体相对于质 量为m 2 的对偶件2 而运动，对偶件2 则通过一个弹簧常数为c 2 的弹簧和一个阻 尼系数为c d 的阻尼器而固定在地上。物体1 经过弹簧c 1 驱动，而弹簧c l 按定 速v o = s t 运动。 c l v nv i ，x 书八一竺l b 摩擦力f 瞪攀学正三子 图2 i 摩擦机械系统模型 速度为v l 、位移为x 的物体1 相对于速度为v 2 、位移为z 的物体2 的运动， 囊萝墓露 删虢冽m籼叭粥蝴 。懒：祧，懈 嚣篡嬲篙一 瓣篡裟熟一薰兽薰誊 “升析& js m e “自毡日可部分斜率为负或等t0 ，口山7 “ 0 时，1u 能产粘滑敬应。目n ，粘滑效应产 十件擦、m 镕涧镕台摩擦 的条件f 瓣一 纂懑赫篡 豢喾戮黧燕黧一 蚕!；!|薰翼至薰薰鋈。墓壁 黧瓣罴嚣纂潞嚣一 t 变 的描进f = h 。月十e 压力为# 数h t 表达。其十。，6 常数，口与 接自祝有* b ；f 力有* 。 月1w e * # 目摩# # ，= j i n s a 血m 通r 。实验发m ，在许多； 维十，参数4 n 值柏* ，n 值随n 值m m m 磕十，fd 单位为。敲谨用不单位时，值芫t 月。 2 静摩擦、自摩捧和滑动4 鹰 纤维的静摩搽力常e 自摔 g a 。自* * 教e jr * 异，# 辨 # “ 手感十自，月i # 目镕 * 、m g i ， k 腔差的& 纤维t i * 是目为摩掠中蔑“粘* ”现臻的镕敌。如* 对纤维 添# m 剂，w m 小，5 “# - u 舍感到柔软滑糯知优质的羊绒 目目自口应v 而言，月叫口发m 在 h m 相d 让度( 2 9 0 c m m i i l ) + 摩 擦系m 步降低。有学g * m ，度* 自，摩擦系舍增大 m e i k e l 的寓女现，j 单根棉纤维与棉纤维包& 辊靡捧 ，摩擦数随v 的增m 变 。$ 实上，纤维的g 棒系数随m 动t 度日寸增 m 向r 口，n # # t 度f ，一会太j 自摩# 系数，l ；，i 常志 _ 寸* t 应都在十十v 。条件t 删i ， 拙“；一r 犀捧n 程台复中“枯滑”象。随若h “值的减小，粘镕现 渐减十c 女，5 “。时，粘* 现象消失 3 4 招系数；纤媾表i 杖自* 纤$ 镕操有* $ 面状女g 自日目女： a 目镕表日可* * * 是f 维目的摩擦式，日界i 摩擦自润滑摩拇抖而摩擦2 指纤维匿仲i | 】i 的接触 净撬口式，随v m x l 减1 、。润滑摩捧是 目纤维间流悻脱的剪牯滞力的摩撼 随速月v 镕大而增大 ；t 的表状志； f * 表而的# 巷、着物硬度有* “干i 目h 坝、逆g 女 # ，口f 摩擦系女着其他作用材料表粗糙度的提高 a t 。棉。f 维i m 的* 镕自* 胶，健# 袁自w 白勺摩捧女02 5 变 化自07 一般n j ，纤维的摩擦系* 0 1 08 。 4 纤维”口态摩擦* 月 f ，。观* 要指 r 堆的截血w 状# * * 卷曲。在i 难力情mf ， 目纤# 的扭旺| 】艟势十女，非目纤址b p 旋状的曲，# m 堆 靠近。 s 州d i n o 等埒圆g 纤维目= 1 戡 ! _ _ 纤维纺制成柿日# 生条m n 目* 果女口，h m 截纤的抱台鞍* ；h e r t u l 等对# 目的k 验电，日* # 目 纤m 的棉m # 剪叫变m h 其自力大t 将棉纤* 经4 光m 4 目的试验表明，! 光o f 维m 目m 合力优t 术* 光妁棉纤维，这“镕* m 口，目镕自q i g 蟛$ 擦中接触而目。 纤o 自2 致# 镕目“# 侄纤镕祭牵”$ 得，m m 幸 更太。卷自的t g 詹观表观e 当f lj 、山为零h 的摩擦作用。卷自的# 绕作用主g 耻挟于纤雉的老龇力学行为如纤维的怫# 弯性能。 麓瓣篡羔淼黧淼薰罴薰鬣 i 廷。 鬻昔 ( 峰扎 二了 23 微幅波改变纤维摩擦的机理 “幸伸e m m 幅* 的f 拉牵仲系的结构月w ，如旧2 5m i # $ 田 靠近目f n 段施加微渡，令牵 1 _ e 后f 拉m 近的纤维之月产十高频l i 勺m m 口“ 女$ j n * 女*fm m # m h 镕m # m 目# 运自，改蹙玎维z m 的摩捧属性，懂摩擦处f 自摩捧状志或自动摩擦自忧，m 避免j 纤维2 刚蚪# * 效应，进 效地消除牵件泣”1 。， 三三 。盈 砭守丽_ 丽 u e 当u h25 m ”f m * * f 1 # |三。戛。一 一三塞一 碱辄 撒 龇引仳 掷 峨 东华大学硕士学位论文 第二章微幅波对纤维束纤维间摩擦 一 2 3 2 微幅波对纤维摩擦的影响 文献【2 9 - 3 l 】表明，在纤维束牵伸过程中，粘滑运动的原因是纤维间有着不同的 摩擦系数，即纤维的静摩擦系数。大于纤维的动摩擦系数d 。粘滑运动的主体 通常是成束状运动的游浮纤维，纤维相互间处于相对静止状态，其内部以静摩擦 为主。 纤维的粘滑同纤维的粘结性有很大关系。粘结理论认为 2 6 1 ，粘结取决于界面 的粘结点强度；v o y n t s k i i 的扩散理论认为，聚合物的粘结是由于聚合物分子在 表层中的相互扩散，且只发生在聚合物与其本身或其他聚合物之间；实际测量表 明，高聚物间的粘结强度是聚合物相互接触时间的单调递增函数；a l l e n 认为粘 结强度随时间增大是界面的流变增加真实接触面积的缘故。 根据纤维的粘结性，纤维束在因内部压力影响产生的法向载荷作用下，可使 实际接触面积增加，由公式( 2 1 ) 可知，纤维束的静摩擦系数。将变大，且随着 静止接触时间延长，相互嵌入和塑性变形程度都将加强，。有进一步变大的可能。 文献【2 7 】提出了采用微幅波的消除牵伸波的思路，如果利用平面正弦高频纵波 ( 声波) 振动牵伸区靠近后罗拉的纤维束区域，频率为f = 兰，声强为，那么， 己氕 纵波在介质中传播时，能对介质产生包括机械效应在内的一系列作用 3 2 1 ，而机械 效应可产生线性的交变振动作用等次生效应。线性的交变振动作用是指，高频纵 波在介质中传播时，迫使介质粒子作交变振动，并引起介质中的应力或声压的周 期性变化。 当利用平面正弦高频纵波对纤维束进行振动时，由于高频纵波的线性交变振 动作用，振区的纤维被迫进行高频的微小相对运动，纤维间的粘结性减弱，纤维 之间相对静止的状态被改变。纤维间摩擦状态由静摩擦变成了动摩擦( 或动摩擦 占优) ，静止接触时间减少甚至为零，那么，摩擦系数从性质上由静摩擦系数。 变为了动摩擦系数砌，粘滑现象也被减弱。 另外，纵波在产生线性的交变振动作用时，由于振动质点有密部、疏部的区 分，密部的纤维会相互挤压，疏部的纤维则相互分离。 如图2 - 6 所示，疏部的纤维相互分离，会使纤维间的实际接触面积减小；密 部的纤维，即受到挤压的纤维，其相互之间的实际接触面积因挤压看似有增大的 趋势，但高频振动会使纤维束之间的介质( 气体) 产生高压气膜3 3 】 3 4 】，密部的 1 9 东华大学硕士学位论文 第二章微幅波对纤维柬纤维间摩擦 纤维只要经过一次疏密转换，就会由于高压气膜的形成，使实际接触面积增大的 趋势被削弱。而高频纵波作为机械波，随着时间的推移，会快速的传递开去，疏 密转换将不断地交替进行。而且，由于高压气膜的存在，疏部的纤维间的实际接 触面积也将进一步减小。因此，疏密部的纤维，都会因为高频振动而减小纤维间 的接触面积。由公式( 2 1 ) 可知，纤维束的摩擦系数口将减小。 | t = n t 刀1 图2 - 6 纵波作用下纤维相互挤压或分离 纤维束内能形成高压气膜，是由于纤维束内部并不是完全密封，为多空隙疏 松结构。当纤维受到振动时，纤维会因为高频波的波动力而离开平衡位置，若纤 维问间隙有所扩大，外界空气就会填补该间隙的部分空间。又由于纤维处于高频 振动状态，当空气无法及时排除时，滞留空气就会形成高压气膜。纤维作为粘弹 性高聚物，在动态交变应力作用下，其应变s 与应力仃有如下关系 2 6 ： go-：-占o。-o。sinin。(国o)，t，+艿