（机械制造及其自动化专业论文）爬行机理及其影响因素的研究.pdf

摘要 随着纳米科技彳擘为嚣沿、交叉牲薪兴学科的逐步发灏，精密和越稽密加 工技术成为实现纳米制造的重要手段，而且猩精密和超精密加工技术研究和 发展的过程中，精密和超精密机床起了决定性的作用，然而爬行会降低其定 位蘩魔帮灵敏凄，致使热工精凄秘燕工工终懿表嚣矮量下晦。瑟显，鼹予模 拟导弹或飞行器实际飞行环臻的高精度仿嶷转台对低滤性能有着严格的要 求，低速运行状态的好坏是反映转台系统性能好坏的重黉评定依据之一。转 台低速运动时，系绞容易出现燧动不平稳或不稳定的爬行现象。良好的低速 往裁不毽绘楚辱| 二系统辍棱结狡浆复杂疆爱、实囊系统戆赛湄速翅造了祭 孛， 而且能使设备仪器的功效得到充分的发挥。间时，随着对微观世界的深入揭 示，以及微机械、微型航天器、微电子、微操纵、微驱动等技术的不断发展， 运动桃槐的爬行问题也显得尤为突出，难有掌握其枫理，才能从根本上搀剑、 消除怒孳亍瑗象豹密瑷，逮势必要求研究天员尽可能遣漕滁勰行。翻譬瓣为j b 国内外对于爬行机理的观点还没有统，因此本课题的研究具有十分煎要的 理论和现实意义。 本课题营先将爬行援据空趣尺度不同分菇宏蕊艇行秘激袋爬行，对于宏 躜德行采用计算梳傍囊和实验研究穗结合，分析影响爬彳亍的因素与其戆关系， 探讨宏观条件下爬行的机理。对于微观爬行则主要是采用计算机仿真的方法 对爬行运动加以分析，提出微观条件下爬行的机理描述。 为了磺变宏鼹麓嚣与其影穗毽素豹关系，本文_ i 垂过建立二缑瑟叁囊凄宏 观爬行的物理及数学模型并在此基础上进行仿真分析，在爬行实验台上进行 改变驯动速度、载荷、摩擦副袭面纹理、润滑条件、系统的刚度等状况时测 量滑块位移随时闯变化关系，确定产生宏观爬行的主要因黎，找出产生宏观 艇嚣酌缀本嚣鑫钛露揭示起霉亍豹撬瑾。 对于微观尺度条件下的爬行，本文建立了微观爬行的物理模型并通过计 算机数值模拟得出了原子间刚度、微观粘滞隰尼系数、原予质量、原子间距 以及壤大周期势与爬行昀关系。 囱予静、动露擦系数豹差毯是影响寝幸亍鹣一个主要颡索，因魏本文分别 采用不同的方法对静、动摩擦系数随其影响因素的变化关系进行了研究。为 哈尔浜工业大学工学博士学位论文 了探究动摩擦系数的变化规律，本文从粗糙峰咬合、粗糙峰犁沟、非滚动磨 损残留微粒的犁沟等作用的角度入手，通过对摩擦副间的摩擦力加以分析， 建立了基于f l o r i d a 模型的动摩擦系数与表面粗糙度关系的数值计算模型。 静摩擦系数的研究主要是在静摩擦系数实验台上进行了平面摩擦副的静 摩擦系数测定，给出了静摩擦系数与表面粗糙度、表面加工方法和摩擦副材 料之间的关系；并且还进行了平面摩擦副干摩擦时振动条件下的不同材料、 加工方法、表面粗糙度、激振振幅、激振频率、激振波形等情况下的静摩擦 系数测量，得出振动条件下各种影响因素与静摩擦系数的关系。 本文根据以上的研究，得出了宏观爬行和微观爬行的机理描述同时给出 了爬行的临界速度和临界载荷与运动系统参数的关系表达式。 关键词爬行机理；仿真分析；影响因素；摩擦系数 i i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en a n o m e t r i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yw h i c ha c t sa s a na d v a n c e da n dc r o s s i n gs u b j e c t ，p r e c i s i o na n du l t r a - p r e c i s i o nm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g yb e c o m eak e ym e a n sf o ra c h i e v i n gn a n o m e t r i cm a n u f a c t u r i n g a l s o d u r i n g t h e s t u d y i n g a n d d e v e l o p m e n t o f p r e c i s i o n a n d u l t r a - p r e c i s i o n m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , t h em a c h i n e t o o l sp l a yac r u c i a lr o l e ，t h o u g hs t i c k s l i p w i l lr e d u c et h e p o s i t i o na c c u r a c y a n ds e n s i t i v i t yo fm a c h i n et o p r o c e s s i n g a c c u r a c ya n ds u r f a c eq u a l i t yo fw o r k p i e e e sd e c r e a s i n g a tt h es a m et i m e ，t h e s i m u l a t o rt h a ti su s e dt o r e p r o d u c e t h e f l y i n gp o s t u r eo ff l y i n gw e a p o ni n l a b o r a t o r yh a sas t r i c tr e q u e s tf o rt h el o w - v e l o c i t yq u a l i t y ，a n dt h eq u a l i t yo f t h e l o w s p e e do p e r a t i o ns t a t e i st or e f l e c tt h a tt h ei m p o r t a n c eo ft h es y s t e m a t i c f u n c t i o nq u a l i t yo ft h es i m u l a t o re v a l u a t e so n eo ft h eb a s e s ，w h e nt h es i m u l a t o r m o v e sa tal o w s p e e d t h es y s t e mi sa p t 幻p r e s e n t t h ep h e n o m e n o no f s t i c k s l i p + o n l yg r a s pi t sm e c h a n i s m ，c o u l ds u p p r e s s ，d i s p e lt h ea p p e a r a n c eo f t h es t i c k s l i p p h e n o m e n o nf u n d a m e n t a l l y , t h i sc e r t a i n l y w i l l r e q u i r e r e s e a r c h e r st o d i s p e l s t i c k s l i pa sm u c h a sp o s s i b l e a tp r e s e n t ，t h ev i e wo fm e c h a n i s mh a sn o tb e e n u n i f i e dy e tf o rs t i c k * s l i pb o t ha th o m ea n da b r o a d ，s ot h er e s e a r c ho f as u b j e c th a s v e r yi m p o r t a n tm e a n i n g s a tf i r s t ，t h i s s u b j e c tw i l l d i v i d e s t i c k s l i p i n t o m a c r o s c o p i cs t i c k s l i p a n d m i c r o c o s m i cs t i c k - s l i pa c c o r d i n gt ot h es p a c ey a r d s t i c k i no r d e rt os t u d yt h e r e l a t i o nb e t w e e nm a c r o s c o p i cs t i c k - s l i pa n di t si n f l u e n t i a lf a c t o r s ，e s t a b l i s h e dt h e p h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l a n dp r o c e s s i n gt h es i m u l a t i o n i nt h es t i c k s l i p t e s tr i 幽t h ee x p e r i m e n t so fc h a n g i n gt h ed r i v i n gv e l o c i t y ，t o a d ，t h es u r f a c eo f f r i c t i o np a i r s 1 u b r i c a t i o nc o n d i t i o na n ds t i f f n e s sw e r ec a r r i e do u t ，a n dp r o v i d e d t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ed i s p l a c e m e n to fs l i d e ra n dt i m e c o n f i r m e dt h em a i n f a c t o ro fm a c r o s c o p i cs t i c k s l i p ，a n df o u n do u tt h eb a s i cr e a s o n ，p u tf o r w a r dt h e m e c h a n i s mo f t h em a c r o s c o p i cs t i c k - s l i p 。 f o rm i c r o s c o p i cs t i c k s l i p ，e s t a b l i s h e dt h et w o d i m e n s i o n a la n dt w od e g r e eo f f r e e d o m p h y s i c a lm o d e l a n d u s i n g t h em e t h o do fs i m u l a t i o np r o v i d e dt h er e l a t i o n i n 晗尔滨工业大学工学博士学饿_ 埝文 b e t w e e n m i c r o s c o p i cs t i c k s l i pa n d s t i f f n e s so f a t o m ，p h e n o m e n o l o g i c a ld a m p i n g c o e f f i c i e n t ，a t o m i cm a s s ，n e m e s t n e i g h b o ra t o m i cs p a c i n ga n d p e r i o d i cp o t e n t i a l b e c a u s et h ec r i t i c a l v e l o c i t y o fs t i c k s l i pi s r e m a r k a b l y a f f e c t e d b y t h e d i f f e r e n c eo fs t a t i ca n dk i n e t i cc o e 嚣e i e n to ff r i c t i o nw h e nt h eu l t r a p r e c i s i o n m a c h i n et o o l so p e r a t ei nl o w v e l o c i t y b a s e do nt h ef l o r i d am o d e la n da n a l y s i so f t h er e a l c o n t a c t i n gb e t w e e nt h ef r i c t i o np a i r sf o r m e db yg r i n d i n gs u r f a c e ，t h i s p a p e rp r e s e n t st h ec a l c u l a t i n gm o d e lf o rt h er e l a t i o nb e t w e e nk i n e t i cc o e f f i c i e n t o f f r i c t i o na n ds u r f a c er o u g h n e s s o f g r i n d i n g s u r f a c e i nt h i s p a p e ra l le x p e r i m e n t a ld e v i c ef o rm e a s u r i n gt h es t a t i cc o e f f i c i e n to f f r i c t i o nw a sd e s i g n e d e x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e dw i t ht h i sd e v i c et om e a s u r e t h es t a t i cc o e f f i c i e n to ff r i c t i o nf o rt h r e ek i n d so fm a t e r i a li nt h es a m e p r o c e s s i n g m e t h o d ，t h es a m es u r f a c et e x t u r e ，t h es a m el o a d ，d r yf r i c t i o na n dd i f f e r e n ts u r f a c e r o u g h n e s sc o n d i t i o n sr e s p e c t i v e l y t h e r e s u l t so fe x p e r i m e n ta r es h o w e dt h e r e l a t i o nb e t w e e ns t a t i cc o e f f i c i e n to ff r i c t i o na n ds u r f a c er o u g h h e s s a tt h es a m e t i m em e a s u r i n gt h es t a t i cc o e 壤c i e n to ff r i c t i o ni nt h ec o n d i t i o no fv i b r a t i o ni n t h ep e r p e n d i c u l a rd i r e c t i o nt ot h ep l a n eo fc o n t a c tw a sd e s i g n e d 。i nt h e d r y f r i c t i o nc o n d i t i o n ，e x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e dw i t ht h i sd e v i c et om e a s u r et h e e q u i v a l e n ts t a t i cc o e f f i c i e n to ff r i c t i o nf o rt h r e ek i n d so fm a t e r i a l ，t h ed i f f e r e n t p r o c e s s i n gm e t h o d ，t h ed i f f e r e n ts u r f a c er o u g h n e s s ，t h ed i f f e r e n ta m p l i t u d e ，t h e d i f f e r e n tf r e q u e n c ya n dt h ed i f f e r e n tw a v e f o r m ，r e s p e c t i v e l y f i n a l l y , t h er e l a t i o n b e t w e e nt h es t a t i cc o e f f l c i e n to f f r i c t i o na n dt h ei n f l u e n t i a lf a c t o r si ss h o w e d b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ea b o v e d r e wac o n c l u s i o no ft h em e c h a n i s mo f m a c r o s c o p i cs t i c k - s l i pa n dm i c r o s c o p i cs t i e k - s l i pa n dp r o v i d e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nc r i t i c a lv e l o c i t ya n dc r i t i c a ll o a do f s t i c k - s l i pa n dp a r a m e t e r so fm o v i n g s y s t e ma r es h o w e d i nt h i sp a p e r k e y w o r d ss t i c k - s l i p m e c h a n i s m ，s i m u l a t i o na n a l y s i s ，i n f l u e n t i a lf a c t o r s ， f r i c t i o nc o e m c i e n t i v 第1 章绪论 1 1 1 1 1 i i i i _ _ 置_ _ _ _ _ _ _ _ 量_ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 嘲_ _ _ 薯- _ 煳蕾 第1 章绪论 1 1 课越背豢及研究的圈的、意义 精密秘超精密搬王技术 j 是机械刳造最重要浆发矮方自之一，是实瑷续 米制造的重要手段，它关系到我国在机械、微电子、航空航天、国防等简科 按镢蠛中熬残败，壹接影响我鏊的强防趣位。褒精密藿羹趣精密翔工技术磷究 和发展的过程中，精密和超精密机床 2 】起了决定性的作用，然而当超精密机 床在低速、重裁懿条 孛下工佟对，邂瑰戆艇嚣袋蒙会淹成趣精密税藤的低速 不稳定运动，使得导轨运动不均匀，降低其定位精度和灵敏度，致使加工精 度_ i 餮蕊工王律裘露震爨下降，淘霹还会导致撬寨传动系统产生辫热动载蓊雩； 起刀具磨损加剧，而且导轨的磨损也随之增大【3 1 ，这势必要求研究人员尽可 箍遵清豫糙雩亍。 而且，用于模拟导弹或飞行器实际飞行环境的高精度仿真转台对低遴性 能有着严格的要求，低速运行状态的好环是反浚转台系统往能好坏豹重簧评 定依据之一。众所周知，转台低速运动时，系统容易出现运动不平稳或不稳 定的现象，即低速爬行现象，速主疆是自沮摩擦力矩为主的扰动力矩所弓 起 的。两摩擦力矩的减小又受到工艺水平等条件的限制【4 】。 同时，随着对微观世界的深入揭示，纳米加工技术以及微机械诤j 、微型 艘天器【6 】、微电子 7 j 、徽操纵【8 j 、微驱动【9 】等技术的不叛发展，运动机构的爬 行问题也娃得尤为突出，难有掌握其机理，才能从根本上抑制、消除爬行现 象瓣出理。因此，磅突爬霉嬲规理势在必行。 本课题通过建立爬行的物理及数学模型、在爬行实验台上进行改变表面 糕糙凄、载麓、摩擦剩表秀纹理、润溪条搏、系统数剐疫等炊况时测量瀵块 位移和所受牵引力随时间变化关系，确定产生爬行的主要因索，找出产生爬 行戆摄誊舔嚣扶瑟揭示释嚣戆糗理，提出惩全嚣有效羹盏薅毒滕雩亍产生靛疆涟。 爬行机理及其影响因豢的研究对充分认识爬行现象起刹积极作用，为从根本 上宠瘊怒精密瓿床及麓精痉转台低速蕤彳予提供了理论依据，嚣鼗簇彳亍戳溪静 研究有着霪要的学术价值和社会价值，该项目的成功研究必将对解决超精密 税寐低速稳定谴瑷及镄真转螽的低速住锪滔蘧产生重簧彩确。 啥奄潢工业大学王学搏士学位论文 1 。2 摩擦及其相关理论的发展凝况 爬行现象在许多领域内一威是被充分重视的研究谋题，研究范围从地震 的起因到制动器发出的剿耳声音等等。通常认为爬行的超因是出于摩擦界面 的本质特性所导致的，并且特别地依羧于摩擦系数的变化。因此，当摩擦副 的条件改变时，袭征爬行的参数也相应地发生变化，故爬行属于摩擦学所研 究的闽题之一。摩擦是髓处可见的瑟且也怒必要的，例妇离合器数委掌工佟 或者人类的行走以及汽车的开始运动等。程这种情况下，摩擦是令人渴望的 性能。另一方囊，摩擦懑嗉藿能量臻失，鲞瘗损偻随摩擦出瑗的时镞魏意噱 着严煎的损伤和破坏。 1 ，2 1 摩擦学 摩擦擎是存关摩擦、磨攒与溺潜辩学豹惑稼。它楚凝究褒摩擦与瘗损过 程中两个相对运动表面之间相互作用、变化及其商关的理论与实践的一门科 学。并且露攘弓| 怒麓羹豹转换，密摸籀导致表面按舔帮牵才料臻耗，露满涝楚 降低摩擦和减小磨损的最有效的措施【3 】。对摩擦学研究的较幂科学家当推 l e o n a r d od av i n c i ( 1 4 5 2 1 5 1 9 ) ，氇第一令辩摩擦提函科学静论断，试识鬟簿 擦力与载荷成正比而与名义接触面积玉关。1 7 8 5 年c 。a c o u l o m b 继前人的 研究，用枫械啮合概念解释予摩擦，提出摩擦理论。看来有入键出分子瑷葶f 理论和静电力学理论。1 9 3 5 年f p b o w d e n 开始用材料粘着概念研究干摩 擦，1 9 5 0 年提出甬占着理论。关予润滑的研究，1 8 8 6 年o s b o r n er e y n o l d s 根据 b e a u c h a m pt o w e r 实验观察到的流体动力濑滑现象，建立了流体动力润滑撩 本方程式。至于线、点接触的弹性流体动力润滑韵计算，到电子计算机应用 之詹才褥到较快的发展秘推广。润滑化学翻枣| 凝磨损的礤究舞展较晚，2 0 世 纪6 0 年代以来陆续研制出各种表面分析仪器才推动这些研究迅速发展。摩擦 化学诞生对逑爨澜潺阉题戆深入磅究创造了条徉。这样，裁扔步其蛰综合研 究摩擦、润滑、磨损相互关系的条件，逐渐形成摩擦学遂门边缘学科。时至 今曩，这门学科爨然处在发震之孛，涎羞秘学技术戆发疑，磷究工终势必囊 宏观进入微观、静态进入动态、定性进入定量，并更多地进行系统综合研究 1 0 l 口 由于摩擦学现象发生在表面层，影响因素繁多，这就使得理论分析和实 验磷究较为嚣难。漾友褴逶遥讨论摩擦学羧震中存在静闳踅，提出了摩擦学 中存在三个基本公理1 1 1 ，葛世荣以这三个公理为纂础提出了摩擦学系统复杂 第1 章鳞论 _ i i i 糟鼍量_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ | _ _ _ - _ e 墨 性质的具体定义，并指出摩擦学系统是一个复杂的非线性动力系统【忙1 。 1 摩擦荦亍势蔽赖子系统本寿将注褶对运动秘稳互律阁是簿擦学行为 的原因，行为的结果怒各种与摩擦学有关的现致，元索之间的相对运动和相 互作焉改嶷了革个元素的固肖性覆，简单系统班及由简单系统所构成的任何 更为复杂系统的行为融不能 = l ；l 任何一个构成它的元素来实现。 2 蘼绦元素的特性是随时间变亿的由表丽相对运动和相互作用引起 的变化，其速度大大越过构件中由其它行为导致的变化，因此，过去通常作 为时不变处理的系统，在摩擦学分析和黪擦学设计时，就必须作为时变对象 处壤。 3 摩擦行为是多个学科行为之间强耦合的缩果两个波面及两表面介 质之闻的楣对运动和栩互馋躅是力学行为；由此疑散啦枫械鼹转变为热熬、 热能向周边的传递并形成稳定的和不稳定的温度场是热力学和传热学行为； 表鞭及表露阙分厦奉| 糕蜓分予稳互馋月及转移楚物理学行荛；表蘑及表瑟耀 介质材料的离子级和原子级相互作用是化学行为；如聚两表面间存在电场和 ( 或) 磁接，鼹这擅羚场终导数瞧磁学嚣必，主要惫括产生弓| 力或斥力、譬致 表面和表丽问材料分子排列的变化、导致表面材料中产生涡流和热等。以上 这婆行受之阉存在楣虿强耩合捧蠲。 1 2 1 1 摩擦复杂系统的基本特性复杂性科学将复杂性粗略地定义为对初 始状态敏懑翁依藏往戳及与这种敏薅莜戴程穗联系静每一事件，或衰征人钌 在描述或构造一个系统时所必需遵循的组指令的长度。一般认为，“由大量 数疆韵部分所构成”和“其肖复杂的行为”是复杂系统静基本特征”。 i 摩擦系统的动力性一个系统的输出或状态随时闯变化的性质称为 系统的动力性f 域对交往) 。摩擦学系统的复杂行为决定了摩獠学行为其有动 力性质。众所周知，磨损率与时间的关系为“浴舷曲线”，另外摩擦系数和摩 擦温度等也表现出时变特性，这都是摩擦学动力性的其体表现。潦擦学系统 的动力性表明，摩擦学系统是系统状态醚时闼变化的动力学系统，发生在系 统内的摩擦磨损现象属于动力学现象。摩擦学研究就照要在适当的时间尺度 上联究系绫蛉动态特缝和攫德。因j 斑，摩擦学礤究必缀与动力学闪题楣联系。 2 摩擦系统的非线性用非线性数学模型描述的系统戚不能用线性模 型箍述懿系统f 蚕论鼹孬绘爨数学模型) 称为菲线犍系绞。摩擦攀系统是典型 的非线性系统，它几乎具有j 隆性系统的所有特性，如变比性、饱和性、非 擎调性、振荡瞧秘滞麓惶等。运 弋瘵攘学蘧论磺宠表爨，摩擦系数、摩擦温 度和磨损屠与接触载葡、滑动速度、接触面积及环境温度等之间的关系为强 哈尔演工业大学工学搏上学位论文 弱程震不丽鹣菸线稳关系。大家熟知的经典簿攘学理论是关予少数秘辩在小 尺度内的摩擦磨损煳律，是对摩擦学非线性系统的线性化描述。 3 摩擦系统的随机性摩擦学系统是一个具有统计确定性的随机系统。 发生在麟擦学环境下瓣瘁擦磨损行为属于摩擦攀随瓿系统毒亍先。大量豹摩擦 学研究寝璃：摩擦系数、摩擦懑浚、瘥损率和袭面形虢参数等摩擦学系统靛 输出值，都表现出稳定或非稳定的随机性。导致摩擦学系统随机性的原因是 系统受到随机的初始条件( 如表面形貌) 、或随机的系统参数( 如结合面的刚度 亵整慰) 、或蓬媛毂终爨佟薅f 熟臻凌藏囊) 。 4 摩擦系统的滋淹性摩擦学系统表现出的混沌特能潋蘑损过稷为代 表。进入磨合期的摩擦磨损行为怒系统的混沌运动行为，落是由从初始状态 开始的艨擦蠢损运动走向磨合吸g l 予的貌似秃侉的高级有序运动。这时的裹 纛形魏、磨藩移羲、袭覆接皴痰力器表瑟遗魔分森等具奏稳定熬分形维数。 摩擦学系统存在混沌性的根源在于摩擦学系统的非线性，它是摩擦学复杂系 统随时问演化的必然结果。 5 + 摩擦系统的分 l 萋性摩擦磨损是能量糕散的过程，因丽瘴擦学系绞也 莛一个簿线整耗散动力系统。黪攘蘑损遂囊中，摩擦学系统中形态不鞭发生 变化，而整体形态又被限制在有限的空间中，这就必然导数系统中含有撼级 差别很大的时空尺度及在这些尺度上的构形，这种构形就怒分形。其特征是 基檩议谯_ 秘标度不变燃。发生在麟擦瘗损过稷中的许多摩擦学行为都舆寄这 释分形链，如材糕寮损、磨损袭褥形貔、瘁擦溢度分毒、释满结梅耱形貔、 摩擦振幼、摩擦噪声和磨合吸引予等。 1 2 1 2 摩擦学复杂问题的量化研究方法当今许多著名縻撩学学者的研究 藏莱，都隘寻按群释粒表往摩擦攀现象瓣定爨方法先基熬。然嚣，实隧瓣摩 擦学系统跫多样学科行为相互藕台的复杂非绒往动力系统，因照有必蘩将摩 擦学研究的主导方法同动力学相联系，用动力学理论来解释这个系统所寝现 出的摩擦磨损行为，以推进摩擦麟损规律的量化研究【l 2 1 。 1 数学建搂方；蠢( i e 惩法，蠢些摩擦学潮惩嚣蠢蓍霹毅逶遘动力学数警建 模的方法来研究。谢友柏h q 对摩擦学系统的系统特性进行了动力学方稷的表 达研究，认为摩擦学系统的系统特性是系统对输入的响应，可以由系统的状 态方程帮输出方程围：1 1 ) 来描述，即： l 如镬f ) n 警掣( 1 - 1 ) 【y = c ( t ) x + d ( f ) 第1 苹绪论 根据上述理论，状态方程表达的是在时间历程中系统本身的状态x 在自身和 环境作用下的变化，自身的作用由系统结构阵彳表达，环境则通过关系阵c 、 d 决定输出】，的当前值。据此可以认为，用状态方程和输出方程描述摩擦学 系统的特性是目前较好的方法。摩擦学问题的动力学数学建模研究方法在摩 擦噪声研究中已得到了普遍的运用。 2 分形几何方法( 反解法) 从理论上讲，任何摩擦学问题都可以通过动 力学方程来求得摩擦学系统特性的正解，但由于系统的复杂性使得目前能够 建模解决的摩擦学问题还不多，能否通过有效的新方法从复杂现象中获得摩 擦学规律的反解，是一个值得研究的问题。分形几何作为处理自然界零碎而 复杂现象的数学工具，使人们能透过扑朔迷离的无序混乱现象和不规则形态， 揭示隐藏在复杂现象背后的规律，发现局部和整体之间的本质联系。研究表 明，摩擦学系统的特性及其许多行为规律可以用分形参数来描述。分形方法 的引入促进了摩擦学问题的定量化研究，为解决难以处理或表达不准确的复 杂摩擦学问题提供了新的途径，对摩擦学理论的深入研究起到了一定的推动 作用。 1 2 1 3 摩擦特性通常在分析摩擦学问题时为了使已有的理论及实验结果 得到应用而对复杂的问题进行适当地简化，不可避免的要建立各种各样的物 理及数学模型，但不同学者1 1 3 q 7 1 所建立的模型都是在各自的特定条件下为了 方便各自研究的一种处理方法，这时选择合适的摩擦特性对问题的研究就起 到了关键的作用，以下就不同形式的基本摩擦特性以及由各种基本摩擦特性 组合的相对复杂的摩擦特性分别加以介绍，这为研究爬行机理提供了诸多参 考，使分析不同条件下的爬行成为可能。 1 基本摩擦特性以下分别以图示的方式给出7 种基本摩擦特性。图 1 1 所示为粘性摩擦【1 3 l 和库仑摩擦【”j 特性。 ，jl f j 压一 f 。 一 童 x 图1 - 1 基本摩擦特性1 f i g 1 1b a s i cf r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c1 咯尔演= 控太学王学搏土学位论戈 由图l ，1 可知，粘憾摩擦特性描述了摩擦力f 随着滑动速度i 的变化成 线往的交仡；库仑摩擦特往蓟指出在整个簿擦过程中，摩擦力f 保持不变。 图1 2 为静摩擦和s t r i b e c k 摩擦【1 5 , 1 8 2 2 特性。静摩擦特性说明了开始 运动时的静摩擦力足大予运动过程中的动摩擦力鼠；s t r i b e c k 摩擦特性娴揭 示出在运动的初始阶段摩擦力f 随运动速度的增加两降低，对于不同的摩擦 副，曲线在初始阶段的澎状不同( 如阐l 一2 中虚线所示) a f 1l 只 r 一 工 a ) 静簿擦特梭( m o r i n1 8 3 3 ) t 4 7 】 圈1 - 2 f i z 1 2b a s i c 图1 3 所示为预滑动位移 2 3 1 、 f f 卜只 l毫- l 。 心预滑动位移特睦( c o u r t n e y - p r a t t1 9 5 7 ) 矿 b ) 摩擦记忆特性( r 曲 n o w i c z1 9 5 8 ) 【1 5 l t i a ， 7 0 f i 菸 ： z 哥 ： ： “： 。 如m 自 c ) 滞留时间特性( j o h a n n e se t a 1 1 9 7 3 ) 翻1 - 3 蘩本淳擦特性3 f i g 1 - 3b a s i c f r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c3 第l 章绪论 预滑动位移特性说明了摩擦与状态有关，当粘着时摩擦液现为一弹簧； 摩擦诡忆褥缝蹩獾接簸表面澜相对运动速度发繁改变时，摩擦力浠磊羧时 间才会改变的现象：滞留时间特性说明在一定的环境及润滑条件下，静摩擦 力并；一闫定僮，雨怒随接触表面闯滞留时潮的糟如弼增蕊，值对于不弼的 摩撩副或不同的润滑条件静摩擦力随滞留时间的变化关系不尽相同。 2 缎台摩擦特性顾名愿义，组合摩擦特性是由两种或两种以上基本摩 擦特性通过一定的组合得到的较为复杂并且更接近于实际摩擦过程的摩擦特 性，为研究纷綮复杂的摩擦学问题提供了更为有力的分析工舆。以下就不同 的缀合分别加以介绍。 图1 - 4 所示为c o u l o m b + 粘性摩擦1 1 5 , 1 7 1 和静摩擦+ c o u l o r o b + 粘性摩擦 5 , t 7 1 特1 睫。c o u l o m b + 糙性摩擦特性是摆摩擦到在静止时的摩攘必c o u l o m b 摩擦， 当遮动开始后的摩擦符合粘性摩擦规律；静摩擦+ c o u l o m b + 粘性摩擦特性是 掺黪攘裂处于静止时滤足静簿攘特性霸刚开始运动瞳餐合c o u l o m b 摩擦特瞧 以及运动过程中服从粘性摩擦规律。 壤。 擦 1 一， 粘性摩擦 竺竺 速艘 厣 擦 宠 厶 静麟擦力r一一” 粘性摩擦 速度 a ) c o u l o m b + 粘性摩擦特性 i s , 1 7 1b ) 静摩擦+ c o u l o m b + 粘性摩擦特性”】 图i 4 组台蘼擦特褴1 f i g 1 - 4c o m b i n a t o r i a lf r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c1 图1 5 给出了负粘性+ c o u l o m b + 粘性摩擦1 1 5 1 和静摩擦+ 负粘性摩擦( 2 4 】特 性。受糙性+ c o u l o m b + 糙性摩擦擐出摩攘剽在羚止时的摩擦必c o u l o m b 摩 擦，在运幼的初始阶段摩擦力随滑动速度的增大而降低即为负粘性摩擦，在 运动速疫大予一定毽鼹摩擦裂处予糖性黪擦状态；静摩擦+ 受糙糕摩擦蛰健 给出了摩擦副处于静止时满足静摩擦特性，在遮动的过程中满足负粘性摩擦 感瞧。 哈尔滨工业大学工学博士学位论义 擦一 力 负粘性摩擦 速度 擦 力 1 略 r入 速度 。 * 凡 a ) 负粘性+ c o u l o m b + 粘性摩擦特性i l ”b ) 静摩擦+ 负粘性摩擦特性阱j 图1 - 5 组合摩擦特性2 f i g 1 - 5c o m b i n a t o r i a lf r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c2 以上分别介绍了基本摩擦特性和组合摩擦特性的特点，使得在研究摩擦 学的问题中可以通过选择不同的摩擦特性对具体的问题加以分析，同时也可 自行将各种摩擦特性进行组合使其更加符合所研究问题的实际要求，为解决 复杂的摩擦学问题提供有力的帮助。 1 2 2 宏观摩擦和微观摩擦 1 2 2 1 宏观摩擦由于接触表面的机械咬合造成了宏观范围的摩擦。为了克 服摩擦力维持物体的运动，必须对物体做功。从能量的角度而言，这个过程 代表了机械能向热能的转变。在摩擦过程中释放的热称为摩擦热。产生摩擦 热是机器传递的机械能总是比输入的能量小的原因之一。不仅运动的物体受 到摩擦力，为了克服惯性和静摩擦也同样需要力的作用。因此，要根据物体 是否粘着、滑动或者滚动对静摩擦、滑动摩擦或者滚动摩擦进行区别。当运 动表面出现由于磨损产生的磨屑形成第三体时，滚动摩擦就会发生。我们都 知道摩擦系数并不是材料的固有特性，而是非常依赖于边界条件的。另外， 吸附和氧化效应实际上改变了纯的材料性质，这些性质对材料的摩擦行为有 强烈的影响 2 5 】。 1 2 2 2 微观摩擦微观摩擦研究的历史很短，尽管在很久以前大家都知道宏 观的摩擦行为是由微观结果所决定，但是直到2 0 世纪8 0 年代中期还没有用 于在特定的长度和力的范围内研究材料的仪器。所有的摩擦学系统无论其在 什么尺度范围，都经历相同的物理作用。然而这个作用对于系统的整个性能 的影响是非常依赖于被研究对象的尺度的。磨损在宏观系统中是一个普遍的 r 擀1 章绪论 - 量量一i l l i i 过程，两在徽蕊系绞中当摩擦嗣被啜辫稳液体薄膜分开辩，瘗损是徽乎其徽 的。表1 - 1 给出了宏观摩擦和微观摩擦在法向力范围、接触面积、磨损、放 热和袭面性质等方颇的不同点【2 s 】。 表1 - 1 宏溪寒擦秘簸爨摩擦貔不弱点 t a b l et - lt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nm a c r o f r i c t i o na n dm i e m f r i c t i o n t 2 5 i o 考虑最上的藤子层 由表1 1 可以明鼹地看出在宏观范围内可以忽略的因素猩微观条件下成为必 须考虑的参数，尺腹效应对摩擦的影响非常大。 1 3j | 毽行相关理论及研究现获 爬行是指相对运动的摩擦副袭现出时停时动或者时快时慢的运动不均匀 囊象1 2 翻。艇霞不纹箨在予宏鼹尺度下凝投系统懿运动过穗中，翔发爨唆吱声 的门筹h 弹奏的小掇琴、液压系统中的液压缸 2 7 , 2 8 】、平面蘑床f 2 9 、数控抗床h 训、 磁粉制动器【3 1 】等在工作中都会出现爬行现象；在地震的邀程中同样伴随有爬 行m 3 6 1 ；在微观世舆，爬行不仅出现在微机电系统( m e m s ) 中【3 7 】，而媳也出 褒奁生耱学系统中淤l 。裁羁程搐力显徽锾在羧筏筑载蘩下璐究k c i ( 0 0 1 ) 表面 形成的c 6 0 膜的纳米摩擦学特性时观察到扫描力显微镜针尖在扫描方向上出 现分予尺度的爬行遮动【38 】；对于纳米尺度下的变形过程，由于分子质缴增加 和粘饿屈服下降形成一定形状的粼垄也称为爬霉亍现象p ”，荠虽通过原予力显 徽镳熬显示在琢子_ 隶平下靛穗行。d 。m 。h e y e s 参 黯薄貘满涛条 争下靖黪擦过 程进行的分子动力学模拟，并仿真出这种尺腋下的爬行现象1 4 。虽然研究这 些尺殿下的爬行时测爨的曲线肴超来很相似，但起因是有很大差别的。 l 。3 1 宏观德行 在客观系统中，运动副的袭面粗糙度是摩擦的主要控制因素。在运动过 宰 睦零谣工业大学工学博士学位论文 程中粗糙峰发生机械互锁，当豆锁松开、互锁力突然释放时，就发生了爬行。 艇行瀚频率和幅德是系统力学参数的函数。如果不考虑瓣损，那么一个物体 的粗糙峰必须相对于另一个物体的糨糙峰澎动。因为宏观表露是由许多糨樾 蜂组成的，这些糨糙徽凸体均分了爬行效成，爬行效应几乎不能被测量。单 个接触粗檄峰的模拟可以使那魑隐藏的过稷清楚地表现出来。为了模拟这秘 接触，可以通过研究一个与弹簧连接的金刚石锥体与一个波状表面的相互作 用。壶于金刚石锻体的接触嚣积很小，因戴裁把溅量副的相互作用仅仅限定 于表面粗糙峰的影响了。当出现磨损时，爬行消失，这是由于三体磨损效应 的滚动摩擦造成的。对予硬滕表露，出于糕糙蜂破裂形残磨靛。对予较软表 面，滑动摩擦副的个配副的粗糙峰会刺入它的耦合件袭面，显示出犁沟效 应，露犁澎效应瞧会搏缝寿愁嚣1 2 5 1 。 1 3 。2 微观爬行 糖密謇n 械中的微动机构葶n 定位装霪的腮霉亍现象，其基本原因也是低速激 动下摩擦不稳定性，因此改善摩擦品质也怒提高机械运动精度的关镳，此问 题的鼹决京赖于对爬行机理的微观磺究1 4 。在微观系统中，照行的发生依赖 于互锁和粘着。借助予硅模型系统可以对朦擦过程的不稳定性进行解释1 2 ”。 使熙不固形貌的礁鑫片接必乎疆试传。在努一缌试验中，臻嚣撼光平程硅试 件接触( 组i ) ，而在第二组试验中，使用了研磨的硅平面试件( 组i i ) 。这样的 组合可鼓获褥明鬟不霆戆耀糙嶷，懿表1 - 2 爨幂。在迸霉试验蕊，燧氢氯羧 ( h e ) 对球和平面试件浸蚀2 m i n ，除去试件上的氧化膜，再用蒸馏水清洗。 袭l o 试终缝i 耪i i 2 5 1 t a b l e1 - 2e x p e r i m e n ts p e c i m e ni 黼di i l 2 s l 毽塑鎏壁鲞型垒捌! 幽叁g 懋垒登2 1球在抛光硅片上0 2o 1 7 1 1昧在磷簿薤冀上0 。21 2 0 0 图1 - 6 显示了这两组试验的切向力曲线。左侧的一列图为从组i 得到的 摩擦力馥线，雨右翻静一确图对应着缝i l 。圈中的a ) 和b ) 是在经过化学赴理 之后立即进行试验得到的，图c ) 和c t ) 是一个星期后得到的，图e ) 和f ) 是两个 星期后试验得至8 的。在这些测蘑之阋，试彳孛保存在潮湿的空气中( 裙对湿度为 8 0 1 。所有曲线鼹示了相似的静摩擦和动摩擦，并且在这些曲线中，由摩擦 力波动的幅值和频率可以看出不同条件下爬行韵程度。 趱l e o 曲抽柏黜神，o 时蛳* 组l l 0柚1 0 , 1 0 挪蛐7 t l l | 目，s 2 0 辅瓣柑 孙 对瓣$ d 时阔脚 封鲫4 e 1f 圈1 - 6 球在硅片上游动辩瓣摩擦力疆瓣闼约交往关系f 渗动速霞0 3 p i m s 数f 严8 f i g 1 - 6t h er e l a t i o nb e t w e e nf r i c t i o nf o r c ea n dt i m ew h e nb a l