振动摩擦综述.doc

振动摩擦综述摘要：许多工程实践已经证明，在振动工况下，物体间的摩擦系数和摩擦力可以显著减小，零部件的磨损可明显减轻并且使得其耗能降低，大大提高功效，进而为企业和国家创造更为显著的经济效益和社会效益。振动摩擦大体包括在振动工况下固体物件之间或固体内部的相互摩擦；在振动工况下干式松散物料之间的相互摩擦；在振动工况下含有液体的固态松散物料之间的相互摩擦。本文通过对相关学者有关振动摩擦的研究思路和应用的归纳与总结，希望可以为振动摩擦的研究和发展提供一些启示。关键词：振动摩擦 综述一、 振动摩擦理论概述1、摩擦的分类：(1)按照摩擦副的运动状态，可以分为，静摩擦与动摩擦；(2)按照摩擦副的运动形式，可以分为，滑动摩擦与滚动摩擦；(3)按照擦副表面的润滑状况，可以分为，干摩擦、流体摩擦、边界摩擦与混合摩擦。而影响摩擦的因素有：载荷、表面氧化膜、材料性质、滑动速度、温度、摩擦副状况、静止接触时间、运转速度、环境气氛、摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质，以及介质的化学作用等。而振动摩擦，可以利用振动能够有效地减小摩擦，这已经在诸多实验和经验中得到验证，却对于其机理一直没有非常深入的探索。12、振动减摩机理：将振动力分解为三个方向：平行于作用力、振动方向，平行于正压力和振动方向与垂直于作用力和正压力方向。在这三个方向上的振动减小了物体摩擦表面的有效摩擦系数，从而使得作用与物体上的摩擦力减小。但是在此三个方向均存在力的作用的情况下，有效摩擦系数对振动方向呈现非线性特性，并不能简单地采用矢量叠加原理来进行计算。 振动与作用力平行的情况 振动与正压力平行的情况 振动与作用力、正压力垂直而当振动剧烈到一定程度时，足以克服物体的惯性力，从而发生纯振动跳脱运动。此时，其运动也为周期运动，频率与振动频率一致，运动状况的取决于振幅Fo、有效最大静摩擦力Fm和滑动摩擦力Fn，而与振动频率无关。二、振动摩擦实际工程运用归纳：在国内外，许多科技工作者利用振动摩擦原理，已研究出了各种各样的利用振动的工艺过程，如振动沉拔桩、振动压路、振动成型、振动给料、振动输送、振动筛分等，用以解决实际问题。1、利用振动工况下干式松散物料之间的相互摩擦机理：松散物料在振动载荷的作用下，在振动强度足够大时，使得物料颗粒的惯性力得以克服周围其它土颗粒凝聚作用和周围土颗粒的约束，对由于颗粒间接触粗糙不平度而形成的微细咬合作用产生很大的衰减，导致内摩擦角减小，而相应引起的内摩擦力减小。实际运用：(1)振动压实5：振动压实是将固定在物体上的振动器所产生的高频振动传给被压材料，使其发生共振，由静止的初始状态变为运动状态，颗粒间的摩擦力由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态。在这种状态下，料粒在其自重力和上层物料重力的作用下相互脱离，发生位移，排除气相和液相，互相楔紧、挤紧，达到密实。振动压路：利用振动来压实土壤和砂石，可以使路面的密实度达到 95%以上。振动压路机8根据在振动工况下,物料颗粒间的内摩擦力减小，物料发生弹塑性变形，其弹性恢复力与位移呈现滞回特性及跳振的原理的一个工程实例。当振动轮未跳振时，其位移频谱中没有次谐波与超谐波；当发生跳振时，频谱中出现次谐波成分，个别情况下出现超谐波成分。在特定条件下，振动轮的跳振现象有利于提高物料的压实效果。(2)振动成型：利用振动来压制工件，用静压压实某制件所需压力大约是振动情况下的压力的10倍。此外，还有振动捣固、振动破拱与振动捆绑等运用。2、振动工况下含有液体的固态松散物料之间的相互摩擦机理：由于振动载荷的作用，使得固态颗粒出现振动液化，产生了相互位移，破坏了原有的结构，从而降低了摩擦系数，减少了摩擦损耗。实际运用：振动沉拔桩：利用振动进行沉桩与拔桩，可以大大降低桩周边的摩擦，减小沉拔桩的阻力。振动沉桩机：采用龙格库塔法对振动沉桩机进行了数值仿真3，得到了系统的动力学特性。仿真结果表明：随着激振力幅值和频率的增大，桩的振幅有一定的增大；随着激振力幅值的减小，桩的振幅有一定减小；随着激振力频率的减小，桩的振幅变化不大；改变系统刚度，桩的振幅有明显变化。3、振动输送4：物料与振动面间的相对运动主要包括以下四种：无滑行无抛掷运动，即相对静止运动；有滑行无抛掷运动；有滑行有抛掷运动；无滑行有抛掷运动。而再通过对单颗粒与散体物料群的振动实验，分析得出：对于单颗粒与散体物料群的运动速度有很大影响，均随着振幅与振频的增加而增加，且存在一个稳定值即振幅与振频对散体流动性的影响有一个最佳值。实际运用：振动给料：利用振动对物料进行定量供给，在工矿企业中也已得到广泛应用。4、振动摩擦焊接6：振动摩擦焊接是一种利用电磁传动装置在两热塑性塑料零件之间产生相对运动，进而摩擦生热，形成接头的焊接方法。采用振动摩擦焊接的两塑料零件结合面在熔接设备作用下自动对齐，在压力作用下使上、下工件接触后，以120240Hz的频率相对移动振动盘，使所产生的振动能传递到上下熔接工件的接触面，产生摩擦热，将工件完整的熔接在一起。可以产生于热塑技术相媲美的高强度焊接连接。相对移动方式可以是线性的位移、沿轨道位移或角位移。实际应用：振动摩擦熔接机：其优点是：既解决了超声波熔接机受熔接物的形状、材质、大小的限制，又克服了热板熔接机熔接时间过长、难于控制温度、溢料多、耗电大的弊病。不但能很好地熔接聚苯乙烯(PS)、丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚物(ABS)树脂、聚甲基丙烯酸甲酷(PMMA)、聚碳酸脂(PC)等非结晶性树脂，而且对聚乙烯(PE)、聚甲醛(POM)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(NYLON)、聚苯硫醚(PPS)等结晶性树脂的熔接效果也非常好；也可进行若干不同材质之间的熔接。能加工大型和不规则形状的塑料部件，最大部件长度可达1220mm，宽度可达510mm。其特点为：其对待焊的塑料零件在结构上有一些特殊要求，在熔接口的设计过程要考虑振幅位移值及塑料零件焊接接头形成必需的支承面。零件端面接头形式见右图。一般情况下，因为凸缘结构对塑料零件的装夹和接头表面在焊接过程中均匀受力是有利的，所以它是振动摩擦焊接的理想结构。任何塑料零件的焊接都会导致塑料母材的熔化，其部分熔化料在压力作用下会在瞬间向接头区外流动形成溢料。这时可采用带溢料槽的熔接口。溢料槽的尺寸应该根据整个振动摩擦焊接过程中溢料溢出量来计算。5、超声振动：通过以45#钢和金属压电陶瓷复合圆板为试件进行的摩擦实验2，利用有限元分析方法分析超声振动对摩擦力的影响。在超声振动条件下，由于振动振幅、接触面积及滑动速度等各种因素的影响。由于材料在超声作用下发生共振，使试样之间出现周期性时间分离，因此摩擦力下降。实际运用：超声波电机10：在真空低温下，在定转子摩擦表面存在椭圆形超声波振动，导致定转子之间的摩擦系数较普通滑动时的摩擦系数小很多，并且随着环境压强和环境温度的变化，超声波电机的摩擦驱动机理将发生改变。通过将椭圆型超声波分解成水平方向的超声波振动和垂直方向的超声波振动，分别建立水平超声波振动的减摩模型和垂直超声波振动的减摩模型，得出了体下结论：水平超声波振动对转子起摩擦驱动作用，但驱动能力的大小与转子的滑动速度有关；垂直超声波振动对转子的摩擦力输出起减小作用。在常压下，随着振幅的增加，两表面间的等效接触力减小，并且等效接触力的下降速度逐渐减小。而在真空下超声悬浮力几乎消失，超声波振动对两表面之间的等效接触力几乎没有影响。除去以上说的五点应用之外，还有振动塑性加工、振动时效、振动切削、振动采油与振动油水混合等工程应用。三、小结与展望：通过对相关学者对于振动摩擦机理的研究与振动摩擦原理在工程应用方面的发展，例如：振动沉桩、振动压路、振动输送、振动摩擦焊接和超声振动等。我们可以看到，在振动工况下，通过减小物体间的相互摩擦力和摩擦系数，可以明显减轻零部件间的摩擦磨损，增长相应零件使用寿命，减小投资，降低能耗，增加效益。从这些我们可以预见到，振动摩擦在将来的研究、运用和发展都是前景无限的。但是也可以预见，由于振动摩擦的机理研究还没有非常的深入，人们对振动摩擦机理并没有足够清晰地了解，今后在运用振动减摩原理与工程实际中时，会存在着一些困难与局限。那这就需要相关学者在研究振动减摩原理的表达与解释方面，要更加的深入与具体，真正的发掘出振动减摩的深层内在，从而才能在工程实际中拥有更加广泛的运用前景。参考文献：1、杨铎，振动摩擦机理及其工程应用的研究，东北大学硕士学位论文，20062、黄明军，周铁英，巫庆华，超声振动对摩擦力的影响，声学学报，20003、滕云楠，李小彭，杨铎，闻邦椿，基于振动沉桩机的振动摩擦系统动力学分析，东北大学学报，20104、滕云楠，若干振动机械系统的振动摩擦动力学特性及实验研究，东北大学博士学位论文，20115、王江，非线性振动压实理论及工程应用，东北大学硕士学位论文，20076、涂林龙，塑料焊接的一种新工艺振动摩擦焊接，新工艺新技术新设备，19967、李哲男，汪海红，振动摩擦熔接在汽车工业上的应用，汽车与配件，2000