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. 0×10-3Pa)四種環(huán)境壓強(qiáng)下，測(cè)試了PTFE基復(fù)合材料與磷青制之間普通滑動(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，帶有橫同高頻振動(dòng)的滑動(dòng)摩擦力減小；滑動(dòng)速度對(duì)帶有橫同高頻振動(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)橫向高頻振動(dòng)減摩有一定影啊，隨著真空度的增加，橫同振動(dòng)減摩的作用稍微減弱；隨著預(yù)緊力的增加，帶有橫同振動(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
O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。
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。后來(lái)，學(xué)者基于Mitskevich的模型對(duì)橫同振動(dòng)的減摩作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究�；贛ltskevich模型相同的假設(shè)，Litttmann，Kumar和Hutchings利用經(jīng)典庫(kù)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。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。Hesledal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(méi)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1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(guò)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(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。摩擦副之間的接觸形式為盤(pán)一盤(pán)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(guò)程中摩擦副之問(wèn)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?qū)?shí)驗(yàn)過(guò)程中摩擦副之間的摩擦力傳遞給力傳感器。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制上摩擦副的滑動(dòng)速度(滑動(dòng)速度由速度傳感器測(cè)量)，通過(guò)調(diào)整螺旋彈簧的伸縮長(zhǎng)度控制摩擦副間的預(yù)緊力，通過(guò)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)。真空腔內(nèi)的真空度可實(shí)現(xiàn)由大氣到中真空(2．0Pa)和到高真空(2．0×10-3Pa)的連續(xù)變化。實(shí)驗(yàn)過(guò)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。
1 2縱、扭復(fù)合高頻換能器
試驗(yàn)所用縱、扭復(fù)合高頻換能器是高頻振動(dòng)減摩試驗(yàn)臺(tái)中的關(guān)鍵部分，其直徑為φ40mm，長(zhǎng)度為84 mm。該縱、扭復(fù)合高頻換能器的縱扭共振頻率并沒(méi)有進(jìn)行兼并，其縱向共振頻率為20 kHz，扭轉(zhuǎn)共振頻率為11 6kHz。由于縱振子是由整片壓電晶片加工而成，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)主要是扭轉(zhuǎn)振子的設(shè)計(jì)。
由于極化整個(gè)環(huán)狀壓電陶瓷使其能夠產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)存在困難，通常將環(huán)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(guò)程如圖2所示，先將長(zhǎng)方體壓電陶瓷沿寬度方向極化，然后將極化后的長(zhǎng)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陶瓷粘結(jié)成近似的圓環(huán)體，再將粘結(jié)后環(huán)狀壓電陶瓷上下兩表面精磨并涂銀極，最后在陶瓷的上下兩表面附下銅電極，按極化方向?qū)善沾煞聪虿⒙?lián)安裝在換能器中。
1 3試驗(yàn)方法
|
