真空下橫向高頻振動對滑動摩擦力的影響
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減摩實驗裝置，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，測試了PTFE基復(fù)合材料與磷青制之間普通滑動和帶有橫向高頻振動情況下的滑動摩擦力，研究了橫向高頻振動激勵電壓、預(yù)緊力、滑動速度和環(huán)境壓強(qiáng)對滑動摩擦力的影響。結(jié)果表明：隨著激勵電壓的增加，帶有橫同高頻振動的滑動摩擦力減小；滑動速度對帶有橫同高頻振動的滑動摩擦力影響較大，隨著滑動速度增加，橫向高頻振動減小摩擦力的作用減弱；環(huán)境壓強(qiáng)對橫向高頻振動減摩有一定影啊，隨著真空度的增加，橫同振動減摩的作用稍微減弱；隨著預(yù)緊力的增加，帶有橫同振動的滑動摩擦系數(shù)增加。
關(guān)鍵詞：摩擦；振動；真空；滑動速度
O引言
振動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)超聲波振動方向，超聲波振動分為垂直于滑動平面的縱向振動和平行于滑動平面的橫向振動。Mitskevich最早建立了橫向振動對摩擦力影響的理論模型，得出當(dāng)振動速度高于滑動速度時，橫向振動具有減小摩擦力的作用。后來，學(xué)者基于Mitskevich的模型對橫同振動的減摩作用進(jìn)行了實驗研究。基于Mltskevich模型相同的假設(shè)，Litttmann，Kumar和Hutchings利用經(jīng)典庫倫摩擦力定律，建立了具有面內(nèi)超聲波振動的摩擦力計算的理論模型。Tsai在Littmann模型的基礎(chǔ)上，考慮了材料切向彈性對面內(nèi)振動減摩的作用，建立了面內(nèi)振動減摩的理論模型，用該模型得到的理論值與實驗值更加一致。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)聲波沒有減小摩擦力的作用。
目前為止，真空下，高頻橫向振動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減摩實驗裝置，在四種環(huán)境壓力下研究了普通滑動和帶有橫向高頻振動的減摩作用，揭示了真空下橫向高頻振動減摩的規(guī)律，為真空下利用超聲波振動控制摩擦力以及研究超聲波電機(jī)的摩擦驅(qū)動機(jī)理和超聲波電機(jī)在真空下的應(yīng)用提供了實驗數(shù)據(jù)。
1試驗設(shè)備與方法
1 1試驗裝置
試驗所用高頻振動減摩測試裝置示意圖如圖1所示，它主要由驅(qū)動電機(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量結(jié)構(gòu)等部分組成。其中驅(qū)動電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動上摩擦副固定盤轉(zhuǎn)動。摩擦副之間的接觸形式為盤一盤接觸，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驗過程中摩擦副之問的振動。縱、扭復(fù)合高頻換能器固定在一個可以自由轉(zhuǎn)動的底座上，該底座能夠?qū)嶒炦^程中摩擦副之間的摩擦力傳遞給力傳感器。實驗過程中，通過驅(qū)動電機(jī)控制上摩擦副的滑動速度(滑動速度由速度傳感器測量)，通過調(diào)整螺旋彈簧的伸縮長度控制摩擦副間的預(yù)緊力，通過調(diào)整縱、扭復(fù)合高頻換能器的縱、扭振動的輸入電壓，控制摩擦副之間振動的形式以及振動的幅度，并且上下摩擦副均可方便的更換，將該試驗臺放在真空腔內(nèi)進(jìn)行實驗。真空腔內(nèi)的真空度可實現(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。實驗過程中，高頻驅(qū)動控制系統(tǒng)在線顯示測量的摩擦力、滑動速度和溫度等參數(shù)，并且由計算機(jī)進(jìn)行實時采集。
1 2縱、扭復(fù)合高頻換能器
試驗所用縱、扭復(fù)合高頻換能器是高頻振動減摩試驗臺中的關(guān)鍵部分，其直徑為φ40mm，長度為84 mm。該縱、扭復(fù)合高頻換能器的縱扭共振頻率并沒有進(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)計較為容易，因此該縱、扭復(fù)合超聲換能器的設(shè)計主要是扭轉(zhuǎn)振子的設(shè)計。
由于極化整個環(huán)狀壓電陶瓷使其能夠產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動存在困難，通常將環(huán)狀壓電陶瓷分成多個扇塊，分別極化后，再按極化方向?qū)⑸葔K粘結(jié)成一個圓環(huán)。本文中扭轉(zhuǎn)振子的設(shè)計過程如圖2所示，先將長方體壓電陶瓷沿寬度方向極化，然后將極化后的長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試驗方法
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