周宁宁，曲建俊，王彦利

    (哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)

    摘要：研制出一种新型高频振动减摩实验装置，并在大气、低真空(1×10³Pa)、中真空(2Pa)和高真空(2. 0×10^-3Pa)四种环境压强下，测试了PTFE基复合材料与磷青制之间普通滑动和带有横向高频振动情况下的滑动摩擦力，研究了横向高频振动激励电压、预紧力、滑动速度和环境压强对滑动摩擦力的影响。结果表明：随着激励电压的增加，带有横同高频振动的滑动摩擦力减小；滑动速度对带有横同高频振动的滑动摩擦力影响较大，随着滑动速度增加，横向高频振动减小摩擦力的作用减弱；环境压强对横向高频振动减摩有一定影啊，随着真空度的增加，横同振动减摩的作用稍微减弱；随着预紧力的增加，带有横同振动的滑动摩擦系数增加。

    关键词：摩擦；振动；真空；滑动速度

O引言

    振动能够减小物体之间的摩擦力早已被人们所共知，并且已经在各种加工中得到应用。

根据超声波振动方向，超声波振动分为垂直于滑动平面的纵向振动和平行于滑动平面的横向振动。Mitskevich最早建立了横向振动对摩擦力影响的理论模型，得出当振动速度高于滑动速度时，横向振动具有减小摩擦力的作用。后来，学者基于Mitskevich的模型对横同振动的减摩作用进行了实验研究。基于Mltskevich模型相同的假设，Litttmann，Kumar和Hutchings利用经典库伦摩擦力定律，建立了具有面内超声波振动的摩擦力计算的理论模型。Tsai在Littmann模型的基础上，考虑了材料切向弹性对面内振动减摩的作用，建立了面内振动减摩的理论模型，用该模型得到的理论值与实验值更加一致。Hesledal等研究了微观机械接触中由超声引起摩擦力减小的起源，得出摩擦力减小的原因仅与垂直超声部分有关，面内声波没有减小摩擦力的作用。

    目前为止，真空下，高频横向振动的减摩作用有何变化仍不清楚。因此本文利用自制的高频振动减摩实验装置，在四种环境压力下研究了普通滑动和带有横向高频振动的减摩作用，揭示了真空下横向高频振动减摩的规律，为真空下利用超声波振动控制摩擦力以及研究超声波电机的摩擦驱动机理和超声波电机在真空下的应用提供了实验数据。

1试验设备与方法

1 1试验装置

    试验所用高频振动减摩测试装置示意图如图1所示，它主要由驱动电机、预紧力加载结构、纵、扭复合超声换能器和摩擦力测量结构等部分组成。其中驱动电机通过联轴器带动转轴转动，进而带动上摩擦副固定盘转动。摩擦副之间的接触形式为盘一盘接触，下摩擦副为工程塑料，粘贴在纵、扭复合高频换能器的端部，纵、扭复合高频换能器提供实验过程中摩擦副之问的振动。纵、扭复合高频换能器固定在一个可以自由转动的底座上，该底座能够将实验过程中摩擦副之间的摩擦力传递给力传感器。实验过程中，通过驱动电机控制上摩擦副的滑动速度(滑动速度由速度传感器测量)，通过调整螺旋弹簧的伸缩长度控制摩擦副间的预紧力，通过调整纵、扭复合高频换能器的纵、扭振动的输入电压，控制摩擦副之间振动的形式以及振动的幅度，并且上下摩擦副均可方便的更换，将该试验台放在真空腔内进行实验。真空腔内的真空度可实现由大气到中真空(2．0Pa)和到高真空(2．0×10^-3Pa)的连续变化。实验过程中，高频驱动控制系统在线显示测量的摩擦力、滑动速度和温度等参数，并且由计算机进行实时采集。

1 2纵、扭复合高频换能器

    试验所用纵、扭复合高频换能器是高频振动减摩试验台中的关键部分，其直径为φ40mm，长度为84 mm。该纵、扭复合高频换能器的纵扭共振频率并没有进行兼并，其纵向共振频率为20 kHz，扭转共振频率为11 6kHz。由于纵振子是由整片压电晶片加工而成，设计较为容易，因此该纵、扭复合超声换能器的设计主要是扭转振子的设计。

由于极化整个环状压电陶瓷使其能够产生扭转振动存在困难，通常将环状压电陶瓷分成多个扇块，分别极化后，再按极化方向将扇块粘结成一个圆环。本文中扭转振子的设计过程如图2所示，先将长方体压电陶瓷沿宽度方向极化，然后将极化后的长方体陶瓷片切割成一定的形状，并按相同的极化方向把切割后的陶瓷粘结成近似的圆环体，再将粘结后环状压电陶瓷上下两表面精磨并涂银极，最后在陶瓷的上下两表面附下铜电极，按极化方向将两片陶瓷反向并联安装在换能器中。

 

1 3试验方法

    试验过程中使用摩擦副的材料为PTFE基复合材料／磷青铜，其中PTFE基摩擦材料粘帖在振动体的端部，摩擦材料的尺寸为φ40mm×φ30mm×0 .5mm，磷青铜摩擦环的尺寸为φ44mm×φ27mm×5mm，磷青铜摩擦环由驱动电机带动绕转轴旋转。每种工况即实验参数一定的条件下，均进行了3次试验，每次试验10min，然后将3次实验巾稳定阶段的摩擦力的平均值作为该工况下摩擦副之间的摩擦力。

2横向高频振动的减摩模型

 

    图3为振动减摩测试装置的简化模型，其中上摩擦副以恒定速度Vs水平滑动，下摩擦副以振幅Vv和频率w进行水平周期振动，两摩擦副之间的压力为Fc。则上摩擦副相对于下摩擦副的相对滑动速度为：

V_rel(wt)=v_s-v_vsinwt                         (1)

根据经典库伦摩擦定律，两摩擦副之间的瞬时滑动摩擦力F为：

F(wt)=μF_csgn(v_s-v_vsinwt)=f₀sgn(v_s-v_vsinwf)    (2)

其中，μ为摩擦副间无横向高频振动时的摩擦系数，f0为摩擦副间无横向高频振动时的滑动摩擦力。

定义滑动速度vs和振动速度幅值v_v的比为：

(3)

根据文献7知，带有水平振动的摩擦副间的时间平均滑动摩擦力为：

(4)

3试验结果与讨论

3 1激励电压和滑动速度的影响

    大气下，摩擦副间的滑动摩擦力随扭转振动激励电压的变化如图4所示。由图可看出，当扭转振动激励电压峰峰值超过100V时，横向高频振动具有减摩作用，并且随着激励电压的增加，减摩作用逐渐增强。图5为滑动速度对横向高频振动减摩作用的影响。从图中可以看出，当滑动速度较小时，横向振动的减摩作用超过百分之八十，随着滑动速度的增加，横向振动减摩作用逐渐减弱，最后减摩效果趋于零。

    定义横向高频振动的减摩率为

   

其中，f₀为摩擦副间无横向高频振动时的摩擦力，f_v为摩擦副间带有水平高频振动时的平均滑动摩擦力。

 

    由式(4)知，横向高频振动的减摩效果跟滑动速度与振动速度幅值的比有关。当，r≥l时，即横向高频振动速度幅值小于滑动速度时，横向振动减摩的效果不明显。当O

一定时，随着滑动速度的增大，滑动速度与横向振动速度比值增加，根据式(4)知，摩擦副问的平均滑动摩擦力Fv逐渐增加，故横向高频振动的减摩率将减小。

3 2真空度的影响

    图6为一定激励电压下，横向高频振动的减摩效果随环境压强的变化。从图中可以看出，随着环境压强的减小，横向高频振动的减摩作用稍微减弱。随着真空度的增加，摩擦副之间容易发生粘结，导致振动体端部粘贴的摩擦材料向铜环表面转移。由于摩擦材料的切向弹性变形大于铜的切向弹性变形，所以随着摩擦材料向铜环表面的逐渐转移，接触界面接触点的切向弹性变形增加，根据文献[10]知，接触点的切向弹性变形将减小横向振动的减摩效果，所以随着环境压强的减小，横向高频振动的减摩作用减弱。

3 3法向力的影响

    大气下，带有横向而频振动的滑动摩擦系数随预紧力的变化曲线如图7所示。从图中可以看出，随着预紧力的增加，摩擦副间的滑动摩擦系数增大。相同扭转振动激励电压的情况下，摩擦副间的预紧力增大时，摩擦副间的横向高频振动幅度减弱，滑动速度与横向高频振动速度比值增加，导致摩擦副间的滑动摩擦力增大，带有横向高频振动的滑动摩擦系数增加。

4结论

    利用自制的高频振动减摩测试装置，在四种环境压力下研究了横向高频振动减摩的变化规律，得出以下结论：

    (1)随着激励电压的增加以及滑动速度的减小，带有横向高频振动的滑动摩擦力逐渐减小。当横向高频振动速度大于滑动速度时，由于横向振动的存在，在振动的一个周期内的某段时间，摩擦副之间的瞬时摩擦力的方向发生了改变，导致摩擦副之间的时间平均摩擦力减小，并且随着滑动速度与横向振动速度幅值的比减小，摩擦副之间的时间平均摩擦力逐渐减小，直到摩擦副之间的摩擦力为零。

    (2)随着环境压强的减小，横向振动减摩的作用略微减弱。真空下横向高频振动减摩效果减弱的原因是：真空F接触界面之间的接触点的切向弹性变形对横向高频振动的减摩效果具有减弱的作用，并且随着真空度的增加，摩擦材料向铜环表面转移，接触界面之间的接触点的切向弹性变形增大，导致真空下横向高频振动减摩效果减弱。

(3)随着预紧力的减小，带有横向高频振动的滑动摩擦系数逐渐减小。由于预紧力的减小，相同扭转振动激励电压的条件下，横向振动的幅度增强，滑动速度与横向振动速度幅值的比减小，导致滑动摩擦系数逐渐减小。