麥云飛 劉志亮 王書(shū)文 董冰洋

1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海，2000932.上海理工大學(xué)出版印刷學(xué)院，上海，200093

旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)摩擦高頻噪聲產(chǎn)生機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究

麥云飛1劉志亮1王書(shū)文1董冰洋2

1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海，2000932.上海理工大學(xué)出版印刷學(xué)院，上海，200093

為了深入研究金屬旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)摩擦高頻噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，以多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)為平臺(tái)，采用單因素實(shí)驗(yàn)法來(lái)研究相對(duì)滑動(dòng)速度、接觸壓力、表面形貌等影響因素對(duì)摩擦高頻噪聲的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：金屬旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)高頻摩擦噪聲多發(fā)生在相對(duì)滑動(dòng)速度低、接觸壓力較大以及摩擦因數(shù)-速度負(fù)斜率處；摩擦副間相對(duì)滑動(dòng)速度、接觸壓力和表面粗糙度的變化幾乎不會(huì)對(duì)高頻噪聲的頻率產(chǎn)生影響，但高頻噪聲聲壓級(jí)隨表面粗糙度的增大呈現(xiàn)明顯減小趨勢(shì)。對(duì)摩擦噪聲聲壓信號(hào)和法向、切向振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析，結(jié)果表明，法向振動(dòng)加速度信號(hào)和摩擦噪聲聲壓信號(hào)之間具有更高的相關(guān)性，從而為進(jìn)一步理解摩擦高頻噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和預(yù)測(cè)模型的建立提供了參考。

高頻摩擦噪聲；摩擦因數(shù)；表面形貌；自激振動(dòng)

0 引言

目前用于解釋摩擦噪聲產(chǎn)生機(jī)理的理論主要有四種：黏著-滑動(dòng)理論、自鎖-滑動(dòng)理論、摩擦力-相對(duì)滑動(dòng)速度負(fù)斜率理論和模態(tài)耦合理論，其中模態(tài)耦合理論是目前接受度最高的理論[1]。RHEE等[2]提出了一種錘擊理論用于解釋實(shí)驗(yàn)中高頻噪聲頻率與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自然頻率接近的現(xiàn)象。NORTH[3]認(rèn)為摩擦噪聲是摩擦副間的自激振動(dòng)產(chǎn)生的。MOTTERSHEAD等[4]從模態(tài)分離的角度對(duì)摩擦噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了理論研究。KANG等[5]采用簡(jiǎn)單的環(huán)形盤(pán)和兩個(gè)摩擦片的模型對(duì)模態(tài)耦合機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證。FENG[6]建立了一個(gè)隨機(jī)摩擦系統(tǒng)的平均值模型對(duì)摩擦振動(dòng)和系統(tǒng)特性進(jìn)行了研究。YANG等[7]在對(duì)制動(dòng)嘯叫的研究中發(fā)現(xiàn)制動(dòng)裝置在高壓力和持續(xù)增加的壓力作用下更容易產(chǎn)生模態(tài)耦合。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展使得有限元分析成為研究摩擦噪聲的一個(gè)重要手段。OUYANG等[8-9]通過(guò)求解摩擦系統(tǒng)數(shù)值模型，得出其特征值，從而對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)。MARIO等[10]、LIU等[11]利用有限元復(fù)特征值分析法研究系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)和材料屬性對(duì)高頻噪聲產(chǎn)生的影響。陳光雄等[12-13]對(duì)金屬往復(fù)滑動(dòng)摩擦高頻噪聲做了大量的研究，并對(duì)摩擦噪聲的有限元模型進(jìn)行了穩(wěn)定性研究和振動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)。王冀軍等[14]通過(guò)進(jìn)行接觸共振實(shí)驗(yàn)來(lái)確定金屬滑動(dòng)摩擦?xí)a(chǎn)生的高頻噪聲頻率。呂紅明等[15]、OBERST等[16]從瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性角度研究摩擦噪聲的產(chǎn)生機(jī)理。另外，針對(duì)摩擦表面形貌與摩擦噪聲的關(guān)系也有很多研究成果[17-18]。

對(duì)摩擦噪聲的研究，從宏觀到微觀，由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，由單學(xué)科分析到多學(xué)科綜合[19]，但是迄今為止還沒(méi)有任何一個(gè)研究成果可以從根源上對(duì)高頻摩擦噪聲的產(chǎn)生機(jī)理做出滿意的解釋。大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，摩擦副表面物理及化學(xué)性質(zhì)對(duì)摩擦現(xiàn)象影響很大，所以如何從摩擦表面的材料特性、相對(duì)滑動(dòng)速度、接觸壓力、表面粗糙度等因素出發(fā)，研究摩擦高頻噪聲產(chǎn)生的本質(zhì)，是解釋摩擦噪聲產(chǎn)生機(jī)理的關(guān)鍵。本文從摩擦噪聲實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)始，結(jié)合摩擦學(xué)、機(jī)械振動(dòng)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，對(duì)摩擦噪聲產(chǎn)生、演變、消失全過(guò)程的噪聲和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了采集，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行時(shí)域、頻域以及互相關(guān)分析，研究了多種因素對(duì)摩擦噪聲的影響規(guī)律以及振動(dòng)方向和高頻摩擦噪聲的內(nèi)在聯(lián)系。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在英國(guó)Phoenix Tribology公司生產(chǎn)的Plint TE-92多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦噪聲實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)如圖1所示。上試樣與主軸相連做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，下試樣與升降平臺(tái)上的測(cè)試適配器連接，升降平臺(tái)帶動(dòng)下試樣上升直至與上試樣接觸并通過(guò)升降平臺(tái)下方的氣動(dòng)加載裝置施加給定載荷。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，上試樣與下試樣之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，接觸形式為面-面接觸。利用北京東方振動(dòng)噪聲技術(shù)研究所研發(fā)的DASP智能數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)來(lái)采集和處理噪聲信號(hào),通過(guò)三維白光表面形貌儀和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)可對(duì)摩擦表面形貌進(jìn)行測(cè)量和分析。

上試樣材料為40 Cr，下試樣材料為45鋼，除用于表面粗糙度實(shí)驗(yàn)的試樣，其余試樣表面拋光處理，摩擦接觸表面粗糙度為Ra=0.2 μm，使用丙酮對(duì)試樣進(jìn)行超聲清洗后再干燥處理。摩擦噪聲實(shí)驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17284.4-1999和GB/T 17284.3-2000進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行本底噪聲測(cè)試，測(cè)得主頻為615 Hz，聲壓級(jí)約為60 dB(A)。由于本次研究針對(duì)的是頻率大于1 kHz的高頻尖叫，可以看出二者相差很大，故忽略主頻對(duì)本次摩擦噪聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

(a)實(shí)物圖 (b)示意圖1.上試樣載體 2.上試樣 3.下試樣 4.滾動(dòng)軸承 5.立柱支架 6.底座 7.加壓裝置 8.移動(dòng)支架 9.測(cè)試設(shè)配器 10.下試樣載體 11.主軸圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 A diagram of the apparatus

正式實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行試探實(shí)驗(yàn)，確定合適的相對(duì)滑動(dòng)速度和接觸壓力范圍。試探實(shí)驗(yàn)方案：摩擦副接觸壓力T為25～300 N，依次遞增25 N。每種接觸壓力下初始滑動(dòng)速度v為0.14 m/s，最大滑動(dòng)速度為2.8 m/s，依次遞增0.14 m/s，每組試探實(shí)驗(yàn)進(jìn)行60 s。試探實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在接觸壓力小于100 N、滑動(dòng)速度大于1.4 m/s的情況下沒(méi)有出現(xiàn)高頻噪聲。根據(jù)試探實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行4組接觸壓力(125 N、150 N、175 N、200 N)、7組相對(duì)滑動(dòng)速度(0.14 m/s、0.28 m/s、0.42 m/s、0.56 m/s、0.84 m/s、1.12 m/s、1.40 m/s)下的摩擦噪聲實(shí)驗(yàn)，每組正式實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20 s。對(duì)于摩擦因數(shù)實(shí)驗(yàn)，最大滑動(dòng)速度可達(dá)到2.52 m/s，在每種接觸壓力和相對(duì)滑動(dòng)速度下獨(dú)立重復(fù)5次,實(shí)驗(yàn)初始溫度為20 ℃,每次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)完成后給予設(shè)備和試樣足夠的冷卻時(shí)間，再進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1相對(duì)滑動(dòng)速度和接觸壓力對(duì)摩擦因數(shù)的影響實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)先加載壓力后施加速度，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察摩擦因數(shù)的變化，圖2所示為接觸壓力為100 N、相對(duì)滑動(dòng)速度為0.42 m/s工況下的摩擦因數(shù)與時(shí)間的實(shí)時(shí)關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段只有輕微噪聲，此時(shí)摩擦因數(shù)基本保持不變且摩擦因數(shù)值較??；隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，逐漸開(kāi)始出現(xiàn)較大強(qiáng)度的噪聲而后出現(xiàn)高頻尖叫。由實(shí)驗(yàn)可以看出，當(dāng)出現(xiàn)高頻噪聲時(shí)，采集到的摩擦因數(shù)值較之前明顯增大。

圖2 摩擦因數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化Fig.2 Time history record of frictional coefficient

為了找出摩擦副間相對(duì)滑動(dòng)速度對(duì)摩擦因數(shù)的影響，在保證接觸壓力不變的條件下改變摩擦副間的相對(duì)滑動(dòng)速度來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。接觸壓力分別取125 N、150 N、175 N和200 N，最大滑動(dòng)速度為2.52 m/s。圖3所示的摩擦因數(shù)值為各個(gè)工況下噪聲穩(wěn)定出現(xiàn)階段采集到的摩擦因數(shù)的均值。由圖3可以看出，摩擦副間的相對(duì)滑動(dòng)速度以及表面接觸壓力對(duì)摩擦因數(shù)有顯著的影響。在接觸壓力不變的條件下，摩擦因數(shù)隨相對(duì)滑動(dòng)速度的增大會(huì)越過(guò)一個(gè)極大值，之后開(kāi)始減小，減小到一定值后僅在小范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖3 不同接觸壓力下摩擦因數(shù)隨相對(duì)滑動(dòng)速度的變化Fig.3 Correlation between frictional coefficient and sliding velocity

2.2相對(duì)滑動(dòng)速度和接觸壓力對(duì)高頻噪聲頻率的影響

采用單因素實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行相對(duì)滑動(dòng)速度和接觸壓力對(duì)摩擦高頻噪聲的影響實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)每次實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的噪聲信號(hào)進(jìn)行自功率譜分析，得到高頻噪聲頻率和聲壓級(jí)的分布圖，如圖4所示。由圖4可以看出，每次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的不同高頻噪聲頻率相差不會(huì)太大。當(dāng)實(shí)驗(yàn)接觸壓力、滑動(dòng)速度差別較大時(shí)，產(chǎn)生的高頻噪聲頻率相差較大，但是一般不會(huì)超過(guò)200 Hz。所以，此處將均值7950 Hz作為每次獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到的高頻噪聲頻率。

圖4 高頻噪聲頻率分布情況Fig.4 Distribution of squeal frequencies

圖5、圖6所示分別為不同接觸壓力下的高頻噪聲頻率-相對(duì)滑動(dòng)速度曲線和不同滑動(dòng)速度下的高頻噪聲頻率-接觸壓力變化曲線。由圖5和圖6可以看出，摩擦副間的相對(duì)滑動(dòng)速度和接觸壓力的變化幾乎不會(huì)對(duì)摩擦產(chǎn)生的高頻噪聲的頻率大小產(chǎn)生影響。

圖5 高頻噪聲頻率與相對(duì)滑動(dòng)速度關(guān)系Fig.5 Correlation between squeal frequency and sliding velocity

圖6 高頻噪聲頻率與接觸壓力關(guān)系Fig.6 Correlation between squeal frequency and contactforce

2.3相對(duì)滑動(dòng)速度和接觸壓力對(duì)高頻噪聲聲壓級(jí)的影響

通過(guò)聲壓傳感器測(cè)得每次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的噪聲信號(hào)強(qiáng)度，并對(duì)高頻噪聲穩(wěn)定出現(xiàn)階段的噪聲信號(hào)進(jìn)行聲壓級(jí)分析。由圖7可以看出，實(shí)驗(yàn)得到的噪聲聲壓級(jí)-相對(duì)滑動(dòng)速度曲線呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，低速階段隨著相對(duì)滑動(dòng)速度的增大噪聲聲壓級(jí)呈上升趨勢(shì)，當(dāng)相對(duì)滑動(dòng)速度增大到一定值時(shí)，噪聲聲壓級(jí)會(huì)越過(guò)一個(gè)極大值，而后隨著相對(duì)滑動(dòng)速度的增大而減小。

圖7 不同接觸壓力下高頻噪聲聲壓級(jí)隨相對(duì)滑動(dòng)速度的變化Fig.7 Correlation between sound pressurelevel and sliding velocity

圖8 不同相對(duì)滑動(dòng)速度下高頻噪聲聲壓級(jí)隨接觸壓力的變化Fig.8 Correlation between sound pressure level and contact force

由圖8可以看出，在低速段(相對(duì)滑動(dòng)速度為0.14 m/s、0.28 m/s、0.42 m/s)，噪聲聲壓隨接觸壓力呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)；對(duì)于實(shí)驗(yàn)中高速段(相對(duì)滑動(dòng)速度為0.56 m/s、0.84 m/s、1.12 m/s)，高頻噪聲聲壓級(jí)隨接觸壓力呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)；當(dāng)相對(duì)滑動(dòng)速度為1.40 m/s時(shí)，在不同接觸壓力下產(chǎn)生的高頻噪聲聲壓級(jí)比在其他組的相對(duì)滑動(dòng)速度下的噪聲聲壓級(jí)小，進(jìn)一步說(shuō)明1.40 m/s為本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)出現(xiàn)高頻噪聲的一個(gè)臨界速度。

2.4表面粗糙度對(duì)摩擦高頻噪聲的影響實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前對(duì)試樣表面分別進(jìn)行精研磨、半精磨、粗磨加工以獲得不同的表面粗糙度。測(cè)得三組試樣的表面粗糙度Ra分別為0.2 μm、2.3 μm、11.7 μm。以實(shí)驗(yàn)接觸壓力為175 N，相對(duì)滑動(dòng)速度為0.42 m/s為例，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為5 min，每組各進(jìn)行3次獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集到的噪聲時(shí)域信號(hào)如圖9所示。

圖9 不同表面粗糙度的摩擦噪聲時(shí)域信號(hào)Fig.9 Time domain signals of sound pressure with different roughness

對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程采集的噪聲信號(hào)進(jìn)行自譜分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出，表面粗糙度Ra=0.2 μm的實(shí)驗(yàn)組，實(shí)驗(yàn)過(guò)程有一個(gè)高頻噪聲持續(xù)并穩(wěn)定出現(xiàn)，其頻率約為7950 Hz；表面粗糙度Ra=2.3 μm的實(shí)驗(yàn)組，實(shí)驗(yàn)過(guò)程也有一個(gè)高頻噪聲持續(xù)并穩(wěn)定出現(xiàn)，其頻率也非常接近7950 Hz；而三組試樣中表面粗糙度最大(Ra=11.7 μm)的實(shí)驗(yàn)組實(shí)驗(yàn)過(guò)程始終沒(méi)有高頻噪聲出現(xiàn)。前兩組實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的高頻噪聲的頻率幾乎一致，而后一組實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的高頻，表明摩擦副材料表面粗糙度可以影響摩擦高頻噪聲的產(chǎn)生與否，但是表面粗糙度并不會(huì)對(duì)產(chǎn)生的高頻噪聲頻率大小造成影響。

圖10 不同表面粗糙度的摩擦噪聲頻域信號(hào)Fig.10 Frequency domain signals of sound pressure with different roughness

對(duì)于Ra為0.2 μm、2.3 μm的兩組實(shí)驗(yàn)，雖然二者產(chǎn)生的高頻噪聲的頻率幾乎一致，但是高頻噪聲的聲壓卻有較大的差別。Ra=0.2 μm的實(shí)驗(yàn)組摩擦產(chǎn)生的高頻噪聲聲壓明顯高于Ra=2.3 μm的實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)生的高頻噪聲聲壓，而Ra=11.7 μm的實(shí)驗(yàn)組并沒(méi)有產(chǎn)生高頻尖叫。實(shí)驗(yàn)表明摩擦副材料表面粗糙度對(duì)摩擦噪聲聲壓有很大的影響，摩擦產(chǎn)生的噪聲聲壓隨表面粗糙度的增大呈現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)前后對(duì)試件質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)后使用三維白光表面形貌儀觀察磨痕深度，并結(jié)合表面磨痕SEM照片(圖11)來(lái)分析表面磨損情況。由圖11可看出，Ra=0.2 μm表面磨損情況最為嚴(yán)重，出現(xiàn)了大量的剝離、脫落和撕裂現(xiàn)象，該表面的磨損以黏著磨損為主。Ra=2.3 μm表面的黏著磨損較輕，出現(xiàn)了很少的犁溝磨痕，剝離、脫落和磨屑堆積現(xiàn)象也較輕。Ra=11.7 μm表面磨損沒(méi)有出現(xiàn)犁溝和撕裂等現(xiàn)象，磨損形式為磨粒磨損。結(jié)合不同粗糙度表面的磨損情況和高頻噪聲情況可以看出，表面粗糙度較小的表面更容易產(chǎn)生高頻噪聲，可能是摩擦界面的磨屑堆積和剝離撕裂等現(xiàn)象引起摩擦力的劇烈波動(dòng)。當(dāng)摩擦振動(dòng)頻率與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時(shí)就會(huì)激發(fā)系統(tǒng)的自激振動(dòng)，從而產(chǎn)生高頻噪聲。而表面粗糙度較大時(shí)，摩擦過(guò)程中磨損為磨粒磨損，磨痕平滑，振動(dòng)較小，并不能達(dá)到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有頻率，所以該情況下不足以激發(fā)系統(tǒng)的自激振動(dòng)，同樣也就不會(huì)有摩擦噪聲的高頻成分出現(xiàn)。

(a)Ra=0.2 μm (b)Ra=2.3 μm

(c)Ra=11.7 μm圖11 不同粗糙度試樣實(shí)驗(yàn)后的表面形貌SEM照片F(xiàn)ig.11 SEM observation of surface topography with different roughness after test

2.5摩擦噪聲與振動(dòng)方向的關(guān)系

圖12 噪聲聲壓信號(hào)與振動(dòng)加速度信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.12 Squeal sound pressure and vibration acceleration signals in time domain

圖12所示為實(shí)時(shí)測(cè)量的摩擦振動(dòng)加速度信號(hào)和摩擦噪聲聲壓信號(hào)，可以看出摩擦過(guò)程中伴隨產(chǎn)生垂直于摩擦副運(yùn)動(dòng)方向的振動(dòng)和平行于摩擦副運(yùn)動(dòng)方向的振動(dòng)，且摩擦噪聲聲壓信號(hào)與法向和切向加速度信號(hào)在相位和幅值變化方面有很高的一致性。但究竟是哪一方向的振動(dòng)對(duì)摩擦過(guò)程的影響更為明顯，并不能從其時(shí)域信號(hào)中分析得出。分別對(duì)噪聲聲壓信號(hào)和法向、切向加速度信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)噪聲信號(hào)和法向振動(dòng)信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.785 82，而與切向振動(dòng)信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)則為0.739 98，說(shuō)明法向方向的振動(dòng)對(duì)摩擦噪聲的影響更大。

2.6高頻噪聲的產(chǎn)生原因討論

(a)輕微噪聲階段 (b)不穩(wěn)定高頻階段

(c)穩(wěn)定高頻階段圖13 不同階段摩擦表面磨痕形貌SEM照片F(xiàn)ig.13 Surface topography of the specimen at different stage

結(jié)合磨痕形貌與噪聲、振動(dòng)信號(hào)來(lái)分析摩擦噪聲的產(chǎn)生原因。摩擦噪聲產(chǎn)生過(guò)程為：輕微噪聲階段—不穩(wěn)定高頻階段—穩(wěn)定高聲強(qiáng)高頻階段，不同噪聲階段對(duì)應(yīng)的磨損情況和磨痕形貌有很大的不同。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段沒(méi)有出現(xiàn)高頻噪聲，只有輕微的振動(dòng)和噪聲，摩擦副接觸表面比較光滑，摩擦力的變化較小，摩擦表面出現(xiàn)不同規(guī)則的犁溝狀磨痕，犁溝寬度較窄，此時(shí)摩擦副間的磨損形式為磨粒磨損,如圖13a所示。其中的犁溝狀磨痕是因?yàn)槟Σ粮鄙舷虏牧嫌捕炔煌?，較硬材料的微觀凸起或粗糙峰在摩擦力作用下嵌入并推擠軟材料，使其發(fā)生塑性流動(dòng)而犁出溝槽。高頻噪聲開(kāi)始出現(xiàn)階段：隨著摩擦的進(jìn)行，磨屑增大，磨損表面出現(xiàn)金屬光澤且變得粗糙，摩擦表面由于黏著效應(yīng)形成的黏著節(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂，產(chǎn)生剝離、脫落現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞了接觸面的表面特性，該階段摩擦表面除了磨粒磨損外，還出現(xiàn)了黏著磨損，如圖13b所示。高頻噪聲穩(wěn)定階段：摩擦副間的磨損形式以黏著磨損為主，出現(xiàn)嚴(yán)重的剪切、脫落現(xiàn)象，如圖13c所示。RHEE等[2]提出的錘擊理論認(rèn)為摩擦副接觸表面是由于犁溝效應(yīng)和黏著磨損出現(xiàn)的一系列不規(guī)則的犁溝和材料剝離產(chǎn)生的凹陷以及材料黏著在表面形成的凸起，在摩擦運(yùn)動(dòng)中的作用類似于錘擊現(xiàn)象，使得摩擦過(guò)程產(chǎn)生不規(guī)則的振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)信號(hào)的某個(gè)或多個(gè)頻率特別是高頻成分達(dá)到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有頻率時(shí)，就會(huì)引發(fā)系統(tǒng)劇烈的自激振動(dòng)，從而產(chǎn)生高頻噪聲。該理論解釋了本次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的高頻頻率等于或接近一個(gè)特定值(7950 Hz)的現(xiàn)象，說(shuō)明本次實(shí)驗(yàn)中摩擦高頻噪聲符合摩擦系統(tǒng)自激振動(dòng)理論。

根據(jù)前文對(duì)摩擦噪聲產(chǎn)生原因的實(shí)驗(yàn)研究和分析可知，高頻摩擦噪聲多發(fā)生在相對(duì)滑動(dòng)速度低、接觸壓力較大以及摩擦因數(shù)-速度負(fù)斜率處，由此可以通過(guò)適當(dāng)改變摩擦副系統(tǒng)工作條件來(lái)抑制高頻噪聲的產(chǎn)生；另外，較大的表面粗糙度對(duì)高頻噪聲有明顯抑制作用，故可以對(duì)摩擦表面進(jìn)行處理，使其具有較大的表面粗糙度來(lái)抑制高頻噪聲的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

(1)高頻摩擦噪聲更傾向于在摩擦因數(shù)較大的位置發(fā)生，相對(duì)滑動(dòng)速度對(duì)摩擦因數(shù)的影響呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，而摩擦因數(shù)最大值的位置受接觸壓力影響。

(2)接觸壓力和相對(duì)滑動(dòng)速度的變化并不會(huì)對(duì)產(chǎn)生的高頻噪聲頻率大小造成影響；高頻噪聲聲壓級(jí)隨相對(duì)滑動(dòng)速度的變化和摩擦因數(shù)隨相對(duì)滑動(dòng)速度的變化有相似的趨勢(shì)，最高聲壓級(jí)的位置受接觸壓力影響。

(3)摩擦接觸表面的粗糙度可以影響摩擦高頻噪聲的產(chǎn)生與否，但并不會(huì)對(duì)產(chǎn)生的高頻噪聲頻率大小造成影響，高頻噪聲聲壓級(jí)隨表面粗糙度的增大呈現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)。

(4)切向和法向振動(dòng)加速度信號(hào)和摩擦噪聲聲壓信號(hào)在相位和幅值變化方面是對(duì)應(yīng)的，互相關(guān)分析結(jié)果表明法向振動(dòng)加速度信號(hào)和高頻摩擦噪聲聲壓信號(hào)的相關(guān)性更好；實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的高頻摩擦噪聲特性符合自激振動(dòng)理論。

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(編輯胡佳慧)

ExperimentalInvestigationintoFriction-inducedSquealofRotating-slidingFriction

MAI Yunfei1LIU Zhiliang1WANG Shuwen1DONG Bingyang2
1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai,200093 2.School of Publishing and Printing,Unitersity of Shanghai for Science and Technology,Shanghai,200093

For further studies of the formation mechanism of friction-induced squeal from a rotating-sliding friction system, a multifunctional friction testing machine was utilized to investigate the effects of sliding speeds, contact pressures and surface topographies on the squeal, by applying the single-factor experimental method. The experiments find that the friction-induced squeal occursed mostly at the conditions of a relatively low sliding speed, a large contact pressure and a negative coefficient- velocity slope. The relative sliding velocity, contact pressure and surface roughness might not affect the frequency of squeal, but the squeal intensity shows a significant downward trend with the increases of surface roughness. The cross-correlation analysis demonstrates a better correlation between the normal vibration acceleration signals and the squeal signals, which provides a reference for the further understanding of the formation mechanism and prediction model of friction-induced squeal.

friction-induced squeal; frictional coefficient; surface topography; self-motivated vibration

2017-04-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275126)；清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目(SKLTKF12B10)

TH117.3

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.18.008

麥云飛，男，1962年生。上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)槌芗庸ず途軠y(cè)試技術(shù)。發(fā)表論文30余篇。E-mail：m2005sh@163.com。劉志亮，男，1993年生。上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。王書(shū)文，男，1963年生。上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。董冰洋，男，1989年生。上海理工大學(xué)出版印刷學(xué)院實(shí)驗(yàn)師。