基于弹性振子模型的界面摩擦黏滑行为研究

【摘要】随着微机电系统和储存装置的发展,越来越多的机械系统运转部件处于界面摩擦状态,微观摩擦行为不仅影响系统的使用性能,同时也将影响系统的使用寿命。由于微观摩擦状态的摩擦特性与宏观摩擦状态的摩擦特性显著不同,因此,对微观摩擦行为的研究与控制变得尤为重要。本文通过建立微观摩擦模型,主要分析了滑动速度、材料参数、等重要参数对界面摩擦黏滑行为的影响。首先,基于能量非连续耗散观点,建立了界面摩擦黏滑行为的动力学模型,仿真计算表明：黏滑行为不仅与原子间横向刚度系数、原子质量与晶格常数等系统内部参数有关,而且还与滑动部件的质量、滑动速度等外界参数有关。材料的原子间横向刚度系数、原子质量、晶格常数、滑动机构质量越小、相对滑动速度越大,黏滑行为越显著。然后,基于Lennard-Jones(L-J)势理论,建立了界面摩擦黏滑行为的非线弹性振子模型。仿真计算表明：摩擦界面单个原子受到的激励力与原子间作用势及晶格常数有关,质块的黏滑行为与激励力、相对滑动速度、质块质量、系统刚度系数、阻尼系数及真实接触面积等内外因素有关。相对滑动速度或真实接触面积增大时,黏滑强度增强,而质块质量、系统刚度系数、系统阻尼系数增大时,黏滑强度减弱；系统刚度系数、系统阻尼系数增大时,黏滑频率增大,而质块质量增大时,黏滑频率减小；真实接触面积对黏滑频率的影响不显著。随后,基于摩擦界面微结构与界面温度的关系,建立了界面摩擦过程中界面原子热振动的温升模型。研究结论表明：考虑原子质量单因素时,原子质量的变化抑制了摩擦界面温升,且界面温度愈高抑制作用愈显著；综合考虑原子质量及原子固有频率影响因素时,在相对滑动速度较小且界面温度较低的情况下,原子质量的变化对摩擦学激活作用很小,而在相对滑动速度较高且界面温度较高时,原子质量对摩擦界面的温升具有较为明显的正向激活作用；晶格常数随温度变化的特性对摩擦学过程具有反向抑制作用,且摩擦界面晶体热膨胀系数越大,其抑制作用愈显著。最后利用原子力显微镜实验分析了云母、单晶硅片以及石英在界面摩擦条件下表面摩擦力的变化规律,通过实验结果与本文所提理论结论的对比,证明所提出的理论和方法可行。
【作者】彭远征；
【导师】龚中良；
【作者基本信息】中南林业科技大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】界面摩擦；黏滑；非线弹性振子模型；

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