受限颗粒体影响混合摩擦非线性的力学机制

The high precision mechanical motion is affected by the frictional nonlinearity, which was the synthesis of the interaction between surface asperities, lubrication film and confined particles assembly. Due to the intrinsic discreteness, randomness, inhomogeneity of particles matter, the mechanism of confined particles affecting the mechanical motion still remain unclear. The applying project focuses on the confined particles assembly behavior in starved-oil lubrication interface of precise transmission. First, the friction behavior of sliding and rolling is tested, obtaining the time-variant characteristics of static and kinetic friction, identifying the nonlinearity parameters of tribology behaviors. Then, utilizing the force chain theory and multiscale simulation, the relation between the microscopic, mesoscopic mechanical properties of particles and macro frictional nonlinearity behaviors of machinery is built, revealing the effect of properties such as load carrying, friction and solid-liquid phase transition on the frictional nonlinearity process, then clarifying the coupling mechanical mechanism of confined particles assembly，asperities and lubricant film affecting mixed contact friction in rough interfaces. Finally, a friction model with confined particles assembly is established to realize the more accurate description and prediction of the friction nonlinearity of precision movement machine, then implemented in the rolling guide and the hydraulic slide guide of CNC machine tools. The application project can enrich the tribology theory with particles media, and provide support for further improving the positioning accuracy and low speed stability of mechanical motion.

摩擦非线性影响机械的高精度伺服运动，其特性受摩擦表面粗糙峰、润滑膜和界面颗粒体的综合作用影响。由于颗粒物质固有的非连续性、随机性和不均匀性，导致界面受限颗粒体对摩擦非线性的影响机制尚不清晰。本项目针对含受限颗粒体的乏油润滑精密传动界面，首先开展滑动与滚动摩擦试验，获得摩擦力时变特性，实现摩擦非线性参数的辨识。进而利用力链理论和有限元-离散元多尺度仿真，建立微、介观颗粒物质力学特性与宏观机械摩擦非线性行为的关联，揭示受限颗粒体承载、摩擦、类固-类液相变等特性对摩擦副非线性行为的力学影响规律，结合表面观察阐明受限颗粒体、粗糙峰和润滑膜对界面混合接触摩擦行为的耦合影响机制。最后，建立引入受限颗粒体的混合摩擦模型，实现精密运动机构摩擦非线性更精确的描述和预测，并在数控机床滚动导轨和液压滑动导轨中加以实施。研究成果可以丰富颗粒介质摩擦学理论，为进一步提高机械运动定位精度以及低速平稳性提供支撑。

摩擦非线性影响机械的高精度伺服运动，其特性受摩擦表面粗糙峰、润滑膜和界面颗粒体的综合作用影响。本项目针对含受限颗粒体的乏油润滑精密传动界面：1)建立了一个多接触干摩擦动力学模型，用此模型预测了静摩擦力和静止接触时间的对数关系，以及迟滞效应中切向刚度和压力之间的关系。在此Iwan-type模型的基础上，引入Horng受限颗粒体摩擦模型计算受限颗粒体产生的摩擦力，并结合元胞自动机理论，建立了一个考虑受限颗粒体的多接触干摩擦动力学模型。2)建立了一个硬受限颗粒体摩擦模型，研究了两表面间距、颗粒粒径、以及织构尺寸等参数对平均摩擦力的影响。再根据前人的软颗粒理论，进一步考虑了颗粒的高度和颗粒的直径分布函数对颗粒载荷的影响，并进一步分析了软颗粒模型和硬颗粒模型的性质差异。3)设计了含受限颗粒体的弹簧-滑块-传送带摩擦实验，研究了摩擦力-速度关系为负斜率关系，以及相同条件下多次实验得到的平均摩擦力之间的差异；以实验结果为依据，通过FEM模拟探究了受限颗粒体引发摩擦力非线性的机理。设计了两转盘剪切受限颗粒流实验，研究了摩擦系数和速度、压力之间的关系，以及摩擦力的时变特性；用FEM-DEM耦合法探究了颗粒的介观行为对摩擦力和不同参数之间关系的影响。4)建立了一个考虑制动片切向和径向振动，制动盘扭转和摆动的盘-块摩擦副干摩擦模型。研究了径向刚度对制动片振动非线性的影响，以及制动盘的摆动非线性特征。以此干摩擦模型为基础，提出了一个颗粒高度分布随机变化模型，重点探究颗粒高度随时步发生随机变化对盘-块摩擦副的稳定性的影响。5)建立了一个导轨-滑块动力学模型，研究了在不同速度下滑块的振动非线性特征。进一步结合精密机床导轨试验引入受限颗粒摩擦模型，研究了含有受限颗粒体情况下滑块的动力学特性，及其和接触状态转变之间的内在联系。研究成果对服役寿命中后期和粉尘工作环境的机床定位运动部件有较强的参考价值，同时对通用机械精密运动部件的稳定性研究也有参考价值。