概述機(jī)械結(jié)合面切向接觸參數(shù)原理

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1、概述機(jī)械結(jié)合面切向接觸參數(shù)原理第一章緒論1.1課題研究背景各種各樣的機(jī)器與機(jī)械結(jié)構(gòu)總是由許多的零部件按照特定的功能要求組合起來(lái)的，我們把零部件之間的相互接觸的表面稱(chēng)為機(jī)械結(jié)合面，簡(jiǎn)稱(chēng)結(jié)合面[1]。按照結(jié)合面的結(jié)構(gòu)和形狀，可以將結(jié)合面分為平面結(jié)合面與曲面結(jié)合面。由于結(jié)合面在機(jī)械結(jié)構(gòu)中的大量存在，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)中力的傳遞必然要經(jīng)過(guò)其中的各種結(jié)合面。當(dāng)受到動(dòng)載荷的作用時(shí)，結(jié)合面間就會(huì)產(chǎn)生微小的相對(duì)位移，使得結(jié)合面不僅存儲(chǔ)能量并且消耗能量，表現(xiàn)為既有阻尼又有剛度，即存在著接觸阻尼和接觸剛度。通常狀況下，機(jī)床中的結(jié)合面接觸剛度大

2、致占機(jī)床總剛度的60%~80%。所以，在研究機(jī)械結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性時(shí)，必須要充分考慮到結(jié)合面接觸剛度。像機(jī)床、齒輪箱、動(dòng)力機(jī)械等機(jī)械結(jié)構(gòu)，其總阻尼的90%以上來(lái)自于結(jié)合面接觸阻尼。與機(jī)械零件本身阻尼相比，結(jié)合面的接觸阻尼相對(duì)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。所以，從力學(xué)角度來(lái)分析結(jié)合面問(wèn)題的時(shí)候，它與機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)特性以及振動(dòng)與振動(dòng)控制都存在著十分緊密的關(guān)系。然而，人們到目前還沒(méi)能夠完全解決結(jié)合面的理論建模和結(jié)合面對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的影響，其原因主要是結(jié)合面存在著很多十分復(fù)雜的影響因素，這些因素主要有結(jié)合面材質(zhì)、加工方法、加工質(zhì)量、介質(zhì)狀況、法

3、向面壓、動(dòng)載荷性質(zhì)、振動(dòng)頻率和結(jié)構(gòu)類(lèi)型等。總之，對(duì)結(jié)合面靜動(dòng)態(tài)特性的研究不管從基礎(chǔ)理論方面還是從實(shí)際應(yīng)用方面上都具有十分重要的意義。1.2機(jī)械結(jié)合面研究現(xiàn)狀有關(guān)機(jī)械結(jié)合面問(wèn)題的研究，總的來(lái)說(shuō)由以下四個(gè)方面組成，即機(jī)械結(jié)合面基礎(chǔ)理論的研究、機(jī)械結(jié)合面靜動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)的研究、機(jī)械結(jié)合面靜動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的識(shí)別研究以及機(jī)械結(jié)合面的應(yīng)用技術(shù)研究。本文則主要闡述機(jī)械結(jié)合面基礎(chǔ)理論研究相關(guān)內(nèi)容。1.2.1機(jī)械結(jié)合面基礎(chǔ)理論研究的主要內(nèi)容結(jié)合面問(wèn)題從本質(zhì)上講是粗糙表面間的接觸問(wèn)題，而粗糙表面的接觸問(wèn)題歸結(jié)到最終即為界面間的微凸體的非協(xié)調(diào)

4、接觸問(wèn)題。在微觀接觸理論研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)展到更有實(shí)際參考意義的結(jié)合面接觸剛度、接觸阻尼、靜摩擦系數(shù)、熱接觸阻抗、電接觸阻抗以及摩擦磨損潤(rùn)滑等領(lǐng)域的具體研究。非協(xié)調(diào)表面接觸力學(xué)問(wèn)題中表面互相不協(xié)調(diào)的物體的接觸應(yīng)力構(gòu)成局部應(yīng)力集中，對(duì)它的研究與兩個(gè)物體體內(nèi)的應(yīng)力無(wú)關(guān)。Hertz很清楚地意識(shí)到這一事實(shí)。他寫(xiě)道：我們能夠?qū)⑽覀兊淖⒁饬ο拗朴诿恳粋€(gè)物體中非常接近接觸點(diǎn)的那一部分，因?yàn)檫@里的應(yīng)力與發(fā)生在其他各處的應(yīng)力相比非常大，因而他們依賴(lài)于作用在物體其他部分上的力的程度最小。工程實(shí)際中經(jīng)常遇到的相關(guān)課題主要包括Hertz

5、接觸理論及非Hertz接觸理論、非彈性體接觸、滑動(dòng)接觸、滾動(dòng)接觸、輾壓與潤(rùn)滑以及粗糙表面、動(dòng)力效應(yīng)與撞擊、熱彈性接觸等。在討論中通常會(huì)用到彈性力學(xué)、粘彈性力學(xué)和塑性力學(xué)的基本理論和方法。第二章粗糙表面接觸分形理論2.1粗糙表面形貌及分形表征2.1.1粗糙表面的形貌表面形貌一般指物體表面的幾何結(jié)構(gòu)。機(jī)器設(shè)備的具體性能，例如摩擦、磨損、潤(rùn)滑、振動(dòng)噪聲、密封、配合性質(zhì)、疲勞、腐蝕、涂層質(zhì)量、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、反射性質(zhì)等都和表面形貌有密切關(guān)系。廣義上講，表面形貌主要包括粗糙度、波紋度、形狀誤差以及紋理四大方面。當(dāng)它應(yīng)用于接觸問(wèn)

6、題時(shí)則主要研究微米量級(jí)范圍幾何結(jié)構(gòu)對(duì)接觸剛度和接觸阻尼等特性的研究。摩擦學(xué)主要研究固體表面之下只有幾毫米的表層中的應(yīng)力分布，因此往往將上述固體看成以無(wú)限大平面為界、充滿半個(gè)空間的半無(wú)限固體，這樣能夠簡(jiǎn)化問(wèn)題，集中分析兩個(gè)固體接觸的細(xì)節(jié)，而不必顧及這兩個(gè)固體的形狀和大小。2.1.2粗糙表面形貌分形表征對(duì)表面形貌特征做定量的描述，在解決有關(guān)接觸問(wèn)題時(shí)是極其重要的。通常固體的表面接觸時(shí)不連續(xù)的，并且真實(shí)接觸區(qū)域只是名義接觸區(qū)域的一小部分，通過(guò)凹凸不平處的塑性變形把初始粗糙表面弄平是不容易的。例如，車(chē)床刀具在韌性壓縮試樣的名

7、義平端面上所產(chǎn)生的鋸齒刻痕將被試驗(yàn)機(jī)堅(jiān)硬的平壓板塑性地壓平。它們就像塑性楔體那樣，在接觸壓力近似等于3Y時(shí)發(fā)生塑性變形，此處Y是材料的屈服應(yīng)力。在名義壓力為Y時(shí)，試樣作為一個(gè)整體將發(fā)生整個(gè)屈服。因此試驗(yàn)機(jī)壓板和試樣之間的真實(shí)接觸面積與名義接觸面積之最大比值約為三分之一。受擠壓的凹凸不平部位的應(yīng)變強(qiáng)化將使得該比值進(jìn)一步減小。(1)分形幾何學(xué)與分形維數(shù)自然界是千姿百態(tài)、變幻無(wú)常的，存在著許許多多自然現(xiàn)象與物體形狀，比如高低起伏的山脈、曲折蜿蜒的海岸線、空氣中的粉塵、樹(shù)葉的脈絡(luò)、布朗運(yùn)動(dòng)、微觀分子與原子不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)軌跡等等

8、。利用傳統(tǒng)的歐氏幾何學(xué)（EuclideanGeometry）已經(jīng)無(wú)法描述這些復(fù)雜的現(xiàn)象和形狀特征。歐氏幾何學(xué)中，定義物體的維數(shù)采用的是坐標(biāo)數(shù)目。圖形最基本的不變量就是維數(shù)，傳統(tǒng)的歐氏幾何在描述有序的幾何形狀點(diǎn)、線、面、體時(shí)，采用的維數(shù)分別為0、1、2、3，測(cè)量有序幾何形狀大小時(shí)發(fā)現(xiàn)，只是與其維數(shù)有關(guān)，而與測(cè)量時(shí)使用的尺度無(wú)關(guān)。自然界中，具有大尺