基于Stribeck模型的摩擦界面粘滑振动数值仿真分析

来源:用户上传      作者:陈超山 谢国进 卢敏 黄斌

　　摘 要：针对机械装备摩擦系统中普遍存在的粘滑振动现象，建立考虑界面接触行为的4自由度摩擦自激振动模型，讨论Stribeck摩擦模型、界面接触行为和外部输入对摩擦系统粘滑振动的影响。结果表明，Stribeck摩擦模型的静摩擦系数及衰减系数能够影响摩擦系统粘滑振动的强度及运动相图空间的大小，但二者对摩擦系统的频域特性未产生明显影响;摩擦系统的粘滑振动随着接触刚度先增大后减小，运动相图逐渐趋于单周期运动，且接触刚度的变化改变了摩擦系统的频域特性;压力及滑动速度作为外部载荷，二者能够影响摩擦系统的粘滑振动强度、运动相图空间以及频域特性。
　　关键词：摩擦自激振动;粘滑振动;Stribeck摩擦模型;数值分析;有限元仿真
　　中图分类号：TH117.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2022）23-0001-08
　　Abstract： Aiming at the stick-slip vibration in the friction system of mechanical equipment， the 4-degree-of-freedom friction-induced vibration model was established. The influence of Stribeck friction model， interface contact behavior and external input on the stick-slip vibration of the friction system was discussed. The results show that the static friction coefficient and attenuation coefficient of Stribeck friction model can influence on the strength of stick-slip vibration and the size of the motion phase diagram space of the friction system. However， these parameters have no obvious influence on the frequency domain characteristics of the friction system， the stick-slip vibration of the friction system increases at first and then decreases with the contact stiffness， the motion phase diagram gradually tends to single periodic motion， and the change of the contact stiffness changes the frequency domain characteristics of the friction system. As external loads， pressure and sliding velocity can affect the stick-slip vibration intensity， phase diagram space and frequency domain characteristics of the friction system.
　　Keywords： friction self-excited vibration; stick-slip vibration; Stribeck friction model; numerical analysis; finite element simulation
　　粘滑振动（stick-slip vibration）作为一种典型的非光滑振动，主要是由于摩擦界面动、静摩擦系数数值不同而发生的“运动―静止―运动―静止”的摩擦现象。粘滑振动广泛存在于含有摩擦副的各类机械系统中，尤其是低相对滑动速度、高外部作用载荷条件下[1]。粘滑振动导致机械系统颤振和极限环振荡，并由其引起系统的不稳定振动，带来诸如低鸣噪声（如汽车制动器[2]）、降低加工精度（如机床[3]）等严重问题。因此，全面、系统地研究摩擦系统的粘滑振动发生机理及其关键影响因素，对于提高含有摩擦的机械系统的工作性能具有重要的工程指导价值。
　　目前，国内外研究人员对振动摩擦系统中的粘滑振动现象开展了许多理论研究和试验研究工作，有效促进人们对于粘滑振动的认识。在理论研究方面，Papangelo等[4]建立了单自由度摩擦模型，并以传送带滑动速度作为分岔参数，采用数值计算方法绘制了传送带滑动速度作用下的摩擦系统分岔图，且采用标准线性稳定性分析和非线性稳定性分析讨论了大扰动下的摩擦系统的振动特性。Wei等[5]建立了汽车制动系统双层制动片结构的动力学模型，讨论了制动片质量和连接刚度对系统稳定性的影响，以及不同外部压力作用下系统的非线性行为和粘滑振动响应。Marín等[6]利用数值仿真分析软件，讨论了单自由度模型和二自由度模型中主要参数对粘滑振动相平面和相空间运动的影响规律。张立军等[7]采用有限元方法建立了汽车盘式制动器的有限元模型，讨论了蠕动颤振发生时汽车制动器的非线性动力学特性。阎俊等[8]以典型的含结合面干摩擦振动系统为研究对象，建立了含多尺度粘滑干摩擦模型的系统模型，讨论了谐波激励下摩擦振动系统的非线性行为。
　　在试验研究方面，Park等[9]采用1∶5缩比试验装置开展了制动界面接触平台大小及分布对制动器粘滑振动的影响研究，发现接触平台对粘滑振动的强度及频率均具有显著影响。Gweon等[10]采用试验方式研究了制动片摩擦材料中玻璃w维分布情况对粘滑振动的影响，发现含有研磨玻璃纤维的摩擦材料具有较高的摩擦系数、高磨损系数和更大的振荡振幅。张立军等[11]以某乘用车为研究对象，开展了常规平路起步和坡道空挡起步工况下汽车制动颤振试验研究，并对汽车制动器粘滑振动的关键影响因素进行了分析和讨论。滕学清等[12]采用ESM钻柱振动测量工具测量了某超深井井下钻柱的三向振动加速度信号，并采用信号处理方法对粘滑振动特征进行提取，讨论了井下钻柱的粘滑振动行为。

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