沟槽形表面织构对摩擦噪声的影响

    ０　引言

    摩擦振动和噪声是电机驱动系统、机床驱动系统和轨道运输系统等发生摩擦滑动系统常常遇到的问题，一直以来摩擦学的研究内容主要集中在这些系统的材料摩擦磨损方面，而对摩擦振动和噪声问题的研究相对较少。因此，研究摩擦噪声的形成机理及其控制具有重要意义［１－２］。摩擦界面特性是影响摩擦噪声的关键因素，国外学者［３］对不同的摩擦接触方式进行研究，得出摩擦噪声声压级Ｌｐ与表面粗糙度Ｒａ的关系式为Ｌｐ（ｄＢ）～２０ｌｇＲａｎ（ｎ取０．２５～１．２）。瑞 典 学 者Ｈａｍｍｅｒｓｔｒｏｍ等［４］在制动盘表面选择性地进行图案化喷砂处理，尽管增加了局部表面的粗糙度，但是达到了降低尖叫噪声的效果。由此可见，摩擦界面特性与摩擦噪声有着显著的关系。但目前关于接触表面形貌对摩擦噪声影响的研究报道较少［２－６］，且主要集中在考察表面粗度对摩擦噪声的影响方面，而关于表面织构对摩擦噪声影响的研究几乎未见报道［３，７－８］。

    表面织构是指在摩擦副表面通过一定的加工技术加工出具有一定尺寸和排列的沟槽、凹坑或凸包等图案的点阵。已有研究表明表面织构对摩擦界面摩擦特性具有明显的影响［９－１４］，然而这些究主要通过常规摩擦学试验来考察表面织构的摩擦学性能，并没有从摩擦振动和噪声的角度对表面织构影响摩擦界面行为进行研究，因此开展表面织构对摩擦噪声影响的研究工作具有重要的创新性。为了研究沟槽形表面织构对界面摩擦噪声的影响，本文在列车制动盘铸铁材料上制备出沟槽形的表面织构，并将其和光滑表面进行摩擦噪声对比试验，考察沟槽形表面织构存在对界面摩擦振动噪声的影响。

    １　试验设备及参数

    １．１　摩擦学试验装置和试验参数

    本研究使用的试验装置如图１所示。摩擦学试验在美国ＣＥＴＲ　ＵＭＴ－３多功能摩擦磨损机上进行，采用“球－平面”接触方式。平面材料为列车制动盘蠕墨铸铁（无热处理，硬度为ＨＶ０．０５２４０，表面粗糙度Ｒａ＝０．０４Ｅ＝１５８ＧＰａ），尺寸为１０ｍｍ×１０ｍｍ×２０ｍｍ，在平面样品的表面用电火花加工出沟槽形表面织构，深３０μｍμ、间距为５００μｍ。对磨球为直径１０ｍｍ的Ｓｉ３Ｎ４陶瓷球（硬度为ＨＶ０．０５１８００，表面粗糙度Ｒａ＝０．０２μｍ，弹性模量Ｅ＝３１０ＧＰａ）。试验的主要参数为：往复行程Ｄ＝４ｍｍ；频率ｆ＝０．２Ｈｚ；法向载荷Ｆ３Ｎ、５Ｎ、１０Ｎ、２０Ｎ；试验环境条件为大气下干态（温度为２０～２５℃，相ＲＨ　６０％±１０％）。