表面织构对界面接触参数影响的实验研究

    ０　引言

    接触刚度和接触阻尼是影响机械系统振动水平的两个重要动力学参数，怎么去测量及控制界面的接触刚度和接触阻尼始终是一个值得关注的研究话题，对此很多学者进行过研究。饶柱石等人［１］曾对粗糙平面的接触刚度进行研究，得出接触载荷越大，接触刚度越大的结论。李辉光等人［２］研究发现，界面的法向接触刚度随压力的增加先增大后减小；界面切向接触刚度随法向载荷和摩擦系数的增加而增加，随切向载荷的增加而减小。张学良等人［３］对联接平面切向接触阻尼进行过仿真研究，得出结合面法向载荷越大，接触阻尼越小的结论。目前的研究仅限于对接触刚度和接触阻尼的测量及计算，对接触刚度和接触阻尼的主动控制主要通过材料的选用来实现，例如利用形状记忆合金镶条对滑动副的接触刚度和阻尼进行控制［４］。接触刚度和阻尼的控制，除了通过材料设计，还可以通过结构设计来实现。

    近年来，表面织构技术成为一个研究热点。所谓织构，就是在物体的表面加工出有一定规律的沟槽或凹坑，使这些加工后的表面有着和之前的光滑表面不同的物理属性。譬如具有荷叶表面织构的表面具有超疏水的特性，具有壁虎脚掌表面织构的表面具有很强的粘附特性等。Ｕｌｒｉｋａ等人［５］研究得出表面织构可影响接触表面的磨擦磨损性能。万轶等人［６］分析了表面织构的形状、密度对磨损机理的影响。Ａｒｇｈｉｒ等［７］建模分析了带表面织构的密封环的接触刚度和接触阻尼。这些文献表明表面织构将会对表面刚度和阻尼产生影响，但此影响还未被系统地研究过，因此本文的目的是通过实验研究织构对接触刚度和阻尼产生的影响，从而探索如何通过控制表面织构来控制接触界面的刚度和阻尼。

    １　实验方法

    １．１　实验装置

    本文拟在不同表面织构情况下对界面接触刚度和接触阻尼进行间接测量，以调查其影响大小和影响方式。接触刚度和接触阻尼的测量采用接触谐振法，即在一定的预载荷情况下给接触界面施加一个法向冲击。由于界面的接触刚度对应一个接触谐振频率，这个频率在冲击激发的振动频谱上体现为一个峰值，然后利用特征值实现算法（ＥＲＡ）对产生的振动信号进行识别，可得出该载荷下的接触谐振频率及对应的接触阻尼，接触刚度可以由接触谐振频率反推得到。

    实验装置示意如图１（ａ）所示。旋转微米计给接触界面施加载荷，载荷的大小由贴在管簧上的应变片及与应变片连接的应变仪测得。在达到预定载荷后，通过释放一根穿过中空管的钢棒给接触界面施加法向冲击。在上质量块的上表面有两个加速度传感器，由采集到的加速度数据处理得到接触谐振频率和系统频率，由ＥＲＡ分析直接得到特征频率对应的接触阻尼，然后根据实验系统的动力学模型计算得到接触界面的刚度。实验装置的简化模型如图１（ｂ）所示。