基于Abaqus的滑动干摩擦下噪声试验与分析

谢 汝

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)



基于Abaqus的滑动干摩擦下噪声试验与分析

谢 汝

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

为深入探讨金属在滑动干摩擦条件下噪声的产生机理，了解滑动速度、加载压力、高频噪声间的关系，研究基于Plint TE-92多功能摩擦磨损实验机，通过试验研究了金属间(A3 & 45#钢)的滑动干摩擦，收集产生的噪声。并建立模型，运用Abaqus进行有限元仿真分析。分析结果表明，加载压力、相对滑动速度是影响高频摩擦噪声的重要因素。摩擦高频噪声易发生在相对滑动速度较低、大加载压力的工况下。A3 & 45#钢滑动干摩擦下产生的高频摩擦噪声均在7 kHz以上，验证了干摩擦条件下，摩擦副的模态耦合导致高频摩擦噪声的产生。

滑动干摩擦；高频摩擦噪声；滑动速度；模态分析

摩擦是指接触面之间的这种普遍现象。由于两个相互接触的物体发生相对运动，摩擦系统会产生自激振动并向周围辐射的频率和声压都不规则变化的声音，如走路时的咯吱声，汽车刹车时的尖叫声等。当声音频率高于1 kHz时，既产生了噪声污染，还会影响系统的各方面性能。因此，研究摩擦引起的高频噪声机理，预测并抑制高频噪声的产生一直是摩擦领域研究的重点和难点[1-2]。国内外大部分研究学相继提出了各种摩擦噪声理论模型，其中模态耦合理论，黏着-滑动理论，摩擦力-相对滑动速度负斜率理论，自锁-滑动理论，锤击理论等受到部分学者的验证与认可，但这些理论并没有解释摩擦系统产生的噪声情况，目前还没有一个公认的内在机理[3-11]。

本研究基于Plint TE - 92多功能摩擦磨损实验机，研究了A3 & 45# 钢摩擦副，在滑动干摩擦条件下产生的高频摩擦噪声，基于Abaqus模态分析，对滑动摩擦引起的高频摩擦噪声机理的进行研究和探讨。

1 实验部分

1.1 实验设备和实验试样

实验设备为Plint TE - 92多功能摩擦磨损实验机，如图1所示。此实验机拥有带力传感器反馈的伺服控制低惯量气动加载系统，带编码反馈的矢量控制速度马达,电磁离合器快速启动系统，带Superslim系列接口界面的控制与数据采集软件，有多种摩擦接触形式选择，可对实验的速度及压力进行控制与记录。噪声测量设备为INV9206型声压传感器。其频率范围为20 Hz ～ 20 kHz. 噪声信号分析设备为北京东方振动噪声技术研究所研发的Dasp智能数据采集分析仪，该分析仪可将噪声信号进行功率谱分析和相关函数分析等，实时获得对应的摩擦噪声频率和声压。

实验试样如图2所示。其中上试样为动试样，下试样为静试样，摩擦圆环的内外直径分别为25.4 mm和28.5 mm，摩擦接触面积为131.2 mm2。上试样通过夹具与主轴相连，通过主轴来带动上试样按实验设计的速度旋转，下试样通过家具安装在升降平台上，可上下移动，平台下方的气动加载装置来施加载荷,从而实现上下试样面-面旋转式滑动摩擦。

图1 Plint TE - 92 摩擦磨损实验机原理图

图2 上下试样示意图

1.2 实验方法

上试样材料为A3，下试样材料为45#钢，其机械特性如表1所示。加载压力依次为150 N, 175 N, 200 N。每种加载压力下的相对滑动速度依次为0.14 m/s, 0.28 m/s, 0.42 m/s, 0.56 m/s, 0.84 m/s, 1.12 m/s, 1.4 m/s, 1.68 m/s, 1.96 m/s, 2.24 m/s, 2.52 m/s, 2.8 m/s，达到设定的正压力和速度且摩擦状态稳定后，开始记录20 s内的摩擦噪声。选取4组完全相同的摩擦副进行重复性实验，在实验开始前所有试样均放入酒精或丙酮中进行超声波清洗。

表1 试样机械特性

1.3 实验结果

分析发现，在相同工况下4组相同摩擦副在加载压力为150 N, 175 N, 200 N共3种情况下，均产生高频噪声,如表2所示。4组摩擦副产生的高频噪声频率值相差不大，高频频率基本集中约在7 600 Hz, 7 950 Hz, 9 200 Hz, 14.45 kHz, 15.3 kHz, 18.45 kHz。如图3所示，加载压力为150 N, 滑动速度为0.28 m/s时，出现9 200 Hz的高频噪声。加载压力为175 N, 滑动速度为0.42 m/s时，出现噪声高频频率7 850 Hz, 9 200 Hz, 18.45 kHz，加载压力为200 N, 滑动速度为0.28 m/s时，出现高频噪声频率9 200 Hz. 在不同的加载压力下，均表现为在相对滑动速度为0.14 m/s, 0.28 m/s, 0.42 m/s, 0.56 m/s, 0.84 m/s, 1.12 m/s，滑动速度相对较低时易于出现高频摩擦噪声，当滑动速度继续增大时均未出现高频噪声。并且，当加载压力为200 N时，产生的高频噪声声压值较大，产生的高频噪声频率也较大。高频噪声出现的频率主要集中在7 950 Hz和9 200 Hz。

表2 摩擦引起的高频噪声频率

图3 噪声频率与声压间的关系图

2 有限元模态分析

模态是机械结构的固有振动特性，不受外界因素的影响，每一个模态有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题

[K] {φi}=[ωi]2[M]{φi}

(1)

其中，[K], {φi},ωi, [M]分别为系统刚度矩阵。

Abaqus 拥有一个丰富的单元库可以模拟任何复杂结构的几何外形，还提供一个拥有多种材料类型的材料库用以模拟包括金属、橡胶等材料特性[12-15]。Abaqus有限元模态分析，是采用Lanczos法提取特征值。建立上下试样三维模型，试样的几何尺寸、性能参数，接触方式均通过测量获得，并与实验参数一致。分析试样的自由模态，在设置模型时不受任何约束条件，所以分析结果的前6阶固有频率为0 Hz。这6阶模态为系统刚体模态，表示的是6个自由度方向的刚体位移，模态从第7阶开始。如图4所示，由于篇幅原因列出了获得的部分模态振型图。分析得到，上试样的第9阶垂向模态频率为29 949 Hz，与下试样的第9阶垂向模态频率29 809 Hz接近。上试样的第10阶垂向模态频率为30 170 Hz，与下试样的第9阶垂向模态频率30 123 Hz接近。分析认为，这两阶垂向接近的模态在摩擦实验中易于发生共振，引起摩擦模态耦合，摩擦耦合破坏了系统的稳定性，使得摩擦副上试样和下试样两个频率值接近的模态相互作用，在摩擦自激振荡的诱发下产生高频摩擦噪声。同时摩擦副的两个不稳定模态中，上下试样这两个不稳定模态都是垂向模态，分析认为，高频摩擦噪声垂向振动有密切关系。

图4 摩擦副系统各阶振型图

3 结束语

(1)摩擦高频噪声易于发生在相对滑动速度较低、大正压力的工况下；(2)A3 & 45#摩擦副，在面-面接触旋转式滑动干摩擦件下，产生的高频摩擦噪声均在7 kHz以上，且集中在7 950 Hz和9 200 Hz，能量分布较为集中；(3)本文从实验和有限元模态分析两方面，较好地验证了摩擦副模态耦合会引起的系统结构不稳定性， 进而导致高频摩擦噪声的产生，对解释高频噪声产生的机理具有积极意义；(4)实验采用的A3 & 45#钢材料，面-面滑动干摩擦条件，不具有通用性，只能从某个角度解释摩擦高频噪声发生机理，后续还需采用更多种材料和实验条件。

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Frictional Noise Test and FEA for Dry Sliding Friction Based on Abaqus

XIE Ru

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

This article studies the mechanism of noise under metal dry sliding friction and the relationship between the positive pressure, sliding speed and high-frequency noise. Based on the Plint TE-92 multifunction friction and wear tester, experiments on metal (A3 & 45# steel) sliding dry friction are made and the noise is obtained. The model is built, and the Abaqus modal analysis shows that the positive pressure and sliding speed are the important factors influencing the friction high-frequency noise. Frictional high-frequency noise is easy to occur when the relative sliding velocity is lower, and normal pressure is enough. For the friction pair A3 & 45# steel, the frequency of friction high - frequency noise is greater than 7 kHz. This paper verifies that the modal coupling of friction pair causes high-frequency friction noise.

dry sliding friction; frictional high-frequency noise; sliding speed; modal analysis

2016- 09- 03

谢汝(1990-)，男，硕士研究生。研究方向:机械电子等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.021

TH117.1

A

1007-7820(2017)07-076-04