基于界面調控的摩擦系統減振降噪方法

王 權， 王安宇， 吳元科， 尹家寶， 項載毓， 莫繼良

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031；2.西南交通大學 軌道交通運維技術與裝備四川省重點實驗室，成都 610031；3.四川航天職業技術學院 飛行器制造系，成都 610100)

摩擦引起的振動和噪聲現象廣泛存在于各種機械系統中，如齒輪傳動系統[1]、軸承系統[2]、輪軌系統[3]、制動系統[4-5]等。摩擦振動會加速摩擦副表面材料的磨損及零部件的失效，嚴重影響機械系統的可靠性及服役壽命，造成高額的維修費用甚至帶來巨大的經濟損失[6-7]。同時，強烈的振動會使系統對外輻射高頻率、高強度的噪聲，嚴重影響周邊人的身心健康[8-10]。因此，尋求抑制摩擦振動及降低噪聲的方法具有重要意義。

目前，國內外眾多學者從調控摩擦界面的角度出發，在抑制摩擦振動及噪聲方面取得了大量的研究成果，大致可將這些基于摩擦界面調控減小振動及噪聲的方法分為兩種:一種是直接改變摩擦接觸界面特征(直接調控)，如對摩擦副表面進行織構化處理[11-13]、改變摩擦副材料[14-15]、優化摩擦界面幾何參數[16-17]等；另一種是在摩擦副背面添加阻尼元件[18-19],從而影響界面摩擦學行為(間接調控)。但大多數成果都只研究了單一界面調控方法對摩擦振動及噪聲的影響，而沒有進一步探索幾種界面調控方法組合后對摩擦振動及噪聲的作用效果。因此，研究不同界面調控方法的組合(組合調控)對摩擦振動及噪聲的影響，并揭示其作用機理具有重要的理論研究及工程指導意義。

本研究通過在不具有界面調控的摩擦副背面安裝阻尼元件、摩擦副表面加工溝槽型織構以及摩擦副背面安裝阻尼元件且摩擦副表面加工溝槽型織構的方式，分別得到了阻尼元件單獨調控、溝槽型織構單獨調控以及阻尼元件和溝槽型織構組合調控摩擦界面的摩擦系統。然后對以上三種具有不同界面調控方法的摩擦系統以及不具有界面調控的摩擦系統進行摩擦振動噪聲試驗，并采用有限元方法和摩擦界面壓力測試做進一步分析。結合試驗結果與理論分析對三種具有不同界面調控方法的摩擦系統影響摩擦振動噪聲的機理進行了深入探討，分析結果可為抑制摩擦振動和噪聲提供新思路，并且對改善界面磨損特征，提高摩擦系統穩定性具有一定理論指導意義。

1 試驗準備

1.1 試驗裝置

為研究摩擦界面不同調控方法對摩擦振動及噪聲的影響，在自行搭建的摩擦振動噪聲試驗臺上進行拖曳試驗。圖1為試驗臺結構示意圖，該試驗裝置主要由控制系統、驅動系統、加載系統、摩擦系統、支撐系統、信號采集分析系統組成。控制系統通過控制伺服電機驅動摩擦盤旋轉，并控制加載系統推動摩擦塊與摩擦盤接觸產生摩擦力。法向力、徑向力、摩擦力信號由三維力傳感器監測，振動加速度信號由安裝在夾具上的三向加速度傳感器監測，麥克風放置在離摩擦界面約100 mm處，用于捕獲聲壓信號。設備參數信息如表1所示。所有動態信號均傳輸至振動噪聲測量分析儀實現同步采集，并做進一步分析。

圖1 試驗臺結構示意圖

表1 設備參數

1.2 試驗樣品及試驗條件

圖2為試驗樣品尺寸及四種不同摩擦系統組成示意圖。在本次試驗中，摩擦塊材料是高速列車制動片銅基粉末冶金，外形尺寸為30 mm×20 mm×20 mm，摩擦塊表面的溝槽型織構采用數控加工，溝槽寬度為2 mm，溝槽深度為0.3 mm。阻尼元件選用丁苯橡膠，其外形尺寸為30 mm×20 mm×5 mm。摩擦盤的材料為Q345鋼，外徑360 mm，內徑65 mm，盤的厚度為16 mm。

圖2 試驗樣品尺寸及四種不同摩擦系統組成示意圖

本次試驗所需要的四種摩擦系統分別為：原始系統，由不具有界面調控行為的未加工溝槽型織構的摩擦塊構成；阻尼調控系統，由未加工溝槽型織構的摩擦塊及其背面對摩擦界面具有間接調控行為的阻尼元件組成；溝槽調控系統，由對摩擦界面具有直接調控行為的加工有溝槽型織構的摩擦塊構成；阻尼+溝槽調控系統，由加工有溝槽型織構的摩擦塊及其背面的阻尼元件組成。阻尼元件放置在摩擦塊與夾具之間，摩擦塊幾何中心到摩擦盤轉動中心的距離(摩擦半徑)為120 mm。

為保證試驗過程中摩擦界面貼合良好，在正式試驗前摩擦塊應充分跑合。正式試驗時，摩擦盤轉速為75 r/min，法向力為500 N，環境溫度控制在20～25 ℃，相對濕度控制在(60±10)%。為保證測試結果的重復性和可靠性，對每組試驗重復進行四次，每次測試時間為60 s。試驗完成后，進行摩擦界面壓力測試分析。

1.3 有限元模型

為進一步研究不同界面調控方法對界面摩擦學行為的影響機理，利用ABAQUS軟件建立簡化的試驗臺有限元模型，如圖3(a)所示。該模型主要由摩擦盤、摩擦塊、阻尼元件、夾具、力傳感器、推桿、支座七個零部件組成。圖3(b)為對有限元模型施加的邊界條件，僅保留摩擦盤繞X軸的轉動，限制其余五個方向的運動，旋轉方向如圖所示。法向載荷均勻分布在推桿末端，對支座施加完全約束，支座與推桿之間、摩擦盤與摩擦塊之間采用面-面接觸(surface to surface)，并分別將推桿、摩擦盤設定為主面，對應的支座、摩擦塊設定為從面。其余部件之間均采用Tie連接。由于阻尼元件為彈性材料，將其網格劃分為八節點一階線性雜交單元(C3D8H)，其余零部件網格劃分為八節點一階線性縮減單元(C3D8R)。

為保證建立的有限元模型可以準確地反映出摩擦系統的真實特性，需要對有限元模型進行可靠性驗證。通過調整有限元模型中各零部件材料參數，使有限元模態分析和錘擊試驗所得的試驗臺自然頻率具有很好的一致性，即有限元模型中各零部件材料參數設定基本正確，建立的有限元模型基本可靠。其中，阻尼元件采用Mooney-Rivlin模型，材料參數通過單軸拉伸試驗獲得，結果為C10=1.86，C01=2.76，其余零部件的材料參數如表2所示。

表2 零部件材料參數

2 振動噪聲試驗結果分析及討論

2.1 時域分析

為研究摩擦系統不同界面調控方法對摩擦振動及噪聲的影響，首先將試驗采集得到的四種摩擦系統的聲壓信號以10 s為等效時間，進行A計權等效聲壓級分析，結果如圖4所示。可以看出，原始系統噪聲信號的等效聲壓級始終維持在較高水平，而三種調控系統噪聲信號的等效聲壓級均低于原始系統，且阻尼+溝槽調控系統的等效聲壓級最低。分析結果表明，在摩擦副背面安裝阻尼元件或在摩擦副表面加工溝槽型織構均可以有效減小摩擦噪聲，并且將以上兩種界面調控方法組合后可以進一步降低摩擦噪聲強度。

(a) 有限元模型

(b) 載荷及邊界條件

圖4 等效聲壓級時域信號

圖5為四種摩擦系統穩定階段5 s內的法向振動加速度、切向振動加速度及聲壓的時域信號。觀察發現，原始系統的法向、切向加速度和聲壓信號均出現了較大的幅值，可推測系統此時產生了強烈的振蕩，并輻射出高強度的噪聲。而阻尼調控系統和溝槽調控系統在法向、切向的加速度振蕩幅值和聲壓信號幅值均明顯下降，說明這兩種調控方法能在一定程度上抑制系統振動，進而降低摩擦噪聲強度。在阻尼+溝槽調控系統中，加速度振蕩幅值進一步降低且聲壓信號幅值也進一步減小，說明摩擦副背面的阻尼元件和摩擦副表面的溝槽型織構協同作用下能夠有效抑制系統振動，削弱摩擦噪聲強度。

(a) 原始系統

(b) 阻尼調控系統

(c) 溝槽調控系統

(d) 阻尼+溝槽調控系統

2.2 頻域分析

對四種摩擦系統的法向振動加速度和聲壓信號進行功率譜密度分析，結果如圖6所示。觀察得知，四種摩擦系統均存在三個明顯的主頻，其中第二、第三主頻是第一主頻的諧波響應，且三種調控系統的主頻大小與原始系統相比并未發生明顯的變化。進一步對比主頻能量發現，原始系統的法向振動加速度和聲壓信號對應主頻處能量值均最高，而具有界面調控行為的阻尼調控系統和溝槽調控系統對應主頻處能量值均明顯下降，且阻尼元件和溝槽型織構兩種界面調控方法協同作用下的阻尼+溝槽調控系統中主頻處能量值最小。由此說明，在摩擦副背面安裝阻尼元件或在摩擦副表面加工溝槽型織構以及摩擦副背面的阻尼元件與摩擦副表面的溝槽型織構協同作用下對摩擦系統振動及聲壓的頻率影響較小，但均可以降低振動主頻和聲壓主頻處幅值，尤其是阻尼元件和溝槽型織構協同作用時，振動主頻和聲壓主頻幅值降低最明顯，說明這種組合調控可以顯著抑制摩擦系統振動，從而有效降低噪聲強度。

(a) 原始系統

3 機理探討

3.1 不同調控方法對界面貼合程度的影響

為揭示不同界面調控方法對界面摩擦學行為的作用機理，利用有限元分析摩擦盤轉動時摩擦界面的接觸情況，并將摩擦界面接觸面積與摩擦塊面積的比值定義為界面貼合度。設置增量步為0.002 s，分析時長為0.5 s，即每0.002 s為一幀，共得到251幀，提取每一幀下摩擦界面的接觸面積，按照定義得到界面貼合度隨時間變化的曲線，結果如圖7所示。對比發現，具有界面調控行為的三種摩擦系統界面貼合度均大于原始系統，并且阻尼+溝槽調控系統的界面貼合度最大。這說明在摩擦副背面安裝阻尼元件或在摩擦副表面加工溝槽型織構均可以增大摩擦界面貼合度，且阻尼元件和溝槽型織構兩種界面調控方法協同作用下可以使摩擦界面貼合度進一步增大。

圖7 界面貼合度

圖8(a)為四種摩擦系統0.3 s時刻的摩擦界面接觸情況。原始系統摩擦界面接觸區域主要集中在摩擦塊前角；阻尼調控系統界面接觸區域分布在整個摩擦塊前端并且有向摩擦塊后端延伸的趨勢；溝槽調控系統界面接觸區域從摩擦塊前端向摩擦塊后端擴散；阻尼元件和溝槽型織構兩種界面調控方法協同作用下的界面接觸區域進一步擴大。圖8(b)為不同界面調控方法示意圖。摩擦盤轉動時在摩擦塊切入端(前端)存在摩擦力Ff的作用，造成摩擦塊后端的傾斜。此外，由于摩擦盤單側受到摩擦塊的壓力，離轉動中心越遠，摩擦盤的位移變形越大，從而導致摩擦塊左側與摩擦盤保持接觸而摩擦塊右側無法與摩擦盤接觸。因此，綜合兩方面的影響因素后可得知，原始系統界面接觸區域主要集中在摩擦塊前角；阻尼調控系統中通過丁苯橡膠阻尼元件受壓時的彈性變形，調整摩擦塊前-后端方向和左-右側方向的界面接觸區域，從而增大摩擦界面貼合度；溝槽調控系統由于摩擦塊前角溝槽的存在，使前角區域無法與摩擦盤接觸，因此摩擦界面接觸區域向后移動，且界面接觸區域產生的摩擦力沿垂直于溝槽方向的分力Ff1會造成摩擦塊右側的轉動，使摩擦塊右側向摩擦盤靠近，從而在界面接觸區域后移的同時也使摩擦塊前端的界面接觸區域得到調整，進而增大界面貼合度；阻尼+溝槽調控系統在阻尼元件和溝槽型織構兩種調控摩擦界面方法的協同作用下，使界面貼合度進一步增大。

(a) 0.3 s時刻摩擦界面接觸情況

(b) 不同界面調控方法示意圖

試驗完成后用壓力膜測試摩擦界面的壓力分布，結果如圖9所示。考慮到摩擦振動噪聲試驗會造成摩擦塊表面一定程度的磨損，磨損區域由于摩擦材料的轉移或喪失，在壓力測試時該區域無法與摩擦盤接觸，因此壓力測試分析結果中無界面壓力分布區域即為磨損區域。將摩擦界面壓力測試分析得到的磨損區域與0.3 s時刻摩擦界面接觸區域對比，發現兩者具有很好的一致性。原始系統中磨損區域主要集中在摩擦塊前角，這種磨損狀態主要是由于摩擦盤轉動及單側受壓導致摩擦塊不均勻磨損導致；而阻尼調控系統中磨損區域則分布在整個摩擦塊前端，溝槽調控系統中磨損區域從摩擦塊前端向摩擦塊后端延伸，阻尼+溝槽調控系統中磨損區域進一步擴大。由此證明，三種界面調控方法均可以通過增大摩擦界面之間的接觸區域調整摩擦界面貼合度，進而改善由摩擦盤轉動和單側受壓引起的摩擦塊不均勻磨損現象，提高摩擦系統的穩定性，抑制摩擦振動及噪聲的產生。并且，阻尼元件和溝槽型織構組合調控摩擦界面的方法得到的界面貼合度最大，因此，阻尼元件和溝槽型織構的協同作用在抑制摩擦振動噪聲方面表現出更大的潛力。

3.2 界面貼合穩定性分析

由于摩擦盤轉動時摩擦界面的接觸狀態是一個動態變化的過程，因此界面貼合度也在時刻發生變化。對四種摩擦系統對應的界面貼合度曲線單獨進行分析，并將穩定階段內(0.1～0.5 s)界面貼合度的最大值與最小值之差記為R，R值越小，表明界面貼合度的變化幅值越小,其結果如圖10所示。對比R值，發現阻尼調控系統(1.4%)小于原始系統(5.14%)、阻尼+溝槽調控系統(3.14%)小于溝槽調控系統(7.18%)，說明摩擦副背面安裝的阻尼元件在增大界面貼合度的同時還可以減小界面貼合度的變化幅值。而溝槽調控系統R值大于原始系統，這表明溝槽型織構在增大界面貼合度的同時也造成界面貼合度的變化幅值增大。但從試驗結果得知溝槽調控系統振動噪聲強度低于原始系統。由此推測，界面貼合穩定性同時受界面貼合度和界面貼合度變化幅值的影響，且界面貼合度占主導因素。因此，阻尼+溝槽調控系統在綜合利用阻尼元件和溝槽型織構進一步增大界面貼合度的同時，也利用阻尼元件的優勢減小界面貼合度的變化幅值，使界面貼合更加穩定，因而在抑制摩擦振動及噪聲方面表現出更大的潛力。

圖9 試驗后摩擦界面壓力測試分析結果

(a) 原始系統

(b) 阻尼調控系統

(c) 溝槽調控系統

(d) 阻尼+溝槽調控系統

4 結 論

本文通過試驗研究了三種不同界面調控方法對摩擦振動及噪聲的影響，并利用有限元和摩擦界面壓力測試分析揭示了不同界面調控方法對界面摩擦學行為的作用機理，主要得到以下結論：

(1) 試驗結果表明在摩擦副背面安裝具有間接調控行為的阻尼元件或在摩擦副表面加工具有直接調控行為的溝槽型織構均可以在一定程度上抑制摩擦振動及噪聲，并且阻尼元件和溝槽型織構組合調控摩擦界面的方法更能有效地削弱系統振動、降低噪聲強度。

(2) 有限元和摩擦界面壓力測試分析結果顯示，摩擦界面貼合度對界面摩擦振動及噪聲的產生有重要影響。溝槽調控系統借助溝槽型織構使摩擦塊前角的接觸區域向摩擦塊后端擴散，并且可通過調整摩擦塊的受力改善界面接觸狀態，從而使摩擦界面貼合度增大。阻尼元件和溝槽型織構組合協同調控時，阻尼元件的彈性變形可以使摩擦界面貼合度進一步增大，進而更好地提高摩擦系統的穩定性，因此在抑制摩擦振動及噪聲方面表現出更大的潛力。

(3) 具有界面調控行為的阻尼元件既可以增大摩擦界面貼合度，還能有效減小摩擦界面貼合度的變化，使界面貼合更加穩定，從而達到抑制摩擦振動及噪聲的目的。