Page 120 - 《摩擦学学报》2020年第6期

第 6 期 袁伟, 等: 高频循环载荷下球面滑动副摩擦学特征研究 803

Test1与Test2分别为低载与高载的同频循环载荷试验. 定在约30 N的摩擦状态.
试验所选弹簧参数列于表2中，弹簧振子受激励后的 当弹簧悬挂载荷为800 N时，如图4(b)所示，由摩

载荷循环特征如图3所示. 擦力曲线可知，摩擦力波动幅度较大，当悬挂载荷受
到激励后，摩擦力幅值与载荷同频衰减，同Test1中的

表 1 载荷条件与激励周期 摩擦力曲线相比，Test2中摩擦副经过多个激励周期
Table 1 Loading conditions and excitation periods
后，摩擦状态仍对激励非常敏感，滑动副分别在46和
Load/N
Test No Excitation period/min 80 min时，平均摩擦力出现局部升高现象，摩擦状态
Constant load Spring connecting load
Test1 400 400 30 极不稳定，特别在第4次激励后，摩擦力极限幅值呈持
Test2 400 800 30 续升高趋势，并伴随剧烈的振动和噪声，接触副出现
了摩擦状态失稳现象. 因此，较高的高频循环载荷下，
表 2 悬载弹簧参数 球面接触副受激励后，容易出现摩擦状态恶化，甚至
Table 2 Parameters of the chosen spring for connecting
导致运动副失效.
weights
[11]
采用离散小波变换(DWT)的方法 ，通过对试验
Parameter Specification
Length 223 mm 检测获取的摩擦力信号进行DWT分析，可以准确获取
Wire diameter 3 mm 摩擦配副的摩擦学状态数据. 利用Daubechies小波变
Spring diameter 24 mm
换(db4)，将摩擦力信号分解为5层小波 [13-14] . 频率从高
Stiffness 1.6 N/mm
Vibration period 1.4 s 到低为细节1(D1)到细节5(D5)及近似5 (A5). 分解结
果发现，各信号成分中D1、D5和A5三种信号包含更多
的摩擦力变化特征信息，试验Test1和Test2摩擦力信
2 结果与讨论
号的小波变换结果，如图5所示.
2.1 摩擦力曲线与DWT分析 试验Test1中，摩擦力信号高频成分D1幅值介于
图4所示为试验Test1和Test2过程中，力传感器监 −10~10之间[见图5(a)]，而试验Test2的D1信号变化值
测获取的摩擦力信号曲线，弹簧悬载分别为400和800 N. 介于−40~40之间[见图5(b)]，对比载荷频率(见图3)可
激励弹簧振子后弹簧伸长至静止长度的两倍，即激励 知，D1信号与循环载荷同频，该现象表明高频循环载
极限载荷分别达到800和1 200 N，计入恒定载荷后，瞬 荷幅值对与D1信号幅值有直接影响，因此，摩擦力信
时极限载荷幅值分别达1 200和1 600 N. 号的高频成分能够近似表征高频循环载荷作用下产
当弹簧悬载为400 N时，如图4(a)所示，摩擦力曲 生的同频摩擦力信号的幅值特征. 通过D5信号变化曲
线特征表明，弹簧振子受激励后，摩擦力在前两个激 线可知，激励弹簧振子引起了D5信号的幅值显著增
励周期(约65 min)处于较高水平，而多次激励后摩擦 加，但约15 min后激励对摩擦力低频信号的影响逐渐
力表现出与载荷同频的较大波动幅值，但激励后的短 减弱，因此，D5信号能够反映出摩擦副对瞬时冲击载
时极限高载荷对摩擦力幅值的影响较小，165 min后， 荷的抵抗能力，当面接触滑动副受到较小的有阻尼高
当前载荷水平下的摩擦副磨合期结束，摩擦力相对稳 幅高频循环载荷后，摩擦状态会逐渐趋于稳定，而弹

Excitation time Spring-connecting load of 800 N

1 000
Force/N
Steady loading
stage
500
Damping loading stage
0 100 200 300 400 500 600 700
Time/s

Fig. 3 High-frequency cyclic loading characteristic after giving excitation.
图 3 受激励后产生的高频循环载荷特征