Mn-Cu阻尼合金与四种金属材料的摩擦振动噪声特性对比研究

摘要

由摩擦引起的振动会导致系统失稳从而降低机械设备的精度、稳定性和使用寿命，而产生的噪声更会严重污染生态环境，危害人们的身心健康。因此，减少振动、降低噪声已成为当今亟待解决的难题。近年来，人们通过采用具有高减振性能的阻尼合金材料制造成振动源和噪声源等机械结构件来减轻或防止振动和噪声已成为一种快捷有效的途径。然而在实际生产生活中相互接触的两个物体之间由于不可避免地外界因素而发生相对滑动摩擦并产生振动和噪声现象是比较常见的，因此研究将阻尼合金直接作为摩擦副材料相互摩擦时对滑动摩擦振动噪声现象的影响情况具有很好的创新性和实用性，能够为控制解决摩擦振动噪声问题提供一定指导作用。
　　本文为研究具有高阻尼性能的新型Mn-Cu阻尼合金材料的滑动摩擦振动噪声特性，首先在球-平面接触模式下选取蠕墨铸铁(RuT350)、锻钢(20CrMnMo)、球墨铸铁(QT400)和铝合金(7075)四种相对减振性能更低的传统金属合金作为对比材料进行了球-盘滑动摩擦振动噪声试验，之后又在平面-平面接触模式下选取蠕墨铸铁和锻钢两种金属合金作为对比材料进行了销-盘滑动摩擦振动噪声试验。通过对摩擦试验中采测的摩擦噪声声压、振动加速度以及动态摩擦力等信号的分析处理，以及试验后试样磨损表面磨痕形貌分析，研究了Mn-Cu阻尼合金等不同材料对摩擦噪声特性、界面振动特性以及摩擦磨损行为的影响情况。此外，综合对比分析了两种接触模式下Mn-Cu阻尼合金等材料对摩擦振动和噪声的影响差异和区别，并结合试样表面磨痕形貌来初步探讨和解释阻尼合金产生影响差异的原因及作用机理。主要结论如下:
　　1、在球-盘摩擦噪声试验中，蠕墨铸铁、锻钢和球墨铸铁材料随着试验持续到一定时间后容易产生高强度、多频率的连续摩擦尖叫噪声，而铝合金材料在试验初始阶段就出现较高声压级的不连续摩擦噪声并持续到试验结束，且这四种材料在试验稳定阶段摩擦系统的振动加速度和噪声声压时域信号均出现明显的连续波动且振动幅值较大;相比之下，Mn-Cu阻尼合金材料在整个试验过程中只出现低声压级、低频率的摩擦噪声，摩擦系统的振动和噪声时域信号并没有发生连续大幅值波动。
　　2、在销-盘摩擦噪声试验中，两种法向载荷下蠕墨铸铁、锻钢和阻尼合金这三种材料对摩擦噪声和振动特性的影响存在相同的规律和趋势:试验中这三种材料都产生了高声压级、频率成分较复杂的摩擦尖叫噪声，噪声强度由低到高排列依次是蠕墨铸铁、阻尼合金、锻钢材料，且后两者的振动加速度和声压时域信号波形明显比铸铁材料的更加连续、幅值波动更大。
　　3、同一接触模式下不同材料的界面摩擦磨损行为存在明显的区别和差异。在球-平面接触模式下，蠕墨铸铁、锻钢和球墨铸铁材料的磨痕宽度较小，磨痕区域可观察到明显的磨屑堆积、犁沟和剥落等磨损特征，表面磨痕轮廓存在明显的凹凸不平现象;相比之下，Mn-Cu阻尼合金和铝合金材料的磨痕宽度更大且深度更深，磨屑产生更多更严重且主要集中分布在磨痕两侧，磨痕区域以光滑的犁沟磨损特征为主，表面磨痕轮廓曲线较为平整。在平面-平面接触模式下，蠕墨铸铁、锻钢和阻尼合金材料的磨损表面均出现不同程度的磨屑堆积“第三体”层、犁沟以及粘着剥落等现象，其中蠕墨铸铁材料磨痕形貌主要以犁沟现象为主，磨损特征相对更轻微，而Mn-Cu阻尼合金和锻钢材料的磨损特征则更加突出，表面形貌也更加“复杂”。
　　4、在本试验工况条件下，Mn-Cu阻尼合金材料影响摩擦振动噪声的作用机理主要包括两个部分:材料本身特有的减振机理以及磨损表面的磨屑堆积“第三体”层、粘着剥落和犁沟等界面“不平顺”特征引起的界面效应。其中在球-平面接触模式下，Mn-Cu阻尼合金材料由于在本身的减振机理和犁沟磨损特征引起的较轻微界面效应两部分因素共同作用下，所以摩擦系统没有出现剧烈的不稳定自激振动，相应地只产生了低强度、低频率的摩擦噪声。而在平面-平面接触模式下，由于磨痕区域严重的磨屑堆积“第三体”层、粘着剥落等磨损特征引起的强烈界面效应起到主要作用，而材料本身的减振机制作用效果则相对更弱，所以摩擦系统发生了强烈的不稳定自激振动，相应地对外辐射出更高声压级、频率成分更复杂的摩擦尖叫噪声。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 摩擦振动噪声的产生机理

1．3 摩擦振动噪声的试验研究

1．4 阻尼合金的种类及减振机制概述

1．5 Mn-Cu等阻尼合金在减振降噪方面的应用

1．6 本文选题意义和主要研究内容

1．6．1 选题意义

1．6．2 主要研究内容

第2章 试验装置及结果分析简介

2．1 试验装置简介

2．2 试样材料选取及制备

2．2．1 上试样材料及制备

2．2．1 下试样材料及制备

2．3 试验参数

2．4 试验数据分析方法

2．4．1 噪声信号的评价方法

2．4．2 噪声信号的频谱分析

2．4．3 振动信号的分析方法

2．4．4 摩擦噪声和振动信号的相干函数

2．4．5 磨痕微观分析方法

2．5 本底噪声的测量

第3章 球-盘摩擦振动噪声试验结果分析及讨论

3．1 阻尼合金等材料对摩擦噪声特性的影响

3．2 阻尼合金等材料对界面振动特性的影响

3．3 阻尼合金等材料对摩擦力和摩擦系数的影响

3．4 摩擦振动和噪声信号的频谱特性及相关性分析

3．5 阻尼合金等材料对摩擦磨损行为的影响

3．5．1 磨痕形貌分析

3．5．2 磨痕轮廓分析

3．6 本章小结

第4章 销-盘摩擦振动噪声试验结果分析及讨论

4．1 阻尼合金等材料对摩擦噪声特性的影响

4．1．1 阻尼合金等材料对摩擦噪声强度的影响

4．1．2 阻尼合金等材料对摩擦噪声时频特性的影响

4．2 阻尼合金等材料对界面振动特性的影响

4．2．1 法向载荷为40N，阻尼合金等材料对振动特性的影响

4．2．2 法向载荷为80N，阻尼合金等材料对振动特性的影响

4．3 摩擦振动和噪声信号的频谱特性及相关性分析

4．4 阻尼合金等材料的表面磨痕形貌微观分析

4．5 本章小结

第5章 两种接触模式下Mn-Cu阻尼合金等材料对摩擦振动噪声影响的对比分析

5．1 两种模式下阻尼合金等材料影响摩擦噪声的分析

5．2 两种模式下阻尼合金等材料影响摩擦振动的分析

5．3 两种模式下阻尼合金等材料的磨痕形貌对比分析

5．4 Mn-Cu阻尼合金材料影响摩擦振动噪声的机理探讨

5．5 本章小结

结论

研究展望

致谢

参考文献