考虑粗糙面影响的圆与板滚动摩擦学特性研究

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滚动接触过程中一般伴随着滑动,因此滚动接触又称为滚滑接触。在高速中重载下运转,滚动体与滚道的滑动增大,再加上表面粗糙的影响,使得滚动体的工作环境较为恶劣,塑性变形和磨损失效有较大增加。因此分析粗糙面的滚动接触及其影响因素有一定的现实意义。本文结合滚道的表面粗糙度,运用W-M分形函数实现粗糙表面的数字化表征,考虑材料弹塑性变形和粗糙面随机微凸体间相互作用,建立圆与板的法向接触和滚动接触模型,分析粗糙面对法向接触和滚动接触过程中应力应变等的影响,并在高速滚动中分析了不同参数(法向载荷、滑滚比和角速率)对应力应变及摩擦耗散能等的影响。研究发现,相较于光滑接触界面间的接触,在粗糙接触界面下,由于局部实际接触面积很小,材料更容易发生塑性变形,存在多个局部接触区域,由于不同局部接触位置和随机微凸体曲率的差异,影响了局部接触宽度,不同接触局域接触应力不同,接触表层Mises应力和σy应力值及变化梯度较大;最大Mises应力和等效塑性应变都在表面下一定深度。随着深度的增加,光滑板上的Mises应力先增加后减少,而在粗糙板中,由于材料非线性,Mises应力先增加后稳定再减少,较大的应力向表面和深度方向扩展。在摩擦滚动过程中,在光滑界面下,接触表层Mises应力、σx、σy和τxy应力呈现规律性的变化。但在粗糙表面上滚动,由于只有较高接触微凸体进入接触,局部接触区域不断变化,使得切应力Txy分布更为复杂,局部区域的材料主要受负切应力的影响,而不像光滑界面存在明显的对称分布。滚滑过程中,随着接触区域从进入接触到退出接触,在粗糙面及材料弹塑性变形影响下,粗糙接触表层各应力值更大,且呈现复杂的无规律的变化趋势。在滚滑过程中,粗糙接触界面下,随着法向载荷增加,接触应力、Mises应力、σy、切应力τxy和切应变εxy随之增大更为明显;粗糙接触界面下材料发生塑性变形,使得滑滚比和角速率对接触表层Mises应力、σx、σy和切应力τxy影响较小,但对摩擦耗散能影响明显。研究结果为进一步分析滚滑摩擦副的摩擦磨损特性奠定了基础,对优化摩擦副接触表面形貌从而提高疲劳寿命具有一定的理论意义。
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