齒面摩擦力的定量計(jì)算與齒輪傳動(dòng)摩擦過(guò)程模擬及優(yōu)化

學(xué)科研究動(dòng)態(tài)表明：齒輪傳動(dòng)摩擦過(guò)程與量化研究，是齒輪摩擦學(xué)主動(dòng)設(shè)計(jì)與精確分析的核心問(wèn)題，也是摩擦狀態(tài)辨識(shí)與過(guò)程優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)。本課題以特定場(chǎng)合應(yīng)用的齒輪系統(tǒng)為研究對(duì)象，將理論研究、系統(tǒng)建模、數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合，研究齒面摩擦力的定量計(jì)算和摩擦過(guò)程的模擬及優(yōu)化方法。根據(jù)敏感性分析發(fā)現(xiàn)的齒面摩擦力與非嚙合區(qū)力場(chǎng)的映射關(guān)系，提出齒面摩擦力的定量計(jì)算原理。試驗(yàn)提取敏感力場(chǎng)數(shù)據(jù)，耦合隔代映射遺傳算法與多場(chǎng)有限元模擬技術(shù)，反求齒面摩擦力。通過(guò)工況分析構(gòu)建運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)序列，測(cè)出主參并建制有效荷載譜。對(duì)系統(tǒng)/模型加載模擬齒輪摩擦過(guò)程，計(jì)算齒面摩擦力，分析其變化規(guī)律及對(duì)傳動(dòng)性能的影響。提出基于嚙合循環(huán)周期單元的齒輪摩擦過(guò)程及摩擦性態(tài)變演模型。分析模擬結(jié)果與狀態(tài)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，構(gòu)建有約束多參數(shù)目標(biāo)函數(shù)對(duì)摩擦過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。上述研究?jī)?nèi)容，對(duì)探索齒輪摩擦磨損機(jī)理、提高其設(shè)計(jì)制造水平等具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程意義。 2100433B

固體表面之間的摩 擦力的來(lái)因有兩個(gè)：固體表面的分子之間相互的吸引力（膠力）和它們之間的表面粗糙所造成的互相之間的卡住?；瑒?dòng)摩擦 　F=mucdotF_N 　滑動(dòng)摩擦力總是比最大靜摩擦力要小。它由垂直于摩擦面的壓力FN和滑動(dòng)摩擦系數(shù)

《樁基負(fù)摩擦力的試驗(yàn)?zāi)M和計(jì)算應(yīng)用》是國(guó)內(nèi)外首次出版的一本關(guān)于樁基負(fù)摩擦力的著作，包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)、理論計(jì)算、數(shù)值模擬和工程應(yīng)用等內(nèi)容?！稑痘?fù)摩擦力的試驗(yàn)?zāi)M和計(jì)算應(yīng)用》收集世界各地樁基負(fù)摩擦力的實(shí)測(cè)資料，通過(guò)綜合分析對(duì)比，得出樁負(fù)摩擦力數(shù)值、中性點(diǎn)位置及瀝青涂層效果等方面的規(guī)律。書(shū)中提供的豐富數(shù)據(jù)，可用于相似工程。《樁基負(fù)摩擦力的試驗(yàn)?zāi)M和計(jì)算應(yīng)用》以上海軟土為例，對(duì)結(jié)構(gòu)材料與土的界面摩擦試驗(yàn)進(jìn)行全面介紹，旨在探討樁土界面處的剪力傳遞規(guī)律，求得界面剪力傳遞函數(shù)?！稑痘?fù)摩擦力的試驗(yàn)?zāi)M和計(jì)算應(yīng)用》重點(diǎn)是論述層狀土的負(fù)摩擦力計(jì)算理論，用迭代方法尋找中性點(diǎn)的位置。此外，作者試圖以在書(shū)中介紹的數(shù)值模擬多方面研究的一些成果闡述相關(guān)規(guī)范中尚未能反映的內(nèi)容或?qū)嵺`中遇到的新問(wèn)題，力求得到一些定性認(rèn)識(shí)。

瑞士中部和西南部的廣大地區(qū)復(fù)蓋著一層很厚的正常固結(jié)的軟粘土。建筑物二般都來(lái)用端承樁。通常在大城市中心部分出現(xiàn)的地下水位降低，形成樁的負(fù)表面摩擦力，從而別起沉降與樁尖負(fù)荷增加。負(fù)表面摩擦力與土的不排水抗剪強(qiáng)度、有效超載壓力、沉降以及樁的打入等方面間的關(guān)系，都存在著很多問(wèn)題。為了解決其中的某些問(wèn)題，于1966年開(kāi)展了此頊研究。

試驗(yàn)分為三階段：第一階段觀(guān)測(cè)兩根穿過(guò)正常固結(jié)粘土打入粉土和砂中的長(zhǎng)樁，在打樁期間與打入后的負(fù)表面摩擦力的分布與彎矩；第二階段在兩根樁上加80噸軸向荷載，并研究這個(gè)荷載對(duì)負(fù)表面摩擦力的影響；第三階段在兩根樁周?chē)伾?米厚、面積為40米×40米的碎石填料，這項(xiàng)研究將于1973年完成。

負(fù)表面摩擦土質(zhì)情況

試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)40米深度內(nèi)為正常固結(jié)的軟粘土，其下為粉土和砂，地表土的不排水抗剪強(qiáng)度為1.5噸/米²，到地下35米處增加到5.0噸/米²。地下水位與地面平齊，粘土的敏感度在15和20之間。

負(fù)表面摩擦試驗(yàn)樁與量測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)采用兩根截面為800厘米²、周長(zhǎng)為106厘米的六角形鋼筋混凝土Herhules型樁。每根樁由11.2米長(zhǎng)的數(shù)段組成。底節(jié)裝有硬質(zhì)鉆巖鋼尖。樁中心設(shè)有薄壁鋼管，內(nèi)徑為42毫米，樁打入后沿管插入變位計(jì)。樁力計(jì)的電纜通過(guò)電纜管引出樁尖。澆注28天后測(cè)定樁身混凝土的平均立方塊強(qiáng)度為607公斤/厘米²。骨架用6根直徑為16毫米、屈服強(qiáng)度為60公斤/毫米²的鋼筋。樁截面的斷裂彎矩超過(guò)8.5噸米。打樁時(shí)用硬鋼連結(jié)件在現(xiàn)場(chǎng)將樁接起來(lái)。打樁數(shù)據(jù)表明，這些樁具有摩擦兼端承樁的作用。PⅠ樁打得比較直，測(cè)斜儀測(cè)定樁尖從其予計(jì)位置橫向偏高1.4米。PⅡ樁的樁尖偏高6.2米，靠樁尖處軸線(xiàn)的最小半徑為170米。實(shí)驗(yàn)表明，半徑達(dá)50~100米時(shí)。將發(fā)生彎曲斷裂。

打樁引起土的移動(dòng)，試驗(yàn)測(cè)定了這些移動(dòng)。還測(cè)得很高的超孔隙壓力。

打樁使靠近樁的地面隆起20毫米，但是隨著樁的深度增加，隆起降低，測(cè)定了深度5~6米以下土的沉降，最大的沉降(50毫米)發(fā)生在靠樁PⅡ11米深處。

打樁前測(cè)得孔隙水壓力與地下水位相當(dāng)。位于地面下20.3米深處儀表的讀數(shù)表明，打樁使孔隙水壓力大大增加。最大總孔隙水壓力為40噸/米²，而相應(yīng)的總垂直過(guò)載壓力為32.9噸/米²，因此所測(cè)孔隙壓力超過(guò)總過(guò)載壓力20%，距離試樁幾米遠(yuǎn)，30.5米深處的孔隙壓力則增加很少。

每接一根新樁段時(shí)測(cè)定一次樁中的力，測(cè)定結(jié)果表明．樁打入后，樁中的力大約等于或稍微小于樁的自量，因此，打樁不會(huì)產(chǎn)生任何“鎖”在樁中的軸向力。

直樁PⅠ中的彎矩是很小的，在0.4和1.3噸米之間變化。PⅠ樁彎曲較大，測(cè)到較大數(shù)值距樁尖12米，位于粘土與粉土和砂的交界面處，樁的彎矩為3.2噸米，相應(yīng)的樁軸曲率半徑為170米，這個(gè)數(shù)值相當(dāng)于斷裂值的35%左右。深度30米和20米附近處的彎矩分別為0.9和2.4噸米，而相應(yīng)的曲率半徑為220和190米。

打樁使用周?chē)恼惩潦艿綌_動(dòng)，予計(jì)擾動(dòng)粘土的重新固結(jié)將引起土的沉降并在樁中產(chǎn)生向下的力。為了研究這種現(xiàn)象，在打樁后的五個(gè)月內(nèi)定期觀(guān)測(cè)各種儀表的讀數(shù)。

沉降儀表表明土的移動(dòng)很小，所記錄到的沉降在1～3毫米之間。

測(cè)得位于20.3米深處的超孔隙水壓力隨時(shí)間而消失，打樁150天后超孔隙水壓力為零。

樁內(nèi)軸向力隨時(shí)間而變化，打樁后，軸向荷載迅速增加，兩至三周后增加的速度緩慢下來(lái)，大約八周后，上部樁的荷載增加很小。量測(cè)結(jié)果表明，樁剛打入時(shí)樁中應(yīng)力比樁的自重小，但隨著時(shí)間而增加，打樁144天后，在粘土層與粉土層之交界處的樁荷載超過(guò)樁自重25～30噸，并且在打樁五個(gè)月后仍然增加。測(cè)定表明，表面摩擦力從地面為零變化到40米深處的1.4噸/米²，基本是直線(xiàn)上升。在此深度以下的表面摩擦阻力是正的。負(fù)表面摩擦力相當(dāng)于粘土的不排水抗剪強(qiáng)度的17%或?yàn)橥恋挠行Сd壓力的5%。

負(fù)表面摩擦結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)表面摩擦力是由于打樁使周?chē)惩恋闹厮芎椭毓探Y(jié)而引起的，甚至土的沉降很小也會(huì)引起負(fù)表面摩擦力。五個(gè)月后所測(cè)到的負(fù)表面摩擦力相當(dāng)于粘土的平均不排水抗剪強(qiáng)度的17%，或?yàn)槠淦骄行Сd壓力的5%，負(fù)摩擦所引起的軸向力被樁下部的粘土與砂層中的正表面摩擦力所抵消。予計(jì)在這個(gè)地區(qū)鋪填2米厚的碎石填料時(shí)，無(wú)疑還會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)高的負(fù)表面摩擦力。