齿面摩擦力的定量计算与齿轮传动摩擦过程模拟及优化

学科研究动态表明：齿轮传动摩擦过程与量化研究，是齿轮摩擦学主动设计与精确分析的核心问题，也是摩擦状态辨识与过程优化的关键技术。本课题以特定场合应用的齿轮系统为研究对象，将理论研究、系统建模、数值模拟与试验测试相结合，研究齿面摩擦力的定量计算和摩擦过程的模拟及优化方法。根据敏感性分析发现的齿面摩擦力与非啮合区力场的映射关系，提出齿面摩擦力的定量计算原理。试验提取敏感力场数据，耦合隔代映射遗传算法与多场有限元模拟技术，反求齿面摩擦力。通过工况分析构建运行状态参数序列，测出主参并建制有效荷载谱。对系统/模型加载模拟齿轮摩擦过程，计算齿面摩擦力，分析其变化规律及对传动性能的影响。提出基于啮合循环周期单元的齿轮摩擦过程及摩擦性态变演模型。分析模拟结果与状态参数的关联性，构建有约束多参数目标函数对摩擦过程进行优化。上述研究内容，对探索齿轮摩擦磨损机理、提高其设计制造水平等具有重要的学术价值和工程意义。 2100433B

固体表面之间的摩 擦力的来因有两个：固体表面的分子之间相互的吸引力（胶力）和它们之间的表面粗糙所造成的互相之间的卡住。滑动摩擦 　F=mucdotF_N 　滑动摩擦力总是比最大静摩擦力要小。它由垂直于摩擦面的压力FN和滑动摩擦系数

《桩基负摩擦力的试验模拟和计算应用》是国内外首次出版的一本关于桩基负摩擦力的著作，包括现场测试、室内试验、理论计算、数值模拟和工程应用等内容。《桩基负摩擦力的试验模拟和计算应用》收集世界各地桩基负摩擦力的实测资料，通过综合分析对比，得出桩负摩擦力数值、中性点位置及沥青涂层效果等方面的规律。书中提供的丰富数据，可用于相似工程。《桩基负摩擦力的试验模拟和计算应用》以上海软土为例，对结构材料与土的界面摩擦试验进行全面介绍，旨在探讨桩土界面处的剪力传递规律，求得界面剪力传递函数。《桩基负摩擦力的试验模拟和计算应用》重点是论述层状土的负摩擦力计算理论，用迭代方法寻找中性点的位置。此外，作者试图以在书中介绍的数值模拟多方面研究的一些成果阐述相关规范中尚未能反映的内容或实践中遇到的新问题，力求得到一些定性认识。

瑞士中部和西南部的广大地区复盖着一层很厚的正常固结的软粘土。建筑物二般都来用端承桩。通常在大城市中心部分出现的地下水位降低，形成桩的负表面摩擦力，从而别起沉降与桩尖负荷增加。负表面摩擦力与土的不排水抗剪强度、有效超载压力、沉降以及桩的打入等方面间的关系，都存在着很多问题。为了解决其中的某些问题，于1966年开展了此顼研究。

试验分为三阶段：第一阶段观测两根穿过正常固结粘土打入粉土和砂中的长桩，在打桩期间与打入后的负表面摩擦力的分布与弯矩；第二阶段在两根桩上加80吨轴向荷载，并研究这个荷载对负表面摩擦力的影响；第三阶段在两根桩周围铺上2米厚、面积为40米×40米的碎石填料，这项研究将于1973年完成。

负表面摩擦土质情况

试验场区40米深度内为正常固结的软粘土，其下为粉土和砂，地表土的不排水抗剪强度为1.5吨/米²，到地下35米处增加到5.0吨/米²。地下水位与地面平齐，粘土的敏感度在15和20之间。

负表面摩擦试验桩与量测结果

试验采用两根截面为800厘米²、周长为106厘米的六角形钢筋混凝土Herhules型桩。每根桩由11.2米长的数段组成。底节装有硬质钻岩钢尖。桩中心设有薄壁钢管，内径为42毫米，桩打入后沿管插入变位计。桩力计的电缆通过电缆管引出桩尖。浇注28天后测定桩身混凝土的平均立方块强度为607公斤/厘米²。骨架用6根直径为16毫米、屈服强度为60公斤/毫米²的钢筋。桩截面的断裂弯矩超过8.5吨米。打桩时用硬钢连结件在现场将桩接起来。打桩数据表明，这些桩具有摩擦兼端承桩的作用。PⅠ桩打得比较直，测斜仪测定桩尖从其予计位置横向偏高1.4米。PⅡ桩的桩尖偏高6.2米，靠桩尖处轴线的最小半径为170米。实验表明，半径达50~100米时。将发生弯曲断裂。

打桩引起土的移动，试验测定了这些移动。还测得很高的超孔隙压力。

打桩使靠近桩的地面隆起20毫米，但是随着桩的深度增加，隆起降低，测定了深度5~6米以下土的沉降，最大的沉降(50毫米)发生在靠桩PⅡ11米深处。

打桩前测得孔隙水压力与地下水位相当。位于地面下20.3米深处仪表的读数表明，打桩使孔隙水压力大大增加。最大总孔隙水压力为40吨/米²，而相应的总垂直过载压力为32.9吨/米²，因此所测孔隙压力超过总过载压力20%，距离试桩几米远，30.5米深处的孔隙压力则增加很少。

每接一根新桩段时测定一次桩中的力，测定结果表明．桩打入后，桩中的力大约等于或稍微小于桩的自量，因此，打桩不会产生任何“锁”在桩中的轴向力。

直桩PⅠ中的弯矩是很小的，在0.4和1.3吨米之间变化。PⅠ桩弯曲较大，测到较大数值距桩尖12米，位于粘土与粉土和砂的交界面处，桩的弯矩为3.2吨米，相应的桩轴曲率半径为170米，这个数值相当于断裂值的35%左右。深度30米和20米附近处的弯矩分别为0.9和2.4吨米，而相应的曲率半径为220和190米。

打桩使用周围的粘土受到扰动，予计扰动粘土的重新固结将引起土的沉降并在桩中产生向下的力。为了研究这种现象，在打桩后的五个月内定期观测各种仪表的读数。

沉降仪表表明土的移动很小，所记录到的沉降在1～3毫米之间。

测得位于20.3米深处的超孔隙水压力随时间而消失，打桩150天后超孔隙水压力为零。

桩内轴向力随时间而变化，打桩后，轴向荷载迅速增加，两至三周后增加的速度缓慢下来，大约八周后，上部桩的荷载增加很小。量测结果表明，桩刚打入时桩中应力比桩的自重小，但随着时间而增加，打桩144天后，在粘土层与粉土层之交界处的桩荷载超过桩自重25～30吨，并且在打桩五个月后仍然增加。测定表明，表面摩擦力从地面为零变化到40米深处的1.4吨/米²，基本是直线上升。在此深度以下的表面摩擦阻力是正的。负表面摩擦力相当于粘土的不排水抗剪强度的17%或为土的有效超载压力的5%。

负表面摩擦结论

试验结果表明，负表面摩擦力是由于打桩使周围粘土的重塑和重固结而引起的，甚至土的沉降很小也会引起负表面摩擦力。五个月后所测到的负表面摩擦力相当于粘土的平均不排水抗剪强度的17%，或为其平均有效超载压力的5%，负摩擦所引起的轴向力被桩下部的粘土与砂层中的正表面摩擦力所抵消。予计在这个地区铺填2米厚的碎石填料时，无疑还会产生相当高的负表面摩擦力。