

粘滑的分子动力学模拟
- 期刊名字:科学时代
- 文件大小:306kb
- 论文作者:罗彬宾
- 作者单位:常州信息职业技术学院
- 更新时间:2020-08-31
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科学时代站的分子动了兽罗彬宾/常州信息职业技术学院[摘要]粘滑是摩擦的一种特殊现象。为了更好的了解粘滑的机制,本来釆用分子动力学模拟的方式,从速度、勢肼常数以及牽引弹簧的刚度三个方面对其进行研究,通过对模拟数据的分析,我们认为:原子尺度下相接触物体之间的粘着分离是导致粘滑的根本[关键词]粘滑分子动力学模拟速度势肼常数弹簧刚度械中的体积力而言,表现得非常突出,成为影响MEMS性能、稳定性和使用寿命的关键因素。在这种条件下,宏观摩擦学的理论已不再适用,必须研究以分子原子为分析对象的纳米摩擦学特性。自从 Mate et al回首次用原子力显微镜发现原子尺度下的粘滑现象以来(图1,图2原子力显微镜在石墨上运行的情况),越来越多的研究者利用原子力显微镜,分子动力学模拟和简化模型的方法对微观机制下的粘滑现象进行研究分析,并得到了许多有价值的成果。本文以分子动力学模拟的方法构建模型模拟原子尺度下粘滑现象,并对此现象进行分析和研究模拟模型10m如图3所示滑块在基体上,滑块上系有弹簧,弹簧由一个固(1.2.1.0)定的速度牵引,当弹簧力小于静摩擦力时,滑块保持静止,滑块与基体间的实际摩擦力等于牵引力,弹簧在速度的牵引下使得其牵引力越来越大,当牵引力大于滑块与基体间的静摩擦力时,滑图1原子力显徵镜探头在石墨上运行图块加速运行,滑块与基体间的摩擦力为它们之间的相互作用。当亦为它们之间的相互作用。总之,当滑块的速度为零时,滑块与基体间的摩擦力为弹簧的牵引力,而当滑块速度大于零时,滑块M与集体之间的摩擦力为它们的相互作用力,本文就是根据这个原理来考察微尺度下物体之间的粘滑。Vbackward3.0tip base position(nm)图3分子动力学模拟模型模拟过程中上滑块和下基体均采用类似于氩的材料,运用图2摩擦力变化情况随着现代科技的进步,微电子技术渗透到机械工程的各个领Lennard- Jones(IJ势能函数描述原子间的相互作用力,即域以及机电一体化的发展,极大地促进了机械向微小型化方向的快速发展。经过超精密制造的微型机电系统,由于尺寸的减小摩擦副的间隙常处于纳米级甚至零间隙,在运动过程中,受此尺中()寸效应的影响,表面粘着力、摩擦力及表面张力等相对于传统机>危险截面的弯曲应力和轴颈表面的接触应力,或者改变中间受力限元分析冶金设备,2004,146(4):12-15元件的受力状态。[3]魏钢城,等.热轧带钢R2粗轧机下主传动轴断裂有限元4.2防止十字轴轴向窜动分析与应用[北京科技大学学报,2007,29(5):508-512在十字轴万向接轴高速轧钢工况下,由于轴承部分的离心惯[4]李友荣,等.平衡力对大型轧机万向接轴应力状态的影响性力作用,使得十字轴端面与轴承的碗底部分间隙增大,引起轴重型机械,2006,(5):32-34向窜动。为了防止该情况发生,可在轴承碗部分增加轴向压力5]王家琦,等.板带轧机轴向力测试与分析冶金设备以平衡由高转速产生的惯性力,以防止接轴发生轴向窜动的趋势。2009,1731):74-76.4.3增加叉头的刚度6]高永生.四辊轧机轴向力学行为的研究[D][博士学位接轴叉头处的变形、磨损与叉头的刚度有关,为增加叉头刚论文].北京科技大学,1991.度,应该尽量把叉头的中心线靠近叉头本体,增加两叉孔端面距离,]高永生,邹家祥,等,四辊轧机轴向力理论计算模型这样可减轻叉头自重,且刚度可增加50%左右。北京科技大学学报,1993,15(2):176-1825.结语[8]王金元,邓效忠,等.四辊轧钢机工作辊轴向力的计算本文对热连轧带钢粗轧机接轴的轴向力产生机理进行了分析,轴承,2006,(10):1-3并通过理论计算进行了验证,对接轴的结构提出了改造性的建议9]刘玉珍,等下作帘问攻关[]2008希望对于同类型粗轧机的接轴轴向力研究有一定的参考价值。年轧钢生产年会,2中国煤化工参考文献作者简介[闫晓强,孙志辉,程伟.大型轧机万向接轴平衡力研究U陈金旺,男,197CNMHG有限公司第二冶金设备,2007,1666):47-49炼轧厂机械工程师。2]张显,等.可逆式轧机十字轴式万向联轴器辊端叉头的有科学时代·2011年第19期79z专题研究 ZHUAN TI YAN中,ε是山势阱常数,是平衡常数,v=r-摩擦力发生突变,并在一瞬间由反向最大达到正向最大,速度也E初步设为0152072595 Kcal/ mol,并根据实际的需要就是在这个瞬间由零突变为最大值,过后速度又在一瞬间变为零定势阱常数e的大小,平衡常数a设为315065611A。原子排列导致一个粘滑现象的发生。同时从图4、图5中可以看到牵引速采用面心立方排列方式,其品格长度设492A。势能截断半径′度越快,滑块从静止到滑移费时越短,其牵引力能够更快的达到设为492A。滑块与基体之间的最大静摩擦力,使得滑块运行,并导致粘滑更二、模拟结果频繁发生1.速度对粘滑的影响2.势阱常数的大小对粘滑的影响在图3模型下将势阱常数E分别设为2*0.52072595 Kcal/mol和4*0.152072595Kcl/mol,平衡常数设为315065611A,晶格长度设492A,弹簧的胡克强度为10A(mol*/2),在牵引速度为l0m/s的情况下考察势阱常数对粘滑的影响6可见,对于大势阱常数的模型,滑块开始滑动时所费时间长,也就是说比之大势阱常数的滑块运行要滞后,根据两体作用势原理,势阱常数越大两者之间的相互作用也就越大,那么使之发生相对位移也就变得越困难。对比图7所示,大势阱常数滑块与基体之间的静摩擦力明显大于小势阱常数两者之间的静摩擦力,结合图6可见,大势2000004o8000001000000阱常数模型中滑块从静止到运动过程耗时明显比小势阱常数模型timestepb=10m/s长,也就是说由开始牵引到滑块运动这个阶段大势阱常数模型的酝酿时间要长,因此在一定时间内,大势阱常数模型粘滑发生的次数也比小势阱常数要少,但其在粘滑过程中速度的峰值要比小3势阱常数的要大。2E2·0.152072595Kca!mol200000400000600000B000001000000图4不同牵引速度下滑块的运行速度变化5ms2000004ooo06000008000001000000timestep e=40.152072595Kcallmol000030000010000002o000000080000010000b=10m/stimestep图6不同势阱常数粘滑的滑块运行速度变化200000d000060o000001000090Frietion 9timestep图5不同牵引速度下滑块的运行摩擦力的变化在图3模型下势阱常数E初步设为2*0.152072595 Kcalmol,平衡常数G设为31506561A,晶格长度设492A,弹簧的胡克强度为10A(mol*f2),分别在牵引速度为5m和10m/s的情况下考察牵引速度对粘滑的影响。如图4和图5分别是速度为5m/s和速1·600eQ800。00·t00Ge度为10m/s时滑块运行速度和摩擦力的对比图。由图4、图5可见图7不同势阱常数粘滑的摩擦力的变化当滑块在弹簧牵引的初期时,摩擦力与弹簧牵引的速度方向相反3弹簧刚度的大小对粘滑的影响由此形成的弹簧牵引力小于滑块与基体之间的静摩擦力,即弹簧在图3模型下势阱常数E设为2*0.15202595 Kcal/mo,平衡的牵引力为滑块与基体之间的静摩擦力,因此由图4可见滑块保常数设为3.1506561晶格长度设492A,弹簧的胡克强度为持静止。由于滑块此时保持静止,弹簧在牵引速度的影响下使得1000A(m01*2),在牵引速度为5m/的情况下考察势阱常数对牵引力越来越大,当牵引速度大到一定程度时,即牽引力开始大粘滑的影响。在此以上的模拟结果都是在低弹簧刚度情况下情况于滑块于基体间的静摩擦力时,滑块运行,并且滑块速度突变当考察高弹簧强度下粘滑的情况时,我们发现牵引速度不变,弹在一瞬间达到峰值,当滑块速度到达峰值时,速度开始快速下滑簧刚度增大,滑块的预粘滑过程缩短,也就是说,在大弹簧刚度并在一瞬间变为零,回到初时滑块与基体间保持静止的状态。当下弹簧的牵引力能够迅速的达到最大静摩擦力,使得滑块能够在速度变为零的情况下,即在滑块于基体之间重新保持相对静止情短时间内跳动运行。况下,其牵引力小于静摩擦力,弹簧在牽引速度的影响下,为下摩擦力我们发现滑V凵中国煤化工滑过程所爱的个粘滑做准备。当我们对比图4、图5时我们发现,当牵引力动,而且其静摩擦CNMH擦力的极值正向达到最大时,也就是摩擦力达到反向最大时,滑块开始滑行,这个结果与理论有着很好的一致。80科学时代·2011年第19期d科时代上胶甫输送机双电机驱动主№在制原理和画用振讨吴东明/河南煤化鹤煤公司[摘要]煤矿大功率胶带输送机日益增多,其输送机机头驱动方式一般均采用双电机、多咆机布置。本文基于双电机功率平衡分配的原则,探讨了胶带输送机双电机驱动釆用变频器进行主从控制的原理和连接方式,并将现场的应用情况进行了说明关键词]胶带输送机变频器主从控制功率平衡[Abstract] More and more high-power belt conveyors are used in coal mines. Generally, the conveyors use dual-motor or multimotor as the ir head drivers. Based on the princip le of ba lanced power distribution of dual-motor. the master-slave control theory andconnection methods of inverter of dual-motor belt conveyor are discussed in this article, and the in-site application is described[Key words] belt conveyor inverter master-slave control power ba lance国内现有大多数煤矿的胶带输送机由于受到矿井深部开采、续流二极管回馈到变频器功率单元的中间直流回路中,使直流回产能提高、运输能力增大、运距长、倾角大等因素影响,其大功路的电压上升,达到限值即会保护跳闸,对直流回路滤波电容器率胶带输送机日益增多,随着胶带输送机功率的增大,其输送机寿命有直接影响,严重时会引起电容器爆裂损坏变频器,所以必机头驱动方式均采用双电机、多电机布置。这就产生了双电机、须采用主从同步控制,以保证功率平衡多电机主从控制及功率的平衡问题,目前胶带输送机拖动方式有2主从控制原理调速型液力偶合器、CST、可控硅软启动、交流变频器等多种形式,变频器主从控制是为双电机、多电机传动系统设计的,主从随着变频调速技术的发展和提高,变频器由于调速范围宽、精度高,控制采用DTC直接转矩作为其核心控制原理,将电动机和逆变器调速平滑、稳定可靠、节能效果显著等特点,已逐渐取代其它传结合在一起,所有的开关转换都直接地按照电动机的电磁状态进统调速设备,广泛应用于胶带输送机其驱动电机的控制。采用交行。对每个控制周期确定的最佳开关时间为25微秒时间级。功率流变频器控制双电机或多电机同样存在主从功率的平衡、分配问模块的开关位置是由计算出的定子磁通和电机转矩来确定的,依题,下面以双电机为例对该问题进行探讨。据实测的直流母线电压、开关状态和电流计算出一组精确的电机1.主从功率平衡原则转矩和定子磁通实际值,并将这些参数值直接应用于控制输出单采用两台变频器控制两台电机,尽管两台电机同厂家型号、元的开关状态,变频器的每一次开关状态都是单独确定的,利用规格及相同的技术参数,在起动及实际运行过程中,不可避免的产生最佳的开关组合并对负载变化作出快速地转矩响应,实现对要产生两台电机在运行过程中速度不完全一致,其中一台速度高电动机转矩和转速的实时控制。建立合理的负载分配关系,发挥的电机因过负荷而造成变频器过电流跳闸,而另一台速度低的电各电动机的转矩输出能力。机处于被拖动处于发电运行状态,产生的再生能量通过逆变器的3.主从控制连接方式分析三、模拟结论本文用分子动力学的方法,在图3模型下模拟了基体与滑块之间干摩擦的粘滑现象,并考察了速度、势阱常数以及弹簧刚度a08对粘滑的影响。考察粘滑过程中的摩擦力的变化,摩擦力在粘滑过程中围绕零值呈锯齿状跃动,而且摩擦力在速度由零突变到峰值时也随之突变到峰值,但是其在速度由峰值突变为零时并没有发生突变,而是缓慢下降,为下次粘滑做准备。通过对滑块滑移速度以及滑块与基底摩擦力变化的分析,我们认为:原子尺度下004相接触物体之间的粘着分离是导致粘滑的根本。参考文献:[温诗铸微观摩擦学[M]北京:清华大学出版社,1998[2] Mate, C M, McClelland, G M Erlandsson, R, Atomic-scale00friction of tungsten tip on a graphite surface. Phys. Rev. Lett. 1987;59:1942452000004000006000008000001000000[3]Albert, I, Tegzes, Albert. R Stick-slip flu吗g, Phys. Rev. E.64,031307(2001),timestep图8大弹簧刚度下滑块速度的变化[4] Riedo, E, Gnecco, E, Bennewitz, and so on, Interaction Poten-tial and Hopping Dynamics Governing Sliding Friction, Phys. Rev. Lett91,084502(2003)10[5]Schirmeisen, AJansen, L, and Fuchs, H, Tip-jump statistics ofstick-slip friction, Phys. Rev. B 71, 245403(2005).[6] Reimann, P, and Evstigneev M, Nonmonotonic Velocity Dependence of Atomic Friction, Phys. Rev. Lett. 93, 230802( 2004[7] Rozman, M. G, Origin of stick-slip motion in a driven two-wavepotential, Phys. Rev. E54, 6485(1996)[8] Mulliah, D, Kenny S. D, and Smith, Roger, Modeling of stickslip phenomena using molecular dynamics, Phys. Rev. B69. 205407(2004)[9] Sills, Sand. andMolecular DissipationH中国煤化工Phys. Re2Dc004060eBsc0088000001DeetLet91,095501(2003CNMHGtimestep图9大弹簧刚度粘滑过程中滑块摩擦力的变化科学时代·2011年第19期81
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