【摘 要】
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机床及大部分复杂机械设备都是由大量的具有不同功能的机械零件组成,各个零部件表面之间通过不同的连接形式构成了各种机械结合面,对结合面接触特性的研究是分析、优化整机动态特性的重要理论基础。同时,考虑到设计理念、加工工艺及机械工况等条件的不同,结合面动态特性的影响因素及其作用机理繁多且复杂,这些因素间又相互影响,导致了结合面动态特性难以预测、接触特性作用机理不明确等问题。因此,如何从理论上建立准确的结合
【基金项目】
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国家自然科学基金:基于表面织构效应的并联机构典型结合面及整机动态特性与实验研究(51575365);
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机床及大部分复杂机械设备都是由大量的具有不同功能的机械零件组成,各个零部件表面之间通过不同的连接形式构成了各种机械结合面,对结合面接触特性的研究是分析、优化整机动态特性的重要理论基础。同时,考虑到设计理念、加工工艺及机械工况等条件的不同,结合面动态特性的影响因素及其作用机理繁多且复杂,这些因素间又相互影响,导致了结合面动态特性难以预测、接触特性作用机理不明确等问题。因此,如何从理论上建立准确的结合面接触模型,进而揭示机械结合面接触特性的作用机理与其动态特性影响因素对于改善整机动态特性、提高整机性能有着重要意义。本课题结合分形几何理论和赫兹接触理论,在经典接触模型的基础上,考虑了微凸体相互作用对结合面动态特性的影响,建立了受载结合部的接触载荷模型,推导了结合面法向接触刚度的表达式。通过仿真与实验研究,探究了结合面法向接触刚度的影响因素及相关作用机理。从理论上探究了含油结合部的接触特性,并根据仿真及实验结果讨论了液体介质对机械结合部动态特性的改善作用。实验证明本课题中所提出的考虑微凸体作用的分形接触模型更加符合实际的刚度-载荷变化关系。课题中的主要研究内容包括:(1)针对机械结合部在承受中、高载荷时接触特性难以预测的问题,建立了考虑微凸体相互作用影响的分形接触模型,求解了结合面法向载荷和微凸体接触面积的变化关系,根据载荷变形关系建立了接触刚度模型。并基于结构函数法研究了粗糙面表面形貌对结合部动态特性的影响。(2)考虑到结合面的动态特性无法直接验证和测试,设计制作了一种导轨滑块实验台用于测试典型机械结合部的动态特性。通过锤击实验测试了各子结构的频响函数,并根据等效单自由度系统辨识方法对结合部动力学参数进行了识别。分析研究了模型的预测准确性及误差产生原因。(3)探究了含油结合部的接触特性,分别从固体接触部分和液体接触部分的角度对含油机械结合部的动态特性进行了理论与实验分析。在考虑微凸体的相互作用影响因素后,结合平均流动的广义雷诺方程得出了含油结合部的接触刚度、接触阻尼表达式。基于仿真计算讨论了含油结合部动态特性的影响因素。(4)鉴于小载荷时粗糙面表面微凸体的相互作用影响并不明显,引入域扩展因子的概念,对实际接触面积和微接触截面积进行了区分。建立了综合考虑域扩展因子与微凸体相互作用影响的接触模型,并对理论预测结果与实验测试辨识结果进行了进一步地对比分析。
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