【摘 要】
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工程中有大量的振动问题需要人们探讨、了解和分析,尤其是近现代机械结构正朝着高速度、微型化和大型化等方向发展,进一步研究振动同步的理论并拓宽其领域,来满足工程中的实际需要,是当前振动利用工程领域的研究热点之一。目前在许多工业部门,利用振动同步原理设计的自同步振动机械已经得到广泛应用,在一定程度上创造出巨大的经济和社会效益。许多学者集中于二机和多机驱动的振动系统在超共振及超远共振状态的同步理论研究,而
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“多机系统同步理论的深层次问题和复合同步的研究”(批准号:51375080); 国家自然科学基金面上项目“振动同步传动的理论及应用研究”(批准号:51675090);
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工程中有大量的振动问题需要人们探讨、了解和分析,尤其是近现代机械结构正朝着高速度、微型化和大型化等方向发展,进一步研究振动同步的理论并拓宽其领域,来满足工程中的实际需要,是当前振动利用工程领域的研究热点之一。目前在许多工业部门,利用振动同步原理设计的自同步振动机械已经得到广泛应用,在一定程度上创造出巨大的经济和社会效益。许多学者集中于二机和多机驱动的振动系统在超共振及超远共振状态的同步理论研究,而对不同共振状态(如亚共振)的同步理论研究较少。因此不同共振条件下的同步稳定状态及其耦合动力学特性的研究,具有一定的学术价值。本文以“多共振类型机械系统的振动同步与耦合动力学特性”为课题,提出三组新型典型振动机械系统动力学模型:圆周运动同向回转四机驱动单质体动力学模型、水平直线运动四机驱动三质体动力学模型、竖直与水平的组合直线运动双机驱动多质体动力学模型。详细研究他们在多种共振类型条件下的振动同步理论,具体内容如下:(1)绪论部分概括总结了选题背景、同步理论在国内外研究现状以及本领域内的发展现状,并指出与本文相关的一些预备知识。(2)以圆周运动同向回转四机驱动单质体动力学模型为研究对象,重点研究四机驱动单质体运动双共振类型条件下同步理论,理论上得出系统实现同步的两大判据。其中,同步性判据与驱动电机本身特性有关,该判据在电机静态输出与激振器外部耦合之间建立一种平衡关系,基于这种平衡关系可得到系统多个平衡点,以此实现同步;针对这些平衡点,有些是稳定的,有些是不稳定,判断哪一个平衡点稳定则需要依据劳斯-胡尔维茨准则来得到系统稳定性判据。通过数值计算得到振动系统在多种共振类型条件下的稳定相位差、最大耦合力矩以及同步性能力系数曲线。通过仿真分析验证所用理论分析方法的正确性。研究结果表明,在过共振区域,四激振器之间的稳定相位差为180°和90°,即系统存在两个并行同步稳定平衡点,这种现象称为非线性系统的多样性。亚共振区域,四激振器之间的稳定相位差在0°附近,系统的振动能量实现正向叠加,而在过共振区,不能实现激振器间零相位差,导致激振力相互抵消,要想保证共振区激振力的正相叠加,应采用控制同步的方式才能实现。(3)以水平直线运动四机驱动三质体动力学模型为研究对象,研究该类动力学模型在不同共振条件下的同步理论。理论上推导出系统实现同步的同步性判据和同步状态下的稳定性判据的简化形式解析表达式,以此分析并讨论了系统的耦合同步机理。数值上分析并讨论了系统中激振器与激振器之间、各个质体之间以及激振器与质体之间的相位关系,同样也讨论了三质体间相对运动的幅频特性、耦合力矩等特性;通过四阶-龙格库塔仿真程序验证了理论研究结果的正确性以及所用理论研究方法的可行性。通过上述研究也发现了非线性系统的多样性现象,而系统处于稳定状态下的相位差为0°、0°、180°。系统工作点选择在该区域,能够实现机体上部两个工作体反相位的水平直线运动,即上部两个工作体水平方向的力相互抵消,该种运动形式不仅能够保证机器产量相对提高一倍,而且可以巧妙利用系统的这种同步稳定点的特性来解决了系统隔振问题。(4)以竖直与水平的组合直线运动双机驱动多质体动力学模型为研究对象,着重研究双机驱动多质体运动的同步理论。理论上推导出系统实现同步的两个理论判据,系统固有频率将不同共振区域划分为若干子区域。数值上分析了在不同的系统共振子区域内激振器与激振器之间相位差、各个质体的相位滞后角、同步性能力以及稳定能力系数等特性。最后通过仿真,进一步验证了理论研究方法的可行性及所得研究结果的正确性。根据生产实际需求,我们可以选择合适的工作子区域,以此保证所需要的运动学参数。最后总结全文所做的工作,同时指明下一步需开展的研究。
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