【摘要】： 在機械系統(tǒng)的運行過程中往往有摩擦環(huán)節(jié)存在,常常對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大的影響。尤其,由于摩擦在低速時表現(xiàn)出強烈的非線性,系統(tǒng)在啟動、停止以及速度轉向時受到的摩擦的影響最為嚴重,甚至由于摩擦的存在會使系統(tǒng)進入無序運動的混沌狀態(tài),極大的降低系統(tǒng)的性能。因此隨著現(xiàn)代機械朝著高精度、高性能方向的發(fā)展,對摩擦環(huán)節(jié)的建模以及動力學特性的研究就變得越來越重要。 摩擦現(xiàn)象在微觀尺度上具有極其復雜的物理學本質,在一般的機械系統(tǒng)領域對摩擦的研究中,都是力求從宏觀尺度上最好的解釋和模擬摩擦現(xiàn)象和行為。因此本課題基于摩擦實驗研究,對摩擦特性進行分析,提出新的宏觀經(jīng)驗模型結構,并給出相應的摩擦信號處理和參數(shù)識別過程,此外,運用數(shù)值方法對滑動導向系統(tǒng)的動力學特性進行了探討。 論文首先概述了有關摩擦特性的實驗和理論研究的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究進展,總結了各種摩擦現(xiàn)象的產(chǎn)生原因和表現(xiàn)形式,在此基礎上,介紹了各種不同的摩擦力模型,并分析了它們的優(yōu)缺點,簡述了摩擦信號處理以及摩擦系統(tǒng)動力學特性研究等方面的研究方法。 針對滑動導靴和導軌之間的橫向和縱向摩擦的特點,設計了相應的實驗裝置,擬定了實驗方案,并對實驗結果進行了初步的分析和處理。通過分析和比較大量的實驗結果,探討了導靴與導軌之間的摩擦特性,包括摩擦力隨相對運動的位移、速度、加速度,以及正壓力、潤滑狀況和導靴類型等參數(shù)的變化情況,為進一步的研究工作提供實驗基礎。 由于測量方法以及測量儀器的局限性,實驗所測的摩擦信號不可避免的包含噪聲信號和其他力信號成分,例如彈性力信號等。隨著摩擦力模型的精細化和復雜化,參數(shù)辨識對實驗數(shù)據(jù)中的噪聲信號表現(xiàn)出高敏感性,對于被噪聲和其它力信號污染嚴重的數(shù)據(jù),部分辨識方法甚至失效。因此如何將真正的摩擦力信號從測量信號中分離出來在摩擦參數(shù)識別中至關重要。而傳統(tǒng)的基于傅利葉變換的分析方法往往不適合處理此類非線性信號。本文提出了使用中值濾波和經(jīng)驗模態(tài)分解(Empirical Mode Decomposition)相結合的方法來分析處理實驗中所測得的摩擦力信號。并將處理結果與經(jīng)由基于傅利葉變換的方法(低通和帶阻濾波,以及小波分解方法)處理的結果在時域上、Fourier譜空間以及Hilbert譜空間分別進行了比較,結果顯示經(jīng)驗模態(tài)分解方法在摩擦力信號分析和處理上具有優(yōu)越性。 在對摩擦特性實驗研究的基礎上,通過引入規(guī)范化的Bouc-Wen模型,提出了一個新的動摩擦力模型結構。這個模型結構能夠描述摩擦力在微滑動階段、宏觀滑動階段以及過渡階段的非線性特性。同時還提出了一個新的不可逆宏觀滑動摩擦模型。給出了當滑動摩擦模型分別為速度依賴性模型和此不可逆模型時的參數(shù)識別過程,針對實驗數(shù)據(jù)給出識別結果,并對實驗中的摩擦過程進行仿真,仿真結果與實驗結果在時間歷程上以及摩擦力-相對運動位移和摩擦力-相對運動速度的坐標圖上的比較,顯示了此摩擦模型結構的有效性和描述摩擦過程的精確性。 對于在一定牽引速度下受到橫向位移激勵的滑動導向系統(tǒng)建立了振動分析的二維模型,其中充分考慮了橫向和縱向由于摩擦引起的耦合問題。數(shù)值仿真結果顯示,在一定的參數(shù)狀況下滑動導塊有可能出現(xiàn)爬行運動狀態(tài)。同時分析了牽引速度和橫向激勵的頻率對橫向位移響應的影響。并將二維模型的仿真結果與不考慮縱向振動的一維模型的結果作了比較。發(fā)現(xiàn),由一維模型得到的導塊的橫向位移響應的幅值要大于二維模型的結果。但當橫向位移激勵的頻率與導向系統(tǒng)橫向振動的固有頻率相差較遠時,兩種模型的數(shù)值仿真結果相差不大。 建立了轎廂-導靴-導軌動力學耦合模型來研究電梯滑動導向系統(tǒng)的橫向振動特性。并且由于導軌表面的不平順引起橫向位移激勵的頻率遠小于導向系統(tǒng)橫向振動的固有頻率,因此不考慮由于摩擦耦合引起的導向系統(tǒng)縱向振動,認為在牽引方向始終以額定速度運動。在系統(tǒng)建模過程中,充分考慮了包括導靴與導軌的安裝間隙和摩擦等非線性因素,和電梯運行時的負載不平衡等狀況。并建立了該模型的Matlab/Simulink仿真程序。仿真結果與實測結果在頻域上的比較表明了該模型的有效性。 本文的研究工作對摩擦實驗研究、摩擦特性研究、摩擦信號處理、摩擦建模和參數(shù)識別,以及摩擦系統(tǒng)動力學特性的研究等方面具有一定的參考價值。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：TH117.1
【圖文】：

著重介紹實驗觀測到的動摩擦力所表現(xiàn)的幾個主要現(xiàn)象，來構關的主要的知識框架。這些摩擦現(xiàn)象包括[8]：現(xiàn)象（presliding）臨界摩擦力（varying break-away force）的速度依賴性 (velocity dependence)回特性 (frictional memory effect or velocity hysteresis)象（stick-slip motion）以上內(nèi)容詳細進行介紹。（pre-sliding）ey-Pratt 和 Eisner 的實驗結果中已經(jīng)得出這樣的結論[18]，即當eak-away force）時，摩擦力表現(xiàn)為一種類似彈簧行為的粘滯力擦接觸物體之間產(chǎn)生微小的相對位移。這一過程中的摩擦力是現(xiàn)象的示意圖如圖 1-2所示[19]，橫坐標為相對運動的位移，縱的增大而增大，隨之減小而減小，在微滑動階段其行為具有滯

圖 1-3 臨界摩擦力隨外力增長率的變化[19]lation between break-away force and rate of increase of the app依賴性b的假設以來，摩擦力的動力學行為一直是摩擦研究的熱點開端）表明，摩擦接觸表面間的摩擦力隨著運動速度呈現(xiàn)非[20,23]。這些實驗研究一般都是基于穩(wěn)定的狀況，例如恒定化的曲線被稱為Stribeck曲線[23]。穩(wěn)態(tài)的摩擦力隨不同的定ening or velocity strengthening）的現(xiàn)象實際上取決于不同的ep）、表面形貌和粗糙突起的相關參數(shù)，象切向剛度和質量行為的模型仿真給出了這一現(xiàn)象的示意圖，如圖1-4所示。摩擦力大小，這張圖片顯示滑動摩擦力隨定常速度的增大因是因為局部粘滯系數(shù)隨接觸時間而變化。

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本文編號：2733977