【摘要】： 在機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中往往有摩擦環(huán)節(jié)存在,常常對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大的影響。尤其,由于摩擦在低速時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性,系統(tǒng)在啟動(dòng)、停止以及速度轉(zhuǎn)向時(shí)受到的摩擦的影響最為嚴(yán)重,甚至由于摩擦的存在會(huì)使系統(tǒng)進(jìn)入無(wú)序運(yùn)動(dòng)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(jī)械朝著高精度、高性能方向的發(fā)展,對(duì)摩擦環(huán)節(jié)的建模以及動(dòng)力學(xué)特性的研究就變得越來(lái)越重要。 摩擦現(xiàn)象在微觀尺度上具有極其復(fù)雜的物理學(xué)本質(zhì),在一般的機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)δΣ恋难芯恐?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(shí)驗(yàn)研究,對(duì)摩擦特性進(jìn)行分析,提出新的宏觀經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu),并給出相應(yīng)的摩擦信號(hào)處理和參數(shù)識(shí)別過(guò)程,此外,運(yùn)用數(shù)值方法對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了探討。 論文首先概述了有關(guān)摩擦特性的實(shí)驗(yàn)和理論研究的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究進(jìn)展,總結(jié)了各種摩擦現(xiàn)象的產(chǎn)生原因和表現(xiàn)形式,在此基礎(chǔ)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(diǎn),簡(jiǎn)述了摩擦信號(hào)處理以及摩擦系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性研究等方面的研究方法。 針對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)靴和導(dǎo)軌之間的橫向和縱向摩擦的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置,擬定了實(shí)驗(yàn)方案,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了初步的分析和處理。通過(guò)分析和比較大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,探討了導(dǎo)靴與導(dǎo)軌之間的摩擦特性,包括摩擦力隨相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度,以及正壓力、潤(rùn)滑狀況和導(dǎo)靴類(lèi)型等參數(shù)的變化情況,為進(jìn)一步的研究工作提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 由于測(cè)量方法以及測(cè)量?jī)x器的局限性,實(shí)驗(yàn)所測(cè)的摩擦信號(hào)不可避免的包含噪聲信號(hào)和其他力信號(hào)成分,例如彈性力信號(hào)等。隨著摩擦力模型的精細(xì)化和復(fù)雜化,參數(shù)辨識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的噪聲信號(hào)表現(xiàn)出高敏感性,對(duì)于被噪聲和其它力信號(hào)污染嚴(yán)重的數(shù)據(jù),部分辨識(shí)方法甚至失效。因此如何將真正的摩擦力信號(hào)從測(cè)量信號(hào)中分離出來(lái)在摩擦參數(shù)識(shí)別中至關(guān)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(lèi)非線性信號(hào)。本文提出了使用中值濾波和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition)相結(jié)合的方法來(lái)分析處理實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的摩擦力信號(hào)。并將處理結(jié)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(jié)果在時(shí)域上、Fourier譜空間以及Hilbert譜空間分別進(jìn)行了比較,結(jié)果顯示經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法在摩擦力信號(hào)分析和處理上具有優(yōu)越性。 在對(duì)摩擦特性實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)引入規(guī)范化的Bouc-Wen模型,提出了一個(gè)新的動(dòng)摩擦力模型結(jié)構(gòu)。這個(gè)模型結(jié)構(gòu)能夠描述摩擦力在微滑動(dòng)階段、宏觀滑動(dòng)階段以及過(guò)渡階段的非線性特性。同時(shí)還提出了一個(gè)新的不可逆宏觀滑動(dòng)摩擦模型。給出了當(dāng)滑動(dòng)摩擦模型分別為速度依賴(lài)性模型和此不可逆模型時(shí)的參數(shù)識(shí)別過(guò)程,針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出識(shí)別結(jié)果,并對(duì)實(shí)驗(yàn)中的摩擦過(guò)程進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在時(shí)間歷程上以及摩擦力-相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移和摩擦力-相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的坐標(biāo)圖上的比較,顯示了此摩擦模型結(jié)構(gòu)的有效性和描述摩擦過(guò)程的精確性。 對(duì)于在一定牽引速度下受到橫向位移激勵(lì)的滑動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)建立了振動(dòng)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(wèn)題。數(shù)值仿真結(jié)果顯示,在一定的參數(shù)狀況下滑動(dòng)導(dǎo)塊有可能出現(xiàn)爬行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)分析了牽引速度和橫向激勵(lì)的頻率對(duì)橫向位移響應(yīng)的影響。并將二維模型的仿真結(jié)果與不考慮縱向振動(dòng)的一維模型的結(jié)果作了比較。發(fā)現(xiàn),由一維模型得到的導(dǎo)塊的橫向位移響應(yīng)的幅值要大于二維模型的結(jié)果。但當(dāng)橫向位移激勵(lì)的頻率與導(dǎo)向系統(tǒng)橫向振動(dòng)的固有頻率相差較遠(yuǎn)時(shí),兩種模型的數(shù)值仿真結(jié)果相差不大。 建立了轎廂-導(dǎo)靴-導(dǎo)軌動(dòng)力學(xué)耦合模型來(lái)研究電梯滑動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的橫向振動(dòng)特性。并且由于導(dǎo)軌表面的不平順引起橫向位移激勵(lì)的頻率遠(yuǎn)小于導(dǎo)向系統(tǒng)橫向振動(dòng)的固有頻率,因此不考慮由于摩擦耦合引起的導(dǎo)向系統(tǒng)縱向振動(dòng),認(rèn)為在牽引方向始終以額定速度運(yùn)動(dòng)。在系統(tǒng)建模過(guò)程中,充分考慮了包括導(dǎo)靴與導(dǎo)軌的安裝間隙和摩擦等非線性因素,和電梯運(yùn)行時(shí)的負(fù)載不平衡等狀況。并建立了該模型的Matlab/Simulink仿真程序。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)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(duì)摩擦實(shí)驗(yàn)研究、摩擦特性研究、摩擦信號(hào)處理、摩擦建模和參數(shù)識(shí)別,以及摩擦系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的研究等方面具有一定的參考價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類(lèi)號(hào)】：TH117.1
【圖文】：

著重介紹實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的動(dòng)摩擦力所表現(xiàn)的幾個(gè)主要現(xiàn)象，來(lái)構(gòu)關(guān)的主要的知識(shí)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(lài)性 (velocity dependence)回特性 (frictional memory effect or velocity hysteresis)象（stick-slip motion）以上內(nèi)容詳細(xì)進(jìn)行介紹。（pre-sliding）ey-Pratt 和 Eisner 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中已經(jīng)得出這樣的結(jié)論[18]，即當(dāng)eak-away force）時(shí)，摩擦力表現(xiàn)為一種類(lèi)似彈簧行為的粘滯力擦接觸物體之間產(chǎn)生微小的相對(duì)位移。這一過(guò)程中的摩擦力是現(xiàn)象的示意圖如圖 1-2所示[19]，橫坐標(biāo)為相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移，縱的增大而增大，隨之減小而減小，在微滑動(dòng)階段其行為具有滯

圖 1-3 臨界摩擦力隨外力增長(zhǎng)率的變化[19]lation between break-away force and rate of increase of the app依賴(lài)性b的假設(shè)以來(lái)，摩擦力的動(dòng)力學(xué)行為一直是摩擦研究的熱點(diǎn)開(kāi)端）表明，摩擦接觸表面間的摩擦力隨著運(yùn)動(dòng)速度呈現(xiàn)非[20,23]。這些實(shí)驗(yàn)研究一般都是基于穩(wěn)定的狀況，例如恒定化的曲線被稱(chēng)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(shí)際上取決于不同的ep）、表面形貌和粗糙突起的相關(guān)參數(shù)，象切向剛度和質(zhì)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(dòng)摩擦力隨定常速度的增大因是因?yàn)榫植空硿禂?shù)隨接觸時(shí)間而變化。

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本文編號(hào)：2733977