【摘要】：摩擦是一門十分古老而年輕的科學(xué),已經(jīng)證實(shí)摩擦存在于人類生活的方方面面,在機(jī)械領(lǐng)域,摩擦扮演著尤為關(guān)鍵的角色。對(duì)摩擦特性及其線性,非線性因素的全面考量和精確控制,對(duì)于提高機(jī)械加工精度,產(chǎn)品質(zhì)量,延長(zhǎng)運(yùn)行壽命具有至關(guān)重要的作用。 課題從考慮摩擦在機(jī)械工程中所起的作用與影響出發(fā),旨在研究含摩擦環(huán)節(jié)的機(jī)械系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、建模、識(shí)別以及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。通過(guò)對(duì)含摩擦系統(tǒng)進(jìn)行多方實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分析研究摩擦的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),提出全新的摩擦力模型,使之盡可能多的描述并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)中所呈現(xiàn)的摩擦特性,并利用此模型對(duì)含摩擦系統(tǒng)低速下的粘滑現(xiàn)象及相關(guān)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析和探討。 論文首先概述了摩擦的定義和歷史,通過(guò)“靜、動(dòng)”兩個(gè)概念及區(qū)別,分類介紹了當(dāng)前已知的摩擦特性,在此基礎(chǔ)上,按照不同的建模思路,分別介紹了靜態(tài)摩擦模型和動(dòng)態(tài)摩擦模型的原理及優(yōu)缺點(diǎn),并簡(jiǎn)述了含摩擦系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性并重點(diǎn)關(guān)注粘滑、極限環(huán)等由摩擦引發(fā)的非線性環(huán)節(jié)的研究進(jìn)展。 根據(jù)機(jī)械工程領(lǐng)域的實(shí)際研究目標(biāo),從宏觀角度出發(fā)研究摩擦的動(dòng)靜態(tài)特性,對(duì)電梯導(dǎo)軌與導(dǎo)靴/靴襯間的橫向及縱向摩擦特性做了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的測(cè)試裝置,采用不同的摩擦材料,通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn),測(cè)試并分析了摩擦力隨接觸界面間正壓力、相對(duì)速度、潤(rùn)滑狀態(tài)變化的情況,研究了摩擦力在預(yù)滑動(dòng)和宏觀滑動(dòng)階段的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)摩擦特性,發(fā)現(xiàn)并提出摩擦過(guò)沖(Friction overshoot)概念。對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的Stribeck曲線模型進(jìn)行了參數(shù)化研究,針對(duì)界面磨損對(duì)摩擦特性的影響,從宏觀及微觀角度分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究、分析及對(duì)比,并得到一些有意義的結(jié)果。為后續(xù)的摩擦模型的建模和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性分析提供必要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,提出了一個(gè)新的基于Bouc-Wen的單狀態(tài)變量摩擦力模型(簡(jiǎn)稱SSV)。通過(guò)引入規(guī)范化的Bouc-Wen模型,可以比較精確的描述摩擦力在預(yù)滑動(dòng)階段的滯回行為。同時(shí)并入一個(gè)速度的指數(shù)函數(shù)以及加速度的線性函數(shù),使得模型可以描述摩擦宏觀階段的Stribeck效應(yīng),以及相應(yīng)的速度滯后特性。根據(jù)鬃毛模型平均變形的理念,提出鬃毛平均等效質(zhì)量的概念,使之可以描述從預(yù)滑動(dòng)到宏觀滑動(dòng)階段間的摩擦過(guò)沖特性,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩階段間的光滑過(guò)渡。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比以及與LuGre模型的比較,此模型可以很好的擬合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),在描述預(yù)滑動(dòng)及摩擦過(guò)沖方面,較其他摩擦力模型更加有效。 基于旋轉(zhuǎn)式摩擦試驗(yàn)機(jī),進(jìn)一步驗(yàn)證了摩擦滯回及速度滯后特性,并實(shí)驗(yàn)考察了單向速度激勵(lì)下,摩擦在宏觀滑動(dòng)階段的滯后特性。對(duì)預(yù)滑動(dòng)范圍內(nèi)的摩擦非局部記憶效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)在潤(rùn)滑條件下,摩擦力與位移在預(yù)滑動(dòng)階段成近似線性關(guān)系。獲得了不同正壓力下的Stribeck摩擦力曲線及摩擦系數(shù)曲線,并擴(kuò)展了Stribeck曲線的定義范圍,使其能夠用一個(gè)公式預(yù)測(cè)在不同正壓力和相對(duì)運(yùn)行速度下的摩擦力,經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證具有良好的準(zhǔn)確性�？疾榱四Σ燎邢蚺c法向間運(yùn)動(dòng)的耦合關(guān)系,首次發(fā)現(xiàn)摩擦在潤(rùn)滑條件下存在法向位移與切線位移間的交叉滯回,及法向位移與切向速度間的滯回特性。從微觀角度出發(fā),在物理意義上對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了闡述及解釋,并據(jù)此進(jìn)行了理論建模。模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于識(shí)別,并具備進(jìn)一步擴(kuò)展的能力。通過(guò)模型仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,證實(shí)了模型的合理性及有效性。實(shí)驗(yàn)以旋轉(zhuǎn)式摩擦實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果為基礎(chǔ),將實(shí)驗(yàn)精度由毫米級(jí)提升至微米級(jí),其結(jié)果不僅加深了對(duì)摩擦機(jī)理及特性的理解,并對(duì)高精度摩擦模型的發(fā)展提供了必要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 基于直線往復(fù)和旋轉(zhuǎn)式摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提出一個(gè)新的高精度摩擦力模型:廣義Bouc-Wen Maxwell-Slip摩擦模型(簡(jiǎn)稱GBM)。在摩擦預(yù)滑動(dòng)階段,GBM模型用一系列含庫(kù)侖摩擦的彈簧振子模擬預(yù)滑動(dòng)階段的摩擦特性;在宏觀滑動(dòng)階段,則采用了改進(jìn)的Bouc-Wen模型和含變摩擦系數(shù)的擴(kuò)展Stribeck曲線。通過(guò)與四個(gè)常用摩擦力模型在描述摩擦特性方面的對(duì)比與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,表明GBM模型在描述摩擦滯回、速度滯后、Stribeck效應(yīng)、摩擦過(guò)沖、正壓力相關(guān)等方面均優(yōu)于其他模型。而且GBM利用Maxwell-Slip模型中含有多個(gè)變量的優(yōu)點(diǎn),從而比較好的描述了預(yù)滑動(dòng)階段非局部記憶效應(yīng)及非漂移特性。模型在宏觀滑動(dòng)階段使用的是單狀態(tài)變量微分方程,在預(yù)滑動(dòng)階段依靠多變量的代數(shù)方程,平衡了效率與性能。另外,通過(guò)簡(jiǎn)化模型參數(shù),GBM模型可以退化為Dahl、LuGre、SSV、GMS及其它模型,具有良好的適應(yīng)性�？偠灾�,對(duì)于摩擦模型的選擇,應(yīng)根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用需求來(lái)進(jìn)行。當(dāng)系統(tǒng)精度或?qū)崟r(shí)性需求不高時(shí),Dahl、LuGre甚至庫(kù)侖摩擦模型即可滿足需求;對(duì)于高精度及實(shí)時(shí)性(如精確定位等控制領(lǐng)域)的需求,GBM模型是較為理想的選擇。 以單自由度鏈?zhǔn)侥Ｐ蜑檠芯繉?duì)象,詳細(xì)分析了含摩擦機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生粘滑運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象與機(jī)理。探討了由粘滑運(yùn)動(dòng)引發(fā)的兩類振動(dòng),一是不同的激勵(lì)速度所導(dǎo)致系統(tǒng)以不同頻率做粘滯-滑動(dòng)-粘滯的反復(fù)運(yùn)動(dòng),表現(xiàn)為物體沿相對(duì)平衡位置做往復(fù)的低頻振動(dòng),且振動(dòng)頻率與系統(tǒng)固有頻率無(wú)關(guān);而是伴隨往復(fù)運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)在粘滯階段還存在高頻振動(dòng),這與一般認(rèn)識(shí)上的粘滯即停止不同。通過(guò)定性、定量及與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析表明,系統(tǒng)在粘滯階段的高頻振動(dòng)頻率不是單一固定值而是分布在一定寬度的頻域內(nèi),其來(lái)源于摩擦預(yù)滑動(dòng)階段摩擦界面間不斷變化的接觸剛度,而摩擦阻尼及系統(tǒng)自身阻尼是高頻振動(dòng)逐漸衰減的原因。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生粘滑運(yùn)動(dòng)時(shí),系統(tǒng)響應(yīng)隨激勵(lì)速度、系統(tǒng)剛度及阻尼的變化而呈周期、擬周期及混沌運(yùn)動(dòng)交替變化的形式。當(dāng)激勵(lì)速度、剛度及阻尼逐漸增大時(shí),系統(tǒng)均呈現(xiàn)出逐漸從混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向穩(wěn)定的周期運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì);伴隨這一轉(zhuǎn)變趨勢(shì),系統(tǒng)粘滑運(yùn)動(dòng)也會(huì)隨參數(shù)值的增大而逐漸衰弱至消失,進(jìn)而變?yōu)槟Σ烈鸬臏?zhǔn)諧調(diào)周期振動(dòng),在理論極限情況下,準(zhǔn)諧調(diào)運(yùn)動(dòng)也會(huì)消失。 本文的研究方法和結(jié)論對(duì)于推進(jìn)摩擦實(shí)驗(yàn)研究、摩擦特性研究、摩擦模型的建模以及加深對(duì)機(jī)械系統(tǒng)粘滑現(xiàn)象的認(rèn)識(shí),提高系統(tǒng)的工作精度和使用壽命,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】：2009
【分類號(hào)】：TH117.1

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2802241