隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展,航空航天和現(xiàn)代高精密機(jī)構(gòu)對(duì)位置精度的要求不斷提高和機(jī)構(gòu)運(yùn)行環(huán)境的日益復(fù)雜,以及航天器的研制和發(fā)射成本的提高,機(jī)構(gòu)的高可靠性、長壽命問題已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn);尤其是機(jī)構(gòu)經(jīng)過長時(shí)間工作后,運(yùn)動(dòng)副有磨損間隙時(shí)引起的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性、運(yùn)動(dòng)精度、穩(wěn)定性等問題更是關(guān)注的焦點(diǎn),也是需要解決的難題之一。摩擦磨損是引起機(jī)械設(shè)備性能和精度下降甚至失效的主要因素之一,針對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副普遍存在間隙與磨損現(xiàn)象,本文對(duì)考慮鉸間間隙的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的一系列關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入研究,為含間隙機(jī)構(gòu)可靠性分析、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與壽命預(yù)測奠定了理論基礎(chǔ)。主要包括以下內(nèi)容: 針對(duì)考慮旋轉(zhuǎn)鉸間隙的機(jī)構(gòu),對(duì)旋轉(zhuǎn)鉸規(guī)則間隙的矢量模型進(jìn)一步拓展,應(yīng)用于動(dòng)態(tài)非規(guī)則磨損間隙,建立了通用的旋轉(zhuǎn)鉸間隙矢量模型以及含磨損間隙旋轉(zhuǎn)鉸的數(shù)學(xué)模型,適用于規(guī)則裝配間隙與非規(guī)則磨損間隙;在此基礎(chǔ)上,建立含間隙機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程,為后續(xù)分析含間隙機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性與運(yùn)動(dòng)副間隙動(dòng)態(tài)磨損特性、非規(guī)則磨損間隙對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的影響奠定基礎(chǔ)。 含間隙機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的研究,還需要考慮間隙鉸接觸碰撞過程的正確描述,針對(duì)傳統(tǒng)的接觸碰撞力模型進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與比較;并基于Lankarani和Nikravesh提出的非線性彈簧阻尼模型(即L-N接觸碰撞力模型),結(jié)合含間隙機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程,對(duì)含間隙太陽帆板展開、空間機(jī)械臂以及星載天線雙軸定位機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析,研究了間隙對(duì)空間機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的影響。 針對(duì)傳統(tǒng)接觸碰撞力模型的局限性,基于改進(jìn)彈性基礎(chǔ)模型,建立了一種新的旋轉(zhuǎn)鉸間隙連續(xù)接觸碰撞力混合模型,對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)分析并與傳統(tǒng)的L-N連續(xù)接觸碰撞力模型進(jìn)行了比較,指出了本文新模型的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)一步將其應(yīng)用到含間隙機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新模型的正確性和有效性。 將本文新的間隙連續(xù)接觸碰撞力混合模型應(yīng)用到含間隙機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性分析中,以含間隙四連桿機(jī)構(gòu)為對(duì)象,建立了含間隙四連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型,詳細(xì)的分析含規(guī)則裝配間隙時(shí)的機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性,為研究間隙鉸的動(dòng)態(tài)磨損特性奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,提出了含間隙機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的定量分析方法,對(duì)含間隙機(jī)構(gòu)不同間隙尺寸、曲柄轉(zhuǎn)速、摩擦系數(shù)工況進(jìn)行了定量分析。 然后提取間隙接觸碰撞載荷譜,基于Archard磨損模型,建立間隙旋轉(zhuǎn)鉸磨損的動(dòng)態(tài)計(jì)算模型,并給出了間隙旋轉(zhuǎn)鉸動(dòng)態(tài)磨損計(jì)算流程,以含間隙四連桿機(jī)構(gòu)為對(duì)象,對(duì)間隙旋轉(zhuǎn)鉸動(dòng)態(tài)磨損特性進(jìn)行了分析與預(yù)測,并對(duì)磨損后的軸表面輪廓進(jìn)行了重構(gòu),發(fā)現(xiàn)了間隙鉸非規(guī)則磨損特征并指出了導(dǎo)致間隙鉸非規(guī)則磨損的原因。 最后,在以上研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)非規(guī)則的磨損間隙,引入了考慮接觸表面曲率變化的非線性動(dòng)態(tài)變剛度系數(shù),結(jié)合本文新的間隙連續(xù)接觸碰撞力混合模型,建立了含間隙機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性與磨損特性的集成分析方法,通過引入磨損周期,對(duì)考慮非規(guī)則磨損間隙時(shí)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究,包括非規(guī)則磨損間隙對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的影響,以及非規(guī)則間隙鉸的磨損特性。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：TH113
【部分圖文】：

如圖1-1 所示；一部分是運(yùn)動(dòng)副設(shè)計(jì)、制造過程中，必然會(huì)存在一定的誤差；一部分是由于摩擦磨損引起的非規(guī)則的運(yùn)動(dòng)副附加間隙[3-4]，如圖 1-2 所示。所以，機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)副間隙是不可避免的。由于運(yùn)動(dòng)副間隙對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性影響較大，因此運(yùn)動(dòng)副中不論存在那種間隙都是不希望的，運(yùn)動(dòng)副間隙對(duì)機(jī)構(gòu)的不良影響主要表現(xiàn)為：(1)間隙會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與期望運(yùn)動(dòng)軌跡之間發(fā)生偏離，從而使得機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度與性能下降，甚至失效；(2)由于運(yùn)動(dòng)副存在間隙，運(yùn)動(dòng)副副元素會(huì)發(fā)生接觸碰撞，使得機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)鉸碰撞力增大，加劇了對(duì)機(jī)構(gòu)的破壞，并嚴(yán)重的產(chǎn)生噪音與振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的工作效率降低；(3)間隙碰撞力會(huì)激起機(jī)構(gòu)構(gòu)件的彈性振動(dòng)，并使得彈性變形增大，進(jìn)一步會(huì)影響機(jī)械機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性或工作精度，有可能導(dǎo)致機(jī)構(gòu)失效；(4)對(duì)于一些有往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械及一些間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，間隙過大會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的失調(diào)；(5)對(duì)于一些高副連接的高速運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

損壞是由于各種形式的磨損引起的，而且磨損不僅是機(jī)械零部件的一種主要失效形式，也是引起其它后續(xù)失效的最初原因[5-6]。在工程實(shí)際中，尤其是在航空航天領(lǐng)域，由于運(yùn)動(dòng)副存在間隙而造成嚴(yán)重航天事故的例子很多，運(yùn)動(dòng)副間隙使得空間機(jī)構(gòu)存在非線性動(dòng)力學(xué)特性，會(huì)導(dǎo)致展開結(jié)構(gòu)振動(dòng)、定位機(jī)構(gòu)精度下降、衛(wèi)星天線打開失穩(wěn)等故障，從而導(dǎo)致航天器不能正常運(yùn)行甚至失效[7-9]。(a) (b)圖 1-1 含間隙旋轉(zhuǎn)鉸Fig.1-1 Revolute joint with clearance

阻尼、運(yùn)動(dòng)副潤滑特性等，如何提高含間隙機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)出突出間隙對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性影響的實(shí)驗(yàn)方法，需要深入的研究[112]。目前關(guān)于含間隙機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方面的相關(guān)研究主要集中在一些簡單的機(jī)構(gòu)，如平面四連桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等。并且大部分實(shí)驗(yàn)都是驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證理論研究部分，以及驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性[130]。早期，國外學(xué)者Funabashi和Ogawa[74]等為了研究各種情況下的運(yùn)動(dòng)副間隙模型，做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證，他們?cè)囼?yàn)中采用的對(duì)象是含間隙的四連桿機(jī)構(gòu)。Soong等人[79]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)含間隙機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，將三狀態(tài)模型進(jìn)一步細(xì)化為四個(gè)狀態(tài)，使得含間隙機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副副元素間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系更加精確。Haines[82]通過實(shí)驗(yàn)研究了不考慮鉸間潤滑的干摩擦旋轉(zhuǎn)間隙鉸的接觸變形特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明間隙鉸副元素的局部接觸變形是非線性的。Cheriyan[131]對(duì)含間隙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了剛性機(jī)構(gòu)和柔性機(jī)構(gòu)試驗(yàn)，測量加速度響應(yīng)來驗(yàn)證理論碰撞模型，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1-3所示。Flores[132]對(duì)含間隙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論研究成果，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1-4所示。
【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 曹登慶;初世明;李鄭發(fā);劉榮強(qiáng);;空間可展機(jī)構(gòu)非光滑力學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)研究[J];力學(xué)學(xué)報(bào);2013年01期

2 王永娟;侯杭州;;某供彈機(jī)構(gòu)傳動(dòng)間隙對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響研究[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2013年05期

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