隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展,航空航天和現(xiàn)代高精密機構對位置精度的要求不斷提高和機構運行環(huán)境的日益復雜,以及航天器的研制和發(fā)射成本的提高,機構的高可靠性、長壽命問題已成為人們關注的焦點;尤其是機構經過長時間工作后,運動副有磨損間隙時引起的系統(tǒng)動力學特性、運動精度、穩(wěn)定性等問題更是關注的焦點,也是需要解決的難題之一。摩擦磨損是引起機械設備性能和精度下降甚至失效的主要因素之一,針對機械機構運動副普遍存在間隙與磨損現(xiàn)象,本文對考慮鉸間間隙的機構動力學特性的一系列關鍵問題進行了深入研究,為含間隙機構可靠性分析、機構設計與壽命預測奠定了理論基礎。主要包括以下內容: 針對考慮旋轉鉸間隙的機構,對旋轉鉸規(guī)則間隙的矢量模型進一步拓展,應用于動態(tài)非規(guī)則磨損間隙,建立了通用的旋轉鉸間隙矢量模型以及含磨損間隙旋轉鉸的數(shù)學模型,適用于規(guī)則裝配間隙與非規(guī)則磨損間隙;在此基礎上,建立含間隙機構的動力學方程,為后續(xù)分析含間隙機構的動力學特性與運動副間隙動態(tài)磨損特性、非規(guī)則磨損間隙對機構動力學特性的影響奠定基礎。 含間隙機構動力學特性的研究,還需要考慮間隙鉸接觸碰撞過程的正確描述,針對傳統(tǒng)的接觸碰撞力模型進行了系統(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),結合含間隙機構的動力學方程,對含間隙太陽帆板展開、空間機械臂以及星載天線雙軸定位機進行動態(tài)特性分析,研究了間隙對空間機構動力學特性的影響。 針對傳統(tǒng)接觸碰撞力模型的局限性,基于改進彈性基礎模型,建立了一種新的旋轉鉸間隙連續(xù)接觸碰撞力混合模型,對其進行了詳細分析并與傳統(tǒng)的L-N連續(xù)接觸碰撞力模型進行了比較,指出了本文新模型的優(yōu)點。進一步將其應用到含間隙機構動力學分析中,通過實驗驗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用到含間隙機構動力學特性分析中,以含間隙四連桿機構為對象,建立了含間隙四連桿機構的動力學模型,詳細的分析含規(guī)則裝配間隙時的機構動態(tài)特性,為研究間隙鉸的動態(tài)磨損特性奠定基礎。在此基礎上,提出了含間隙機構動態(tài)特性的定量分析方法,對含間隙機構不同間隙尺寸、曲柄轉速、摩擦系數(shù)工況進行了定量分析。 然后提取間隙接觸碰撞載荷譜,基于Archard磨損模型,建立間隙旋轉鉸磨損的動態(tài)計算模型,并給出了間隙旋轉鉸動態(tài)磨損計算流程,以含間隙四連桿機構為對象,對間隙旋轉鉸動態(tài)磨損特性進行了分析與預測,并對磨損后的軸表面輪廓進行了重構,發(fā)現(xiàn)了間隙鉸非規(guī)則磨損特征并指出了導致間隙鉸非規(guī)則磨損的原因。 最后,在以上研究的基礎上,針對非規(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態(tài)變剛度系數(shù),結合本文新的間隙連續(xù)接觸碰撞力混合模型,建立了含間隙機構動力學特性與磨損特性的集成分析方法,通過引入磨損周期,對考慮非規(guī)則磨損間隙時機構的動力學特性進行了詳細的研究,包括非規(guī)則磨損間隙對機構動力學性能的影響,以及非規(guī)則間隙鉸的磨損特性。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2011
【中圖分類】：TH113
【部分圖文】：

如圖1-1 所示；一部分是運動副設計、制造過程中，必然會存在一定的誤差；一部分是由于摩擦磨損引起的非規(guī)則的運動副附加間隙[3-4]，如圖 1-2 所示。所以，機構中運動副間隙是不可避免的。由于運動副間隙對機構動力學特性影響較大，因此運動副中不論存在那種間隙都是不希望的，運動副間隙對機構的不良影響主要表現(xiàn)為：(1)間隙會導致機構的實際運動軌跡與期望運動軌跡之間發(fā)生偏離，從而使得機構運動精度與性能下降，甚至失效；(2)由于運動副存在間隙，運動副副元素會發(fā)生接觸碰撞，使得機構關節(jié)鉸碰撞力增大，加劇了對機構的破壞，并嚴重的產生噪音與振動，進而導致機構的工作效率降低；(3)間隙碰撞力會激起機構構件的彈性振動，并使得彈性變形增大，進一步會影響機械機構的穩(wěn)定性或工作精度，有可能導致機構失效；(4)對于一些有往復運動機構的機械及一些間歇運動機構，間隙過大會導致機構的失調；(5)對于一些高副連接的高速運動機構

損壞是由于各種形式的磨損引起的，而且磨損不僅是機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]。在工程實際中，尤其是在航空航天領域，由于運動副存在間隙而造成嚴重航天事故的例子很多，運動副間隙使得空間機構存在非線性動力學特性，會導致展開結構振動、定位機構精度下降、衛(wèi)星天線打開失穩(wěn)等故障，從而導致航天器不能正常運行甚至失效[7-9]。(a) (b)圖 1-1 含間隙旋轉鉸Fig.1-1 Revolute joint with clearance

阻尼、運動副潤滑特性等，如何提高含間隙機構實驗研究的準確性，設計出突出間隙對機構動力學特性影響的實驗方法，需要深入的研究[112]。目前關于含間隙機構實驗方面的相關研究主要集中在一些簡單的機構，如平面四連桿機構、曲柄滑塊機構等。并且大部分實驗都是驗證試驗，驗證理論研究部分，以及驗證仿真結果的正確性[130]。早期，國外學者Funabashi和Ogawa[74]等為了研究各種情況下的運動副間隙模型，做了大量的實驗研究，并對理論模型進行了驗證，他們試驗中采用的對象是含間隙的四連桿機構。Soong等人[79]通過實驗對含間隙機構的運動狀態(tài)進行了詳細的研究，將三狀態(tài)模型進一步細化為四個狀態(tài)，使得含間隙機構的運動副副元素間的相對運動關系更加精確。Haines[82]通過實驗研究了不考慮鉸間潤滑的干摩擦旋轉間隙鉸的接觸變形特性，實驗結果表明間隙鉸副元素的局部接觸變形是非線性的。Cheriyan[131]對含間隙曲柄滑塊機構進行了剛性機構和柔性機構試驗，測量加速度響應來驗證理論碰撞模型，實驗系統(tǒng)如圖1-3所示。Flores[132]對含間隙曲柄滑塊機構進行了理論與試驗研究，通過實驗驗證理論研究成果，實驗系統(tǒng)如圖1-4所示。
【引證文獻】

相關期刊論文 前2條

1 曹登慶;初世明;李鄭發(fā);劉榮強;;空間可展機構非光滑力學模型和動力學研究[J];力學學報;2013年01期

2 王永娟;侯杭州;;某供彈機構傳動間隙對運動精度的影響研究[J];科學技術與工程;2013年05期

本文編號：2888250