基于超声减摩原理的气缸运动副摩擦特性研究

发布时间：2017-04-17 07:00

  本文关键词：基于超声减摩原理的气缸运动副摩擦特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：气缸作为气动系统中常见的执行机构,被广泛用于自动化生产等工业场合中。气缸内部动、静摩擦力的差值导致气缸爬行现象的产生,降低了定位精度,影响了加工质量,限制了气动技术的发展。近年来,超声减摩技术作为一种有效减小摩擦力的手段得到了广泛关注。本文将超声振动施加于橡胶条-钢板这对模拟气缸内部活塞处摩擦的运动副上,分析其减摩机理。气缸内部的摩擦力主要受活塞密封部位的影响,通过将气缸沿中心轴周向展开,建立了与活塞处橡胶密封圈-气缸缸筒运动副等效的橡胶条-平面钢板运动副的物理模型。结合刚性体之间的摩擦和弹性体与刚性体的摩擦的区别,在充分分析现有摩擦理论的基础上,讨论各摩擦理论对计算橡胶条-钢板这对运动副间摩擦力的适用性。最终确定利用粘附理论和滞后理论推导无超声振动下的橡胶条-钢板间的摩擦力数学模型。此摩擦力与真实接触面积成正比,因此分别利用单峰接触理论和赫兹接触理论计算了真实接触面积,确定了关于橡胶材料、橡胶条直径、法向载荷、橡胶条长度、粗糙度的摩擦力数学模型。并对模型进行简化,对摩擦力与各影响因素之间的关系进行了定性分析。利用超声振动的传播方程分析超声振动波的性质,确定超声振幅最大处,奠定实验的理论基础。根据超声波的性质,利用接触表面的力学作用和滑动摩擦过程的特点进行了超声减摩基本原理的分析。分析得知,超声振动通过减小真实接触面积进而减小了摩擦力。基于本课题组以往对超声减摩的研究,可知随着超声振幅的越大,摩擦力越小,减摩效果越好。利用振型测试拟合出超声振幅与超声电压的回归方程,在本课题组对超声减摩研究的基础上拟合了振动前后摩擦力之比与超声激励电压的关系,进而建立了施加超声振动后的摩擦力关于超声振幅的数学模型。根据此模型利用MATLAB进行摩擦力的数值仿真,得出各影响因素和摩擦力的关系。研制摩擦力测试实验台。利用Solidworks三维建模进行了各组件和装配方法的确定。采用ANSYS对超声振幅进行有限元仿真确定了超声振动组件中钢板尺寸和换能器参数。利用实验验证了第三章中各影响因素对摩擦力的影响,测试了不同橡胶-钢板间摩擦力的减摩效果,摩擦力最大可减少36.6%。建立了本试验台条件下的摩擦力模型。根据实验数据利用量纲分析法拟合了摩擦力经验关联式,拟合程度为99.8%,对比理论推导的数学模型,验证其正确性,分析差异原因和模型的通用性。最终通过理论和实验相结合的方式分析得知,减小静摩擦力改善爬行现象的方法是:减小法向载荷W,减小橡胶条直径D,增大混合弹性模量E*,减小拉伸强度σmax、增大超声振幅YA。
【关键词】：气缸运动副 摩擦力 超声振动 减摩 量纲分析
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH138.51
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 课题的来源11
• 1.2 课题背景及研究的目的和意义11-12
• 1.3 摩擦理论的研究现状12-14
• 1.4 改善气缸摩擦特性的研究进展14-17
• 1.5 超声减摩的研究现状17-21
• 1.5.1 超声波特性、发生原理及装置17-18
• 1.5.2 超声减摩的国内外研究进展18-21
• 1.6 本文研究内容21-23
• 第2章 橡胶条-钢板运动副间摩擦力的数学模型推导23-39
• 2.1 引言23
• 2.2 橡胶的性能、分类及用途23-24
• 2.2.1 橡胶的性能23
• 2.2.2 橡胶的分类及用途23-24
• 2.3 运动副间摩擦力的研究24-28
• 2.3.1 摩擦力的基本概念24-26
• 2.3.2 摩擦的分类26
• 2.3.3 运动副间静摩擦力的理论分析26-28
• 2.4 橡胶条-平面钢板运动副间摩擦力数学模型的推导28-38
• 2.4.1 弹性体-刚性体的粘附摩擦力数学模型的建立28-34
• 2.4.2 弹性体-刚性体的滞后摩擦力数学模型的建立34-35
• 2.4.3 橡胶-刚性体的总摩擦力数学模型的建立及分析35-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第3章 超声振动下的减摩机理及仿真39-55
• 3.1 引言39
• 3.2 超声振动在钢板上的传播方程39-41
• 3.3 超声减摩的机理分析41-47
• 3.3.1 超声减摩的基本原理42-43
• 3.3.2 超声振型测试确定钢板振幅与电压的关系43-46
• 3.3.3 超声减摩的数学模型推导46-47
• 3.4 摩擦力在超声振动下的仿真47-54
• 3.4.1 超声振动下摩擦力与法向载荷的仿真48-49
• 3.4.2 超声振动下摩擦力与橡胶条长度的仿真49-50
• 3.4.3 超声振动下摩擦力与橡胶条直径的仿真50-51
• 3.4.4 超声振动下摩擦力与 γ 的仿真51-52
• 3.4.5 超声振动下摩擦力与超声振幅的仿真52-54
• 3.5 本章小结54-55
• 第4章 摩擦力测试试验台的研制55-70
• 4.1 引言55
• 4.2 基于有限元仿真的超声振动系统组件的设计55-59
• 4.2.1 平面接触超声振动的有限元建模及仿真55-58
• 4.2.2 各因素对超声振幅的影响58-59
• 4.3 摩擦力测试试验台的结构及原理59-61
• 4.4 试验台的构成61-66
• 4.4.1 试验台的硬件组成部分61-63
• 4.4.2 试验台的软件组成部分63-66
• 4.5 实验准备工作66-68
• 4.5.1 力传感器的标定66-67
• 4.5.2 阻抗分析确定谐振频率67
• 4.5.3 设计实验步骤67-68
• 4.6 摩擦力的测试方法68-69
• 4.7 本章小结69-70
• 第5章 摩擦力实验研究及量纲分析70-84
• 5.1 引言70
• 5.2 实验各因素的分析70-71
• 5.3 实验结果的摩擦与减摩特性分析71-76
• 5.3.1 丁腈橡胶摩擦力的实验研究71-72
• 5.3.2 氟橡胶摩擦力的实验研究72-73
• 5.3.3 硅橡胶摩擦力的实验研究73-75
• 5.3.4 本试验台的超声振动下摩擦力数学模型的拟合75-76
• 5.4 量纲分析法拟合经验关联式76-81
• 5.4.1 量纲分析及 π 定理76-77
• 5.4.2 量纲分析的无因次数学模型推导77-79
• 5.4.3 正交实验设计79-80
• 5.4.4 摩擦力数学模型的经验关联式的拟合80-81
• 5.5 经验关联式的预测能力的验证81-82
• 5.6 本章小结82-84
• 结论84-86
• 参考文献86-91
• 致谢91

【引证文献】

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 周铁英;刘勇;袁世明;姜开利;;声悬浮对超声振动减摩的影响[A];中国声学学会2002年全国声学学术会议论文集[C];2002年

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本文编号：312642