滑动导向系统摩擦建模及动力学研究

发布时间：2020-06-29 14:25

【摘要】： 在机械系统的运行过程中往往有摩擦环节存在,常常对系统的性能产生很大的影响。尤其,由于摩擦在低速时表现出强烈的非线性,系统在启动、停止以及速度转向时受到的摩擦的影响最为严重,甚至由于摩擦的存在会使系统进入无序运动的混沌状态,极大的降低系统的性能。因此随着现代机械朝着高精度、高性能方向的发展,对摩擦环节的建模以及动力学特性的研究就变得越来越重要。摩擦现象在微观尺度上具有极其复杂的物理学本质,在一般的机械系统领域对摩擦的研究中,都是力求从宏观尺度上最好的解释和模拟摩擦现象和行为。因此本课题基于摩擦实验研究,对摩擦特性进行分析,提出新的宏观经验模型结构,并给出相应的摩擦信号处理和参数识别过程,此外,运用数值方法对滑动导向系统的动力学特性进行了探讨。论文首先概述了有关摩擦特性的实验和理论研究的国内外研究现状和研究进展,总结了各种摩擦现象的产生原因和表现形式,在此基础上,介绍了各种不同的摩擦力模型,并分析了它们的优缺点,简述了摩擦信号处理以及摩擦系统动力学特性研究等方面的研究方法。针对滑动导靴和导轨之间的横向和纵向摩擦的特点,设计了相应的实验装置,拟定了实验方案,并对实验结果进行了初步的分析和处理。通过分析和比较大量的实验结果,探讨了导靴与导轨之间的摩擦特性,包括摩擦力随相对运动的位移、速度、加速度,以及正压力、润滑状况和导靴类型等参数的变化情况,为进一步的研究工作提供实验基础。由于测量方法以及测量仪器的局限性,实验所测的摩擦信号不可避免的包含噪声信号和其他力信号成分,例如弹性力信号等。随着摩擦力模型的精细化和复杂化,参数辨识对实验数据中的噪声信号表现出高敏感性,对于被噪声和其它力信号污染严重的数据,部分辨识方法甚至失效。因此如何将真正的摩擦力信号从测量信号中分离出来在摩擦参数识别中至关重要。而传统的基于傅利叶变换的分析方法往往不适合处理此类非线性信号。本文提出了使用中值滤波和经验模态分解(Empirical Mode Decomposition)相结合的方法来分析处理实验中所测得的摩擦力信号。并将处理结果与经由基于傅利叶变换的方法(低通和带阻滤波,以及小波分解方法)处理的结果在时域上、Fourier谱空间以及Hilbert谱空间分别进行了比较,结果显示经验模态分解方法在摩擦力信号分析和处理上具有优越性。在对摩擦特性实验研究的基础上,通过引入规范化的Bouc-Wen模型,提出了一个新的动摩擦力模型结构。这个模型结构能够描述摩擦力在微滑动阶段、宏观滑动阶段以及过渡阶段的非线性特性。同时还提出了一个新的不可逆宏观滑动摩擦模型。给出了当滑动摩擦模型分别为速度依赖性模型和此不可逆模型时的参数识别过程,针对实验数据给出识别结果,并对实验中的摩擦过程进行仿真,仿真结果与实验结果在时间历程上以及摩擦力-相对运动位移和摩擦力-相对运动速度的坐标图上的比较,显示了此摩擦模型结构的有效性和描述摩擦过程的精确性。对于在一定牵引速度下受到横向位移激励的滑动导向系统建立了振动分析的二维模型,其中充分考虑了横向和纵向由于摩擦引起的耦合问题。数值仿真结果显示,在一定的参数状况下滑动导块有可能出现爬行运动状态。同时分析了牵引速度和横向激励的频率对横向位移响应的影响。并将二维模型的仿真结果与不考虑纵向振动的一维模型的结果作了比较。发现,由一维模型得到的导块的横向位移响应的幅值要大于二维模型的结果。但当横向位移激励的频率与导向系统横向振动的固有频率相差较远时,两种模型的数值仿真结果相差不大。建立了轿厢-导靴-导轨动力学耦合模型来研究电梯滑动导向系统的横向振动特性。并且由于导轨表面的不平顺引起横向位移激励的频率远小于导向系统横向振动的固有频率,因此不考虑由于摩擦耦合引起的导向系统纵向振动,认为在牵引方向始终以额定速度运动。在系统建模过程中,充分考虑了包括导靴与导轨的安装间隙和摩擦等非线性因素,和电梯运行时的负载不平衡等状况。并建立了该模型的Matlab/Simulink仿真程序。仿真结果与实测结果在频域上的比较表明了该模型的有效性。本文的研究工作对摩擦实验研究、摩擦特性研究、摩擦信号处理、摩擦建模和参数识别,以及摩擦系统动力学特性的研究等方面具有一定的参考价值。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH117.1
【图文】：

示意图,预滑,示意图,摩擦力

着重介绍实验观测到的动摩擦力所表现的几个主要现象，来构关的主要的知识框架。这些摩擦现象包括[8]：现象（presliding）临界摩擦力（varying break-away force）的速度依赖性 (velocity dependence)回特性 (frictional memory effect or velocity hysteresis)象（stick-slip motion）以上内容详细进行介绍。（pre-sliding）ey-Pratt 和 Eisner 的实验结果中已经得出这样的结论[18]，即当eak-away force）时，摩擦力表现为一种类似弹簧行为的粘滞力擦接触物体之间产生微小的相对位移。这一过程中的摩擦力是现象的示意图如图 1-2所示[19]，横坐标为相对运动的位移，纵的增大而增大，随之减小而减小，在微滑动阶段其行为具有滞

摩擦力,外力,增长率

图 1-3 临界摩擦力随外力增长率的变化[19]lation between break-away force and rate of increase of the app依赖性b的假设以来，摩擦力的动力学行为一直是摩擦研究的热点开端）表明，摩擦接触表面间的摩擦力随着运动速度呈现非[20,23]。这些实验研究一般都是基于稳定的状况，例如恒定化的曲线被称为Stribeck曲线[23]。稳态的摩擦力随不同的定ening or velocity strengthening）的现象实际上取决于不同的ep）、表面形貌和粗糙突起的相关参数，象切向刚度和质量行为的模型仿真给出了这一现象的示意图，如图1-4所示。摩擦力大小，这张图片显示滑动摩擦力随定常速度的增大因是因为局部粘滞系数随接触时间而变化。

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