考虑铰间间隙的机构动力学特性研究
发布时间：2020-11-18 02:52
随着现代高科技的发展,航空航天和现代高精密机构对位置精度的要求不断提高和机构运行环境的日益复杂,以及航天器的研制和发射成本的提高,机构的高可靠性、长寿命问题已成为人们关注的焦点;尤其是机构经过长时间工作后,运动副有磨损间隙时引起的系统动力学特性、运动精度、稳定性等问题更是关注的焦点,也是需要解决的难题之一。摩擦磨损是引起机械设备性能和精度下降甚至失效的主要因素之一,针对机械机构运动副普遍存在间隙与磨损现象,本文对考虑铰间间隙的机构动力学特性的一系列关键问题进行了深入研究,为含间隙机构可靠性分析、机构设计与寿命预测奠定了理论基础。主要包括以下内容: 针对考虑旋转铰间隙的机构,对旋转铰规则间隙的矢量模型进一步拓展,应用于动态非规则磨损间隙,建立了通用的旋转铰间隙矢量模型以及含磨损间隙旋转铰的数学模型,适用于规则装配间隙与非规则磨损间隙;在此基础上,建立含间隙机构的动力学方程,为后续分析含间隙机构的动力学特性与运动副间隙动态磨损特性、非规则磨损间隙对机构动力学特性的影响奠定基础。 含间隙机构动力学特性的研究,还需要考虑间隙铰接触碰撞过程的正确描述,针对传统的接触碰撞力模型进行了系统的分析与比较;并基于Lankarani和Nikravesh提出的非线性弹簧阻尼模型(即L-N接触碰撞力模型),结合含间隙机构的动力学方程,对含间隙太阳帆板展开、空间机械臂以及星载天线双轴定位机进行动态特性分析,研究了间隙对空间机构动力学特性的影响。 针对传统接触碰撞力模型的局限性,基于改进弹性基础模型,建立了一种新的旋转铰间隙连续接触碰撞力混合模型,对其进行了详细分析并与传统的L-N连续接触碰撞力模型进行了比较,指出了本文新模型的优点。进一步将其应用到含间隙机构动力学分析中,通过实验验证了新模型的正确性和有效性。 将本文新的间隙连续接触碰撞力混合模型应用到含间隙机构动力学特性分析中,以含间隙四连杆机构为对象,建立了含间隙四连杆机构的动力学模型,详细的分析含规则装配间隙时的机构动态特性,为研究间隙铰的动态磨损特性奠定基础。在此基础上,提出了含间隙机构动态特性的定量分析方法,对含间隙机构不同间隙尺寸、曲柄转速、摩擦系数工况进行了定量分析。 然后提取间隙接触碰撞载荷谱,基于Archard磨损模型,建立间隙旋转铰磨损的动态计算模型,并给出了间隙旋转铰动态磨损计算流程,以含间隙四连杆机构为对象,对间隙旋转铰动态磨损特性进行了分析与预测,并对磨损后的轴表面轮廓进行了重构,发现了间隙铰非规则磨损特征并指出了导致间隙铰非规则磨损的原因。 最后,在以上研究的基础上,针对非规则的磨损间隙,引入了考虑接触表面曲率变化的非线性动态变刚度系数,结合本文新的间隙连续接触碰撞力混合模型,建立了含间隙机构动力学特性与磨损特性的集成分析方法,通过引入磨损周期,对考虑非规则磨损间隙时机构的动力学特性进行了详细的研究,包括非规则磨损间隙对机构动力学性能的影响,以及非规则间隙铰的磨损特性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：TH113
【部分图文】：
如图1-1 所示；一部分是运动副设计、制造过程中，必然会存在一定的误差；一部分是由于摩擦磨损引起的非规则的运动副附加间隙[3-4]，如图 1-2 所示。所以，机构中运动副间隙是不可避免的。由于运动副间隙对机构动力学特性影响较大，因此运动副中不论存在那种间隙都是不希望的，运动副间隙对机构的不良影响主要表现为：(1)间隙会导致机构的实际运动轨迹与期望运动轨迹之间发生偏离，从而使得机构运动精度与性能下降，甚至失效；(2)由于运动副存在间隙，运动副副元素会发生接触碰撞，使得机构关节铰碰撞力增大，加剧了对机构的破坏，并严重的产生噪音与振动，进而导致机构的工作效率降低；(3)间隙碰撞力会激起机构构件的弹性振动，并使得弹性变形增大，进一步会影响机械机构的稳定性或工作精度，有可能导致机构失效；(4)对于一些有往复运动机构的机械及一些间歇运动机构，间隙过大会导致机构的失调；(5)对于一些高副连接的高速运动机构
损坏是由于各种形式的磨损引起的，而且磨损不仅是机械零部件的一种主要失效形式，也是引起其它后续失效的最初原因[5-6]。在工程实际中，尤其是在航空航天领域，由于运动副存在间隙而造成严重航天事故的例子很多，运动副间隙使得空间机构存在非线性动力学特性，会导致展开结构振动、定位机构精度下降、卫星天线打开失稳等故障，从而导致航天器不能正常运行甚至失效[7-9]。(a) (b)图 1-1 含间隙旋转铰Fig.1-1 Revolute joint with clearance
阻尼、运动副润滑特性等，如何提高含间隙机构实验研究的准确性，设计出突出间隙对机构动力学特性影响的实验方法，需要深入的研究[112]。目前关于含间隙机构实验方面的相关研究主要集中在一些简单的机构，如平面四连杆机构、曲柄滑块机构等。并且大部分实验都是验证试验，验证理论研究部分，以及验证仿真结果的正确性[130]。早期，国外学者Funabashi和Ogawa[74]等为了研究各种情况下的运动副间隙模型，做了大量的实验研究，并对理论模型进行了验证，他们试验中采用的对象是含间隙的四连杆机构。Soong等人[79]通过实验对含间隙机构的运动状态进行了详细的研究，将三状态模型进一步细化为四个状态，使得含间隙机构的运动副副元素间的相对运动关系更加精确。Haines[82]通过实验研究了不考虑铰间润滑的干摩擦旋转间隙铰的接触变形特性，实验结果表明间隙铰副元素的局部接触变形是非线性的。Cheriyan[131]对含间隙曲柄滑块机构进行了刚性机构和柔性机构试验，测量加速度响应来验证理论碰撞模型，实验系统如图1-3所示。Flores[132]对含间隙曲柄滑块机构进行了理论与试验研究，通过实验验证理论研究成果，实验系统如图1-4所示。
【引证文献】
本文编号：2888250
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：TH113
【部分图文】：
如图1-1 所示；一部分是运动副设计、制造过程中，必然会存在一定的误差；一部分是由于摩擦磨损引起的非规则的运动副附加间隙[3-4]，如图 1-2 所示。所以，机构中运动副间隙是不可避免的。由于运动副间隙对机构动力学特性影响较大，因此运动副中不论存在那种间隙都是不希望的，运动副间隙对机构的不良影响主要表现为：(1)间隙会导致机构的实际运动轨迹与期望运动轨迹之间发生偏离，从而使得机构运动精度与性能下降，甚至失效；(2)由于运动副存在间隙，运动副副元素会发生接触碰撞，使得机构关节铰碰撞力增大，加剧了对机构的破坏，并严重的产生噪音与振动，进而导致机构的工作效率降低；(3)间隙碰撞力会激起机构构件的弹性振动，并使得弹性变形增大，进一步会影响机械机构的稳定性或工作精度，有可能导致机构失效；(4)对于一些有往复运动机构的机械及一些间歇运动机构，间隙过大会导致机构的失调；(5)对于一些高副连接的高速运动机构
损坏是由于各种形式的磨损引起的，而且磨损不仅是机械零部件的一种主要失效形式，也是引起其它后续失效的最初原因[5-6]。在工程实际中，尤其是在航空航天领域，由于运动副存在间隙而造成严重航天事故的例子很多，运动副间隙使得空间机构存在非线性动力学特性，会导致展开结构振动、定位机构精度下降、卫星天线打开失稳等故障，从而导致航天器不能正常运行甚至失效[7-9]。(a) (b)图 1-1 含间隙旋转铰Fig.1-1 Revolute joint with clearance
阻尼、运动副润滑特性等，如何提高含间隙机构实验研究的准确性，设计出突出间隙对机构动力学特性影响的实验方法，需要深入的研究[112]。目前关于含间隙机构实验方面的相关研究主要集中在一些简单的机构，如平面四连杆机构、曲柄滑块机构等。并且大部分实验都是验证试验，验证理论研究部分，以及验证仿真结果的正确性[130]。早期，国外学者Funabashi和Ogawa[74]等为了研究各种情况下的运动副间隙模型，做了大量的实验研究，并对理论模型进行了验证，他们试验中采用的对象是含间隙的四连杆机构。Soong等人[79]通过实验对含间隙机构的运动状态进行了详细的研究，将三状态模型进一步细化为四个状态，使得含间隙机构的运动副副元素间的相对运动关系更加精确。Haines[82]通过实验研究了不考虑铰间润滑的干摩擦旋转间隙铰的接触变形特性，实验结果表明间隙铰副元素的局部接触变形是非线性的。Cheriyan[131]对含间隙曲柄滑块机构进行了刚性机构和柔性机构试验，测量加速度响应来验证理论碰撞模型，实验系统如图1-3所示。Flores[132]对含间隙曲柄滑块机构进行了理论与试验研究，通过实验验证理论研究成果，实验系统如图1-4所示。
【引证文献】
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2 王永娟;侯杭州;;某供弹机构传动间隙对运动精度的影响研究[J];科学技术与工程;2013年05期
本文编号：2888250
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