【摘 要】
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随着现代化工业的发展,高端机械装备精密性、高速性、高效性、集成性、智能性的要求越来越高,联结各个零部件的结合面是机械设备设计分析的重要考虑因素,其刚度和阻尼特性占据了机械设备总刚度/阻尼的五成和八成。考虑结合面在机械设备设计分析以及仿真优化中的重要性不言而喻。纵观现代学者的研究,对干摩擦结合面和其法向接触特性进行了大量研究,没有对含油结合面(固-液结合面)切向特性的研究,且切向特性对整机优化分析同
【基金项目】
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中国博士后科学基金面上项目(2019M663782); 陕西省教育厅专项科研计划项目(20JK0800); 陕西省自然科学基础研究计划项目(2020JQ-629); 国家自然科学基金青年科学基金项目(52005401);
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随着现代化工业的发展,高端机械装备精密性、高速性、高效性、集成性、智能性的要求越来越高,联结各个零部件的结合面是机械设备设计分析的重要考虑因素,其刚度和阻尼特性占据了机械设备总刚度/阻尼的五成和八成。考虑结合面在机械设备设计分析以及仿真优化中的重要性不言而喻。纵观现代学者的研究,对干摩擦结合面和其法向接触特性进行了大量研究,没有对含油结合面(固-液结合面)切向特性的研究,且切向特性对整机优化分析同样重要,研究其理论模型并提供数据支撑是本文重要方向。本文对固-液结合面的固体和流体接触部分分开进行微观接触建模,再将两部分并联并通过统计学理论扩展到整个结合面得到理论仿真模型,通过仿真与实验对比的方法验证其静、动态及宏观相对运动特性。主要研究内容如下:(1)根据固-液接触界面的润滑状态,对接触模型进行假设,在密闭油坑以及牛顿粘性定律的基础上建立固-液结合面切向静态边界润滑接触模型。其中固-固接触部分融合mindlin、Fujimoto,KE接触模型,固-液接触部分建立密闭油坑模型和其等效接触模型。最后将建立的模型通过MATLAB仿真,得到切向接触刚度与法向变形量、法向接触载荷、润滑油粘度的关系,并对仿真结果进行讨论与分析。研究表明:固-固结合面与固-液结合面在静态下有类似的接触特性,对于固-液结合面的切向接触刚度,在载荷较小时,密闭油坑切向接触刚度占主导地位,随着载荷的增加,逐渐微凸体切向接触刚度占主导地位。固-液结合面的整体切向接触刚度要高于固-固结合面。(2)对切向激振状态下的固-液结合面切向混合润滑接触模型进行了理论建模,固-固接触部分基于mindlin、Fujimoto,KE融合模型。流体接触部分,将引入接触概率因子的平均Reynolds方程应用到微观微动层面,采用有限差分法求解得到摩擦学性能参数,并用刚度阻尼的差分模型计算得到油膜处在小扰动状态下的刚度和阻尼。将两部分并联得到固-液结合面切向动态接触模型,通过MATLAB仿真获得结合面特性参数随法向接触载荷、激振频率、切向动态位移幅值和润滑油粘度的变化关系。模型仿真结果表明:润滑油的粘度越大,则会引起更大的油膜切向接触刚度;随着法向接触载荷的增加,油膜的切向接触刚度会增加,而激振频率越高,其线性增加的斜率越快;随着切向动态位移幅值的增大,流体部分的切向接触刚度成非线性的递减状态。流体部分的切向阻尼系数随着激振频率的增大呈非线性减小趋势,且动态位移幅值的大小不影响切向阻尼系数的变化;油膜切向接触阻尼系数随着法向接触载荷的增加而增加,且激振频率越大这种增加就越慢。(3)前述的固-固接触融合模型不再适用于宏观移动状态下的固-液结合面,故采用Savkoor微凸体粘着-滑动摩擦接触模型。描述一对微凸体在时域内的四个接触阶段以及相应的切向力随时间的变化关系,在此基础上通过Mathmatic推导四个阶段的切向力、切向接触刚度、法向接触载荷和法向变形量随时间的解析计算公式,采用拟合的方法得到摩擦系数随法向接触载荷和时间的变化公式,考虑微凸体高度分布因素,通过统计学理论将单个微凸体的接触扩展至整个结合面,得到宏观相对运动固-固结合面切向接触刚度模型。流体接触部分的建模采用刚度阻尼差分计算方法。随后通过MATLAB仿真得到固-液结合面切向接触特性随法向接触载荷和宏观移动速度的关系。研究表明:流体部分的切向接触刚度随着法向载荷呈非线性增加,随着宏观移动速度呈线性增加;固-液结合面的切向接触刚度随着法向接触载荷的增加呈非线性增加,随着宏观移动速增加呈非线性减小;固-固结合面与固-液结合面接触特性类似,且固-液结合面的切向接触刚度大于固-固接触刚度。(4)将静/动态固-液结合面切向接触刚度/阻尼理论模型与实验数据进行对比验证。与建立的理论模型一致,选择电火花加工的粗糙结合面试件,润滑油选择#220号机床导轨油作为固-液结合面的中间介质。通过实验,获取静态下固-液结合面切向接触刚度随法向面压的关系,动态下固-液结合面切向接触刚度与阻尼系数随法向面压、激振频率、切向位移赋值的关系,将实验得到的数据与适合的函数拟合,并与理论模型对比分析。
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