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考虑铰间间隙的机构动力学特性研究

白争锋  
【摘要】: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。


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