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稀土永磁体辅助金属带传动的非线性动力学研究

时彧  
【摘要】: 带传动是一种传统的机械传动方式,它被广泛应用于诸多领域,因为带传动的两个传动轴之间可以实现距离调节和角度调节,传动带可以使用多种柔性带状体替代,所以这种传动方式有着不可替代的优点。对带传动机构的研究从它诞生之日起就没有中断过,由于在带传动机构中可以使用不同结构的柔性体和不同结构的带轮,早期对它的研究多集中于带传动装置的结构。随着科学的发展和计算机的广泛应用,科学研究工作越来越接近于事物的本质,就带传动而言,研究目标已经集中于带传动机构中存在的大量复杂的非线性特性,通过研究这些特性,带传动机构的许多性能得到了改善,并且还创造发明了一些新型的带传动机构。稀土永磁体辅助金属带传动是一种新型的带传动方式,即在两个传动带轮上按照一定的排列方式固定安装高性能的稀土永磁体,以此来增加金属带与带轮之间的摩擦力,从而达到增加带传动机构的传动功率和传动精度。 本文主要针对稀土永磁体辅助金属带传动机构中的动力学性能问题进行研究。由于引进了永磁体的磁力,使得金属带在传动中的振动问题更加凸显了出来。本文在对金属带传动中引入磁力后所带来的性能改变先从简单的力学分析入手,得到了在稀土永磁体辅助下,以金属带为挠性元件的柔性体摩擦传动的欧拉公式,随后运用有限元方法对传动机构受磁场作用后的特性进行了分析,验证了在永磁体磁力辅助下金属带传动机构的功率得到了有效的提高。 本文将磁场磁力的影响简化为磁阻尼和外部磁力激励的作用,并且考虑金属带的粘弹性以及几何非线性,建立起沿纵向运动的金属带横向振动非线性动力学方程、横向非线性受迫振动微分方程以及非线性参数振动微分方程。运用多尺度方法分析了粘弹性本构关系下受磁力作用纵向运动金属带的非线性受迫振动稳态幅频响应问题,分析了非线性参数共振响应问题,讨论了系统共振时的稳态幅频响应以及受非线性系数、磁力激励振幅及粘性系数的影响,分析了响应曲线的稳定性,通过分析可以知道随着粘性系数和非线性系数值的增大,或者磁力激励幅值的减小,金属带的稳态振幅将会减小;粘性系数对高阶模态的影响要比对低阶模态的影响大;磁场强度并非越大越好,因为磁力激励的幅值越大将会使传动系统振动幅值迅速增大从而导致传动系统的失稳,可以通过增加传动系统的运行速度来提高系统的稳定性;适当增加磁阻尼可以使传动系统的运行更加稳定。 本文还通过有限元分析方法对金属带的振动性能进行了分析,随着外部激励幅值的增加金属带的振动幅度也随之增加,并且金属带上的应力也随之增加,但是金属带的振动幅度会随着运行速度的增加而减小。上述结论通过实验得到了验证。 在金属带传动机构中引入磁力必然会对传动系统产生诸多影响,其动力学性能会有很大改变。本文通过理论研究、数值仿真和实验研究,明确了在金属带传动机构中引入稀土永磁体进行辅助,可以使传动系统的牵引力得到增加,从而使机构的传动功率比较未加入磁力时有较大增长,然而,磁力的引入也同时增加了金属带的振动水平,并且也降低了金属带传动机构的稳定性,这些问题可以通过科学选取金属带及带轮的材料、合理选择金属带传动系统的运行速度范围、科学设计永磁体结构以及在带轮上的排列方式而得到解决。 本文为深入研究磁力辅助金属带传动机构打下了一个基础,为开发新型传动系统提供了一个途径。


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