（机械设计及理论专业论文）考虑运动副摩擦巨型重载夹持机构弹性动力学研究.pdf

硕+ 学位论文 摘要 摘要 目前，随着国家锻造工业的发展及对大型锻件需求量的增加，锻 造操作机所要求的载重量和载重力矩越来越大，其动力学性能也日趋 复杂，对机构操作性能的影响也逐渐增大，因此对巨型重载操作夹持 机构进行动力学研究具有重要理论意义和工程价值。本文的主要研究 内容和结论如下： 首先，利用封闭矢量法建立了锻造操作机典型压杆式夹持机构的 运动学方程；利用关联约束法建立了基于反作用力响应盲区的夹持机 构动态静力方程，推导出夹持机构推力与夹持力的关系，探讨了反作 用力响应盲区对夹持机构力学性能的影响； 其次，以k e d 的有限元法为工具，建立了同时考虑夹持机构连杆、 钳臂弹性和运动副间摩擦的动力学模型，求解出机构处在不同位置时 的固有频率，计算出夹持机构开合与夹持工况下各关节的弹性位移响 应，研究了连杆钳臂弹性、运动副摩擦、构件几何尺寸、外力激励大 小和频率对机构弹性位移响应的影响； 然后，基于a d a m s 动力学仿真软件，建立了夹持机构弹性振动模 型；求解了夹持机构的固有频率、固有模态以及模态坐标等振动特性； 比较了是否考虑运动副摩擦两种情况下机构的频响函数，结果表明运 动副的摩擦对于夹持机构具有重要的减振作用； 最后，为了研究运动副摩擦对机构振动响应的影响，自行设计了 三自由度系统试验台，通过测试该系统的自由振动响应，与理论计算 值比较，两者基本一致，验证了三自由度系统摩擦建模和计算方法的 正确性；改变摩擦、激励幅值和频率等参数，比较三自由度与夹持机 构振动响应规律，两者变化规律基本一致，由此也验证了夹持机构摩 擦建模和求解方法的正确性。 关键词巨型重载夹持机构，动力学响应，振动特性，弹性，摩擦 硕+ 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，a st h ed e v e l o p m e n to ff o r g i n gi n d u s t r ya n dr e q u i r e m e n t o fl a r g es c a l ef o r g i n g ，t h ec a r r y i n gc a p a c i t ya n dd i m e n s i o no ff o r g i n g m a n i p u l a t o r s a r eb e c o m i n gh e a v i e ra n d l a r g e r ，a n d t h e f o r g i n g m a n i p u l a t o r sd y n a m i cp r o p e r t i e s w h i c he f f e c tt h e p e r f o r m a n c e o f m a c h i n ee n o r m o u s l ya r eb e c o m i n gm o r ec o m p l e t e d t h e r e f o r e ，i ti s v a l u a b l et os t u d yt h ed y n a m i cp r o p e r t i e so fl a r g es c a l eh e a v y d u t y f o r g i n gm a n i p u l a t o r s t h em a i nw o r k sa n dc o n c l u s i o n so ft h i sa r t i c l ea r e a sf o l l o w s ： f i r s t l y ，k i n e m a t i c sm o d e lo fg r i p p e rw a se s t a b l i s h e db yt h ev e c t o r m e t h o d ；t h ed y n a m i co fg r i p p e rm o d e lb a s e do nt h er e s p o n s ed e a dz o n e o fc o u n t e r a c t i n gf o r c eb yc o r r e l a t i o nc o n s t r a i nm e t h o dw a sa d v a n c e da n d t h er e l a t i o n s h i po ft h r u s tw i t hg r i p p e rf o r c ew a sd e d u c e dt os t u d yt h e e f f e c to fr e s p o n s ed e a dz o n eo fc o u n t e r a c t i n gf o r c eo nt h ed y n a m i co f g r i p p e r ； s e c o n d l y ，t h ee q u a t i o n o fk i n e t o e l a s t o d y n a m i cf o r g r i p p e r c o n s i d e r e dt h ee l a s t i c i t yo ft h ec o m p o n e n t sa n dt h ef r i c t i o na tt h ej o i n t s b yk e df i n i t e m e t h o dw a sp r o p o s e d ；t h ef r e q u e n c yo ft h eg r i p p e ra t d i f f e r e n tp o s i t i o na n dt h ee l a s t i c i t yd i s p l a c e m e n to fe a c hn o d ed u r i n g v a r i o u sw o r kc o n d i t i o nw a sa n a l y z e d ；t h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r ss u c h a se l a s t i c i t yo fc o m p o n e n t s ，f r i c t i o na tj o i n t s ，p h y s i c a ld i m e n s i o no f c o m p o n e n t s ，l o a d i n g f o r c ee t co nt h e e l a s t i c i t yd i s p l a c e m e n t w e r e s t u d i e d ； t h e n ，t h ev i b r a t i o nm o d e lo fg r i p p e rc o n s i d e r e dt h ef l e x i b l eo fl i n k s a n da lm sw a se s t a b l i s h e d ；t h ev i b r a t i o np r o p e r t i e so fg r i p p e rs u c ha s n a t u r a lf r e q u e n c y ，s y s t e mm o d e sa n dm o d ec o o r d i n a t ew a ss o l v e db yt h e a d a m ss o f t w a r e ；t h ef r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o nw i t hf r i c t i o na tj o i n t s o rn o tw a sc o m p a r e d ，a n dt h er e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h ef r i c t i o na tt h ej o i n t s c a nw e a k e nt h ev i b r a t i o no f g r i p p e ra sad a m p e r ； f i n a l l y ，a i m i n ga ta n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo ff r i c t i o na n de x t e m a l f o r c eo nt h ed y n a m i cr e s p o n s e ，t h et h r e ed e g r e eo ff r e e d o ms y s t e m w h i c hc a nt e s td if f e r e n t s y s t e mt h r o u g hc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r sa n d e x t e r n a lf o r c eo ri n i t i a l d i s p l a c e m e n tw a sd e s i g n e d ；t h ev i b r a t i o n 硕十学位论文 a b s t r a c t r e s p o n s eo ft h es y s t e mw i t hf r i c t i o na tt h ei o i n t sw a st e s t e dt oc o m p a r e w i t ht h et h e o r yr e s u l t s t h et e s t e dr e s u l t sa n dt h et h e o r yr e s u l t sa r e c o n s i s t e n tw h i c hc a np r o v et h ec o r r e c t n e s so ft h ef r i c t i o nm o d e la n dt h e a l g o r i t h m ；t h ec o m p a r i s o no fv i b r a t i o nr e s p o n s ew i t hd if f e r e n t p a r a m e t e r sb e t w e e nt h et h r e ed e g r e eo ff r e e d o ms y s t e ma n dg r i p p e rw a s p r e s e n t e dt ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so ff r i c t i o nm o d e l i nt h eg r i p p e r k e yw o r d sl a r g es c a l e h e a v yd u t yg r i p p e r s ，d y n a m i cr e s p o n s e ， v i b r a t i o np r o p e r t i e s ，e l a s t i c i t y , f r i c t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名： 导师签名日期：年一月一日 硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着世界工业化的不断发展，对大型锻件的需求量与同俱增。大型锻件的生 产能力、工艺水平、技术经济指标和生产装备的水平是衡量锻造工业发展水平的 重要标志之一。要提高锻件的生产能力，必需首先提高锻造装备的性能，如采用 新型液压机、配备锻造操作机、实现液压机计算机控制、改进锻造工艺等措施。 其中作为锻压机的配套设备锻造操作机，对提高劳动生产率和设备利用率、提高 锻件质量和降低成本，减轻劳动强度、改善劳动条件方面都有极为重要的作用i l j 。 1 1 课题的来源及研究背景 本论文的课题来源于9 7 3 国家重点基础研究发展计划项目“巨型重载操作装 备的基础科学问题”子课题“大尺度重型构件稳定央持原理与央持系统驱动策 略”，课题编号为“2 0 0 6 c b 7 0 5 4 0 4 ”。 经历几十年的发展，我国大锻件锻造已达到一定规模和水平，且拥有的 1 0 0 m n 级大型液压机数量已跃居世界第三位，但是与之相对应的辅助配套设施 还极不完备。如锻造操作机、大截面切割机、工具操作机等都不配套，从而大大 影响了被锻钢锭的材料利用率和生产效率，也制约了生产能力【2 一。因此，自主 研发巨型重载锻造操作装备的配套设施已是当务之急，其中值得关注的是锻造操 作机的配备。锻造液压机配备操作机后，提高了锻造液压机生产大锻件的数量和 质量，国外有许多企业和研究机构在不断研制结构简单、成本低、适用性好的锻 造操作机，如同本神户制钢所配备的世界上最大的4 m n m 操作机，比原来采用 两台起重机( 行车) 进行锻造操作的生产方式提高效率1 6 - - - 2 倍。由此可见， 加强巨型重载锻造操作机的研制是大锻件生产得以持续发展所不可或缺的事实 和长期任纠孓川。 夹持机构是巨型重载锻造操作装备的关键部件，目前主要是对其结构作传统 的静力分析【1 引，很少考虑到机构的动态特性。在实际的运行过程中，夹持机构 经常出现连杆断裂、央持锻件脱落等动力学问题，而这些动力学问题是降低机构 工作质量和效率、引发重大操作故障、造成巨大经济损失乃至严重社会后果的重 要原因之一，因此，有必要建立机构考虑各种因素的动力学模型，对其动力学特 性进行分析，为机构的结构设计和控制策略设计提供理论依据。 1 2 夹持机构动力学特性及研究现状 硕十学位论文第一章绪论 机械系统动力学主要内容可分为两方面：逆动力学( 动态静力分析) 和正动 力学( 动力学响应) 9 - 1 2 】。 目前，系统动力学研究的广度和深度不高，大量的研究有待开展。如在动力 学建模方面，要研究建立与所有构件及关节的质量、转动惯量、惯性力( 矩) 、 连接方式、弹性【1 3 - 8 1 、摩擦1 9 一1 1 、阻尼1 3 2 3 7 】、运动副间隙【3 8 l 、制造及安装误差 等诸多因素有关的精细模型，使其分析计算结果精度更高、更接近真值；开展系 统动力学响应的研究以指导动力学控制；研究机构振动 3 9 - 4 1 】、平衡【4 2 】等问题以 保证系统良好的动态性能。 夹持机构是锻造操作机、装出料机及锻造机械手的执行机构，主要由钳头 和钳1 ：3 两部分组成【lj ，其性能的好坏直接影响整个央持系统的性能。 随着锻造操作机的载重量和载重力矩要求不断增大，运转速度趋于提高，对 工作的精度要求更为严格，为了减轻机构的重量，设计的构件截面尽可能小，因 此，央持机构的杆件在各种工况如张开、闭合、央持锻件锻压、抬升、旋转和偏 斜下，构件的惯性力变得很大，刚度降低，产生的弹性变形和振动增加。杆件的 弹性变形对原设计的精度产生重要影响，杆件的动态应力使杆件的强度设计成为 一个不可忽视的问题。同时，杆件的弹性振动会引起设备动态精度丧失，构件疲 劳破坏等事故发生，振动引起的噪声也污染了环境。而传统的把央持机构当作刚 体来求解运算，会使计算结果与实际结果产生较大的误差，因此必须考虑构件的 弹性性能对其进行分析。弹性构件分析方法有弹性动力学k e d 和准静态分析 k e s ，他们之间有本质的区别，前者是把外力和刚体惯性力作为激励力来研究机 构的振动，而后者略去了弹性变形的惯性力，把外力和刚体惯性力在指定的机构 位置上作为一组静载荷加在机构上来计算机构的变形。为了研究机构的振动响 应，有必要对机构进行弹性动力学分析。 对于轻型机构，运动副问的摩擦可以忽略不计，但是对于巨型重载央持机 构，因其承载能力大，工作速度高，精度要求高，运动副之间的摩擦力( 矩) 对 机构动力特性具有重要的影响，而摩擦力广泛存在与机构的运动副间，详细研究 摩擦力( 矩) 对机构动力学响应的影响具有重大工程应用价值。在本课题的i j 阶 段工作中【1 9 l ，对转动副摩擦导致机构承载能力发生变化的问题进行深入研究。 根据机构所处的两种状态，提出了反作用力响应盲区的概念：应用关联约束法建 立了央持机构力学模型，求解出央持机构的反作用力响应盲区，探讨了反作用力 响应盲区对承载能力的影响。同时，基于反作用力响应盲区对两种典型夹持机构 的承载能力进行分析比较，结果表明在央持小直径锻件的情况下，压杆式央持机 构具有更高的承载能力。 然而机构在运转过程中，系统处于正向运动状态和反向微动状态不断交替的 2 硕十学位论文第一章绪论 过程中，运动副问的摩擦力方向也会由此相应地发生改变，对于转动副，其摩擦 力与摩擦圆由相切到反向与摩擦圆的另一边相切；而对于移动副，系统处于滑动 与黏滞状态的交替变化中，摩擦力方向是一个动态变化的过程，其变化规律非常 复杂。而课题前阶段研究只研究了摩擦力变化的两种临界位置，由两种临界位置 得出响应盲区的概念，对响应盲区之内整个变化过程机构的动态响应规律没有进 行研究。本文将继续考虑运动副1 8 j 的摩擦力( 矩) 的作用，研究巨型重载央持机 构在反作用力响应盲区内的动力学响应，这是对前阶段工作的深入，同时也具有 重要的理论意义和工程应用价值。 机构的振动特性包括固有频率、固有模态和频率响应函数，这些是机构的特 有属性，也是表征动力学特性的重要参数。因此，通过分析这些特性，就可以了 解机构的振动特点、奇异位形、刚度等信息，为央持机构的设计、避振、减振等 提供有益的准备和必要的指导。 因此本文根据央持机构所具有的动力学特性，主要研究考虑运动副摩擦巨型 重载央持机构弹性动力学响应及其振动特性。 1 2 1 机构弹性动力学问题概述 机构弹性动力学( k i n e t o e l a s t o d y n a m i c s ) 是机构学和动力学的一个 新的重要分支，是为解决高速弹性机构的振动问题而产生的，其任务是研究机器 的部分或全部构件被看成弹性体时，在外力和惯性力作用下机器的真实运动情况 ( 弹性动力分析) 以及相应的设计机构的方法( 弹性动力综合) m 3 。 机构弹性动力学的研究最早可以追溯到本世纪三十年代，但是真正形成研究 热潮是从六十年代丌始的。进入七十年代以后，弹性机构动力学的研究丌创了一 个新局面，国内外学者在这一领域进行了多方面的研究，在分析模型的建立、动 力学方程的求解、动力学特性分析、实验研究等多方面进行了不同程度的探讨。 在分析模型方面，b a g c i t 4 4 l 是以集中参数模型为基础的，按这种模型建立起 来的运动方程，求解较为容易，但由于对质量分布形式简化较多，显得粗糙一些； e r d m a n 和s a n d o r l 4 5 1 ，w i n f r e y l 4 6 】分别按照有限元方法的力法和位移法建立起来 的分析模型更符合实际情况；b r i c o u t1 4 7 】用有限元方法对机械手进行了动力学分 析；b a h g a t 4 8 】首次采用五次埃尔米特插值函数作为梁单元的横向位移函数，对振 型曲线的模拟更精确，并能准确地求出单元中的最大应力；文献 4 3 】将上述特点 综合起来，形成了平面连杆机构弹性动力分析的基本方法；n a t h t 4 9 j 在动力学方程 中首次计入了几何非线性的影响；t u r t i c 5 0 】给出了一般单元分析模型的建立方法， 并在单元刚度矩阵中直接计入了几何非线性的影响，进一步完善了弹性机构的动 力学模型。 在运动微分方程的求解方面，主要的方法有：振型迭加法( 模态迭加法) 、 硕十学位论文第一章绪论 直接积分法、傅立叶级数法等。振型迭加法( 模念迭加法) 是通过坐标变换，使 耦合的运动微分方程转化为一组新坐标下的相互独立的运动微分方程，对已经解 耦的每一个方程就像单自由度系统一样地独立求解，然后进行坐标的反变换，求 得原坐标的振动响应解。m i d h a l 5 1 l 首先利用模态迭加法结合杜哈美积分得到了求 解弹性机构动力学方程稳态解的闭式算法。这种算法需要对动力学方程进行模态 分析，求取各阶主振型，因而适用于动力学方程能够解耦的情况。高晓春【5 2 j 基 于模念迭加法形成的闭式算法，提出了求解非线性动力学方程的迭代法，并在迭 代过程中计入了高阶模念对动态响应的静力贡献。直接积分法是通过直接积分微 分方程求出方程的数值解，主要有逐步积分法和状态空问法。逐步积分法不需要 求解振型和频率，因此对各系数矩阵的形式没有限制。该算法的缺点是容易产生 较大误差，有时会出现数值不稳定现象。为了提高解的精度，必需使时间步长足 够小。用于求解多自由度线性振动系统的常用数值积分法有中心差分法、侯博特 ( h o u b o l t ) 法、威尔逊0 ( w i l l s o n 0 ) 法、n e w m a r k 口法等【5 3 】。董智法、张 强星1 5 4j 采用n e w m a r k 直接数值积分法研究了单自由度具有粘性阻尼的双线性 滞迟隔振系统；状态空i 、日j 法适用于具有任何形式的阻尼矩阵的系统运动微分方程 的求解，而且稳定性好，精度高。b a g c i l 4 4 j 第一次把状态空间法应用于机构运动 微分方程组的求解，但采用的是丌式算法；文献【5 5 】构造了状态空i 剞法求解机构 运动微分方程的闭式算法。这种算法不要求方程能够解耦，适用于具有任何形式 阻尼矩阵的运动微分方程，而且稳定性好，精度高，但内存丌销较模念迭加法大。 对于周期性运转的机构，当仅研究系统稳念循环特性时，可以采用傅立叶级数法 求其稳态响应。这种方法不需要求解特征值问题，而且对阻尼矩阵的形式没有特 殊要求。其缺点是得到的线性代数方程组的维数往往比较大，求解起来比较困难。 在实验研究方面则鲜见论文发表。 实际的系统都是由构件和运动副联接而成，由于运动副各元素之间存在着摩 擦耗能作用，而且随着机械设备的工作速度越来越高，这种耗能作用越来越明显， 因此，运动副的摩擦对系统动力响应的影响不能忽略，在建立系统的动力学方程 时，应该考虑由运动副产生的摩擦力【l4 1 。 1 2 2 运动副摩擦问题概述 摩擦是一种复杂的非线性物理现象，产生于具有相对运动的接触面之间【5 6 】。 他的存在，一定程度上可以通过耗能机制来抑制机构的振动水平，起到有效的减 振作用，在诸多工程领域得到广泛的应用。但是，由于客观存在不光滑的非线性 泛函本构关系，使得含有摩擦环节的结构在简谐、随机和冲击激励下的响应计算 问题非常困难，因此国内外很多学者在摩擦模型的建立和响应计算都进行了系统 深入的理论和试验研究，取得了一定的研究成果【5 7 。5 引。 4 硕十学位论文第一章绪论 两固体接触表面间的摩擦力的数学模型有许多，a r m s t r o n g 5 6 1 、白鸿柏【5 7 1 、 刘丽兰【5 8 】等都曾经做过综述。其中振动工程常用的摩擦力模型可分为三个主要 的类型，即关于相对滑动速度的不连续函数的s g n 摩擦模型、关于滑动位移的滞 后连续函数的滞迟模型和k a r n o p p 摩擦力模型。 s g n 摩擦模型是d e nh a r t o g 5 9 1 于1 9 3 1 年提出的理想摩擦模型( c o u l o m b 摩 擦模型) ，在一个具有摩擦交接面的单自由度系统中，交接面上的摩擦力是突然 发生的，其时域波形为理想方波，并且摩擦力总是阻碍运动，与运动速度反向。 但是摩擦力只是速度方向的函数，该模型只局限于非零速下的摩擦，不能描述速 度为零时的摩擦力情况。且该模型涉及到符号函数，从而引入非线性使求解变得 非常复杂。 实际上，摩擦交接面都具有一定的弹性，在外力作用下，交接面先是沿切线 方向产生弹性变形，等到外力达到一定程度，交接面才产生相对滑动。考虑到交 接面的弹性性质，将摩擦表面看成是一根弹簧和一个理想的c o u l o m b 摩擦副串 接，1 9 6 1 年，1 w a n ，c a u g h e y l 6 0 】等提出了著名的双线性滞迟恢复力模型。 k a r n o p p 摩擦力模型是k a r n o p p 6 1 i 提出来的，他定义了一个零速区间 i v i d i ，d i ，是零附近非常小的速度值，根据不同的工作条件而确定，在口，区 域外，摩擦力是库伦摩擦，而在+ d v 区域之内，速度则强迫认为是零，此时摩 擦力由系统所受的其他外力决定，其大小等于外力的大小，但要小于最大静摩擦 力，方向与外力相反。该模型的优点是避免了零速度检测问题以及黏滞和滑动摩 擦状态方程问切换问题，但是d ，的确定还没有明确的方法。 除此之外，一些学者还考虑了其他许多因素的影响，提出了许多近似的摩擦 力模型，有负幂函数摩擦力模型，d a h l 摩擦力模型、滞后型分布摩擦力模型、 s t f i b e c k 摩擦力模型、刷子( b r i s t l e ) 摩擦力模型、重新定位( r e s e ti n t e g r a t o r ) 摩擦力模型、l u g r e 摩擦力模型、l e u v e n 摩擦力模型、m a x w e l l 摩擦力模型等。 尽管有那么多的摩擦力模型，但是理想摩擦模型( c o u l o m b 摩擦模型) 、双线性 滞迟模型既简单又能揭示出摩擦交接面的基本特性在振动工程中可以用来描述 一大类摩擦问题。 在摩擦求解方面，主要有四种方法：分段线性解析法，等效黏性阻尼法， f o u r i e r 级数展开法和增量谐波平衡法。d e nh a r t o g 5 9 】根据理想摩擦模型 ( c o u l o m b 摩擦模型) 的分段线性特性，导出了单自由度激振质量摩擦系统正弦 激励下的精确解。之后又按振动一周能量耗散相等原则将摩擦力用一等效粘性阻 尼力替代，发展了等效线性化方法【6 2 1 。l e v i t a n t 6 3 1 和s a i n s b u r y l 6 4 l 将理想摩擦力进 行f o u r i e r 级数展开，推导出了单自由度摩擦系统正弦激励下响应的精确级数 解。p i e r r e ，f e r r i 和d i w e l l l 6 5 】合作，通过引进符号函数技巧，将增量谐波平衡法 硕十学位论文 第一章绪论 ( i h b ) 推广至单自由度激振质量摩擦系统与含有两个摩擦环节的两自由度激振 质量摩擦系统的正弦激励响应计算。 由此可知，机构弹性动力学、摩擦力建模求解已经取得了一定的成就，但是 把二者结合起来研究的文献还是比较少。系统是多种因素共同作用的总和，必需 考虑各种因素对系统动力学的影响，建立比较精确的动力学模型，得到更接近实 际结果的理论解。所以本文以锻造操作机央持机构为研究对象，利用现有的机构 弹性动力学和摩擦学理论，建立考虑运动副摩擦的央持机构弹性动力学模型并对 其动态响应和振动特性进行研究，为央持机构的结构优化设计和控制策略的优化 提供理论依据。同时，综合考虑构件弹性和运动副摩擦的建模方法同样可以推广 到其他机构的动力学建模，具有理论意义和工程实际意义。 1 2 3 振动特性研究概述 为了提高生产效率，同时节约材料，降低能耗，机械工业设备都在向着高速、 重载、轻量化发展。这就使得构件惯性力急剧增大，刚度降低，构件产生的弹性 变形和振动增加，从而大大的降低了机构的工作精度，使机构的工作性能恶化 【4 3 1 。由此引起的设备动态精度丧失，构件疲劳破坏等事故时有发生，振动引起 的噪声也污染了环境。如何简单可靠的消除和抑制机械系统的有害振动和噪声， 提高其精度和寿命，仍然是机械科学领域的一个重大的理论和实践问题。 目前，机械系统的振动研究可分为两大分支。一种方法是将现代控制理论、 新型阻尼材料和机电一体化技术结合到一起的有源减振降噪技术。近几十年来， 该技术受到了广泛的重视。但其结构复杂，成本较高，且系统中很小的摄动就可 能导致振动控制系统性能的大幅下降甚至不稳定。另一种方法是在不增加结构的 复杂程度下，通过提高结构阻尼系数，增加结构自身损耗能量的能力来抑制振动。 主要形式为材料阻尼和运动副阻尼。此方法成本低，易于实现，在振动控制中仍 处于不可替代的主导地位。因此，研究材料阻尼和运动副阻尼的动力学性能对理 论和生产实际都有极其重要的作用l 6 6 j 。 系统的模态参数包括振型、固有频率。机构的振型是有限元模型中各节点的 位移的一种比例关系，不同的振型之间相互垂直，他们构成了一个线性空间，这 个线性空间的坐标轴就是由构件的振型构成的1 67 1 。振型对应的频率就是机构的 固有频率，固有频率是机构的特有属性，也是表征动力学特性的重要参数，通过 分析频率可以了解其振动特点、奇异位形、刚度等信息，为机构的设计、工作任 务规划、避振等提供有益的准备和必要的指导1 4 。传统的模念参数辨识方法是 基于试验条件下的频率响应函数进行的参数识别方法，它要求同时测得结构上的 激励和响应。 6 硕十学位论文第一章绪论 1 3 本文研究的目的、意义和主要内容 巨型重载夹持机构因其大尺寸、重载、高速运转，在央持锻件锻造、旋转、 抬升、偏斜等过程中，导致构件的惯性力急剧增大，刚度降低，使机构产生弹性 变形和振动增加；机构是由运动副连接的，运动副间的摩擦对机构的动力学响应 有较大的影响；机构的振动特性由模态参数表征的，求解机构的固有频率、振型、 频响函数就可以知道系统的振动特性，能够有效避振，为机构的结构设计提供依 据。因此，本文研究考虑运动副间摩擦的巨型重载央持机构弹性动力学响应以及 分析系统的振动特性。 1 3 1 本文研究的目的、意义 由于锻造工业作业同趋高速、重载、高效、自动、精密，其系统功能的优劣 越来越取决于系统的动力学特性。事实表明，各类动力学问题是降低系统工作质 量和效率、引发重大运行故障、造成巨大经济损失乃至严重社会后果的重要原因 之一。因此，对锻造操作机进行动力学特性分析，对于机构的设计有着至关重要 的作用。对机构进行动力学分析，首先要对机构建立动力学模型，在建立模型过 程中，传统的建模方法为了计算简单，往往忽略了很多因素，如通常把构件假设 为刚性体，忽略运动副之间的摩擦作用等等。这样建立的模型，方法简单，求解 方便，但是精确度不够，计算出的结果与实际结果误差较大。因此，在动力学影 响和作用非常重要的场合下，为了提高对系统动力学分析的精度，必需建立更为 精细的动力学模型，对机构进行精确的动力学分析，研究机构的振动特性，为机 构的结构设计以及控制策略设计提供更为精确的参数。 近几十年来，机械产品运转速度趋于提高，对机械的工作精度要求更为严格。 与此同时，为了减轻机械的重量，设计的构件截面减小，构件刚度降低。高速下 急剧增大的惯性力使机构构件产生弹性变形和振动，从而使机构的工作性能恶 化。因此，某些机构构件的弹性不能再像传统方法中那样被忽略不计，在分析机 构的动力学特性时是必须要考虑的。 对于轻型低速机构，运动副之j 1 自j 的摩擦作用比外力小很多，基本上可以忽略， 但是对于巨型重载机构，运动副之间的摩擦会变得很大，对机构的动力学响应产 生重要影响。机构在运转过程中，系统处于正向运动状念和反向微动状态不断交 替的过程中，运动副间的摩擦力方向也会由此相应地发生改变，对于转动副，其 摩擦力与摩擦圆由相切到与摩擦圆的另一边相切；而对于移动副，系统处于滑动 与黏滞状态的交替变化中，因此摩擦力方向是一个动念变化的过程，其变化规律 非常复杂。课题前阶段只研究了央持机构两种状态的临界位置，提出了反作用力 响应盲区，在此基础上建立了大型夹持机构的央持系统驱动力与输出力之间的映 硕十学位论文 第一章绪论 像模型和典型央持机构的承载能力数据库，而对于机构的整个运动过程动态响应 没有作深入的研究。机构的动态响应分析是机构结构设计和控制实施的理论基 础，也是对机构采取合理避振措施的提前，因此，本文将对运动副摩擦力的变化 规律及其摩擦力对机构动力响应的影响进行分析。 随着现代工业对工程质量、产品精度及可靠性都提出了越来越高的要求，研 究和解决工业工程中出现的各种振动问题已成为一项急迫的任务。锻造操作机在 工作过程中，如抬升、旋转、倾斜、锻造时，受到锻造力和惯性力的激励，引起 机构的振动，如果振动过大，就有可能导致央持不稳定，甚至失效，给操作带来 重大的安全隐患，也严重影响了生产效率。因此，对央持机构进行振动特性分析 具有重大的工程实际意义。 载重量为2 5 0 t 的锻造操作机夹持机构结构较复杂，且在研制中，因此无法 对实体各项参数进行测试。为了研究运动副摩擦对机构的振动响应影响，确立考 虑运动副摩擦机构的响应规律，验证摩擦理论建模求解方法的正确性，本文研制 了一台三自由度变参数振动系统试验台。通过对该试验台进行振动响应测试，分 析测试结果与理论计算结果是否一致，如一致，则验证了三自由度系统摩擦建模 计算方法的正确性。比较在不同参数条件下三自由度系统与央持机构的位移响应 变化规律，如规律一致，则可以进一步验证央持机构的摩擦建模求解方法的正确 性。 1 3 2 本文研究的内容 本文旨在建立考虑构件弹性和运动副摩擦作用的巨型重载央持机构弹性动 力学方程，并对其进行求解，研究机构的动力学响应，然后基于a d a m s 仿真软件 对机构进行振动特性分析，为机构结构设计和控制设计提供理论依据，其主要研 究内容有： ( 1 ) 利用库仑摩擦模型，建立了考虑运动副摩擦央持机构动态静力学方程， 推导出央持机构推力与夹持力的映射关系，使其分析计算结果更准确，也为建立 夹持机构弹性动力学方程提供数据； ( 2 ) 以弹性动力学为基础，在综合考虑了连杆和钳臂弹性性能和运动副间摩 擦特性的基础上，建立了夹持机构的动力学模型；利用n e w m a r k 法计算央持 机构的一阶固有频率和各结点上的弹性位移，研究构件弹性性能、运动副摩擦、 各构件几何尺寸以及外载荷激励幅值与频率对各结点弹性位移响应的影响；为机 构的设计提供理论依据； ( 3 ) 基于a d a m s 动力学仿真软件对央持机构进行了振动特性分析，求解了 系统的固有频率、振型和是否考虑摩擦时的频响函数，研究运动副间摩擦对机构 振动特性的影响，为机构避振和动力学控制提供理论依据： 8 硕+ 学何论文 第一章绪论 ( 4 ) 为了分析运动副摩擦对机构动力学响应的影响，验证夹持机构摩擦建模 和计算方法的正确性，自行设计了变参数振动系统试验台，该试验台可以改变质 量、刚度、摩擦、激励、自由度等参数，具有通用性。利用该试验台做有一定初 始位移的自由振动，测量振动加速度响应，把测量结果与理论计算结果相比较， 两者结果基本一致，表明三自由度系统摩擦建模和计算方法是正确和合理的；然 后在改变摩擦、外力激励幅值和频率条件下，比较三自由度系统的位移响应与央 持机构的位移响应，两者响应规律基本一致，由此验证央持机构摩擦建模和计算 方法的f 确性与合理性。 9 硕：仁学何论文第二章巨型重载夹持机构刚体动态静力学建模及仿真 第二章巨型重载夹持机构刚体动态静力学建模及仿真 建立机构的运动微分方程首先要求解机构刚体加速度运动学特性和机构受 到的外载荷。因此，本文首先建立夹持机构的刚体运动学方程求解出各构件的运 动特性，然后建立考虑运动副摩擦时的刚体动力学方程，求解输入力( 推力) 与 输出力( 夹持力) 以及各运动副所受的摩擦力矩等外力，为第三章建立机构弹性 动力学微分方程提供数据。 2 1 夹持机构运动学建模 运动学建模主要描述了各铰链的转角变化与其在惯性坐标下位置、速度、加 速度的几何关系，是对机构进行动力学分析的基础。机构的运动分析常用的方法 有：矢量法、张量法、旋量法和网络分析法等【1 2 1 。本文以锻造操作机典型央持 机构压杆式央持机构为研究对象，因结构比较简单，故选用矢量法建立央持机构 的运动学模型。 压杆式夹持机构简图如图2 1 所示，由推杆l 、连杆2 、钳臂( 后臂3 、前臂 5 、中臂6 ) 、钳口7 、支架4 组成，类似于曲柄滑块机构，其几何尺寸见表2 1 ， 央持机构是对称结构，运动几何关系也是对称的，为了简便，对央持机构的一半 进行运动学分析即可。 图2 - 1 压杆式夹持机构简图 l o 硕十学位论文第二章巨型重载夹持机构刚体动态静力学建模及仿真 表2 - 1 夹持机构几何尺寸 名称长( m m )宽( m r n ) 高( t u r n ) 密度( k g m m ) 连杆l 2 2 8 0 0 5 0 05 0 0 后臂l 3 i 2 4 0 0 18 0 02 0 7 8 1 0 6 前臂l 3 2 3 6 0 0 l8 0 02 0 中臂l 3 3 5 2 3l 18 0 0 2 0 已知条件是钳口丌合速度为虼，可以确定钳臂转角的变化速度和加速度， 如下式： 鸭21 3 c o s f l 厶2 ( 2 1 ) 口3 = 一匕s i n 皑厶2 由此，利用闭环矢量法【2 0 1 可以求出在固定惯性坐标系下，央持机构各关节 和构件质心的位置、速度、加速度的表达式。 连杆角速度、角加速度： 0 ) 22 如啪8 口。屿7 匕l 啪鼍y ( 2 2 ) 奶= 1 7 2 = ( 2 s i n l 7 呸2 一厶1 s i n 厂鸭2 + 厶i i c o s y 如) l 2 c o s 推杆速度、加速度： 厶2 嵋2 一厶s i n o ( 0 2 - z 3 i s i n 7 屿( 2 - 3 ) l 4 = q = 一l 2 c o s q 2 一上2 s i n l 7 如一厶l c o s ? 霹一厶l s i n 7 如 连杆质心x 向位置、速度、加速度： 厶2 ，= 厶c o s l 7 2 厶2 ，= u 2 ，= 一l 2 s i n l 7 0 ) 2 2 厶2 ，= 以2 ，= 一厶c o s l 7 喀2 一厶s i n l 7 如2 连杆质心y 向位置、速度、加速度： l x 2p = l 2 s i n o c 2 厶2y = k 2y = 一厶c o s l 7 0 ) 2 2 厶2y = q 2y = 一厶s i n l 7 2 2 + l 2 c o s o f 也2 运动副b x 向位置、速度、加速度： l b , = 厶i c o s 7 出= = 一厶l s i n7 , 鸭 凰= a 肌= 一厶l c o s 7 一厶l s i n 7 如 运动副b y 向位置、速度、加速度： l b y = 厶l s i n7 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 硕十学位论文 第二章巨型重载夹持机构刚体动态静力学建模及仿真 l | ! ，= = 一厶i c o s y t 0 3 ( 2 - 7 ) l s y = 口坩，= 一厶l s i n y q 2 + 厶l c o s z 奶 运动副d x 向位置、速度、加速度： l o x = 厶2 c o s f l l 脚= g d x = 一厶2 s i n 1 0 3 ( 2 8 ) 三，h = a ，打= 一厶2 c o s f l 霹一厶2 s i n c o s ss i n c o 3l ，h2 ，打2 一岛2 蝣一岛2 运动副d y 向位置、速度、加速度： l 却= 厶2 s i n l 伽= v ，) ，= 一厶1 2 c o s f l c 0 3 ( 2 - 9 ) l 小= a m = 一厶2 s i n 0 ) 。2 + 厶2 c o s f l 也 钳臂质心x 向位置、速度、加速度： 厶3 ，= l 3 c o s ( p + 7 ) 厶h = k 3 ，= 一厶3 s i n ( f l + 7 ) c 0 3 ( 2 1 0 ) l 。3 ，= a s h = 一厶3 c o s ( p + ) 0 9 ，2 一厶1 2 s i n ( f l + ) 如 钳臂质心y 向位置、速度、加速度： t 3 。= 厶3 s i n ( f l + ) l m = k 3 ，= 一l ，3 c o s ( p + ) 鸭 ( 2 - l1 ) 厶3 ，= a ，3 ，= 一t 3 s i n ( f l + 7 ) 霹+ l 。3 c o s ( p + ) 也 央持机构的各运动参数是根据钳口丌合速度求得，当钳口丌合速度变化时， 则机构的运动参数改变。当央持机构处于央持和松丌过程中，要求钳口丌合速度 v a = 5 0 m m s ，由以上运动学方程可以求出机构的各构件的位置、速度、加速度等 运动参数；当央持机构在央持锻件做抬升、旋转等工况时，机构产生的惯性力使 得钳口张丌，此时钳口开合的速度是瞬时突变的，可能会很大，因此，机构的运 动参数也会变得很大。由以上方程求出的刚体加速度计算刚体运动惯性力引起的 结点力，代入机构的运动微分方程，就可以求解机构的振动响应了。 2 2 夹持机构刚体动态静力学建模及仿真 夹持机构受到的外力包括液压缸施加的推力、钳口受到锻件央持力的反力和 各运动副上的摩擦力矩，所以，在建立机构运动微分方程之前，需要求解机构的 央持力、推力以及运动副摩擦力矩。 2 2 1 锻件夹持稳定夹持机构所需最小夹持力 夹持机构钳口上的央持力是从操作机的公称载重量g 和央持力矩m 出发， 根据钳口央持锻件后，钳e l 上力的平衡关系来计算的【1 1 。因此首先要求解出锻件 1 2 硕+ 学位论文第二二章巨型重载夹持机构刚体动态静力学建模及仿真 稳定央持时央持机构需要的夹紧力，才能推导出所需