（机械制造及其自动化专业论文）粉末冶金材料结合面特征参数识别与研究.pdf

摘要摘要数控机床是机械结构非常复杂、静动态性能要求很高的精密、高效、自动化、柔性化加工设备。其设计技术涉及许多学科领域，设计工作存在着许多工程实际困难，尤其是机床零部件结合面刚度、阻尼等参数难以精确确定，刚度模型难以准确反映实际状况，精确的整机数学模型求解工作量十分巨大，致使目前在全世界范围内尚未找到令人满意的现代化数控机床整机结构快速优化设计系统。因此，在下列研究领域取得突破性进展将对我国制造业的发展产生深远的影响。( 1 ) 准确地测定结合面的刚度和阻尼系数；( 2 ) 研究获得高刚度和阻尼结合面的设计方法；( 3 ) 在考虑结合面接触状态的情况下建立准确的有限元分析模型。在以往的结合面特征参数测试工作中发现，结合面中加润滑油类介质，测得结合面单位面积刚度提高一倍以上，单位面积阻尼提高一个数量级。关键是解决实际结构工作中给结合面充油的问题。对于粉末冶金多孔含油材料，在工作过程中油脂类介质会从孔隙中渗出，布满工作表面；停止工作时，油脂类介质又重缩回到多孔基体中储存起来，其流失量一般甚少，因此工作过程中无需补充油脂，仍能正常工作。经过长时间的探索，获得了采用粉末冶金多孔含油阻尼材料这一构思，可使结合面处于长期充油的工作状态。此外，多孔含油阻尼材料本身具有较大的损耗因子，可进一步提高多孔含油阻尼材料结合面的刚度和阻尼系数。本文即是以铁基粉末冶金多孔材料制作试验装置的结合面，建立试验系统的单自由度解耦模型，进行结合面在有油介质和适度去油介质情况下刚度和阻尼系数的试验识别，得到科学的、量化的试验数据，研究获得高刚度、大阻尼结合面的方法，为设计现代高抗振性的机械设备提供理论依据。关键词结合面：单位面积刚度；单位面积阻尼；相对位移法；粉末冶金多孔材料a b s t r a c tn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o li se q u i p m e n t , w h o s em a c h i n e r ys 缸u c t u r ei sv e r yc o m p l i c a t e d ，a n dw h o s er e q u i r e so fs t a t i ca n dd y n a m i cf u n c t i o ni sv e r yh i g h , t h en cm a c h i n et o e li sa l s oap r e c i s i o n , h i 曲一e f f e c t i v e ，a u t o m a t i o n ，f l e x i b i l i t yt r e a t i n ge q u i p m e n t b u ti t sd e s i g nt e c h n o l o g yr e l a t e st oal o to fd i s c i p l i n ef i e l d ，e s p e c i a l l yi na s c e r t a i n i n ga c c e s s o r yp a r a m e t e r s ，s u c ha ss t i f f n e s s ，d a m p t h es t i f f n e s sm o d e li sd i f f i c u l tt oa c c u r a t er e f l e c ta c t u a ls i t u a t i o n ，t h ew o r k l o a do fs a l u t i n gm a c h i n em a t h e m a t i cm o d e li sv e r ye n o r m o u s , s ot h e r eh a v i n gn o tb e e nf o u n das a t i s f a c t o r ym a c h i n es 缸u 咖i ef l e e t n e s so p t i m i z a t i o nd e s i g ns y s t e m i tw i l lp r o d u c ef a r - r e a c h i n gi n f l u e n c ei no u rc o u n t r ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yt h a tg e t t i n gab r e a k t h r o u g hi nl i s t i n gt h ef i e l ds t u d y i n gb e l o w f 1 ) d e t e r m i n e si o i n ts t i f f n e s sa n dd a m pm o d u l u sa c c u r a t e l b( 2 ) s t u d i e st h ed e s i g np r o c e d u r e sg a i n i n gh i g hs t i f f n e s sa n dd a m pj o i n t ；( 3 ) b u i l d sa c c u r a t ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i sm o d e lu n d e rt h es i t u a t i o no ft h i n k i n gt h a ti o i n tt o u c h e ss t a t e i nt h ep a s ts t u d yo ft h ei o i n t sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rt e s t i n g o b ，i t sf o n d l a ta f t e ra d d i n gm e d i u mi n o i n t s ，t h eu n i ta r e ad a m pi m p r o v e sa no r d e ro fm a g n i t u d ea n dt h eu n i ta r e as t i f i n e s si m p r o v e so n et i m e s t h ek e yi st h a tt h e 姗c 眦o fo i l i n gt h ej o i n t si nt h ep r o g r e s so ft h ei o b f o rm e t a l l u r g i c a lp o w d e rm a t e r i a l ，t h eo i lw i l lo o z i n gf r o mt h eh o l e s ，b e i n ga l lo v e ro nt h es m a l lo p e n i n go u t s i d e w h e nt h ei o i n t s w o r ks t o p ，t h eo i lw i l ls h r i n ka g a i na n dr e t u r nt ot h eb o d y , t h ed e c r e m e n to ft h eo i li sl i t t l e , s ot h es u p p l e m e n to fo i li su n n e c e s s a r i l yi nt h ec o h p s eo fw o r k f r o mt h a to p i n i o n ，t h e r eh a v eg a i n e da ni d e ao fu s i n gt h em e t a l l u r g i c a lp o w d e rm a t e r i a lt om a k ej o i n t s ，i tm a ym a k ei o i n tc h a r g eo i lf o ral o n gr a n g e b e s i d e s ，m e t a l l u r g i c a lp o w d e rm a t e r i a lh a v eb i g g e rd i s s i p a t i o nf a c t o r , c a ni m p r o v em e t a l l u r 西c a lp o w d e rm a t e r i a l ss t i f f n e s sa n dd a m pm o d u l u s t h i st r e a t i s ei sb a s e do nm a k i n gi o i n tw i t hm e t a l l u r g i c a lp o w d e rm a t e d a l ，a n dc o n s t i t u t eu n c o u p l i n gm o d e lw i t ho n ed e g r e eo ff r e e d o mo fe x p e r i m e n t a ls y s t e m ,i d e n t i f yt h es t i f f n e s sa n dd a m pi nt h et w oc a s e s n om e d i u ma n dw i t ho i lo nt h ej o i n t s ，t og e tt h es c i e n t i f i ea n da c c u r a t ed a t a , s t u d yt h em e t h o do fg e t t i n gt h ei o i n to fh i g hs t i f f h e s sa n db i gd a m pm o d u l u s ，p r o v i d ea c a d e m i cc o n s u l tf o rt h ed e s i g no fm o d e r nl l i 曲a n t i v i b r a t i o nm a c h i n e r y k e y w o r d sj o i n t ；u n i ta r e as t i f f n e s s ；u n i ta r e ad a m p ；r e l a t i v ed i s p l a c e m e n t ；m e t a l l u r g i c a lp o w d e rm a t e r i a l独创性声明本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。关于论文使用授权的说明w s f 2本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)签名： 董杖导师签名：j 垒：丝日期坌! 丝望第1 章绪论第1 章绪论1 1 课题的提出背景数控技术是先进制造技术的重要核心之一，关系到国家工业战略地位和综合国力水平。数控机床拥有量和年产量是衡量一个国家制造业现代化水平的重要标志。它是世界各国竞相发展的重要产品，在国内外市场中的竞争非常激烈，开发具有自主知识产权的数控机床是我国民族数控产业发展的唯一出路。目前世界发达国家数控产业发展的主要方向之一是数控设备的高速、高效化。对这种产品，主结构系统的静动态品质是影响产品性能的关键因素。因此世界各国都开展了数控机床新型主结构系统的研究。当前全球市场竞争的焦点是新产品开发，竞争的核心是上市时间。在新产品开发阶段，无图纸无样机条件下快速进行概念设计、准确预测其性能，在此基础上实现优化设计是保证产品质量、降低成本、迅速上市、抢占市场的先决条件。它是现代企业所急需实现，广大工程、技术专家及工程师们热衷追求的研究热点，是先进制造技术中的首要关键技术。由于数控机床是机械结构非常复杂、静动态性能要求很高的精密、高效、自动化、柔性化加工设备，其设计技术涉及许多学科领域，存在着许多工程实际困难，尤其是机床零部件结合面刚度、阻尼等参数难以精确确定，刚度模型难以准确反映实际状况，精确的整机数学模型求解工作量十分巨大，致使目前在全世界范围内尚未找到令人满意的现代化数控机床整机结构快速优化设计系统。因此，在下列研究领域取得突破性进展将对我国制造业的发展产生深远的影响：( 1 ) 准确地测定结合面的刚度和阻尼系数；( 2 ) 研究获得高刚度和阻尼结合面的设计方法；( 3 ) 在考虑结合面接触状态的情况下建立准确的有限元分析模型。机械结构或机器是由各种零件组合而成的，零件之间存在着各种各样的接触面。机械结构件的接触面是指零件、组件、部件之间相互连接的表面，或称机械结构结合面( 部) 。机床是复杂机械，除了结构本体之外，还包含有各种各样许许多多的结合面。结合面的种类很多，一般可分为固定结合面、半固定结合面、可移动结合面。常见的固定结合面如：机床箱体与床身的连接、机架与机座的连接、主轴与刀柄的锥面连接。半固定结合面如摩擦离合器的连接与接触等。可移动结合面最普通的是导轨问的连接面、轴承( 包括滚动轴承) 滚动体与内、外圈的接触面等。在机床上，螺栓连接是典型的结合面之一。结合面对机床性能的影响非常之大，研究结合面特性的机理、应用以及如何北京工业大学工学硕十学位论文精确地识别其参数( 即结合面刚度，结合面阻尼系数等) 等问题即成为一个重要的基础性课题。尤其在现代机床的设计中，结合面特征参数的精确识别是决定能否结构创新，性能分析、提高c a d c a m 一体化、复合化，进行快速优化设计的关键因素。在开发设计阶段，以力学性能好，重量轻为目标实现机械结构无样机的条件下准确预测其性能是保证产品质量、实现优化设计及达到一次成功率的前提条件。机械结构力学性能预测及设计优化是国际上研究的热点，其难点主要集中在支承件间结合面特性参数的准确识别、建模分析、设计具有优良力学性能的界面结构及快速、准确地确定整体结构的薄弱环节并进行结构修改和优化。机械结构系统各子结构间结合面的弹性阻尼特性是影响整体结构刚度、强度及寿命的重要因素，晃面弹性对机床结构总柔度的贡献达4 0 - - - 6 0 ，其阻尼则占机床总阻尼的9 0 ，是影响加工精度和切削稳定性的关键因素之一【l 】。在航空方面，飞机发动机汽缸盖等大承力件的凸缘连接界面的设计好坏，将使最大应力相差2 3 倍甚至更大，如果加大几何尺寸，势必增加重量，对飞行器类要求轻重量的结构显然不可取。再如印刷机械方面，以板、梁类构件为主体的多色印刷机机架由于连接界面刚度差，振动较大，是提高印刷质量的主要障碍。可以说，研究具有优良力学性能的连接界面是设计具有低应力、高刚度、大阻尼、重量轻的机械结构的关键。这个问题的圆满解决将为现代工程结构分析与优化带来一个质的飞跃。结合面往往是整机性能的最薄弱环节，但结合面力学特性存在表面接触状态、平均接触比压、结合件材料、加工方法，界面有无介质及介质种类等诸多影响因素。结合面的性能分析与设计涉及机械、力学、材料、测量技术等多个学科，自二十世纪六十年代r c o n n o l l y 等人研究结合面对机床整体变形的影响以来，一直受到机械制造及结构动力学领域学者的高度重视。吕建新等对螺栓联接中外径为五倍螺栓直径接触区的压应力分布进行了研究【2 1 ，赵公柒等利用激光全息摄影与有限元分析相结合的方法研究了结合面的压力分布规律1 3 j ，日本s h i g e r uk u r a n i s h 等人研究了不同界面形状下接触应力和接触区的分布问题1 4 】，但如何由压力分布规律得出适用于一般结构结合面刚度和阻尼特性的分析模型方面的研究工作则进展缓慢。因此，一些学者转而从事针对某具体结构进行整体结构的动态试验，通过试验进行结合面刚度系数与阻尼系数的识别与研究。s t a y l o r 等先后用集中参数法、均质梁法研究了机床整机特性预测的结合面建模问题【5 】，王世军等采用8 结点等参数单元模拟结合部的接触特性对机床的整机动态特性进行了研究 6 1 。这类研究使得建立结构的整体动力学模型成为可能。总体来说，目前结合面方面的研究工作还存在下面的问题：( 1 ) 缺乏设计高刚度、大阻尼结合面结构方面的新方法、新思路。( 2 ) 没有涉及结合面阻尼模型的研究，无法对大型结构的动态响应进行有效的分析计算。第1 章绪论( 3 ) 不能提供影响界面力学特性各因素的定量分析，因而无法获得改善界面力学特性的有效措施。( 4 ) 所识别出的结合面的刚度与阻尼系数过于简化，没有综合考虑结合件的弹性与界面弹性的相互影响，识别的误差较大。( 5 ) 不能提供结合面力学特性的一般分析模型，需进行整机或分部件试验识别界面刚度、阻尼系数，只能对特定结构的特定连接状态进行试验研究，甚至需要制造样机，耗费的投资大。无法提供可靠的结合面参数用于新产品的无样机设计开发。在科研工作中发现，结合面中加润滑油类的介质，试验测得结合面单位面积刚度提高一倍以上，单位面积阻尼提高一个数量级。关键是解决实际结构工作中给结合面充油的问题。对于粉末冶金多孔含油材料，在工作过程中油脂类介质会从孔隙中渗出，布满工作表面；停止工作时，油脂类介质又重缩回到多孔基体中储存起来，其流失量一般甚少，因此工作过程中无需补充油脂，仍能正常工作。经过探索，获得了采用粉末冶金多孔含油阻尼材料这一构思，可使结合面处于长期充油的工作状态。粉末冶金多孔含油阻尼材料已成功地用于动压轴承或其他重要构件的润滑与减振，但用作结合面材料以获得高刚度、大阻尼的结合面特性在国内外尚未见报道。目前工程中使用的结合面材料大部分情况下与结合件的主体材料一致，多数情况下为钢对钢或铁对铁。钢、铁的损耗因子都很小。多孔含油阻尼材料本身具有较大的损耗因子( 比普通钢材大l 2 个数量级) ，两种效应的结合可进一步提高多孔含油阻尼材料结合面的刚度和阻尼系数。本文即是通过对铁基粉末冶金多孔含油材料进行结合面特性参数的试验识别和分析计算，得到科学的、量化的试验数据，研究获得高刚度、大阻尼结合面的方法，为设计现代高抗振性机械设备提供理论参考。1 2 本文的主要内容本课题是国家自然科学基金资助项目。由于结合面接触状态的复杂性，对结合面特征参数进行精确地识别很困难。但是结合面对数控机床的性能影响很大，因此在现实可行的前提下对结合面特征参数进行高精度识别很有必要。要更好地识别结合面特征参数，试验条件的保证显得很重要，为此本课题制造了“结合面试验模型 。所制造的“试验模型尽可能地模拟制造装配中结合面的实际情况，因此，所识别的结合面特征参数具有典型性和通用性。根据课题要求，以粉末冶金多孔含油材料制作试验装置中的结合面，在对机械结构系统动态特性及机械结构结合面特性了解和掌握的基础上，通过对“试验模型”作激振试验及数据分析，对数控机床结构件结合面特征参数识别的方法进行了较为深入的研究，提出了一种基于单位面积参数的结合面动力学模型。采用这种新模型，推导出基于单位面积垫片的基础特性数据识别方法。这种具体可操作的识别方法排除了基础位移的北京丁业大学1 = 学硕十学位论文影响，因而识别的数据精度高。全文由以下几部分章节组成：第一章：绪论。第二章：结合面特性参数研究综述。介绍了几种常见结合面静动态特性的国内外研究状况，结合面静动态的影响因素，结合面动态特性的基本研究方法，并简要回顾了频响函数的测试技术。第三章：粉末冶金技术综述。介绍了粉末冶金零件的生产过程和粉末冶金材料的特点，并对粉末冶金材料，特别是铁基粉末冶金材料的应用发展前景作了展望。最后，针对本文中的试验要求，选取了试验中所需要的结合面材料。第四章：基于单位面积参数模型的数控机床结合面特征参数识别方法的研究。本章对数控机床结合面特征参数的识别方法进行了研究，提出了一种基于单位面积参数的结合面动力学模型，采用该新模型，对结合面特征参数的具体识别方法作了研究与实践，并对结果进行了分析讨论。第五章：粉末冶金多孔材料结合面动态特性理论分析。本章对粉末冶金多孔材料结合面具有的动态特性进行了理论的分析，简要介绍了几种研究粉末冶金多孔材料中流体流动状态的数学模型，建立了粉末冶金多孔材料的流体、固体运动状态的物理模型，并利用流体动力学理论分析了在动态载荷下粉末冶金多孔含油材料结合面所具有的力学特性。第2 章结合面动态特性综述2 1 结合面研究概述机床乃至各类机械，为了满足各种功能、性能和加工要求以及运输上的方便，一般都不是一个连续的整体，而是由各种零件按照一定的具体要求组合起来的。称零件、组件、部件之间相互接触的表面为“机械结合面斗，简称“结合面 ，或称“接触面 。从运动来看，结合面可分为三类，即固定结合面、半固定结合面和运动结合面。固定结合面是最为普遍的一种结合面，它主要起固定联接和支承的作用。运动结合面是指相互联接的两个零部件之间在工作状态时存在宏观相对运动的结合面。而半固定结合面则是指有时固定有时又会出现相对运动的结合面，如摩擦离合器的联接与接触等川。由于结合面在机械结构中的大量存在，从而使机械结构或系统不再具有连续性，进而导致了问题的复杂性。结合面参数的处理办法不同，常常会导致不同的分析结果，从力学的角度来看，接合面特性和机械结构的静特性、振动与振动控制及其动态特性都存在着十分密切的关系。因此，如果要完整地分析机床结构的动态特性，建立机床整机的动力学模型，实现整机优化设计，就必须准确地识别出结合部的动力学参数，即结合面的接触刚度和接触阻尼。2 1 1 固定结合面的研究现状固定结合面在机械结构中是使用最为广泛的一种结合面。机床结构中的箱体与床身的联接面，机架与机座的联接面；圆柱形的固定联接面，圆柱销的联接面，铆钉的联接面；锥面联接面，包括楔形联接面和圆锥形联接面等，都属于固定结合面。重要的固定结合面还有螺纹联接面，包括螺栓与机件的联接以及螺杆与螺母的联接这样两种联接面。焊接的联接面也是一种固定结合面。对固定结合面特性的研究工作，最早来自于5 0 年代的苏联，当时由于试验设备和研究范围的狭窄，研究只是局限在常用的贴塑紧固连接面的静态特性的测定。在之后的六七十年代，欧美、日本等国也开始了单元样件和典型结合面的特性试验。英国等对机床构建的螺栓结合面和滚珠丝杠副的静态特性进行了试验，推导出了结合面静态特性数据应用的计算表达式【8 1 。研究高潮期大约在七十年代至八十年代，其间基尔萨诺娃【9 】、k i r s a n o v a 1 0 】等人就其法向和切向特性进行了硼究，研究表明，结合面的切向加载和卸载曲线之间存在迟滞现象，即使在切向教荷小于结合面最大静摩擦力的情况下也如此；结合面的切向接触刚度与结合面面北京工业大学工学硕士学位论文压成非线性关系，并随之增大而增大。之后，日本学者堤正臣、伊东谊和益子正已【l i 】对承受弯曲载荷的螺栓结合面的动态特性进行了试验研究，得出了重要的定性结论，并提出了结合面间的相对运动是结合面阻尼产生的原因。1 9 7 9 年前苏联学者【1 2 】进而对机床螺纹联接阻尼进行研究，认为其能量耗损的原因是螺纹间及相配零件结合面处的摩擦，以及接触表面的相互碰撞，并通过多因素相关递归分析，得出了单个螺纹联接的阻尼比。这一研究结果是至今仅有的，因而其可靠性如何尚待进一步的研究。此后，还有小泉忠由【1 3 1 4 】等对非常典型的螺栓结合面承受切向重复加载时的切向静态特性进行了进一步的试验研究，结果表明，切向变形随重复加载次数的增加而减小，其减小率与结合面材料及其表面粗糙度有关，并随表面粗糙度增大而增大。国内对固定结合面的研究基本也是开始于六十年代，当时主要是进行少量单元样件的结合面静态试验，八十年代时开始对单元样件和一些典型连接件的结合面静态特性进行了较系统的试验研究。浙江大学在机床固定结合面动态特性研究中，以j c s 0 1 8 加工中心主轴与刀柄的结合面为主要研究对象，对固定锥度结合面的动态特性进行了研究，建立了结构的动力学模型并对结合面的特征参数进行了识别。识别的方法是采用计算机模拟将理论计算和试验测试结合进行的。先根据主轴、刀柄的实际结构及受力特性，设计试验模型，并用稳态正弦激励法对试验进行模态试验，获得不同接触状况下的频率响应函数，然后在结合面集中参数模型的基础上分别建立结构在纵向、横向激振力作用下的动力学模型。为建立识别结合面特征参数的数学模型，提出了确定两个子结构之间结合面特征参数的方法。此法是利用可变多面体的优化方法，通过最小二乘法来拟合实际测量的整个结构的频响数据，从而获得全部的特征参数。经过计算机仿真及实际使用，取得了令人满意的结果。用此法获得了主轴和刀柄结合面在实际拉紧力范围内的刚度和阻尼的数值。黄玉美、张学良【l 勉2 】等人对结合面问题进行了较为深入的研究。他们就机器结构中常遇到的单一或多平面组成的固定或可动平面结合面、固定或可动圆柱结合面、螺栓联接结合面等，以及对构件结构设计阶段如何处理等问题提出了较系统的解决方法。在结合面特性参数的获得方面，他们较侧重于理论解析法或理论与试验相结合的方法的研究。提出了用接触单元模拟结合面部分的有限元方法，并推导出了该单元的刚度矩阵及阻尼矩阵；在试验与理论相结合识别结合面特性参数方面，提出了一袍利用约束非线性优化方法一可变误差多面体算法以及人工神经网络结构化建模来识别机械结合面特性参数的方法；还运用接触分形理论获得了机械结合面法向接触刚度的模型；并在结合面动态基础特性参数的影响因素及固定结合面的阻尼耗能机理方面进行了有一定特色的研究。，、青岛大学的张杰基于有限元的思想，提出了理想结合面和结合面元瞄芦】的概念，并进一步提出了一种基于结合面元的结合面动力学模型。第2 章结合面动态特性综述东南大学的纪海慧、陈新等人提出了以接触单元和弹簧一阻尼单元建立螺栓连接件的结合面动力学有限元模型 2 s - r r l 。结合试验与计算机仿真，以机床的试验模态及固有频率为目标函数进行结合面参数的识别。在此基础上进行修正并进一步取得更为符合实际的结合面动力学模型。该方法对于机床结构的动态设计和仿真建模具有普遍适用性。目前对固定结合面的研究内容主要有：夹紧力对弯曲静刚度的影响、作用载荷对螺栓连接部位弯曲刚度的影响、弯曲力矩对螺栓位移的影响、夹紧力一定时不同螺栓排列方法对弯曲刚度的影响、连接面的位移一载荷特性、接触面积与弯曲刚度的关系、夹紧力一定时板厚与接触直径的关系、接触刚度的经验公式等等。一般认为影响螺栓连接部位刚度的主要因素有：载荷的大小与类型；法兰的形状、厚度、材质；螺栓夹紧力、数量、排列位置、直径、长度、材料；螺纹精度；接触面积及形状、加工方法、平面度、表面粗糙度；有无夹杂物、有无锥销及导向套等。在螺栓连接的阻尼能力方面已有的研究有：夹紧力与阻尼比的关系、静态预加载荷对阻尼的影响、接触面压力( 扭转载荷) 与阻尼比的关系、振型与阻尼比的关系等【2 。2 1 2 滑动导轨结合面的研究现状运动结合面中最普遍的是滑动导轨和滚动导轨的联接面，对滑动结合面的研究，最早也是开始于六十年代的苏联。而后研究重点转向更基本的二平面连接。六十年代，英国s a t o b i a s 曾建立了一台摇臂钻床的集中质量模型，整台机床低阶固有频率与试验值较接近，但由于未考虑结合面和系统的阻尼，因而还未能计算动态响应。六十年代后期，c o r b a e h 就对二平面结合面的法向特性进行了一系列试验研究；而b e l l 和b u r d e k i n 则利用尺寸与实际机床相近的模型，研究了滑动速度与阻尼的关系，同时也研究了润滑油的使用效果和导轨材料对阻尼的影响；东本的试验研究证实了b e l l 的结果【2 9 】。七十年代时，德国阿亨大学机床试验室( w z l ) 对滑动导轨也进行了少量研究。同时，西欧和北美等国的研究人员也开始从多个方面进行建模的探讨工作。荷兰的j h i j i n k 等应用分布质量梁建立卧式升降台铣床的计算模型，并根据各部分结构的弹性变形对整机影响的大水分为弹性梁和刚性梁两种，其中刚性梁假设只作刚体运动而无弹性变形，这样可以更逼近实际机床结构的特点，但由于未考虑结合面的动态特性，因而其共振频率与试验值相比相差约1 5 ，动柔度相差可选l 倍以上。日本的吉村允孝曾在考虑结合面特性的基础上建立了双柱立式车床的分布质量梁的动力学模型。它共具有2 0 个结合面，其中2 个为导轨结合面，其余为螺栓连接的固定结合面。由于考虑了结合面特性，故其计算结果比较接近实测值。这从一个侧面说明了了解和掌握结合面特性的重要性。我国自八十年代开始对滑动导轨的静动态特性进行较系统的研究，在围绕模北京工业大学工学硕士学位论文态特征参数识别和动力学模型的建立方面，也有不少院校发表了优秀的文章。东南大学在模态分析的基础上应用弹簧一阻尼单元建立机床导轨滑块的结合面动力学有限元模型，经过优化计算来识别机床导轨滑块结合面参数。结果表明：优化计算方法识别参数结果与简化单自由度方法所得的测试结合面参数相近，该方法又是识别机床导轨滑块结合面参数一种有效方法0 0 。天津大学先后对机械结构动力修改及试验模态分析、机械结构物理特征参数识别与子结构综合方法进行了研究，并以z 3 0 2 5 摇臂钻床作为实际研究对象，对机床结构系统动力学模型的建立和机床结构结合面的特征参数识别进行了研究。通过整机进行模态测试分析，得到其各阶固有频率及相应振型，确定出摇臂是机床的薄弱环节，建立立柱和摇臂的有限元模型，提出了一种将有限元方法和试验模态分析技术相结合进行结构结合面特征参数识别的方法，并应用这种方法对钻床立柱和摇臂的结合面进行了参数识别。浙江大学在加工中心立柱床身结合面动态特性及特征参数识别研究中，提出了一种适用于复杂模型的结合面特征参数识别方法。其主要工作包括：运用结合面元的方法建立了结合面动力学模型；应用有限元模型降阶修改法建立了立柱床身结构的高精度动力学模型；提出了一种利用可测传递函数逆矩阵建立目标函数的方法，避免了共振峰附近机械阻抗矩阵病态的问题。陕西机械学院( 现为西安理工大学) 在机械结构结合面的静、动态特性研究中做了许多的工作。他们对机床导轨结合面进行了大量的研究，并从中分析推导出平面移动式导轨结合面变形的通用计算模型，得出单层和双层平面移动式导轨结合面变形所产生的加工点位置误差的通用计算公式。他们用计算机模拟实际工况进行计算，以此对各种导轨结合面在相同条件下的加工误差特性进行了分析比较，为机床设计选择最佳设计方案、预估设计效果和寻求合理设计参数提供了依据。目前对滑动导轨结合面的研究内容主要有：承受垂向载荷时的垂向刚度、垂向有预加载荷时的切向刚度、在低表面压力下二平面连接的垂向位移的滞后现象、产生局部变形时连接面的垂向位移、不同配对材料对接触刚度的影响、预加载荷对刚度和阻尼的影响、导轨材料和润滑油对刚度和阻尼的影响、滑动导轨的阻尼系数与工作台滑动速度的关系、压板部分的刚度、燕尾槽部分的刚度、镶条构造对连接部位刚度的影响、二平面连接的刚度表达式等等。2 1 3 滚动导轨结合面的研究现状组成滚动导轨的构件有：滑台、滚动体和滑座。滑台在受到外载荷作用时，导轨面与滚动体接触将产生变形，但构件本身的变形要比结合面的变形小得多，在分析中可以忽略，因此，接触面仍看成平面，滚动体的变形服从平面规律。滚动导轨的静态特性就是在静态外载荷作用下，结合部的变形、刚度特性【3 。对滚动导轨结合面的研究，国内已出现很多理论和成果。第2 章结合面动态特性综述东南大学的程序等人运用机械阻抗凝聚法和子结构综合法，建立了加工中心机床滚珠丝杠动结合面的动力学模型。据此识别了7 种不同外载荷和5 种不同预紧力载荷时的滚珠丝杠结合面动态特性参数数据【3 2 1 。西安理工大学对滚动导轨的静态特性进行了解析，为了获得更准确的解，根据机床在不同的工况下，导轨面与滚动体之间接触面压的不同，分别应用结合部理论和弹性力学公式进行了计算。试验证明解析方法和相应的计算程序是正确可靠的。东北大学以沈阳第一机床厂生产的“c k s 6 1 2 5 数控机床为研究对象，提出了机床滚动导轨结合部特性仿真分析的有限元方法，建立了“c k s 6 1 2 5 ”机床进给系统分析模型。获得的计算结果与试验结果相比较，证实了导轨结合部的有限元模型方法的有效性【3 3 l 。对于机床的整体机械结构结合面的动态力学参数研究中，华中理工大学从一般情况出发，提出了一种利用实测传递函数识别子结构闻连接刚度、阻尼参数的方法。它分别适用于子结构在自由状态下的有限元模型已建立和没有建立两种情况，给出了识别的数学原理。该方法不需要对实测传递函数求逆，因而有效地防止了不可避免的实测误差给特征参数识别造成的不利影响，提高了识别精度。大连理工大学是在国内较早进行机床接触面特性研究的单位之一，在对机床进行动态分析和优化设计的过程中，提出了一种识别机床接触面刚度和阻尼的新方法，它利用一种新的凝聚技术把时序分析法和有限元法结合起来，只要利用一、二个不完全的振型就可以确定机床结合面的结构参数。该方法由两大部分组成，首先利用时序分析法从试验数据系列建立随机的自回归滑动平均向量( a r 、聊) 模型并进而确定机床的模态参数，然后把机床结构的有限元模型在某一复频下进行精确凝聚，并根据时序分析法和凝聚后的有限元模型得出的模态参数必须相等的条件，来识别未知的机床结构参数。利用计算机仿真技术对新提出的方法进行了验证，证明它具有很高的识别精度。最后进行了立柱模型试验，对立柱底部的接触刚度和阻尼进行了成功的识别。上海机械学院及中国船舶科学研究中心联合进行了复杂结构连接刚度的优化识别技术的研究。他们认为，对于各子结构之间的连接刚度以及结构边界连接处连接刚度正确识别，是模态综合技术正确应用以及建立与实际情况比较吻合的有限元计算模型的关键。应用常规的p i d 法对连接刚度进行初识别的基础上，再利用多目标规划方法对计算模型进行结构动力修正，由此识别出与试验模型较吻合的连接刚度以及较为精确的有限元计算模型，为大型复杂结构的静、动特性分析和计算以及结构的动力修改提供了可靠的依据。以下单位在研究机械结构结合面特性的同时，在建立机械结构动态特性研究方面进行了一些有益的探索。西安交通大学利用k u h a r 动力变换来缩减机械结构初始物理模型的非测试自由度，对缩减的初始计算模型进行修正，再建立缩减后北京工业大学工学硕士学位论文的修正模型与原来初始模型以及修正量之间的关系，利用数值解法，可得到所需的修正元素。实际计算结果表明，该识别方法是有效的，可达到工程许可精度。关于机械结构动力学模型，湖南大学的于德介同志用优化方法对阻尼的动力学模型进行了研究。提出了一种利用复模态理论的正交关系和特征关系建立结构初始质量、刚度与阻尼矩阵的修正方程，然后用优化方法求解修正参数的方法。北京工业大学也曾经对数控加工中心机床主轴部件的动态特性进行了详细的试验研究。使用h p 3 5 6 2 a 动态信号分析仪，通过在主轴性能试验台上变更主轴支撑刚度和跨距等结构参数条件，测量主轴部件的固有频率和前端激振点动柔度，研究这些因素的变化对主轴部件动态性能的影响，并用测量数据作为校验动态设计的依据。2 2 结合面动态特性的影响因素结合面特性的研究非常复杂，主要原因是影响结合面特性的因素很多，且多为非线性因素，而工况及使用条件的多样化，相互交错的影响，更使问题复杂化。主要的影响因素如下：( 1 ) 结合面的材料( g 、e 、i l 、b ) 或材质；( 2 ) 结合面的加工方法；( 3 ) 结合面的粗糙度；( 4 ) 结合面的形状；( 5 ) 结合面的初始面压( 指法向面压) ；( 6 ) 结合面的结合状态( 面压分布) ；( 7 ) 结合面处的静载荷( 工作面压) ；( 8 ) 结合面的功能( 固定、运动) ；( 9 ) 结合面的结构、类型、尺寸；( 1 0 ) 结合面处的动态力；( 1 1 ) 振动频率；( 1 2 ) 结合面的相对振动位移( 幅值与相位) ；( 1 3 ) 结合面的润滑情况。上述影响因素中，有些因素的影响是相互的。在所列举的1 3 项影响因素中，其中的4 、6 、8 、9 是与结构有关的影响因素；5 、6 、7 、1 0 、l l 、1 2 、1 3 是与工况有关的因素；l 、2 、3 、5 、8 、1 l 、1 2 、1 3 是反映结合面固有特性的影响因素。根据这种情况，可将与结构和工况有关的影响因素留给设计时处理( 如4 、6 、7 、8 、9 、1 0 ) ；而将反映结合面特性的因素在结合面基础特性参数中表示出来( 如1 、2 、3 、5 、6 、8 、1 1 、1 2 、1 3 ) 。显然，有些因赛两方面都必须考虑。第2 章结合面动态特性综述2 3 结合面动态特性的研究方法关于结合面问题的研究方法，一般来说，有理论分析、试验测试以及目前广泛采用的理论和试验的综合方法。无论采用何种方法，根本的目的都是为了得到结合面的模型。但是这些模型在以后的应用中各有差异。总结一些资料，可以将结合面问题的研究工作归纳为两个方面。( 1 ) 宏观研究宏观研究一般是用弹簧和阻尼器来表示结合面，建立起振动系统的总体模型，然后将试验和理论两套数据定量地结合起来，估计模型中对应结合面的刚度和阻尼的值。从试验方面来研究其机理，主要是通过试验获得有关数据，并分析解释试验结论，这在设计及试验的应用上比较方便。这方面的工作其应用往往比较快，但它对试验结果的精度要求较高。( 2 ) 微观研究微观研究主要是通过结合面变形的物理机理和结合面内阻尼特性的试验和分析来得到结合面的特性，对于从本质上认识结合面的特性来说，这方面的工作是很有必要的。从微观方面研究其机理，在学术上很有价值，但在设计方面的应用比较困难。本文在大量收集、阅读和掌握国内外与结合面识别问题相关的理论研究、试验测试方法的基础上，结合本项目的要求和应用的广泛性，主要从宏观角度对结合面的动态特性及其参数的识别方法进行了研究。2 4 频响函数测试技术结合面特性分析的关键问题之一是要求获得准确的频响函数数据，只有在此基础上，才能准确地识别出结合面特征参数。随着电子测试技术的发展，频域的振动测试技术取得了很大的进步。六十年代中期出现了以双通道跟踪滤波技术为基础的“机械阻抗测试仪”和以数字相关技术为基础的“频率特性分析仪 ，使得稳态正弦激励的机械阻抗测试成为可能。如果测试中只要求得到单个或若干个原点、跨点导纳数据，必须注意激励和观测坐标的选择，最好能模拟实际情况，在实际的外力作用点处激励，在各重要的响应点处拾振。如果测试的目的在于求得整个结构的动力特性，则首先应将结构离散化，标出各个接点( 测量点) 。目前频响函数测试技术正沿着两条道路发展：一条道路是单点激励，多点测量( 或一点测量，逐点激励) 技术；另一条道路是多点激励，多点测量技术。多点激励技术适用于大型复杂结构，如机体、船体或大型车辆结构等。它采用多个激励器，以相同的频率和不同的力幅与相位差，在结构的多个选定点上，实施激励，使结构发生接近于实际振动烈度的振动。它能够激励出系统的各阶纯模态来，北京工业大学工学硕士学位论文从而提高模态参数的识别精度。但是这种技术要求配备复杂昂贵的仪器设备，测试周期也比较长。目前，世界上只有少数国家生产这类设备，尚未得到广泛应用。单点激励频响函数测试技术是目前世界上广泛应用的技术，几乎适用于一切振动领域。按激励力性质的不同，频响函数测试分为稳态正弦激励、随机激励及瞬态激励三类，其中随机激励又有纯随机、伪随机、周期随机之分。瞬态激励则有快速正弦扫描激励、脉冲激励和阶跃( 张驰) 激励等几种方式。以下所列为频响函数测试技术的分类情况，如图2 1 所示。频响函数测试技术多点激励技术单点激励技术稳态正弦激励图2 一l 频响函数测试技术的分类f i g 2 - 1c l a s s i f i c a t i o no ff r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o nt e s tt e c h n o l o g y下面简要介绍一下这几种激励方式。1 、稳态正弦激励这是用的最普遍的激励方法。由于正弦激励时，在某一瞬间仅以单一频率的力激励试件，所以激励能量比较集中。此外，激励力容易控制，根据选择的激励器不同，可得到小于1 0 n 以下，大至数万n 的激励力。因此，无论是对小型家用电器，还是对大型的飞机、桥梁等结构，稳态正弦激励都是很适用的一种获得较高精度的方法。正弦激励的缺点是，使用的设备复杂，安装费事，试验花费的时间很长。2 、随机激励稳态正弦激励测试是逐个频率缓慢地对结构进行激励，得到各个频率下的导纳值逐点连接，最终获得完整的导纳曲线。而随机激励是宽带频率( 许多频率)的激励力同时作用在结构上，结构的响应是各频率的分力同时作用的结果。随机激励的过程包括：以宽带随机信号激励试件，并测试激励力和响应信号；对力和响应信号进行快速傅立叶变换，计算信号的自功率谱和互功率谱；根据平稳随机过程线性系统输入输出关系，求得频响函数( 导纳) 。随机信号有纯随机、伪随机及周期随机信号三种。( 1 ) 纯随机信号无周期性，每个样本彼此不同。故用纯随机信号激励试件，进行振动测试时，可通过总体平均消除试验中的非线性畸变和噪声随机误差影励法激击描锤励扫0励励激弦励励激激机正激激机机随速冲跃随随期快脉阶纯伪周r【，【励励激激态机瞬随第2 章结合面动态特性综述响，提高测试精度。缺点是由于信号的非周期性，在f 兀处理时会产生大的泄露误差。加汉宁窗后可大幅度减小这种泄露误差。( 2 ) 伪随机激励信号是周期性的随机信号，由计算机或伪随机信号发生器产生，通过模数转换器( d a c ) ，每经过一个周期输出同样的信号。由于伪随机信号的周期性，当截断长度正好等于伪随机信号的周期时，在测量窗中所取得的信号正好是一个完整周期，因而在随后的傅立叶变换中则可避免功率泄露。但是这种信号与正弦扫描法一样，由于信号是周期性的，因此不能用总体平均来消除非线性及畸变的影响。( 3 ) 周期随机信号激励，综合了纯随机和伪随机信号激励的优点，而避免了它们的缺点。它也是一种伪随机信号，但第一个伪随机信号在持续几个周期后即被第二个不相关的伪随机信号所代替，再经过几个周期后又被另一个不相关的伪随机信号所代替。振动测试时，在一个伪随机信号内完成一次测量。周期随机信号的优点是消除了功率泄露，可用总体平均来消除非线性等影响，缺点是测试时间稍长于上述两种随机测试法。3 、瞬态激励瞬态激励与随机激励一样同属宽带激励法，所以可由激励力和响应的自谱密度函数和互谱密度函数求得系统的频率响应函数。常用的瞬态激励方式有以下几种。( 1 ) 快速正弦扫描激励快速正弦扫描激励是一种广泛使用的宽带激励法，激励信号由振荡频率受控变化的信号发生器供给。通常采用线性的正弦扫频激励，激励信号的