基于二自由度系统的表面接触刚度和接触阻尼的检测研究

摘要

工程中零件的相互连接或接触，如导轨、螺栓、央具、轴承滚动体与滚道、机械手关节、齿轮啮合面等，其表面连接或接触性能与表面实际接触状况有关，直接影响到零件使用功能和可靠性。机械结构中对表面接触副的接触特点和性质的描述中，经常涉及到表面接触刚度和接触阻尼参数，为了更好的了解接触刚度和接触阻尼对表面接触性能的影响，人们展开了大量的研究。然而，接触刚度和接触阻尼在振动的作用下，往往由于结合面的微观变形与其所受的法向力呈非线性关系，导致表面接触刚度和接触阻尼与所施加的载荷一般也呈非线性关系，再加上接触表面本身的特性（如润滑性、表面粗糙度、摩擦磨损状态等等）也能很大程度上改变接触刚度和接触阻尼的性质，这些不确定因素导致无法较好的完成模型的参数辨识。因此，无论从理论上还是从实际应用上，寻找一个结构在振动条件下辨识接触刚度和接触阻尼的方法具有十分重要的工程意义。
　　本文抛开特定的结合面形式，提出了一种基于二自由度系统的接触刚度和接触阻尼的检测方法，将接触副的两接触体分别设计成相应两单自由度单元，由两单自由度单元接触耦合成二自由度系统，所要检测的接触刚度和阻尼为二者之间的耦合系数。首先搭建了二自由度系统的实验平台，运用结构响应耦合的方法，通过建立基于二自由度系统的结合面的动力学模型和数学模型，测量耦合的二自由度系统的时域响应信号，获取二自由度系统的响应参数，从而识别单位面积上的机械结合面的法向接触刚度和接触阻尼。在求取二自由度系统响应参数的时候，对信号进行了降噪，消除噪音的干扰，并且通过低通滤波过滤掉高频信号的影响并利用1 stOpt软件进行了曲线拟合，从而求取响应参数。最后，通过和已知刚度的弹簧进行耦合，从而验证了接触刚度模型的准确性。分析了接触刚度和接触阻尼与特征频率和衰减系数之间的关系，找出了识别接触刚度和接阻尼的比较敏感的参数，并求出了接触材料为T8时候的各载荷条件下的接触刚度和接触阻尼的值。探讨分析了在不同的载荷条件下，衰减圆频率、接触刚度、接触阻尼随等影响因素随着接触触载荷变化的规律以及特征频率和衰减系数对接触刚度和接触阻尼的影响，为接触刚度和接触阻尼的检测提供了依据。

目录

摘要

物理量名称及符号表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 课题来源

1．4 主要研究内容

第二章 二自由度法测量表面接触刚度和接触阻尼原理

2．1 表面接触刚度和接触阻尼的理论依据

2．2 建立表面接触刚度和接触阻尼的振动物理模型

2．3 建立表面接触刚度和接触阻尼的数学模型

2．3．1 忽略阻尼时

2．3．2 考虑系统阻尼时

2．4 各参数识别方法

2．4．1 单自由度系统的参数识别

2．4．2 二自由度系统的响应参数识别

2．5 本章小结

第三章 获取二自由度系统响应信号的实验设计

3．1 实验装置

3．1．1 实验平台搭建

3．1．2 信号采集设备

3．2 参数及测点选择

3．2．1 振动测量参数选择

3．2．2 测点选择

3．3 振动信号分析的技术路线

3．4 实验条件对振动信号的影响

3．4．1 激励位置对特征频率识别的影响

3．4．2 激励大小对实验精度的影响

3．4．3 各固定点对实验精度的影响

3．5 本章小结

第四章 获取二自由度系统响应参数的实验数据处理

4．1 响应信号的小波阀值降噪

4．1．1 小波阀值降噪的基本步骤

4．1．2 小波阀值的选择

4．1．3 小波阀值降噪评价标准

4．1．4 不同母小波函数对小波阀值降噪的影响

4．1．5 不同阀值策略对降噪信号的评价

4．1．6 实验二自由度系统时域数据的小波降噪分析

4．2 响应信号的低通滤波处理

4．3 基于最小二乘法的曲线拟合

4．3．1 最小二乘法的基本原理

4．3．2 麦夸特算法

4．3．3 曲线拟合求取响应参数

4．4 拟合结果评价

4．5 本章小结

第五章 相同工况接触载荷对接触刚度和阻尼的影响研究

5．1 接触刚度检测的比较试验

5．2 接触刚度与特征频率与衰减系数的关系

5．3 接触阻尼与特征频率和衰减系数的关系

5．4 接触载荷对特征频率的影响分析

5．5 接触载荷对结合面法向接触刚度的影响

5．6 接触载荷对结合面法向接触阻尼的影响

5．7 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及专利

声明

致谢

附录