机械系统中摩擦模型的研究进展

摩擦现象在机械系统中的作用日益突出, 合理地解决机械系统中摩擦环节尤其是非线性摩擦环节的制约问题 已成为当前研究的重点. 由于摩擦的复杂性, 很难从机理上获得其准确唯一的数学模型, 迄今已提出的摩擦模 型有数十种. 鉴于目前机械系统中摩擦建模的发展状况, 首先描述了几种重要的摩擦现象, 如库仑摩擦、黏性 摩擦、Stribeck效应、预滑动摩擦、可变的静态摩擦力和摩擦记忆效应等. 其次, 系统地介绍了几种较为重要的、 常用的摩擦模型, 包括6种静态摩擦模型和7种动态摩擦模型, 并对每一种模型的构成, 特点和适用范围等 进行了较为详细地论述. 比较而言, 静态摩擦模型结构简单, 参数辨识容易, 但是无法描述摩擦的动态特性, 动态摩擦模型能够比较全面的描述摩擦现象, 但结构复杂, 参数辨识难度较大. 再次, 简要概述了摩擦建模 对机械系统动力学行为的影响, 以及在高精度定位系统的控制中的作用. 最后, 针对当前机械系统中摩擦建 模方面存在的一些不足提出了几点展望. 为今后摩擦模型的选用和新摩擦模型的建立提供了参考.     

摩擦噪声研究的现状和进展

评述了近２０年来摩擦噪声的理论和实验研究进展,指出在摩擦噪声研究领域取得的主要进展表现在制动系统摩擦尖啸噪声的动力学分析下,而对摩擦同观结构影响的研究不多,许多问题还有待深入研究,为了更好地认识摩擦噪声机理和探讨控制摩擦噪声的措施,建议应从摩擦学与动力学交叉的角度来研究和分析摩擦噪声。     

金属往复滑动摩擦噪声源的识别

对金属往复滑动摩擦噪声进行了声学和动力学测量 ,通过对声压级和加速度进行时间历程波形分析、功率谱分析 ,确认摩擦噪声是由参加相对滑动的摩擦副的 1个或 2个部件的振动辐射所产生 ,摩擦噪声的声源体为参加摩擦运动的振动部件     

含对称间隙的摩擦振子非线性动力学分析

建立了两自由度含对称间隙的干摩擦碰撞振动系统的动力学模型,分析了系统运动中存在的滑动、黏着及碰撞,分别给出其判断方法和衔接准则,推导出各阶段系统的解析解,并采用数值迭代方法求解和分析了系统的复杂动力学行为,同时分析干摩擦对系统动力学性能的影响.结果表明,系统存在叉式分叉,系统由对称周期运动变为反对称周期运动,进而通过Hopf分叉或周期倍化分叉通向混沌.在参数变化范围较大的情况下,系统存在类型丰富的周期运动、拟周期运动以及混沌;系统存在对称运动、反对称运动对、黏滑碰撞运动以及由初始条件决定的共存吸引子.     

实现振动解耦的摩擦学行为模拟试验台设计方法

摩擦学行为研究对认识界面摩擦磨损特征，揭示摩擦自激振动产生机理及演变规律，保证摩擦系统的可靠运行具有重要意义.目前的摩擦学行为模拟试验装置由于刚性连接方式对界面摩擦振动响应的干扰，难以精确开展摩擦学行为研究和材料磨损性能评估，亟需隔离摩擦界面与机械连接部件之间的耦合振动.为此，基于气浮轴承设计了1种可实现振动解耦的摩擦学行为模拟试验台，通过锤击试验以及与非振动解耦摩擦试验机的对比试验，测定并验证了试验台振动解耦功能的有效性.锤击试验表明，未充气状态下在气浮轴承轴套处检测到多个频率，而充气状态下仅有较低的单一频率存在.摩擦学对比试验发现，随着法向载荷或往复滑移频率的增加，振动解耦试验台测得的振动加速度均方根变化率线性增加，而非振动解耦试验机的振动加速度均方根变化率呈先增后减的趋势，存在明显差异.因此，该摩擦学行为模拟试验台成功实现了摩擦界面与机械连接部件之间的振动解耦，为进一步精确探究界面摩擦学行为的影响因素和演变规律、揭示摩擦自激振动产生机理以及在对比评估不同材料摩擦磨损性能时排除摩擦学设备的影响方面提供了新的思路及有效的手段.     

振动摩擦机理及其非线性动力学特性

本文揭示了振动工况下散体物料的振动摩擦机理,给出了振动参数与土壤内摩擦力的关系曲线,并用数值试验方法模拟了复杂的振动摩擦压实过程,分别给出了振频和振幅对土壤孔隙比和轴向应力均值的关系曲线,验证了振动压实减摩机理的正确性.结果表明:松散物料在振动工况下,其颗粒间的摩擦力由静摩擦力转变为动摩擦力,随着振频和振幅的增加,摩擦阻力减小,从而土的内摩擦力减小,并且存在最优的振动强度使土壤在振动压实过程中的内摩擦力最小.建立了基于振动压路机的振动摩擦系统非线性动力学模型,利用渐进法得到了振动压实过程的共振响应和非共振响应.     

接触表面不平度对摩擦尖叫噪声的影响

针对摩擦尖叫的间歇性特点,建立了考虑摩擦接触表面不平度的3自由度摩擦自激振动机理模型.应用数值方法分析了接触表面不平度倾角对系统稳定性及瞬态动力学特性的影响,并进行了基于销-盘装置的摩擦尖叫噪声试验研究.结果表明:系统的稳定性主要取决于系统自身的耦合特性,但也与摩擦特性和接触表面不平度倾角的综合作用有关.当接触表面不平度倾角增大时,系统趋向不稳定,会激发尖叫噪声.     

雨刮器非线性摩擦振动的稳定性与分岔特性

针对雨刮器建立2自由度非线性摩擦振动动力学模型,基于复模态理论计算复特征值并进行稳定性及其对刮刷速度的依赖性分析;通过数值计算分析摩擦振动对刮刷速度的分岔特性,并利用相轨迹、庞加莱映射、频谱特性分析不同刮刷速度下的非线性振动现象.研究发现:摩擦-速度特性的负斜率是导致系统不稳定的根本原因,增大刮刷速度有利于提高系统的稳定性;在高、低刮速区,随着刮刷速度的下降,系统振动形态遵循周期→准周期→混沌的演化规律,并会伴随显著的粘滑振动;仅高速区的周期振动和非振动条件下,刮刷时无附加的粘滑振动.     

分段光滑机械系统的动力学与控制

含间隙、约束、摩擦等分段光滑力学因素的机械系统在工程中极为普遍。本文总结了作者近年来对这类系统的建模，动响应计算，周期运动分叉，动力学设计与控制等方面的研究进展，然后，指出了若干值得研究的问题。     

陶瓷髋关节异响的研究进展和展望

分别从假体外科植入因素、假体设计因素和假体的摩擦振动因素3个方面,评述了近10年来国内外学者在陶瓷髋关节异响的产生机理及其影响因素等方面所做的研究工作和取得的进展。目前,在关节异响研究领域的主要进展是认识到髋关节植入假体的磨损和假体设计的缺陷会导致关节异响,但这些认识不能完全解释关节异响的物理现象。此外,一些学者已经注意到假体摩擦自激振动可能是关节异响的发生机理,但研究工作才刚起步。关节异响的发生机理尚不明确,许多问题还有待深入研究。为了更好地探究关节异响的发生机理,建议从摩擦自激振动与髋关节体内动力学交叉的角度来研究和分析关节异响。     

多自由度分段光滑非线性系统的近似解——-中华文物龙洗的自激振动

建立了由干摩擦引起的两个弹性体之间自激振动的数学模型. 利用平均法 求出了由干摩擦引起的多自由度分段光滑非线性动力系统的近似解析解，分析了搓动速度、 振动频率与振幅的关系曲线，相位角与搓动速度的关系曲线，分析结果与数值解基本吻合. 为研究多自由度分段光滑非线性系统提供了一种有效的近似解析分析方法.     

多自由度分段光滑非线性系统的近似解——中华文物龙洗的自激振动

建立了由于摩擦引起的两个弹性体之间自激振动的数学模型.利用平均法求出了由干摩擦引起的多自由度分段光滑非线性动力系统的近似解析解,分析了搓动速度、振动频率与振幅的关系曲线,相位角与搓动速度的关系曲线,分析结果与数值解基本吻合.为研究多自由度分段光滑非线性系统提供了一种有效的近似解析分析方法.     

ANALYSIS OF FRICTION INDUCED VIBRATION UNDER THE ACTIVE DISTURBANCE REJECTION CONTROL FRAMEWORK 1)

自抗扰控制(active disturbance rejection control, ADRC)是一种具有两自由度控制结构的工程化方法, 由于其能够直观有效地处理多种扰动, 近些年来在许多机电系统上得到了成功应用. 当采用ADRC对带有摩擦力的机电系统进行调节时, 可能会产生极限环振动. 目前, 还没有ADRC框架下摩擦力振动精确分析的相关工作. 因此, 本文采用非线性动力学系统的分析工具对这一问题进行研究. 首先, 考虑两种典型摩擦力模型, 静态切换模型和动态LuGre 模型, 对一类二阶运动系统设计不同阶次的ADRC, 得到控制器的等效形式, 并揭示出与比例积分微分(proportional-integral-derivative, PID)控制之间的联系. 然后, 采用打靶法结合拟弧长延拓方法求解系统中的极限环, 并根据Floquet理论判断极限环的稳定性、可能出现的分岔以及分岔类型. 此外, 通过雅克比矩阵和近似数值方法对系统平衡点集的局部稳定性进行了分析. 最后, 通过数值计算研究了摩擦力模型和参数、ADRC阶次和参数对极限环和平衡点集的影响. 计算结果表明, 决定摩擦力Stribeck效应负斜率的参数$\beta$作用较大. 当$\beta>1$时, 两种摩擦力模型下的闭环系统呈现出相同的特性, 极限环会出现环面折叠分岔(cyclic fold bifurcation, CFB)且平衡点集是局部稳定的. 然而当$\beta<1$时, 两种闭环系统呈现出完全不同的特性. 此外, 不同阶次的ADRC在极限环的存在性和稳定性、平衡点集的稳定性上面的结论是相同的, 而低阶次的ADRC能够更好地解决摩擦力补偿和稳定鲁棒性之间的矛盾问题. 这些结论对实际现象的理解、ADRC阶次的选择以及参数整定提供了一定指导.     

非光滑多体系统动力学数值算法的研究进展

非光滑多体系统动力学数值计算方法是多体系统动力学研究的重要内容之一. 本文介绍了近年来含摩擦与碰撞的非光滑多体系统动力学数值算法方面的研究进展. 首先, 讨论了库仑摩擦模型和修正的库仑摩擦模型, 以及具有单边和双边约束的多体系统中法向约束力的特点. 其次, 回顾了基于连续模型和非连续模型的多体系统动力学方程的数值计算方法, 详细介绍了基于互补概念的非光滑多体系统动力学的事件驱动法和时间步进法, 分析比较了相关的数值算法. 最后, 指出了一些需要进一步研究的问题.     

干摩擦控制振动的应用

干摩擦能衰减机械振动的现象早为人们所熟悉。但是很长一段时期,干摩擦应用到控制振动上的例子不多见。这是由于干摩擦的性能不好掌握和干摩擦会使系统变为非线性,设计、计算就很复杂。 干摩擦振动系统是非线性系统。以振动系统中的一个干摩擦接头来说明。当接头上的力     

高速机构动力学研究进展

高速机械动力学及其控制是机构学研究领域的一个前沿性学科,与其内容相关者涉及多个新兴学科领域.本文首先概述了高速机构动力学基础------柔性多体动力学建模理论及周期时变机械系统动力行为研究的现状及其进展状况.其次,对机械工程中常见的典型高速机构,特别是对高速连杆、凸轮机构动力学的研究现状进行了分门别类的介绍.再次,对带间隙机构动力学的研究给予了一定的关注.相应地,对柔性机构振动主动控制的研究状况也进行了简要介绍.最后,指出上述研究领域内一些值得研究的问题.      

Approximate analytical solution of the self-excited vibration of piecewise-smooth systems induced by dry friction —The vibration mechanism of the Chinese cultural relic Dragon Washbasin

Based on our previous work, a mathematical model of piecewise-smooth systems is established by means of phase-plane orbit analysis, and it is then used to study the intersting phenomena of Chinese cultural relic Dragon Washbasin. The mechanism of nonlinear damping is analyzed; the approximate analytical solution of self-excited vibration of piecewise-smooth nonlinear systems induced by dry friction is derived by means of KB Method, the results of which agree well with that of the numerical solution. Therefore, the method presented in this paper is proved to be very efficient in analyzing the self-excited vibration of piecewise-smooth systems induced by dry friction.     

GCr15钢-CVDCr_7C_3镀层摩擦副摩擦振动的研究

本文系统地研究了GCr15钢球-CVDCr_7C_3镀层钢盘摩擦副滑动干摩擦引起的摩擦力(切向力)振动特性及其对材料摩擦磨损性能的影响。试件系统在垂直和水平方向上均处于低刚度、小阻尼状态。试验信号由微机采集、处理并进行频谱分析。结果表明,摩擦力振动的类型与正压力有关,而与拖动速度无关;摩擦力呈周期性自持振动时具有与相对滑动速度典型的非线性关系,振动频率接近(略低)于系统在切向的固有频率,而与拖动速度无关;摩擦力呈非平稳随机振动时,振动频率与系统在法向的振动频率有关,而与系统在切向的固有频率及拖动速度都无关;摩擦偶件运动的平稳性与摩擦力振动的类型有关,而与平均摩擦系数无关;摩擦力所耗费的能量与正压力呈比例关系。