铁基多孔含油关节曲面结合面特征参数分析与研究

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随着“中国制造2025”等一系列国家战略政策的出台,对我国制造业的发展水平提出了更为苛刻的要求,机械手等工业装备更多的被应用于具有高精度要求的自动化流水线中。对于精密以及超精密设备来说,提高设备的动刚度以及阻尼参数是保证加工、装配精度的重要措施。  一台完整的机械结构由大量的零部件装配而成,在零件与零件之间形成结合面。研究表明,结合面对设备的动态性能影响非常大,是决定整机系统总柔度和总阻尼的主要因素。同时,结合面间加入润滑油类介质时,能够改善结合面的接触性能,基于仿生研究,将多孔材料作为曲面结合面的一部分,并对结合面刚度、阻尼以及摩擦性能进行实验研究。  基于人体骨关节润滑机理,从理论上探究了多孔含油材料的渗油机理,并通过试验予以验证,对于不同孔隙率的多孔材料,给出了孔隙率的测定方法,并通过三维数字显微镜对多孔材料表面进行扫描,得到了多孔材料的表明形貌特征,观测到了油膜的存在。通过对不同孔隙率的曲面结合面摩擦性能研究发现,在不含油状态下,结合面的摩擦特性无异于常规材料,在含油状态下,多孔材料的摩擦特性优于常规材料,并且摩擦性能参数随着孔隙率的增加而提高,随着曲面结合面法向载荷的增加,摩擦性能参数逐渐劣下,并趋于稳定值。  以分形接触理论为基础,分析结合面的分形模型,将结合面分为固体接触部分和液体接触部分,并且二者处于并联关系。从理论上对多孔含油材料结合面刚度和阻尼进行了建模,实验采用分时快速稳态正弦扫频激振方法,对结合面特征,参数进行数据采集,通过试验的方法,对比研究多孔材料与常规材料曲面结合面的动态特性,结果表明,在不含油状态下,曲面结合面的刚度随着孔隙率的增加而减小,阻尼变化不大;在含油状态下,多孔材料的刚度和阻尼特性明显优于常规材料,并且刚度和阻尼均随着孔隙率的增加而增加;在不同法向载荷下,曲面结合面的刚度和阻尼在一定范围内随着载荷的增加而增加,当载荷增加到一定值时,刚度和阻尼增速变缓,并趋于稳定值。  基于ANSYS对模型进行了模态以及谐响应分析,并与实验结果进行了对照。通过刚度、阻尼以及摩擦性能参数研究结果发现,多孔材料优越于常规材料。本研究以提高设备中曲面结合面特征参数的性能为目的,为获得高刚度、大阻尼、小摩擦曲面结合面的方法提供了理论依据,对提高整机设备的加工精度具有重要的应用意义。
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