V带与带轮稳态运转摩擦分析与动力学研究

论文摘要

V带传动是一种应用越来越广泛的摩擦传动,针对带与带轮进行摩擦分析和动力学研究,可实现传动的高效、可靠和平稳运转。本课题来源于省教育厅自然科学基金项目。研究V带传动特性,进一步完善V带传动的设计理论和方法,具有广泛的应用前景和实用价值。首先进行带与带轮的摩擦分析。现存V带当量摩擦系数计算方法有两种,通过分析V带传动中的带与带轮的接触过程,发现V带在进入带轮、接触带轮、离开带轮的各阶段,V带不只沿圆周切向运动,而是沿周向和径向的复合方向运动,以此推导出较精确的V带当量摩擦系数计算公式。在分析带与带轮摩擦的影响因素中,考虑带与带轮相对滑动速度、带的径向位移、带的剪切变形和带的质量惯性四个因素,分别使用单元体的分力平衡方程、几何方程等进行定量分析,得出带与带轮间的相对滑动速度使摩擦力的变化过程改变,主动带轮和从动带轮与带接触过程无静角区；V带径向位移产生附加摩擦力使承载能力发生改变；带剪切变形的分析方法阐述带与带轮间静角区段摩擦力；带沿周向和径向的质量惯性对于高速带传动和柔性带传动的影响较大等相关结果。其次,研究V带与带轮摩擦运动的动力学问题。假设V带为轴向移动的梁单元,可模拟V带在轮槽中产生的径向和切向摩擦力。与原有V带力学模型仅分析单一带轮不同,文中建立了两带轮系统的稳态力学模型。在采用数值方法进行求解时,需先将未知边界问题转化成固定边界值问题,然后通过一般BVP方法求解,得出稳态下包角、径向位移和转矩等参数的数值解。依据此模型,分析带传动时的振动情况,建立了两种边界条件下的振动模型,即：固定边界条件模型和未定边界条件模型。通过计算得出了固有频率、弯曲刚度,带的运行速度,带长和带轮半径比、带的振幅与弯曲刚度及跨度的关系。从这些分析结果中可看出,影响系统固有频率和振动的因素不是单一的、线性的,是多种因素共同作用的结果。故此分析结果有助于减小系统振动幅度,避免共振。再次,应用有限元方法建立平带的有限元模型,并以此为基础使用增量法建立V带模型。通过模型简化、计算仿真,得出在V带传动过程中V带的受力和变形情况。将结果与理论分析进行对比,可看出仿真结果的大体趋势与计算结果一致,从而证明了V带力学建模的合理性,将此方法应用到V带系统的设计中将提高设计效率。最后,以光纤传感器测试技术为基础,设计制作测量带动角和测量V带在带轮中的真实滑动轨迹的实验装置。通过对实验结果的分析,与计算、仿真结果的比较,可得出计算、仿真和实验三种结果趋势相符,证明课题研究方法的正确性。V带与带轮的摩擦分析和动力学研究具有实际的应用意义,所得到的摩擦分析、动力学建模、实验等方法和结论,为V带传动的设计和应用提供理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景、目的及意义
• 1.2 国内外带传动研究概述
• 1.2.1 国内带传动研究发展历史
• 1.2.2 国外带传动研究概述
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 第2章 V带与带轮摩擦分析
• 2.1 引言
• 2.2 V带当量摩擦系数的分析
• 2.2.1 摩擦系数模型
• 2.2.2 V带摩擦力分析及当量摩擦系数的计算
• 2.3 带与带轮摩擦的动角区与静角区
• 2.4 V带的径向位移对滑动摩擦影响
• 2.4.1 带变形引起的径向位移
• 2.4.2 V带径向位移产生的摩擦力增量
• 2.5 V带的剪切变形对滑动摩擦的影响
• 2.5.1 V带的剪切变形
• 2.5.2 拉力计算
• 2.6 本章小结
• 第3章 V带传动的动力学研究
• 3.1 带的惯性及刚度
• 3.1.1 带微元动量方程
• 3.1.2 带拉力,应变和带速的关系
• 3.1.3 考虑惯性力带动力学方程在各段的解
• 3.1.4 不考虑惯性力的工程设计解法
• 3.2 基于稳态运转的V带传动动力学方程
• 3.2.1 V带单元体受力分析
• 3.2.2 稳态运转V带传动动力学方程
• 3.2.3 V带动力学方程的解
• 3.3 V带的振动分析
• 3.3.1 带传动系统振动模型
• 3.3.2 振幅,系统固有频率与各参数间的关系
• 3.4 本章小结
• 第4章 V带传动有限元建模及仿真
• 4.1 引言
• 4.2 平带有限元模型的建立
• 4.3 V带有限元模型的建立
• 4.4 仿真结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 V带传动实验研究
• 5.1 带传动动角测量
• 5.1.1 实验原理
• 5.1.2 实验方案设计
• 5.1.3 实验仪器
• 5.1.4 实验结果与讨论
• 5.2 V带当量摩擦系数测量
• 5.2.1 实验原理
• 5.2.2 实验方案设计
• 5.2.3 实验仪器
• 5.2.4 实验结果与讨论
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历