过盈联接摩擦系数的理论及试验研究

论文摘要

本文开展的“过盈联接摩擦系数的理论及试验研究”,是在国家高技术研究发展计划项目(863项目)(No.2006AA04Z101)和国家科技支撑计划项(No 2007BAF21B01)的支持的资助下,从大连重工·起重集团减速机厂风机设备的工程实际背景出发,从理论和试验的角度对过盈联接的摩擦系数进行分析研究,为风机等大型工程设备的性能特征信息获取和产品创新设计奠定基础。过盈联接摩擦系数作为一个表面接触摩擦特性的表征参数,在理论和试验研究方面均需要开展大量的研究工作,本文采用数值分析方法首先从理论上对过盈联接摩擦系数进行研究分析,利用过盈联接的有限元接触模型分析计算各影响因素的影响程度,然后采用试验的方法测量过盈联接试件的承载扭矩,间接计算并验证摩擦系数,最后通过正交表分析摩擦系数的影响因素。基于这些研究目的,本文研究内容包括:1.建立过盈联接的接触分析模型,分析过盈量、长短轴比值与最大承载扭矩、摩擦系数之间的关系,基于有限元方法计算分析对摩擦系数有影响的过盈量、锥度、表面粗糙度等因素的影响程度。数值分析部分具体包括:(1)基于曲面模型建立了摩擦系数求解模型,得到摩擦系数的解析表达式;(2)基于软件分析,研究过盈联接的过盈量、锥度、表面粗糙度等因素对接触应力的影响程度,并获得一组比较完整的计算结果;(3)建立了过盈联接的接触应力分析模型,对过盈联接摩擦特性的影响因素进行深入研究,基于面—面接触进行接触应力分析,进而获得摩擦力和摩擦力矩的情况;(4)建立了采用过盈联接中两个零件的体积变形量(称之为“过盈体积”)来描述实际过盈效果的理论方法,基于重构接触曲面的数学理论,分析、计算过盈体积,从而研究过盈体积与过盈联接摩擦系数之间的关系。2.设计正交试验方案,通过数据分析、计算获得摩擦系数,具体内容包括:(1)进行过盈联接摩擦系数测试系统方案设计以及其正交试验方案设计。在分析确定试验所需要的测量参数的基础上,由于摩擦系数的影响因素较多,提出设计正交试验的测试设计思路,以此来确定各因素对摩擦系数的影响。按照设计的正交表,设计每个试件的详细尺寸;(2)完成对具体试件的测量、计算与装配。对加工的试件进行表面粗糙度测量和锥面轮廓测量,拟合得到过盈联接的配合尺寸。为保证测量数据能真实反映零件表面状况,进行了粗大误差的剔除。利用软件的优化工具箱,采用自适应圆锥的方法进行圆锥拟合,为使优化结果达到最优,通过多步拟合得到了较优的初始点并采用序列二次规划的算法进行求解。根据计算结果,采用缩胀法进行试件装配;(3)通过扭转试验得到每个试件的失效扭矩。为保证试验结果真实有效,试验前对试验台进行标定,试验时记录每个试件的扭矩和时间,绘制曲线确定失效扭矩。为了解决某些试件超出试验台扭距量程的问题,专门设计并制造了大量程扭距试验台;(4)基于零件表面的测量数据进行接触曲面重构,将重构的接触曲面转换成为结点形式,使用有限元分析软件进行静力分析,获得每个接触结点的外力,然后通过外力和力臂的累加计算获得接触面平均摩擦系数。(5)实际装配对原有因素的各个水平产生了影响,为了满足试验的正交性,必须重构正交表。通过分析重构的正交表得到了各因素对摩擦系数的影响程度。经过计算极差和剔除误差等操作,得到摩擦系数的经验公式。3.对理论和试验研究的过盈联接摩擦系数进行对比分析和联合求证,一方面完善过盈联接摩擦系数的计算方法和过程,另一方面从试验和理论角度给出了可以用于风机等大型设备的过盈联接摩擦系数具体推荐值。本文开展对过盈联接摩擦系数的研究,在理论上将完善目前国内大型设备过盈联接的摩擦系数确定过程,从试验角度对摩擦系数进行验证分析,最后形成可以用于风机等大型工程设备过盈联接摩擦系数的经验公式,这对于提高设备的运行效率和运行可靠性都具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 文献综述
• 1.3 课题来源
• 1.4 本文研究方法及主要工作
• 1.5 本章小结
• 2 摩擦理论综述及摩擦机理分析
• 2.1 摩擦学的定义和领域
• 2.2 摩擦的分类及摩擦系数的影响因素
• 2.3 接触状态下的摩擦学原理概述
• 2.3.1 经典摩擦定律
• 2.3.2 一般摩擦理论
• 2.3.3 弹性接触理论及经典接触模型
• 2.4 本章小结
• 3 基于接触模型的过盈联接特性数值研究
• 3.1 过盈联接摩擦系数求解模型的构建
• 3.1.1 求解模型的构建原理
• 3.1.2 求解模型的计算方法分析及选定
• 3.1.3 求解模型的解析表达形式
• 3.2 影响过盈联接特性的主要因素分析及研究
• 3.2.1 有限元模型及影响因素的参数范围设定
• 3.2.2 过盈量对接触应力的影响分析
• 3.2.3 锥度对接触应力的影响分析
• 3.2.4 表面粗糙度对接触应力的影响分析
• 3.2.5 过盈联接特性影响因素的分析结论
• 3.3 基于扭转模型的过盈联接特性数值研究
• 3.3.1 过盈联接扭转模型的分析及建立
• 3.3.2 标准过盈联接有限元计算及分析
• 3.3.3 标准过盈联接摩擦特性结果分析
• 3.3.4 非标过盈联接有限元计算及分析
• 3.3.5 非标过盈联接摩擦特性结果分析
• 3.3.6 过盈联接的“凸体”特性分析
• 3.4 基于曲面接触模型的过盈体积的研究
• 3.4.1 曲面重建的方法及过程
• 3.4.2 基于曲面模型的过盈体积计算及分析
• 3.4.3 过盈体积的修正方法和收敛性验证
• 3.5 本章小结
• 4 过盈联接特性的试验研究
• 4.1 试验方案设计及测量数据分析
• 4.1.1 试验原理概述
• 4.1.2 试件的等效设计
• 4.1.3 影响摩擦系数的因素分析
• 4.1.4 试验研究的不确定度分析
• 4.2 正交试验设计
• 4.2.1 正交试验的基本原理和方法
• 4.2.2 正交表的设计
• 4.2.3 轴与套的结构尺寸设计
• 4.3 过盈联接试件表面轮廓特性参数的获得
• 4.3.1 试件粗糙度的测量
• 4.3.2 试件表面轮廓点坐标的测量
• 4.3.3 圆锥尺寸测量的相关研究和数据采集模型
• 4.3.4 自适应策略的圆锥拟合模型
• 4.3.5 初始值的多步拟合过程及分析
• 4.3.6 试件的装配
• 4.4 过盈联接特性试验系统及强度分析
• 4.4.1 ND-3000扭转试验机及其标定
• 4.4.2 大量程试验台的需求分析和工作原理
• 4.4.3 大量程试验台的详细设计和改进
• 4.4.4 联接试件结合面塑性变形校核
• 4.4.5 联接试件的结构强度校核
• 4.5 测量试验数据及求解摩擦系数
• 4.5.1 最大承载扭矩的估算
• 4.5.2 小扭矩试验测量
• 4.5.3 大扭矩试验测量
• 4.5.4 基于试验测量结果计算摩擦系数
• 4.6 基于正交试验表的数据分析
• 4.6.1 试验结果的初步分析
• 4.6.2 正交试验表的重构
• 4.6.3 正交试验结果的分析与处理
• 4.6.4 实际工况下摩擦系的参考值
• 4.7 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 创新点
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文及承担课题
• 致谢