双螺母预紧滚珠丝杠副摩擦力矩与接触刚度波动关系研究

目前,滚珠丝杠副刚性的一次测量只能测得一个位置处刚度,需进行多次测量才能获得有效行程内的刚度波动情况,且每次测量需要拆卸和调整测量装置,耗时耗力。由于滚珠丝杠副摩擦力矩测量是空载扭矩,在测量行程中,螺旋升角和接触角是基本没有什么变化,同时在刚性测量中,轴向载荷的加载对螺旋升角和接触角的影响非常小,可以简单、快速获得双螺母预紧滚珠丝杠副不同位置处接触刚度值波动情况,对双螺母预紧滚珠丝杠副的滚珠进行动力学分析,建立预紧力与接触刚度的关系式,结合滚珠丝杠副预紧力与摩擦力矩平衡方程,建立关于摩擦力矩的接触刚度数学模型;使用滚珠丝杠副摩擦力矩试验台对两种不同型号的双螺母预紧滚珠丝杠副进行摩擦力矩测量;在滚珠丝杠副静刚度试验台上对以上两件滚珠丝杠副进行静刚度测量。试验结果表明:当双螺母预紧滚珠丝杠副的轴向载荷23/2倍预紧力时,双螺母预紧滚珠丝杠副的接触刚度与摩擦力矩的1/3次方成正比;可通过测量双螺母预紧滚珠丝杠副行程内的摩擦力矩来反映不同位置处接触刚度的波动情况。     

带超长滚珠丝杠的立式玻璃磨边机砂轮架模态分析

为进一步改善带超长（3.71 m）滚珠丝杠立式玻璃磨边机的动态特性,减小、抑制磨削振动对加工质量的不良影响,基于ANSYS参数化建模语言建立考虑运动结合面动态特性的砂轮架动态分析参数化有限元模型;据砂轮架实验模态分析结果,对砂轮架模态有限元计算精度进行验证。进一步分析滚珠丝杠直径、滑块安装板厚度、丝杠螺母副及丝杠轴承结合面刚度、砂轮架位置等参数对砂轮架动态特性影响规律,提出新一代数控玻璃磨边机砂轮架的改进设计方案。经生产应用证明砂轮架动态特性改进设计方案的合理性和有效性。     

基于振动特征的滚珠丝杠副预紧力丧失诊断研究

滚珠丝杠副预紧力丧失将导致机床进给精度及加工质量受到显著影响,实时监测滚珠丝杠副预紧力的变化并对其健康状态作出诊断具有重大意义。提出了一种将EMD(Empirical Mode Decomposition)与MSE(Multi-Scale Entropy)相结合的信号处理方法进行预紧力丧失的故障诊断;设计了一种新型双螺母预紧力调节装置,用于采集不同预紧力水平下的螺母振动信号,通过EMD分解得到振动信号第一特征频率附近的IMF(Intrinsic Mode Function)分量,接着计算该IMF多个尺度下的熵值,分别以多尺度熵值与第一特征频率为特征向量建立BP神经网络进行预紧力丧失的诊断。诊断结果表明,以多尺度熵作为故障诊断特征向量时,神经网络的诊断正确率相比后者提高了50%。研究结果可用于基于振动特征的滚珠丝杠副预紧力丧失的故障诊断,对于促进滚珠丝杠副健康状态监测方法的发展具有重大意义。     

双向水平及扭转调谐质量阻尼器及其减震控制研究

调谐质量阻尼器可以减小地震作用下的结构动力响应,但传统的调谐质量阻尼器在控制结构平移-扭转耦联多维振动方面存在不足。本文提出由调谐质量块、扭转质量块及扭转杠杆等组成的双向水平及扭转调谐质量阻尼器,利用其自身的平移和转动可以实现对结构水平及扭转振动控制。根据该多维调谐质量阻尼器的运动机理,建立了考虑偏心扭转效应的结构减震体系控制运动方程。以一装有多维调谐质量阻尼器的偏心结构为算例,对结构在地震作用下的扭转耦联减震性能进行研究,并对多维调谐质量阻尼器与传统单向调谐质量阻尼器的减震效果进行了对比分析。结果表明：合理布置的多维调谐质量阻尼器能有效降低结构在水平两向及扭转方向的振动,其减震明显优于传统的单向调谐质量阻尼器。     

滚珠丝杠进给系统动力学建模与动态特性分析

考虑滚珠丝杠进给系统中各结合面接触刚度的影响,提出一种有限元建模方法,用于研究滚珠丝杠进给系统的动态特性。将丝杠螺母、导轨滑块和滚动轴承简化为弹簧-质量模型。基于Hertz接触理论推导出其接触刚度的计算公式,采用多单元混合的方法划分网格,建立整个进给系统的有限元模型,仿真得到承载台的前五阶模态振型和固有频率;采用锤击激励法对滚珠丝杠进给系统进行模态试验,试验结果表明仿真和试验得到的模态振型基本一致,固有频率的最大误差为8.9%;基于该有限元模型分析了主轴质量、滚动导轨副预紧力以及滑块间距对进给系统振型分布和固有频率的影响。所提出的动力学建模方法和研究结果对滚珠丝杠进给系统的动态特性分析和结构优化具有参考价值。     

颗粒碰撞环形调谐质量阻尼器的设计与实验

石化企业中缓冲罐、管道、压力容器及换热器等圆筒形设备普遍存在振动。采用低元化模型和等效质量辨识法,对调谐质量阻尼器在此类连续系统中的振动控制机理进行研究,设计一种便于安装的新型颗粒碰撞环形调谐质量阻尼器。理论推导阻尼器环向对称布置弹簧的综合刚度,测量颗粒碰撞阻尼系数,得到了最优调谐参数的阻尼器。运用MATLAB对不同阻尼比的阻尼器减振特性进行仿真,并设计悬臂钢结构圆筒模型作为振动控制对象。对结构1阶模态频率附近的振动控制情况进行实验,对比有无颗粒阻尼下的减振效果差异。结果表明,设计的颗粒碰撞阻尼器能够有效抑制圆筒设备各方向振动,且减振频带大幅度拓宽。这种环形设计思想和颗粒碰撞阻尼可以对调谐质量阻尼器提供更大的应用空间。     

轻型铁路桥墩横向振动问题研究

针对铁路提速后大部分轻型墩桥梁横向车桥耦合振动幅值过大这一问题,提出采用多重调谐质量阻尼器MTMD(Multiple Tuned Mass Damper)对其进行控制。首先将被控桥墩简化为单自由度体系,建立了桥墩-MTMD系统力学模型和运动微分方程,全面系统地分析了MTMD各设计参数对动力放大系数的影响规律。经分析可知,MTMD的频带宽度、阻尼比、质量比、中心频率比和TMD的个数对结构振动控制有重要影响,应对其进行优化。在此基础上,以某特大桥的轻型墩为例设计MTMD,并对采用MTMD控制铁路轻型墩横向车桥耦合振动的效果进行了模拟分析,分析结果表明:MTMD能够有效地控制铁路轻型桥墩的横向振动,但减振效果与桥墩振动时程特征有关。     

MTMDs控制高速铁路简支箱梁桥车致振动噪声的研究

轨道不平顺性激励引起桥梁结构振动,进而向空间辐射噪声。为了探明多重调谐质量阻尼器（MTMDs）对桥梁结构噪声的影响,选取32 m双线混凝土简支箱梁为研究对象,建立了移动集中力-桥梁-MTMDs耦合振动模型,根据桥梁的挠曲频响函数,求取了MTMDs的最优控制参数。在此基础上,采用瞬态有限元法和声学边界元法研究了不同数量调谐质量阻尼器对桥梁的减振、降噪效果。研究结果表明：MTMDs能有效控制桥梁的最大振动响应;由于MTMDs仅对一阶竖弯频率处的结构振动控制有效,使得其对结构噪声的控制效果不甚明显,对近轨侧25 m处声场的平均降噪效果约0.5 dB。     

基于模态综合法与动态凝聚的滚珠丝杠进给系统状态空间建模与实验验证

以往研究中为便于机械传动环节与控制系统的集成建模,常将滚珠丝杠进给系统简化为简单机械模型,其在动态性能精确求解等方面存在不足。针对这一问题,充分考虑滚珠丝杠进给系统的结构柔性以及丝杠螺母副的耦合特性,构建滚珠丝杠进给系统多柔体动力学模型;在此基础上,综合模态综合法和动态凝聚法,对进给系统有效简化动力学信息准确提取,加快模型降阶收敛和凝聚自由度响应求解速度,推导得到滚珠丝杠进给系统的状态空间缩聚模型。基于内置传感器信号的动态性能试验测试,对模型的正确性进行验证,其一阶固有频率计算误差为5.54%,实验和仿真计算得到的输入扭矩与输出转速间的频响曲线在一阶频率处极点坐标分别为32.83 d B和35.16 d B。该研究为实现滚珠丝杠进给系统与伺服控制系统的高效高精度集成建模提供了重要的理论基础和方法指导。     

螺母安装方式对滚珠丝杠载荷特性的影响规律研究

针对一端固定、一端支承的滚珠丝杠上工作螺母的两种不同安装方式,分析、比较了丝杠受力状态的差异;通过建立计及接触角变化的滚珠丝杠载荷分布模型,定量研究了不同螺母安装方式对钢球法向载荷分布和实际接触角的影响规律。数值分析结果表明在螺母和工作台的连接法兰远离固定端的安装方式下,钢球载荷分布和接触角分布均更为均衡。另外螺母安装方式对滚珠丝杠轴向刚度的影响并不显著。这一结论为滚珠丝杠的安装和维护提供了理论依据,对保证滚珠丝杠使用性能和提高其工作寿命具有工程指导意义。     

电磁集能式调谐质量阻尼器的结构减震及能量收集分析

利用滚珠丝杆和永磁电机的能量收集单元代替传统型调谐质量阻尼器中的黏性阻尼,形成一种具有结构减震与能量收集两重功能的电磁集能式调谐质量阻尼器。通过引入滚珠丝杆机械构件,实现结构的水平往返运动转化为高效旋转运动的功能,并产生较大的惯性质量,有利于提高结构减震性能。通过分析滚珠丝杆力学性能,能量收集单元的动力学模型,建立了电磁集能式调谐质量阻尼器的力学模型。将电磁集能式调谐质量阻尼器与单自由度结构相结合,建立耦合结构受地震作用时的动力学模型,并仿真分析了此结构受El Centro地震作用时,电磁集能式调谐质量阻尼器对结构减震与能量收集的性能。结果表明,电磁集能式TMD对结构峰值位移和加速度的减振性能同于经典TMD,但结构位移与加速度均方值劣于经典TMD的减震性能;能量收集的平均功率约0.52 W。     

基于拓扑布置的超高层建筑TTMDI风致振动控制EI北大核心CSCD

为解决超高层建筑在强风作用下遭受涡旋脱落的影响可能会出现大幅振动问题,提出将高性能串并联调谐质量阻尼器惯容器(tuned tandem mass dampers-inerters,TTMDI)系统用于超高层建筑横向风致振动控制。在频域内,推导出超高层建筑-TTMDI系统的峰值响应公式,进而定义优化准则,并采用模式搜索法进行控制装置参数寻优。以某超高层建筑为例,考虑TTMDI系统的不同拓扑形式和总惯容质量比,分别从其控制有效性、刚度和阻尼系数、冲程、惯性力和鲁棒性方面,对TTMDI性能进行评估,并与调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD),串并联调谐质量阻尼器(tuned tandem mass dampers,TTMD)和调谐质量阻尼惯容器(tuned mass damper-inerter,TMDI)进行比较。数值结果表明:TTMDI具有更好的风致振动控制有效性和鲁棒性;此外,当拓扑或总惯容质量比增大到一定程度时,TTMDI只需要一个连接阻尼;而且,TTMDI系统对总阻尼的需求不到TMDI系统的一半,更易于实现。     

考虑径向间隙的非理想双圆弧滚道滚珠丝杠副接触角建模和分析

双圆弧(哥特式)滚道可以使滚珠丝杠副的承载能力、刚度和传动精度更加稳定,在精密型滚珠丝杠副结构中广泛采用,但是双圆弧滚道的制造和测量都比较困难,往往得到非理想滚道。由于滚道误差、径向间隙与滚珠丝杠副的主要性能指标-弹性变形接触角之间存在非线性关系,导致精密滚珠丝杠副装配后的性能不易控制。为了优化滚珠丝杠副的装配质量,考虑初始游隙和接触角变化等因素,基于赫兹弹性接触理论和变形协调原理建立了非理想滚道截形的滚珠丝杠副弹性变形接触角的计算模型,并通过对比双半内圈球轴承初始接触角的计算公式,验证了提出的计算模型的通用性和正确性。以精密滚珠丝杠副3210为例,分析了内外滚道误差、径向间隙及滚珠大小对弹性接触角的影响规律。研究结果可为滚珠丝杠副的装配方法和优化设计等提供理论参考和依据。     

考虑涡旋效应的圆柱形TLD多维减震效果研究

调谐液体阻尼器可以控制地震作用下的结构动力响应。研究了利用圆柱形调液阻尼器来控制结构在地震作用下的扭转耦联振动。采用薄膜法建立了包含脉冲动压力和对流动压力的调谐液体阻尼器液动压力模型。基于准均匀涡旋理论获得了考虑调谐液体的抗扭力模型。建立了考虑偏心扭转效应的结构控制运动方程。以一装有调谐液体阻尼器的偏心结构为算例,对结构在地震作用下的扭转耦联减震效果进行研究,并分析了调谐液体的脉冲动压力、对流动压力和涡旋抗扭力在减震中的作用。结果表明：合理布置的调液阻尼器能有效控制结构的平-扭耦联振动,不能忽略液体涡旋产生的扭转力。     

调谐双质阻尼器减振性能分析

由调谐质量阻尼器与惯质器组合形成的调谐双质阻尼器是一种新型减振装置。将惯质器简化为惯性质量和黏性阻尼器,建立单自由度结构-调谐双质阻尼器运动方程,研究调谐双质阻尼器的优化参数,分析自由振动和简谐激励下调谐双质阻尼器的减振效果。研究表明,调谐双质阻尼器具有比传统调谐质量阻尼器更好的减振效果。     

滚动型单面碰撞调谐质量阻尼器参数优化及减振性能分析

滚动型单面碰撞调谐质量阻尼器是一种由小球、圆形轨道、黏弹性材料挡板组成的减振装置,通过小球与挡板的碰撞耗能以及小球与圆形轨道间的摩擦进行减振。基于Lagrange变分原理,建立单自由度结构与滚动型单面碰撞调谐质量阻尼器的运动方程,研究不同质量比下滚动型单面碰撞调谐质量阻尼器的参数优化,分析自由振动、简谐激励以及地震作用下滚动型单面碰撞调谐质量阻尼器的减振性能。结果显示,滚动型单面碰撞调谐质量阻尼器具有良好的减振效果。     

两种桥梁振动控制方法的对比分析

介绍了两种多重调谐质量阻尼器（MTMD）的参数优化公式，并采用两种方法对车桥耦合振动中桥梁的竖向振动进行了控制。算例表明：其方法比现有的方法参数优化简单、减振率高，且方法中TMD参数相同，更便于设计生产。因此应采用该方法对桥梁竖向振动进行控制。     

行星滚柱丝杠副运转过程动态特性分析

以行星滚柱丝杠副为研究对象,建立行星滚柱丝杠副有限元模型。基于显式动力学有限元算法,采用全积分单元进行沙漏控制,通过调整单元密度和采用混合时间积分算法提高计算速度,对行星滚柱丝杠副进行动态特性分析。分析结果表明：随着滚柱转速增大,丝杠相对滚柱的轴向位移、速度大小及波动幅度均变大;不同转速下,螺纹牙上同一接触单元von Mises应力基本一致;同一转速下,丝杠副的4个螺纹牙上的接触单元均存在载荷分布不均现象,且第1个螺纹牙上的von Mises应力波动最大;丝杠侧接触单元von Mises应力大于螺母侧接触单元von Mises应力。     

数控机床进给单元滚动结合部轴向动态特性参数识别

针对现有结合部参数识别方法不能精确识别装配状态下数控机床进给单元滚动结合部动态特性参数问题,提出进给单元装配状态下滚动结合部轴向动态特性参数识别方法。将丝杠简化为弹性杆件以建立简谐力作用下丝杠及工作台的轴向振动方程,基于该方程建立结合部轴向刚度与阻尼参数识别模型;通过实验测量丝杠支撑点间距离、简谐激振力频率及幅值、丝杠轴端截面轴向振动速度幅值等参数建立识别方程组;基于遗传算法优化求解该方程组,识别出滚动结合部轴向动态特性参数。以自行研制的滚珠丝杠进给实验台为研究对象,基于该方法对其左、右端轴承组及滚珠丝杠副结合部轴向刚度、阻尼参数进行识别,并对识别结果的正确性进行实验验证。结果表明所提方法正确、有效,丝杠轴端截面轴向振动速度幅值的理论计算值与实验测试值绝对误差在7.7μm/s以内,参数识别精度较高。     

单面碰撞调谐质量阻尼器减振性能分析与试验

碰撞式调谐质量阻尼器是一种通过碰撞消耗结构振动能量的新型减振装置,以设计悬臂式单面碰撞调谐质量阻尼器为目标,通过试验确定碰撞力模型参数;建立单自由度结构-碰撞调谐质量阻尼器系统运动方程,分析频率比对减振效果的影响;设计可改变固有频率的试验模型,开展减振试验。分析和试验结果表明,碰撞调谐质量阻尼器在优化频率比条件下具有良好的减振效果,当频率比偏离时,减振效果降低,但仍具有较好的减振效果,说明该阻尼器具有较好的控制鲁棒性。