轴承材料试验机动力学分析系.doc

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轴承材料试验机动力学分析系

轴承材料试验机部分机构系统动力学分析 课题简介:滚动轴承作为一个广泛使用的机械基础零件,其质量的好坏直接影响着整机的性能,切轴承的失效形式主要有疲劳点蚀、塑性变形以及磨损等。因此开发高性能的轴承材料以适应旋转零部件的要求显得十分重要。而如何模拟轴承的实际工况,比较准确的预测出轴承的承载能力与寿命,得到第一手的工作数据,从而对新型材料做出综合评价,成为设计者与制造商最关心的问题。在造成轴承的众多失效因素中,接触疲劳是最主要的失效形式,比静力破坏具有更大的危险性,因此设计的轴承材料试验机主要检测试件的解除疲劳强度。实验室现有试验机如图1所示。 图1(a)试验机工件夹持部分 (b)试验机外观图 1 摩擦振动问题分析 在试验过程中,摩擦盘与试块之间往往会产生摩擦振动,当振动达到一定程度时,会影响实验的过程及实验结果的准确性。因此有必要对该试验机的振动进行系统的分析,查明其产生振动的原因,并采取具体的措施减小该振动对试验机正常运行产生的影响。 1.1 摩擦振动产生的基本原理 当两个平面相对滑动时,若拖动系统的速度低于某个界值,尽管拖动系统保持匀速运动,但在两个相互滑动的表面之间却出现某种形式的断断续续的运动,这种运动称为摩擦振动。摩擦振动的产生是由于在相对滑动的系统中存在该力学过程:摩擦力可分为弹性摩擦分量和机械摩擦分量两种,弹性摩擦分量是指物体间发生切向运动时所产生的粘弹效应;而机械摩擦分量是由于物体间发生相向运动时,产生的犁沟效应。当驱动系统开始运动时,由于静摩擦力的存在,摩擦副仍处于相对静止状态(仅仅导致弹性系统形变);随着驱动系统的位移量增大,弹性系统形变增大,弹性力增大到大于最大静摩擦力,摩擦副之间出现相对滑动,静摩擦力迅速转为动摩擦力;由于滑动摩擦力小于最大静摩擦力,促使相对滑动速度增加;加上系统惯性作用,快速的相对滑动超过弹性系统和滑动摩擦力的平衡点,接着相对滑动速度下降,摩擦副再次出现相对静止状态。这个过程即为一个完整的摩擦振动周期。 1.2 理论分析及结论 由上可知,摩擦振动是由于摩擦力的不断变化引起的。轴承材料试验机的振动可以看成是在摩擦力作用下有阻尼的受迫振动,假设定速试验机的振动部分质量为m,系统的阻尼为c,刚度为k,摩擦力为F=sinωt,ω 为摩擦力的变化频率,其运动微分方程为: (1) 将(1)式两端同除以m可得: (2) 式中:ζ=c/2m—阻尼比; = —无阻尼系统的固有频率; Bs—静力作 用下产生的静位移。 在没有采取有效的减振措施时,轴承材料试验机的阻尼非常小,因此可以认为ζ=0,此情况下,由(2)式求得系统位移响应为: (3) 由(3)式可知,当摩擦力变化频率与系统固有振动频率非常接近时,系统的振动位移就会变得非常大,这种现象被称为共振,此现象会造成设备的剧烈振动,从而使其无法正常运行。 2 加载砝码动力学分析 2.1 砝码加载背景 在传统的试验机中,试验载荷一般由液压缸或杠杆砝码施加,在本次设计的试验机中,采用的是杠杆砝码结构,传统的杠杆砝码结构如图2所示,它的优点是结构简单,不需要载荷传感器测试,由加载砝码可以确定出载荷的大小,但不适合高速,若速度过高会引起砝码振动,导致载荷不稳,变载荷也不方便,仅适用于寿命试验,成本低。其中在试验中一个很大的问题是搬运砝码,由于砝码十 图2(1)杠杆机构 (2)砝码 笨重,老师叫我设计一个通过机械结构控制砝码加卸载的机构,省去人工搬运环节,节省劳动力,我现在只是构思了一种结构,如图3所示。机械主体主要由中心吊环、砝码、砝码托盘、独立加卸载装置机构组成。其中独立加卸载机构由伺服电机、涡轮蜗杆、滚珠丝杠以及砝码托盘组成。这样可以对不同的砝码进行组合,实现不同的加载力。 2.2 加载系统动力学分析 在试验及的工作过程中,砝码通过加卸载装置将砝码加载到砝码托盘上(或从砝码托盘上卸载),通过中心吊环将砝码力值传递到杠杆的一端,通过杠杆将力加载到工件上。在此过程中,中心吊环收到砝码的作用会产生变形,而由于砝码刚性较好,其变形量可以忽略不计,因此整个系统的弹性系数取决于中心吊环的弹性系数。计算出中心吊环的变形量对加卸载的行程起着至关重要的作用。 图3 砝码加载机构 设砝码数量为N,从吊环底部到每个砝码托盘处之间的中心吊环弹性系数从上之下一次是K1、K2...Kn。则系统的综合刚度为:

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