大型射电天线轮轨接触刚柔耦合动力学研究-机械电子工程专业论文.docx

万方数据 万方数据 Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University for the Degree of Master The research of wheel-rail contact rigid-flexible coupling dynamics in large telescope antenna Candidate: Zhu Nanjie Supervisor: Prof. Chen Zhiping March, 2016 杭州电 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘 要 大型射电天线轮轨系统是天线方位转动和支撑的基础，它通过滚轮和轨道之间的滚 动接触来实现其承载和方位转动。轮轨组合是天线轮轨系统的重要组成部分，其接触滚 动运行良好与否会对天线的运行产生直接影响。为此本文以国家天文台 50m 射电天线轮 轨组合为研究对象，对轮轨滚动接触问题进行研究。 论文首先基于刚柔耦合动力学理论，讨论了大型射电天线轮轨接触刚柔耦合多体系 统动力学方程及其求解方法，探讨了轮轨接触刚柔耦合动力学模型的建模方法，为轮轨 接触动力学分析提供理论基础。 其次，运用有限元软件 Msc.Patran/Nastran 和多体动力学软件 RecurDyn，分析轮轨 间滚动接触参数及其边界条件设置，建立了 50m 射电天线轮轨接触刚柔耦合动力学模型。 针对平顺轨道部分，分析了启动、平稳运行、快速制动三种工况下的力学性能，结果表 明天线在启动和快速制动时，轨道上的应力变形比天线在平稳运行情况下大 2 倍左右。 天线启动瞬时，轨道应力变形最大，最大应力可达 559.64Mpa，最大变形可达 0.153mm。 分析了轨道上预设点的应力变形和滚轮作用点离该点距离的动态变化关系，结果表明其 应力变形和滚轮作用点离该点距离成非线性反比关系。 针对轨道接头部分，研究了轨道接头的力学性能和滚轮不同冲击速度的关系，结果 表明在滚轮低速（0.6rad/s）冲击下轨道接头处最大应力变形比在高速（3rad/s）冲击下 大，低速冲击下最大应力为 666.32Mpa，最大变形为 0.13mm，因此在保证天线运行精 度的前提下可以适当提高天线的方位转动速度。对比研究了30°，45°，60°，75°四种不 同轨道接头角度下的力学性能，确定了最优轨道接头角度为45°。 最后，对 50m 天线轮轨接触系统进行现场实验测试：1）测量了全轨的水平度，发 现轨道整体水平度存在不均匀现象，两个轨道接头处水平度偏差较大，原因是轨道接头 处螺栓存在松动；2）测量了轨道预设点与滚轮作用点在不同距离下的变形情况并和仿 真结果对比，发现在滚轮作用点到达预设点时轨道实测变形并未达到最大，主要原因在 轨道接头；3）测量轨道加载后不同位置的变形，对比分析实测变形与仿真结果发现在 轨道平顺位置，两者大小相一致，但在接头处，偏差较大，说明轨道接头的轮轨刚柔耦 合模型还存在较大偏差，动力学模型参数还需修正。 本文的研究成果可以为轮轨刚柔耦合滚动接触的参数识别和模型修正提供一定的 技术指导，也为轮轨及轨道接头的磨损冲击变形提供参考。 关键词：轮轨式天线，轮轨接触，轨道接头，刚柔耦合，动力学分析 I II万方数据 II 万方数据 ABSTRACT The wheel-rail system in a large radio antenna is the foundation of the antenna’s azimuth rotation and supporting, which realizes by the rolling contact between wheel and rail. The wheel-rail combination is the important part of the large radio antenna wheel-rail system, and its contact rolling working well or not will directly affects the operation of the antenna. Therefore, based on the national observatory 50m radio antenna wheel-rail combination, the wheel-rail rolling contact problem is researched. First, based on the rigid-flexible coupling dynamics theory, the methods to establish and solve the dynamics equ