若干振動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)摩擦動(dòng)力學(xué)特性及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、振動(dòng)利用工程是一門(mén)新興的學(xué)科，它與人類(lèi)的生活和生產(chǎn)活動(dòng)有著不可分割的聯(lián)系，聞邦椿教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)為這一新學(xué)科的發(fā)展進(jìn)行了大量工作，目前振動(dòng)利用工程已成為人類(lèi)生活和生產(chǎn)活動(dòng)不可缺少的手段和必要機(jī)制。振動(dòng)摩擦作為振動(dòng)利用工程的一個(gè)重要分支，正處在研究與發(fā)展的過(guò)程中，或者說(shuō)還正處在起步階段。隨著工程技術(shù)領(lǐng)域的需求不斷增加，人們逐漸認(rèn)識(shí)到振動(dòng)摩擦所帶來(lái)的好處及其應(yīng)用的廣泛性和普遍性。許多工程實(shí)踐已經(jīng)證明，在振動(dòng)工況下，物體間的摩擦系數(shù)和摩擦力

2、可以顯著減小，零部件的磨損可明顯減輕，同時(shí)其耗能也會(huì)隨著降低，工效可以得到大大提高，進(jìn)而可為企業(yè)和國(guó)家創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
　　基于振動(dòng)與摩擦的內(nèi)在聯(lián)系，聞邦椿教授提出了亟待進(jìn)行深入研究和發(fā)展的新學(xué)科“振動(dòng)摩擦學(xué)”，這在學(xué)術(shù)上具有重要價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)外已研制出許多采用振動(dòng)原理的機(jī)械設(shè)備，工作過(guò)程常常包括諸多的工件與物體之間的摩擦，也包括物料或物件之間的相互摩擦，如振動(dòng)壓路機(jī)、振動(dòng)沉拔樁機(jī)、振動(dòng)輸送機(jī)等。但有關(guān)振動(dòng)摩擦機(jī)理方

3、面的研究還很不深入，或者說(shuō)還沒(méi)獲得充分的研究，很多問(wèn)題亟待解決。如果能夠?qū)φ駝?dòng)摩擦問(wèn)題進(jìn)行深入而系統(tǒng)的研究，在揭示其科學(xué)涵義的同時(shí)，能夠在工程中更好地加以利用，將具有深遠(yuǎn)的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
　　本課題以聞邦椿教授提出的振動(dòng)摩擦概念為先導(dǎo)，將工程技術(shù)領(lǐng)域中的典型振動(dòng)機(jī)械作為研究對(duì)象，創(chuàng)新性地以非線性動(dòng)力學(xué)、散體動(dòng)力學(xué)、摩擦學(xué)以及顆粒物質(zhì)力學(xué)的最新成果為基礎(chǔ)，采用國(guó)際領(lǐng)先軟件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將理論、仿真和實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，研究振動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)

4、的振動(dòng)摩擦動(dòng)力學(xué)特性。課題研究?jī)?nèi)容包括:研究考慮振動(dòng)和物料相互之間摩擦的散體動(dòng)力學(xué)特性，即振動(dòng)工況下固體松散物料顆粒之間相互作用的力學(xué)特性及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律;振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中的振動(dòng)摩擦及其非線性動(dòng)力學(xué)特性分析;振動(dòng)樁-土系統(tǒng)中的振動(dòng)摩擦及其非線性動(dòng)力學(xué)特性研究。相應(yīng)的研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和中央高校博士研究生優(yōu)秀論文培育基金的大力支持，具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)散體振動(dòng)作為一種特殊的振動(dòng)現(xiàn)象，有著極為重要的工程應(yīng)用價(jià)值

5、，但迄今為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)它的研究甚微，因?yàn)槌Ｒ?guī)研究剛體和流體的方法和手段均不適用于對(duì)散體的研究。本文創(chuàng)新性地將散體動(dòng)力學(xué)和非線性動(dòng)力學(xué)理論相結(jié)合，分析研究了散體物料振動(dòng)規(guī)律的離散單元法及顆粒流程序，運(yùn)用散體動(dòng)力學(xué)及非線性動(dòng)力學(xué)的研究方法，建立了散體物料在振動(dòng)工作面上的離散元模型并求解，研究了振動(dòng)作用下散體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其相互作用，給出了散體物料在振動(dòng)工作面上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及其摩擦力分析。
　　(2)運(yùn)用離散元解決軟件EDEM對(duì)振動(dòng)工作面上

6、散體物料的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。建立了振動(dòng)作用下散體物料系統(tǒng)的參數(shù)化模型，采用離散單元法對(duì)振動(dòng)工作面上散體物料的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，得到了振動(dòng)作用下散體物料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。研究結(jié)果表明，單顆粒散體物料和散體物料群的運(yùn)動(dòng)速度曲線是不相同的，這是顆粒間相互作用的結(jié)果。當(dāng)物料穩(wěn)定運(yùn)行后，料群的速度曲線波動(dòng)要比單顆粒速度曲線小很多。在本文中的參數(shù)條件下，隨著振動(dòng)幅值和振動(dòng)頻率的增大，單顆粒散體物料和散體物料群的速度均有所增大并逐漸趨于各自的穩(wěn)定值。這說(shuō)明

7、振幅和振頻對(duì)散體流動(dòng)性的影響有一個(gè)最佳值，物料獲得最大輸送速度時(shí)所選取的振動(dòng)頻率和幅值并不一定是所在范圍內(nèi)的最大值，還和其他因素有關(guān)。
　　(3)高速攝影對(duì)散體振動(dòng)的研究中，以往學(xué)者僅僅關(guān)注了散體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并未對(duì)散體的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行深入分析。本文采用高速攝影設(shè)備及數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)振動(dòng)工作面上散體物料的運(yùn)動(dòng)展開(kāi)大量實(shí)驗(yàn)研究。分別以單顆粒散體和散體物料群為研究對(duì)象，通過(guò)改變振動(dòng)參數(shù)，分析振動(dòng)工作面上散體物料的運(yùn)動(dòng)速度及其變化規(guī)律和部

8、分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與EDEM分析結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性，這說(shuō)明將離散單元法用于對(duì)散體振動(dòng)的研究是適合的。同時(shí)也說(shuō)明高速攝影技術(shù)對(duì)散體振動(dòng)的研究是成功的，它不僅為散體振動(dòng)的基礎(chǔ)研究開(kāi)辟了一條新路，也為固散耦合振動(dòng)摩擦機(jī)理的研究和發(fā)展提供了借鑒和參考。
　　(4)將散體動(dòng)力學(xué)、顆粒物質(zhì)力學(xué)以及非線性動(dòng)力學(xué)研究方法相結(jié)合，從散體動(dòng)力學(xué)及顆粒物質(zhì)力學(xué)的角度出發(fā)，研究了振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中的振動(dòng)摩擦機(jī)理及其非線性動(dòng)力學(xué)特性，采用PF

9、C3D三維顆粒流軟件，建立了基于散體介質(zhì)理論的振動(dòng)壓實(shí)-土體系統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析了振?dòng)壓實(shí)過(guò)程中土體的孔隙比及土體內(nèi)部接觸力鏈網(wǎng)絡(luò)的演變規(guī)律。通過(guò)改變振動(dòng)頻率和幅值，研究了振動(dòng)參數(shù)對(duì)土體孔隙比及土體內(nèi)部接觸力鏈網(wǎng)絡(luò)的影響?？紫侗戎庇^地反映振動(dòng)壓實(shí)的效果，力鏈網(wǎng)絡(luò)是關(guān)于壓實(shí)散體材料的重要概念，其演變規(guī)律決定散體振動(dòng)摩擦系統(tǒng)的力學(xué)性質(zhì)。因此，研究振動(dòng)作用下土體孔隙比及力鏈網(wǎng)絡(luò)的演變規(guī)律對(duì)建立散體振動(dòng)摩擦系統(tǒng)宏觀的微觀理論有重要意義，從而，能

10、夠更加深入地反映振動(dòng)摩擦機(jī)理的應(yīng)用。本文中分析得到的土體孔隙比及力鏈網(wǎng)絡(luò)隨振動(dòng)頻率和幅值的變化規(guī)律相吻合，印證了PFC3D顆粒流程序?qū)ιⅢw振動(dòng)摩擦系統(tǒng)的研究是成功的。
　　(5)從土體性質(zhì)及其動(dòng)力學(xué)的角度研究了振動(dòng)沉樁過(guò)程中土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，通過(guò)樁對(duì)土的作用分析了沉樁過(guò)程中樁-土之間的振動(dòng)摩擦及土體的振動(dòng)液化機(jī)理。建立了考慮摩擦力影響的非線性振動(dòng)樁-土系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算了等效線性化剛度和阻尼系數(shù)，并通過(guò)漸進(jìn)法分別得到了振動(dòng)樁