基于分形理论的机床导轨结合面微观动态特性及作用机理研究

导轨结合面的动态特性对整机的动态特性起着重要的影响，而结合面的动态特性的研究主要集中在宏观领域，在微观领域仍有许多难点问题需要深入探索研究。本课题将针对导轨结合面在润滑状态下的微观尺度动态特性及作用机理开展研究。研究基于实测试样导轨结合面的微观结构重构，利用分形几何理论及统计学理论建立相互作用表面的微观尺度三维弹塑性分形接触仿真模型和弹塑性润滑接触模型。采用弹塑性接触、摩擦理论和流体混合润滑理论，通过理论分析、仿真分析和实验研究分析考虑润滑的导轨结合面的微观尺度动态特性及其接触变形机理，分析其微观尺度下作用规律、机理和阻尼特性。搭建物理实验台架和模型，进行导轨结合面动态特性实验研究并结合仿真分析，探索导轨结合面微观尺度接触刚度和阻尼及其产生机理，从本质上认识润滑状态下导轨结合面的微观作用机理，为调整和控制导轨结合面的动态特性、改善复杂机械整机动态性能提供理论基础。

导轨结合面的动态特性对整机的动态特性起着重要的影响，而结合面的动态特性的研究主要集中在宏观领域，在微观领域仍有许多难点问题需要深入探索研究。本课题主要针对导轨结合面的微动态特性及作用机理开展研究。. 首先，在微观尺度对导轨接合面动态特性进行了深入研究。开展了导轨结合面表面微观形貌处理方法和微观形貌的表征方法研究。通过实验测得不同表面粗粗度的铸铁、铸钢磨削加工表面的三维表面形貌并进行重构，对其分形特征进行了分析，计算得到相应的分形维数D和尺度系数C。基于分形理论建立了不同表面粗糙度的三维表面微观分形接触模型，运用有限元法进行了接触仿真分析，研究了微观表面间的微观弹性及弹塑性接触特性。通过仿真分析得到不同粗糙表面的法向位移、接触面积和接触压力与接触载荷间的关系曲线。. 考虑结合面间的润滑，分析了导轨结合面的微观动态特性及接触变形机理和阻尼特性。开展了基于多重网格技术的部分膜点接触微观弹流数值分析研究。建立了润滑状态下分形点接触微观弹流数学模型，经量纲一化处理后得到考虑润滑状态下的机械接合面接触分析模型。求解得到压力分布、膜厚参数和弹性变形，研究了结合面表面粗糙度、润滑油粘度、相对滑动速度和载荷等对弹流润滑的影响。基于分形理论与平均流动的广义Reynolds方程，推导得到了润滑粗糙结合面的法向综合等效接触刚度与法向综合等效接触阻尼的数学模型，并根据模型对润滑粗糙结合面的固体接触刚度、油膜接触刚度、结合面综合法向接触刚度以及接合面综合法向接触阻尼进行了分析，结果显示润滑状态的粗糙结合面在一定程度上能较好地提高结合面的刚度与阻尼特性。. 其次，研究了导轨结合面宏观动力学特性，探索结合面的微观作用机理对其宏观动态特性的影响。搭建了滑动导轨实验台架，对滑动导轨静止状态与运动状态动态特性进行了研究，用微观作用机理进行了初步的解释。同时本课题还以某数控铣床的主要导轨结合面为对象进行了仿真和实验研究，分析了结合面参数对铣床整体动力学特性的影响。为调整和控制导轨结合面的动态特性、改善复杂机械整机动态性能提供理论基础。. 最后，研究发现，导轨结合面的宏观动态特性与微观作用机理存在某种必然联系，作为本项目的延续，课题组将继续开展后续研究，基于多尺度建立结合面的宏、微观耦合分析模型，将结合面的宏、微观动态特性联系起来从本质上进一步揭示结合面的宏、微观作用机理。