若干振動機械系統(tǒng)的振動摩擦動力學特性及實驗研究.pdf

1、振動利用工程是一門新興的學科，它與人類的生活和生產活動有著不可分割的聯(lián)系，聞邦椿教授領導的科研團隊為這一新學科的發(fā)展進行了大量工作，目前振動利用工程已成為人類生活和生產活動不可缺少的手段和必要機制。振動摩擦作為振動利用工程的一個重要分支，正處在研究與發(fā)展的過程中，或者說還正處在起步階段。隨著工程技術領域的需求不斷增加，人們逐漸認識到振動摩擦所帶來的好處及其應用的廣泛性和普遍性。許多工程實踐已經證明，在振動工況下，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，同時其耗能也會隨著降低，工效可以得到大大提高，進而可為企業(yè)和國家創(chuàng)造顯著的經濟效益和社會效益。
　　基于振動與摩擦的內在聯(lián)系，聞邦椿教授提出了亟待進行深入研究和發(fā)展的新學科“振動摩擦學”，這在學術上具有重要價值。目前國內外已研制出許多采用振動原理的機械設備，工作過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，如振動壓路機、振動沉拔樁機、振動輸送機等。但有關振動摩擦機理方

3、面的研究還很不深入，或者說還沒獲得充分的研究，很多問題亟待解決。如果能夠對振動摩擦問題進行深入而系統(tǒng)的研究，在揭示其科學涵義的同時，能夠在工程中更好地加以利用，將具有深遠的理論價值和現(xiàn)實意義。
　　本課題以聞邦椿教授提出的振動摩擦概念為先導，將工程技術領域中的典型振動機械作為研究對象，創(chuàng)新性地以非線性動力學、散體動力學、摩擦學以及顆粒物質力學的最新成果為基礎，采用國際領先軟件和實驗設備，將理論、仿真和實驗緊密結合，研究振動機械系統(tǒng)

4、的振動摩擦動力學特性。課題研究內容包括:研究考慮振動和物料相互之間摩擦的散體動力學特性，即振動工況下固體松散物料顆粒之間相互作用的力學特性及其運動規(guī)律;振動壓實過程中的振動摩擦及其非線性動力學特性分析;振動樁-土系統(tǒng)中的振動摩擦及其非線性動力學特性研究。相應的研究工作得到了國家自然科學基金重點項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，具體研究內容如下:
　　(1)散體振動作為一種特殊的振動現(xiàn)象，有著極為重要的工程應用價值

5、，但迄今為止，國內外對它的研究甚微，因為常規(guī)研究剛體和流體的方法和手段均不適用于對散體的研究。本文創(chuàng)新性地將散體動力學和非線性動力學理論相結合，分析研究了散體物料振動規(guī)律的離散單元法及顆粒流程序，運用散體動力學及非線性動力學的研究方法，建立了散體物料在振動工作面上的離散元模型并求解，研究了振動作用下散體的運動狀態(tài)及其相互作用，給出了散體物料在振動工作面上的運動過程及其摩擦力分析。
　　(2)運用離散元解決軟件EDEM對振動工作面上

6、散體物料的運動進行數(shù)值仿真模擬。建立了振動作用下散體物料系統(tǒng)的參數(shù)化模型，采用離散單元法對振動工作面上散體物料的運動進行分析，得到了振動作用下散體物料的運動規(guī)律。研究結果表明，單顆粒散體物料和散體物料群的運動速度曲線是不相同的，這是顆粒間相互作用的結果。當物料穩(wěn)定運行后，料群的速度曲線波動要比單顆粒速度曲線小很多。在本文中的參數(shù)條件下，隨著振動幅值和振動頻率的增大，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。這說明

7、振幅和振頻對散體流動性的影響有一個最佳值，物料獲得最大輸送速度時所選取的振動頻率和幅值并不一定是所在范圍內的最大值，還和其他因素有關。
　　(3)高速攝影對散體振動的研究中，以往學者僅僅關注了散體介質的運動軌跡，并未對散體的運動特性進行深入分析。本文采用高速攝影設備及數(shù)據(jù)處理技術對振動工作面上散體物料的運動展開大量實驗研究。分別以單顆粒散體和散體物料群為研究對象，通過改變振動參數(shù)，分析振動工作面上散體物料的運動速度及其變化規(guī)律和部

8、分實驗現(xiàn)象。實驗結果與EDEM分析結果相吻合，驗證了仿真結果的正確性，這說明將離散單元法用于對散體振動的研究是適合的。同時也說明高速攝影技術對散體振動的研究是成功的，它不僅為散體振動的基礎研究開辟了一條新路，也為固散耦合振動摩擦機理的研究和發(fā)展提供了借鑒和參考。
　　(4)將散體動力學、顆粒物質力學以及非線性動力學研究方法相結合，從散體動力學及顆粒物質力學的角度出發(fā)，研究了振動壓實過程中的振動摩擦機理及其非線性動力學特性，采用PF

9、C3D三維顆粒流軟件，建立了基于散體介質理論的振動壓實-土體系統(tǒng)的試驗模型，分析了振動壓實過程中土體的孔隙比及土體內部接觸力鏈網絡的演變規(guī)律。通過改變振動頻率和幅值，研究了振動參數(shù)對土體孔隙比及土體內部接觸力鏈網絡的影響?？紫侗戎庇^地反映振動壓實的效果，力鏈網絡是關于壓實散體材料的重要概念，其演變規(guī)律決定散體振動摩擦系統(tǒng)的力學性質。因此，研究振動作用下土體孔隙比及力鏈網絡的演變規(guī)律對建立散體振動摩擦系統(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摩擦機理的應用。本文中分析得到的土體孔隙比及力鏈網絡隨振動頻率和幅值的變化規(guī)律相吻合，印證了PFC3D顆粒流程序對散體振動摩擦系統(tǒng)的研究是成功的。
　　(5)從土體性質及其動力學的角度研究了振動沉樁過程中土體的應力-應變關系，通過樁對土的作用分析了沉樁過程中樁-土之間的振動摩擦及土體的振動液化機理。建立了考慮摩擦力影響的非線性振動樁-土系統(tǒng)動力學模型，計算了等效線性化剛度和阻尼系數(shù)，并通過漸進法分別得到了振動樁