BTA深孔鉆桿系統(tǒng)動力學(xué)特性研究

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1、分類號：ＴＧ５２３單位代碼：１０１１０學(xué)號：Ｂ１５０２００２■ＯｆＣｌｉ中北大ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｌｙ學(xué)博士學(xué)位論文ＢＴＡ深孔鉆桿系統(tǒng)動力學(xué)特性研究博士研究生馬國紅指導(dǎo)教師沈興全教授學(xué)科專業(yè)機械設(shè)計及理論８日月２圖書分類號TG5密級非密注1UDC_______________________________________________________________博士學(xué)位論文BTA深孔鉆桿系統(tǒng)動力學(xué)特性研究馬國紅指導(dǎo)教師（姓名、職稱）沈興全教授申請學(xué)位級別工學(xué)博士專業(yè)名稱機

2、械設(shè)計及理論論文提交日期2018年4月1日論文答辯日期2018年5月28日學(xué)位授予日期________年______月______日論文評閱人朱如鵬、張相炎、寇子明、權(quán)龍、馬立峰、祝錫晶、李瑞琴答辯委員會主席寇子明2018年6月1日注1：注明《國際十進分類法UDC》的分類號Ph.D.DissertationInvestigationonDynamicCharacteristicsofBTADeepHoleDrillingShaftSystemBy:MaGuohongSupervisor:ProfessoerShenXingqu

3、anNorthUniversityofChina1,June,2018中北大學(xué)學(xué)位論文BTA深孔鉆桿系統(tǒng)動力學(xué)特性研究摘要在深孔加工過程中，鉆桿的動態(tài)特性對深孔加工質(zhì)量和效率起著重要的作用。為了提高深孔加工的質(zhì)量和效率，本文將分析深孔加工中影響鉆桿動態(tài)特性的主要因素，從輔助支撐、冷卻液流速、刀頭所受到切削力、軸向力和扭矩以及鉆桿的轉(zhuǎn)速等方面進行深入的研究，探討提高深孔鉆桿穩(wěn)定性的機理。應(yīng)用流固耦合和振動力學(xué)理論，建立BTA深孔鉆桿系統(tǒng)流固耦合非線性動力學(xué)模型，研究鉆桿系統(tǒng)流固耦合的非線性動力學(xué)特性，分析預(yù)測各影響因素對鉆桿穩(wěn)定

4、性的影響規(guī)律，尋求各因素之間的相互抵消機制。通過研究深孔鉆桿系統(tǒng)的動態(tài)特性，來提高深孔加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善深孔加工的質(zhì)量和效率。本文主要研究內(nèi)容如下：（1）研究深孔鉆桿系統(tǒng)中切削液動壓分布特性。建立非線性流體力控制方程，采用有限差分法求解流體力控制方程，探討偏心率、長徑比、渦動速度和振動速度對流體力分布的影響。偏心率、渦動速度和振動速度對切削液流體力分布的影響較大，而長徑比對切削液流體力分布的影響相對較小，尤其是對于較大的長徑比。（2）開展鉆桿模態(tài)仿真和模態(tài)試驗研究。通過對比分析仿真模態(tài)頻率和試驗?zāi)B(tài)頻率，相互地驗證仿真模態(tài)

5、分析與試驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果的可靠性。在此基礎(chǔ)上，利用鉆桿模態(tài)仿真模型，進一步分析鉆桿系統(tǒng)參數(shù)對鉆桿模態(tài)的影響規(guī)律。壁厚和內(nèi)徑對鉆桿剛度影響較小，通過選取合適的壁厚和內(nèi)徑，能夠?qū)崿F(xiàn)既供液流暢又排屑通暢的目的。然而，長度和支撐位置對鉆桿固有頻率影響較大，應(yīng)根據(jù)實際情況，選擇合適的長度和支撐位置。（3）研究深孔鉆桿系統(tǒng)的動態(tài)特性。建立鉆桿系統(tǒng)動力學(xué)模型，數(shù)值求解系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)，可得到鉆桿系統(tǒng)的固有頻率。在鉆削狀態(tài)下，采集鉆桿系統(tǒng)的振動加速度數(shù)據(jù)，便可得到鉆桿系統(tǒng)在切削狀態(tài)下的固有頻率。鉆桿系統(tǒng)仿真和實驗所得到的固有頻率的相對誤差在允許范

6、圍內(nèi)，因此，可判斷所建立的鉆桿系統(tǒng)動力學(xué)模型是有效的。此外，通過波形全景分析和三維譜陣分析，能夠直觀地了解到鉆桿系統(tǒng)在深孔加工過程中所展現(xiàn)出的動力學(xué)特性。采用時間序列分析法對深孔鉆桿系統(tǒng)進行系統(tǒng)辨識，建立鉆桿中北大學(xué)學(xué)位論文系統(tǒng)振動信號輸出模型，系統(tǒng)辨識結(jié)果與實驗分析結(jié)果比較吻合，為深孔鉆桿系統(tǒng)振動的預(yù)測和控制奠定基礎(chǔ)。（4）研究深孔鉆桿系統(tǒng)的穩(wěn)定性。建立旋轉(zhuǎn)鉆桿系統(tǒng)橫向振動動力學(xué)模型，探討分析了切削液流速、轉(zhuǎn)速、軸向力、扭矩和支撐約束以及它們的耦合作用對鉆桿系統(tǒng)固有頻率和穩(wěn)定性的影響。流速和軸向力降低鉆桿系統(tǒng)固有頻率，而支撐

7、約束和轉(zhuǎn)動角速度能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，扭矩和轉(zhuǎn)動角速度對鉆桿固有頻率影響相對較小，甚至扭矩的影響可以忽略不計。（5）研究深孔鉆桿系統(tǒng)流固耦合動力學(xué)特性。建立鉆桿系統(tǒng)流固耦合動力學(xué)模型，探討脈動頻率和支撐約束對鉆桿系統(tǒng)流固耦合動力學(xué)特性的影響。通過系統(tǒng)分岔圖、相軌跡和Poincare映射圖,分析鉆桿系統(tǒng)流固耦合非線性動力學(xué)特性。當(dāng)系統(tǒng)無支撐約束時，鉆桿系統(tǒng)總是呈現(xiàn)非線性特性。當(dāng)對鉆桿施加單支撐約束時，單支撐約束能夠顯著改善系統(tǒng)的非線性特性，混沌和準周期運動很少出現(xiàn)，而更為重要的是，鉆桿系統(tǒng)穩(wěn)定運動出現(xiàn)，并且多次重復(fù)出現(xiàn)。因

8、此，通過選擇恰當(dāng)?shù)拿}動頻率，能夠保持鉆桿系統(tǒng)穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：深孔加工，模態(tài)分析，非線性動力學(xué)，流固耦合，Galerkin方法，時間序列分析，系統(tǒng)辨識中北大學(xué)學(xué)位論文InvestigationonDynamicCharacteristicsofBTADeep-holeDrill