【正文】 、研究意義（1）、全面提高重載機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的真實(shí)性及仿真精度動(dòng)力學(xué)模型的建立是機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬、動(dòng)態(tài)分析、動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)及控制的基礎(chǔ)。更多的情況是：系統(tǒng)部分的運(yùn)動(dòng)副反力與摩擦錐或摩擦圓相切，而部分的運(yùn)動(dòng)副處于反作用響應(yīng)盲區(qū)內(nèi)，單獨(dú)分析這部分的運(yùn)動(dòng)副，由于，、均為未知，由此，系統(tǒng)引入了M+N個(gè)多余的未知數(shù)和，使得系統(tǒng)變成超靜定，即各運(yùn)動(dòng)副反力的大小、位置、方向不能確定，而傳統(tǒng)的計(jì)算方法往往以臨界狀態(tài)來計(jì)算，即反力的方向與摩擦圓或摩擦錐相切，情況特定，計(jì)算結(jié)果大都為近似值。未知量只包括各運(yùn)動(dòng)副約束反力和未知主動(dòng)力，未知量數(shù)等于動(dòng)態(tài)靜力學(xué)方程維數(shù)，系統(tǒng)是靜定的。公式式（6）、（7）是夾持裝置夾鉗開合、抬升、旋轉(zhuǎn)等各種工況的通用方程，對于壓桿式重載夾持裝置系統(tǒng)可列出67個(gè)獨(dú)立平衡方程，如果將夾鉗裝置推廣到由K個(gè)構(gòu)件N個(gè)運(yùn)動(dòng)副組成的機(jī)械系統(tǒng)，可以得到6K個(gè)獨(dú)立的平衡方程，則第l個(gè)移動(dòng)副摩擦力，為移動(dòng)副約束反力，為移動(dòng)副力與法線所夾銳角；第j個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副摩擦力矩，為轉(zhuǎn)動(dòng)副約束反力到鉸鏈中心的距離，為轉(zhuǎn)動(dòng)副約束反力。 其計(jì)及運(yùn)動(dòng)副摩擦?xí)r的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程一般形式為： (7) 其中為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)矩陣，為系統(tǒng)的位置約束方程， 為拉格朗日乘子，為系統(tǒng)的廣義力矩陣。設(shè)反作用力響應(yīng)盲區(qū)大小的盲區(qū)特性系數(shù)為: (5)反作用力響應(yīng)盲區(qū)特性系數(shù)，是提高夾持裝置承載能力的重要參數(shù)[12]。當(dāng)輸入的所需工作夾持力為臨界夾持力時(shí)，即反向微動(dòng)時(shí)，由機(jī)械效率公式推導(dǎo)夾持機(jī)構(gòu)預(yù)緊夾持力和臨界夾持力的變化關(guān)系得： (1)因，當(dāng)機(jī)構(gòu)未發(fā)生反向微動(dòng)時(shí)，則： (2) (3)由公式（3）表明，在推力不變的情況下，機(jī)構(gòu)的夾緊力可以在到之間變化，即機(jī)構(gòu)工作張力在到之間時(shí)，不會(huì)反映到推桿上。 圖1 重載夾持裝置夾持預(yù)緊狀態(tài) 圖2 重載夾持裝置夾持工作狀態(tài)為了分析力流的傳遞規(guī)律，把重載夾持裝置的力學(xué)模型進(jìn)行簡化，如圖3和圖4所示。 反作用力響應(yīng)盲區(qū)概念通過對壓桿式重載夾持裝置工作過程分析可知，夾鉗抬起前，重載夾持裝置處于夾持預(yù)緊狀態(tài)，推力為驅(qū)動(dòng)力，傳遞至鉗口作用鍛件的力為夾持預(yù)緊力（如圖1所示）；當(dāng)夾鉗抬起時(shí)，夾持預(yù)緊狀態(tài)變?yōu)閵A持工作狀態(tài)，鉗口對鍛件的夾緊力為驅(qū)動(dòng)力，推力為阻力，重載夾持裝置具備反向微動(dòng)趨勢，各運(yùn)動(dòng)副反力的方向也隨之發(fā)生改變，從開始的與摩擦圓一側(cè)相切，經(jīng)與摩擦圓相割，再逐步過渡到與摩擦圓的另一側(cè)相切（如圖2所示）。總之，該方面的研究前景十分廣闊，其難度也是不言而喻的。并且重載機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)因其自身的特殊性：構(gòu)件體積大，重量大，構(gòu)件之間傳遞力大，大量的研究有待開展。目前利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的研究的人已經(jīng)比較多，但確少有學(xué)者利用物理方法研究機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。Spong使用Hamilton原理和黎曼幾何等工具揭示了機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的幾個(gè)特性[21]，研究得出機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)簡化模型存在的幾個(gè)特性，研究得出機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)簡化模型存在的條件，對于指導(dǎo)機(jī)械系統(tǒng)控制和機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)大有用處。在對巨型重載裝置進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，如果仍舊按照以前常用的分析方法，例如采用牛頓歐拉（NewtonEuler）法[37]、拉格朗日（Lagrange）[810]、虛功原理法[3,1113]、凱恩（Kane）法[14]、旋量法[14，15]等建立動(dòng)力學(xué)模型，或者采用經(jīng)典的庫倫摩擦力模型，僅僅是考慮摩擦力與摩擦圓相切的情況（即動(dòng)摩擦狀態(tài)），或者采用Metrikin [16]，或者采用Jon Juel Thomsen 和Alexader Fidin用解析近似法對速度依賴動(dòng)摩擦模型求解[17]，忽略或簡化摩擦力對巨型重載系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響、響應(yīng)順應(yīng)性的影響、響應(yīng)靈敏度的影響，是不可能得到精確的結(jié)果，不能滿足精確控制巨型重載裝置的要求，并且對以后更加深入的研究和發(fā)展巨型重載裝置的設(shè)計(jì)以及制造形成難以逾越的屏障。在輕型機(jī)械中，摩擦對輕載機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力特性不會(huì)產(chǎn)生很大的影響，但是巨型、重載和高速是現(xiàn)代機(jī)械的一個(gè)重要標(biāo)志和發(fā)展方向，隨著運(yùn)動(dòng)速度和精度的提高，運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦不容忽視。造成這種局面的原因是多方面的，其中未能充分考慮重載裝置運(yùn)動(dòng)副的摩擦特殊性對機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響是造成巨型重載操作裝備設(shè)計(jì)水平低、設(shè)備性能落后的重要原因之一。例如：國內(nèi)最大的鍛造操作機(jī)夾持的最大重量是北方重工的200t，但是其整機(jī)水平還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證；而德國的西馬克公司已經(jīng)超過了300t，載重力矩630tm并且能夠?qū)崿F(xiàn)和壓機(jī)的聯(lián)動(dòng)[1]；歐洲起重機(jī)的平均噸位在800噸，而我國目前這一數(shù)字卻不到200噸[2]?，F(xiàn)代機(jī)械工業(yè)日益向重載，高速，高精度，高效率，低噪聲等方向發(fā)展，對機(jī)械提出的要求也越來越苛刻。新概念，新理論，新方法，新工藝不斷出現(xiàn)。二、課題論證（一）立項(xiàng)依據(jù)與研究內(nèi)容（40008000字）1 立項(xiàng)依據(jù)(研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析，需結(jié)合科學(xué)研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析，需結(jié)合科學(xué)研究發(fā)展趨勢來論述科學(xué)意義；或結(jié)合國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)鍵科技問題來論述其應(yīng)用前景。本研究在分析機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)反向微動(dòng)時(shí)主動(dòng)力和從動(dòng)力變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了反作用力響應(yīng)盲區(qū)的概念，嘗試建立考慮運(yùn)動(dòng)副摩擦情況下的重載裝置動(dòng)力學(xué)模型，并且在研究反作用力響應(yīng)盲區(qū)內(nèi)各運(yùn)動(dòng)副反力的不確定性與重載裝置動(dòng)力學(xué)模型奇異性的基礎(chǔ)上，試圖提出運(yùn)動(dòng)副的接觸摩擦狀態(tài)的判斷方法，建立相應(yīng)的摩擦約束方程，使重載裝置動(dòng)力學(xué)模型完整可解。一、簡況項(xiàng)目名稱基于反作用力響應(yīng)盲區(qū)影響的重載裝置剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)建模研究所屬學(xué)科機(jī)械工程批準(zhǔn)經(jīng)費(fèi)20000起止年月2011年 3月至 2013 年 3月申請人姓名孫潔潔性別男民族漢出生年月身份證號320323199009200639電話15200861243學(xué)號0806091428指導(dǎo)教師職務(wù)職稱電話項(xiàng)目參與人性別出生年月班級學(xué)院學(xué)號電話孫潔潔男機(jī)械0912班機(jī)電工程學(xué)院080609142815200861243吳書舟男機(jī)械0912班機(jī)電工程學(xué)院080609142415200868385高雨男機(jī)械0912機(jī)電工程學(xué)院08060914