本文是一篇机械自动化类论文，本文从微观层面探究了混合润滑下低速运动机床导轨结合面的接触刚度问题，构建了一种更为贴近实际工况的结合面接触数学模型。然受限于个人科研能力和实验条件的局限性，本文的研究尚存若干有待深入探讨和完善之处。
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
大国重器是国民经济之本，制造业是实体经济的命脉，尤其在机械制造业中大型轴类零件的维护需求日益增多，为响应国家政策，突破现有技术壁垒、实现创新引领行业发展，大型轴可率先进入科技优化时代。然而火力发电厂、风机轴、水力发电机等大型机器设备的转子在其运行过程中会经常发生磨损或拉伤，需要对其进行现场加工修复以保证大型转子正常运转。为确保轴颈的修复精度，现场修复加工机床要在进给低速下，实现极高精度的定位与运动控制，并避免因导轨性能不足导致的爬行、振动等现象。由于机械结合部存在使得整个机床不再是一个完全的线性系统，而是一个非线性系统，所以对此类机床的低速滑动导轨结合部进行接触刚度的准确建模，对于机床整机分析至关重要。
机床导轨为实现整机特性功能时必然存在相对运动的状态，针对不同的设备需求并按照滑动速度将导轨分为高速滑动导轨和低速滑动导轨，从微观上说高速运动状态下的滑动导轨主要是动力润滑油膜承载，在理想的全膜润滑状态下接触表面间无直接接触，外部载荷完全由流体压力通过形成的油膜独立承受，这类的研究目前比较完善。而现场修复精密加工机床在低速、重载条件下工作时滑动导轨从零过渡到平稳低速运动条件下处于混合润滑状态，伴随着速度的下降也可能会出现爬行等不稳定运动现象，因此对机床低速运动情况下的深入研究很有必要。在低速运行的机床导轨系统中，为降低摩擦阻力并延缓部件磨损速率，通常会在相关接触界面施加润滑介质。根据润滑膜形成机理及其特性上的不同，润滑状态可以被细致区分为六种基本形式：动态流体压力润滑、静态流体压力润滑、弹性动态流体压力润滑、薄膜润滑、边界润滑，以及在缺乏有效润滑时出现的干摩擦状态[1]。当导轨在低速工况下运作时，润滑油膜厚度显著缩减变得很薄，与导轨表层微观粗糙度处于相近水平，在混合润滑条件下外界施加的负荷本质上需经由流体压力与接触表面微凸体之直接相互作用共同承载。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 结合面接触特性研究现状
机械系统构成复杂，它由多种零部件装配组合而成，其中不同零部件相互接触的表面被定义为结合面。滑动导轨的接触表面从宏观来看似乎平整光滑，一旦深入到微观层面观察，便会发现其实际由许多起伏不平的粗糙微凸体结构特征组成。在外部载荷作用下导轨两个表面碰触时实际上是微凸体之间相互接触的，表面粗糙度的不均匀性使得结合面的实际接触刚度与构成零件的基体材料呈现出明显的区别。因此在评估机械整体的静态及动态性能时，考虑结合面的接触特性具有重要的理论和实际意义。
机械粗糙表面的接触模型一般分为两类：一类是基于分形理论的分形接触模型，另一类是基于统计学原理的统计接触模型，统计学接触模型因其可扩展性和预测能力在学术界得到了广泛的关注和深入地研究。Hertz[10]早在1881年对光滑表面弹性固体在无摩擦条件下的接触问题进行了研究，从而提出了经典的弹性Hertz接触理论[11]。与此相比，统计接触理论的起步稍晚，最初是由Archard[12]提出，其对理解粗糙表面接触提供了理论框架。该模型将粗糙表面抽象为多级“金字塔”结构，由一系列半径依次减小的微型半球堆积层叠而成，并推导出接触面积与接触载荷之间存在的线性关系。在1966年，Greenwood和Williamson[13]提出了GW结合面接触模型，其基本假定是：在粗糙表面上，由若干个微小凸体构成，将其尖端接触段简化成一个理想的球面；两个球的半径是一样的；所有球面的接触均遵循Hertz接触解，而Hertz接触是GW接触模型理论的一个先决条件；在此基础上所建立的新的微凸体数学模型简单实用，可用于计算接触面上的结合部接触应力和接触区域，但是这种接触模型忽略了微凸体的塑性变形现象。考虑到GW统计接触模型所面临的严格应用条件，近数十年来，许多研究人员不断地对其进行完善[14-16]。
2 滑动导轨结合面混合润滑静态接触刚度研究
2.1 引言
有低速切削需求下的机床滑动导轨结合面在静态载荷作用下，结合面之间的接触分为固体和流体接触。任何导轨两接触表面不是绝对光滑的，都分布着大大小小的微凸体。在导轨与滑块的表面相对接触过程中，这些微凸体中首先较高的峰开始接触并受到法向力的作用，产生弹性、弹塑性以及塑性变形，同时导轨结合面中所含的润滑剂随着内部空间容隙的改变而部分渗出，这一部分渗出的润滑剂会填充到两表面之间的凹谷中。固体接触实际上为两粗糙表面之间微凸体之间的接触，基于微凸体变形机制和统计学理论，结合微凸体侧向接触情况，构建考虑机床滑动导轨微凸体侧向接触的固体部分接触刚度模型。采用润滑方程并对推导的压力流量因子、剪切流量因子以及接触因子进行修正，然后通过对润滑方程进行数值求解得到流体部分接触刚度模型。
从宏观角度上看，伴随着润滑油渗出并填充到接触面的凹谷微小间隙中，此时导轨上下粗糙接触表面载荷由固体接触和流体接触两部分构成共同来承担，那么固体直接接触抵抗形变能力的固体接触刚度和反映油膜支撑特性的液体接触刚度通过并联的方式得到的是混合润滑下结合面总体刚度。用nK和lK来分别表示法向固体接触刚度和流体接触刚度，nC和lC分别表示法向固体、流体接触阻尼，如图2-1所示。
2.6 本章小结
本章固体部分对微凸体变形阶段进行推导并建立导轨双粗糙表面固体接触刚度；流体部分对改进后的混合润滑状态下的Reynolds方程进行详细的数值求解，得到了油膜压力分布等数据从而建立了流体部分接触刚度；最后将导轨流体部分接触刚度和固体部分接触刚度根据并联思想得到了导轨混合润滑表面接触总刚度。通过对接触刚度进行数字仿真
(1)随着结合面平均间距的增加，固体法向、切向接触刚度随之减小，这是由于随着结合面平均间距的拉大导致接触面间距离的增加，进而减少了在特定接触高度范围内实际接触的微凸体数目，故而整体的法向接触刚度呈现减小趋势。固体法向接触总刚度随着P T的提升而增强，当结合面总法向载荷P不变时，减小P T意味着结合面总切向载荷T增大，从而导致量纲一化法向接触总刚随总切向载荷增大而减小。
(2)通过理论分析建立了压力流量因子、接触频因子及剪切流量因子与薄膜厚度比之间的关联；得到了在多种法向载荷条件下的油膜压力分布与油膜厚度数值；
(3)随着润滑油粘度的增加，油膜刚度、固体刚度以及总刚度都呈现下降趋势。这是由于润滑油粘度的提升有助于增强接触界面上的润滑作用，同时导致油膜厚度增加，并且微凸体相互接触的数量也变少，这些因素共同导致流体刚度和固体刚度减小；固体接触面在法向方向上的刚度会随着外部载荷的增强而呈现上升趋势，这是由于外载荷的增加导致接触表面微凸体的数量增加，从而增加了接触区域的刚度。同样流体在法向接触中的刚度特性也会随着外加载荷的增大而展现出增大的趋势，油膜厚度会受到影响而减小，但是油膜无法被无限压缩，因此其抵抗变形的能力也会随之增强；在外载荷作用此时润滑状态处于混合润滑状态，固-液结合面法向总刚度由固体接触刚度所主导。
3 滑动导轨结合面混合润滑动态接触刚度研究 ..................... 31
3.1 引言 ................................ 31
3.2 低速滑动导轨固-固结合面动态接触刚度模型 ........................... 31
4 低速滑动导轨结合面宏观运动接触刚度研究 .................................. 41
4.1 引言 ............................... 41
4.2 宏观运动导轨固体接触刚度特性研究 ............................ 41
5 结合部有限元仿真及实验验证 .......................... 57
5.1 引言 ................................. 57
5.2 实验模态 .............................. 57
5 结合部有限元仿真及实验验证
5.1 引言
在实际的机械构造中，必须重视结合面的形变及接触刚度问题，因其对整个结构的性能与稳定性具有关键作用，但直接测量这些参数十分困难[98]。因此本文运用实验模态分析与有限元方法进行的模态仿真对比的方法，以此来验证所提出模型的准确性和合理性。基于本文前面的分析，明确结合面接触特性具有非线性，因此不能使用线性有限元模态分析方法处理，也不宜直接采用线性模态理论来进行实验模态的解析。本章在模态实验中通过施加较小的激励力并假设结合面刚度近似恒定进而采用线性实验模态方法以获取结构模态参数，在有限元分析中通过求解结合面静载荷下的刚度建立整体有限元分析模型进行模态分析，得到了结构模态参数。分别完成实验和有限元这两项分析后，对比实验测量的低阶振动模态与固有频率和有限元仿真分析结果来检验理论模型的准确度和实用性。
针对低速滑动导轨运动运动结合面相关特性，本章设计了一个车床滑动导轨移动装置进行实验测试，并搭建了完善的整机实验平台，通过激振测试和有限元分析，将实验获取的数据结果与仿真计算结果进行比对，综合评判理论模型在贴近真实工况下的预测精度与可靠性。
6 总结与展望
6.1 总结
衡量大型重载机械加工设备的性能时，低速运转特性是一个核心考量因素。当前情况下，机床的进给系统在中高速运转领域的技术已趋于完备，但面对低速工况下承载高精密、重负荷的任务时，仍
