BTA深孔钻杆系统动力学特性研究

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1、分类号：ＴＧ５２３单位代码：１０１１０学号：Ｂ１５０２００２■ＯｆＣｌｉ中北大ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｌｙ学博士学位论文ＢＴＡ深孔钻杆系统动力学特性研究博士研究生马国红指导教师沈兴全教授学科专业机械设计及理论８日月２图书分类号TG5密级非密注1UDC_______________________________________________________________博士学位论文BTA深孔钻杆系统动力学特性研究马国红指导教师（姓名、职称）沈兴全教授申请学位级别工学博士专业名称机

2、械设计及理论论文提交日期2018年4月1日论文答辩日期2018年5月28日学位授予日期________年______月______日论文评阅人朱如鹏、张相炎、寇子明、权龙、马立峰、祝锡晶、李瑞琴答辩委员会主席寇子明2018年6月1日注1：注明《国际十进分类法UDC》的分类号Ph.D.DissertationInvestigationonDynamicCharacteristicsofBTADeepHoleDrillingShaftSystemBy:MaGuohongSupervisor:ProfessoerShenXingqu

3、anNorthUniversityofChina1,June,2018中北大学学位论文BTA深孔钻杆系统动力学特性研究摘要在深孔加工过程中，钻杆的动态特性对深孔加工质量和效率起着重要的作用。为了提高深孔加工的质量和效率，本文将分析深孔加工中影响钻杆动态特性的主要因素，从辅助支撑、冷却液流速、刀头所受到切削力、轴向力和扭矩以及钻杆的转速等方面进行深入的研究，探讨提高深孔钻杆稳定性的机理。应用流固耦合和振动力学理论，建立BTA深孔钻杆系统流固耦合非线性动力学模型，研究钻杆系统流固耦合的非线性动力学特性，分析预测各影响因素对钻杆稳定

4、性的影响规律，寻求各因素之间的相互抵消机制。通过研究深孔钻杆系统的动态特性，来提高深孔加工系统的稳定性，改善深孔加工的质量和效率。本文主要研究内容如下：（1）研究深孔钻杆系统中切削液动压分布特性。建立非线性流体力控制方程，采用有限差分法求解流体力控制方程，探讨偏心率、长径比、涡动速度和振动速度对流体力分布的影响。偏心率、涡动速度和振动速度对切削液流体力分布的影响较大，而长径比对切削液流体力分布的影响相对较小，尤其是对于较大的长径比。（2）开展钻杆模态仿真和模态试验研究。通过对比分析仿真模态频率和试验模态频率，相互地验证仿真模态

5、分析与试验模态分析结果的可靠性。在此基础上，利用钻杆模态仿真模型，进一步分析钻杆系统参数对钻杆模态的影响规律。壁厚和内径对钻杆刚度影响较小，通过选取合适的壁厚和内径，能够实现既供液流畅又排屑通畅的目的。然而，长度和支撑位置对钻杆固有频率影响较大，应根据实际情况，选择合适的长度和支撑位置。（3）研究深孔钻杆系统的动态特性。建立钻杆系统动力学模型，数值求解系统动力学响应，可得到钻杆系统的固有频率。在钻削状态下，采集钻杆系统的振动加速度数据，便可得到钻杆系统在切削状态下的固有频率。钻杆系统仿真和实验所得到的固有频率的相对误差在允许范

6、围内，因此，可判断所建立的钻杆系统动力学模型是有效的。此外，通过波形全景分析和三维谱阵分析，能够直观地了解到钻杆系统在深孔加工过程中所展现出的动力学特性。采用时间序列分析法对深孔钻杆系统进行系统辨识，建立钻杆中北大学学位论文系统振动信号输出模型，系统辨识结果与实验分析结果比较吻合，为深孔钻杆系统振动的预测和控制奠定基础。（4）研究深孔钻杆系统的稳定性。建立旋转钻杆系统横向振动动力学模型，探讨分析了切削液流速、转速、轴向力、扭矩和支撑约束以及它们的耦合作用对钻杆系统固有频率和稳定性的影响。流速和轴向力降低钻杆系统固有频率，而支撑

7、约束和转动角速度能够提高系统的稳定性。然而，扭矩和转动角速度对钻杆固有频率影响相对较小，甚至扭矩的影响可以忽略不计。（5）研究深孔钻杆系统流固耦合动力学特性。建立钻杆系统流固耦合动力学模型，探讨脉动频率和支撑约束对钻杆系统流固耦合动力学特性的影响。通过系统分岔图、相轨迹和Poincare映射图,分析钻杆系统流固耦合非线性动力学特性。当系统无支撑约束时，钻杆系统总是呈现非线性特性。当对钻杆施加单支撑约束时，单支撑约束能够显著改善系统的非线性特性，混沌和准周期运动很少出现，而更为重要的是，钻杆系统稳定运动出现，并且多次重复出现。因

8、此，通过选择恰当的脉动频率，能够保持钻杆系统稳定性。关键词：深孔加工，模态分析，非线性动力学，流固耦合，Galerkin方法，时间序列分析，系统辨识中北大学学位论文InvestigationonDynamicCharacteristicsofBTADeep-holeDrill