剑杆织机打纬机构动力学分析及仿真.pdf剑杆织机打纬机构动力学分析及仿真.pdf

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研究报告2012年第2期剑杆织机打纬机构动力学分析及仿真鲁宁,陈换过,胡旭东,李秦川(浙江理工大学浙江省现代纺织装备技术重点实验室,杭州310018)摘要打纬机构是剑杆织机中利用往复摆动的筘座将纬纱打向织口的机构,它与织机的工作效率和机架墙板的寿命密切相关。为研究打纬机构对织机墙板振动的影响,建立了四连杆打纬机构的理论模型,对打纬机构进行了运动学和动力学分析,求出轴承支座的约束反力,并利用ADAMS对机构虚拟样机进行了动力学仿真,仿真结果验证了理论分析的正确性,为后续研究织机墙板振动特性和优化提供了参考依据。关键词四连杆打纬机构;运动学;动力学;ADAMS中图分类号TH113文献标识码A文章编号1009-265X(2012)02-0033-05DYNAMICSANALYSISANDSIMULATIONOFBEATING-UPMOTIONOFARAPIERLOOMLUNING,CHENHUANGUO,HUXUDONG,LIQINCHUAN(1.PROVINCIALKEYLABORATORYOFMODERNTEXTILEMACHINERY,ZHEJIANGSCI-TECHUNIVERSITY,HANGZHOU310018,CHINA)ABSTRACTBEATING-UPMOTIONISANIMPORTANTPARTOFTHERAPIERLOOM,WHICHSWINGSWEFTINTOWEAVING-MACHINECLOTH-FELBYRECIPROCATINGJIGGINGMOTIONOFTHESLEY.ITALSOHASSIGNIFICANTEFFECTONTHEWORKEFFICIENCYOFLOOMANDTHELIFETIMEOFCLAPBOARDONLOOMRACK.INORDERTORESEARCHTHEVIBRATIONOFTHELOOMWALCAUSEDBYTHEBEATING-UPMOTION.FIRST,ATHEORETICALMODELOFFOUR-BARBEATING-UPMOTIONWASBUILTUPANDTHEKINEMATICSANDDYNAMICSANALYSISWASCARRIEDOUTFORTHISMOTION.INADDITION,ADYNAMICSIMULATIONFORTHEMOTIONSVIRTUALPROTOTYPEWASDONEBYUSINGADAMSANDTHESIMULATIONRESULTSSHOWTHECORRECTNESSOFTHETHEORETICALANALYSIS.MOREOVER,AREFERENCEFRAMEWASPROVIDEDFORTHEFURTHERSTUDYOFLOOMCLAPBOARDSVIBRATIONCHARACTERISTICSANDOPTIMIZATION.KEYWORDSFOUR-BARBEATING-UPMOTION;KINEMATICS;DYNAMICSANALYSIS;ADAMS收稿日期2011-09-13基金项目浙江省科技计划国际合作重点项目(2009C14037)作者简介鲁宁(1986-),男,浙江绍兴人,硕士研究生,主要从事纺织机械和有限元分析研究。0引言打纬机构是织机中利用往复摆动的筘座将纬纱打向织口的机构,是剑杆织机的重要部件[1]。四连杆打纬机构是织机上使用较为广泛的打纬机构,具有结构简单,高速运转时运动较平稳,振动相对较低等特点[2-3]。为满足惯性打纬的需要,打纬机构一般是织机中惯性大、耗能大的部件。构件运动会产生周期惯性力和惯性力矩,由它们所引起的那部份约束反力,通过轴承作用在机架墙板上,会引起墙板的振动[4-5],从而导致墙板破裂,缩短织机寿命。为了解机构的这些动态性能,有必要对剑杆织机的打纬机构进行动力学分析[6]。青岛大学的针继标研究了剑杆织机的四连杆打纬机构的动态参数[7],找到了织机激励源产生的原因。东华大学的寇剑斌做了喷气织机打纬机构的动力学分析,找到了打纬机构在高速状态下发生的故障[1]。苏州大学的陈静对喷气织机双侧四连杆打纬机构进行动态分析,作为织机改进设计的重要依据[8]。苏州大学的魏圆圆、冯志华等为了解织机在高速运转下织机的动力学性能,对织机做了动平衡方面研究[9]。综上,目前一些对打纬机构研究中,都是对打纬机构本身进行动力学分析和改进。由于非分离筘座式剑杆织机的打纬机构产生的惯性力较大,本文将打纬机构的轴承支座约束反力,作为墙板产生振动的主要来源,为后续织机墙板研究提供了分析基础。本文以ZA718型挠性剑杆织机的打纬机构为332012年第2期研究报告研究对象。用动态静力分析[10]对四连杆打纬机构的动力学数学模型进行了求解。并用ADAMS[11-12]虚拟样机动力学仿真验证理论模型分析的正确性,以期为墙板的振动特性分析提供参考依据。1运动学分析ZA718挠性剑杆织机的打纬筘由两侧对称布置的四连杆机构驱动。由于工况转速下打纬曲轴和摇轴的扭振较小,为了方便建模和计算,忽略可能存在的两侧不对称对机构动力学性能的影响,将两侧对称的四连杆机构简化为一个平面四连杆打纬机构[13](见图1)。对该平面四连杆打纬机构假设如下A)全部构件为刚性体;B)曲柄做等速回转运动;C)不考虑运动副的摩擦力和打纬阻力。图1平面四连杆打纬机构运动学模型以A点为原心,建立坐标系XOY。该平面四连杆打纬机构模型中,AB代表曲柄,BC代表牵手,CD代表筘座脚(筘座固定在筘座脚上,其运动规律与筘座脚一致),S1代表AB杆曲柄的质心,S2代表BC杆牵手的质心,S3代表CD杆筘座脚的质心。其中,A点为墙板的主轴轴承孔中心,D点为墙板的摇轴轴承孔中心。D点的坐标为XD=0.444M,YD=-0.642M。曲柄做匀速转动,Ω1=203ΠRAD/S(Ω1=1200()/S)。平面四连杆打纬机构中,其曲柄、牵手、筘座脚的参数见表1表1曲柄、牵手、筘座脚的参数长度/M质心位置/M杆件质量/KG曲柄L1=0.082AS1=0.033M1=17.9牵手L2=0.280BS2=0.122M2=2.6筘座脚L3=0.688DS3=0.387M3=15.2如图1所示,根据多边形矢量原理AB+BC=AD+DC(1)将上述矢量方程向坐标轴投影,得L1COSΘ1+L2COSΘ2=XD+L3COSΘ3L1SINΘ1+L2SINΘ2=YD+L3SINΘ{3(2)上式中L1,L2,L3,Θ1,XD,YD均为已知,由此可求出Θ2,Θ3。对(2)式求导得L2Ω1SINΘ1+L2Ω2SINΘ2=L3Ω3SINΘ3L1Ω1COSΘ1+L2Ω2COSΘ2=L3Ω3COSΘ{3(3)由于曲柄作匀速回转,所以Ω1已知且保持恒定,Θ2,Θ3已由式(2)求得,由式(3)可分别求得BC和CD杆的角速度Ω2,Ω3。对(3)式求导得L1(Α1SINΘ1+Ω12COSΘ1)+L2(Α2SINΘ2+Ω22COSΘ2)=L3(Α3SINΘ3+Ω23COSΘ3)L1(Α1COSΘ1-Ω21SINΘ1)+L2(Α2COSΘ2-Ω22SINΘ2)=L3(Α3COSΘ3-Ω23SINΘ3烅烄烆)(4)由于曲柄作匀速回转,所以曲柄的角加速度Α1为零。对式(4)进行求解可得Α2=L1Ω21COS(Θ1-Θ3)+L2Ω22COS(Θ3-Θ2)-L3Ω23L2SIN(Θ3-Θ2)Α3=L1Ω12COS(Θ1-Θ2)-L3Ω23COS(Θ3-Θ2)+L2Ω22L3SIN(Θ3-Θ2烅烄烆)(5)2动力学分析利用达朗贝尔原理对图1所示的打纬机构进行动力学分析。将各构件分离,分别对各构件进行受力分析。图2曲柄受力分析图取曲柄AB(构件1)为研究对象,如图2所示,进行受力分析。作用于此杆件上的力有重力W1,轴承的约束力FAX、FAY、FBX、FBY,对该定轴转动杆件加惯性力-M1Α1X、-M1Α1Y。列平衡方程有43研究报告2012年第2期∑FX=0FAX+FBX=M1Α1X∑FY=0FAY+FBY=M1Α1Y+W1∑MA=0-FBX(YB-YA)+FBY(XB-XA)-W1(XS1-XA)+MD烅烄烆=0(6)图3牵手受力分析图取牵手BC(构件2)为研究对象,如图3所示,进行受力分析,作用于此杆件上的力有重力W2,轴承的约束力FBX、FBY、FCX、FCY,对该平面运动杆件加惯性力-M2Α2X、-M2Α2Y和惯性力矩-J2Α2。同理,列平衡方程有∑FX=0-FBX+FCX=M2Α2X∑FY=0-FBY+FCY=W2+M2Α2Y∑MS2=0-FBX(YB-YS2)-FBY(XB-XS2)-FCX(YC-YS2)+FCY(XC-XS2)=J2Α烅烄烆2(7)图4筘座脚受力分析图取筘座脚CD(构件3)为研究对象,如图4所示,作用于此杆件上的力有重力W3,轴承的约束力FCX、FCY、FDX、FDY,对该定轴转动杆件加惯性力-M3Α3X、-M3Α3Y和惯性力矩-J3Α3。同理,列平衡方程有∑FX=0-FCX+FDX=M3Α3X∑FY=0-FCY+FDY=W3+M3Α3Y∑MD=0FCX(YC-YD)-FCY(XC-XD)-W3(XS3-XD)=J3Α烅烄烆3(8)以上各式中XA、YA、XB、YB、XC、YC、XD、YD、XS1、XS3、XS3为各运动副和质心的坐标。将以上三组动力学方程整理为矩阵的形式10100000001010000000YA-YBXB-XA0000100-1010000000-10100000YB-YS2XS2-XBYS2-YCXC-XS20000000-1010000000-10100000YC-YDXD-XC熿燀燄燅000FRAXFRAYFRBXFRBYFRCXFRCYFRDXFRDYM烅烄烆烍烌烎D=MΑ1XW1+M1Α1YW1(XS1-XA)M2Α2XW2+M2Α2YJΑ2M3Α3XW3+M3Α3YW3(XS3-XD)+JΑ烅烄烆烍烌烎3(9)简写为[P]{FR}={Q}(10)对上式进行求解可得各支座反力{FR}=[P]-1{Q}(11)以上是动力学部分的计算过程,在实际中,为了更加符合实际织造工况,在计算过程中打纬前止点也就是Θ1=8时,如图4所示,C点添加一个值为FN=860N的打纬阻力[14]。3ADAMS虚拟样机仿真为了验证上述打纬机构的运动学和动力学理论模型,建立了打纬机构的ADAMS虚拟样机模型。虚拟样机模型见图5,在曲柄处添加MOTION1的转速为1200()/S。重力加速度为-Y方向9.8M/S2。在约束方面,曲柄与墙板之间用只有一个旋转自由度的旋转副约束。牵手与曲柄同样由旋转副约束。532012年第2期研究报告牵手和筘座脚之间为了避免产生冗余约束选用基本约束中的点线副约束。筘座脚与摇轴用固定副约束,摇轴与墙板之间用旋转副约束。图5打纬机构的ADAMS虚拟样机模型4理论与仿真结果本文所建运动学理论模型和ADAMS仿真模型计算出的主要构件的角速度、角加速度如图6~图8所示。由图6~图8可以看出,ADAMS仿真的曲线与MATLAB理论计算的曲线相比,除了开始阶段有一些微小偏差外,曲线基本一致。这是由于ADAMS虚拟样机仿真时,启动阶段有些振动,导致仿真结果有些偏差。本文所建动力学模型和ADAMS仿真模型计算出的A和D处的运动副反力如图9~图12所示。图6筘座角速度对比图由9图~图12可以看出,当Θ1=8时,A点和D点所受的X,Y方向的力都有比较大的突变,是因为该时间点受到打纬阻力的原因。D处X,Y方向的运动副反力趋势一致,有些偏差。造成偏差的原因是筘座脚的三维模型是不完全对称的,该质心的位置与牵手和曲柄的质心不在同一平面内,而理论模型计算时,简化到了同一平面,造成惯性力,惯性力矩的计算偏差,导致约束反力的计算存在偏差。从曲线对比中可以看出,墙板的主轴轴承孔中心A点和摇轴轴承孔中心D点的X,Y方向约束反力基图9D处X方向运动副反力对比图63
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