曲柄滑块机构中偏距对滑块特性影响研究.pdf

， a U II l l 学 术 曲 6 1 4 2 0 0西南交通大学 四川 峨眉山 刘宇 徐章伟 周建容 殷俊 究 引 言 曲柄滑块机构是在机械中应用很广泛用的 一 种机构，它 由曲柄 ( 或曲轴、偏心轮)、连 杆、滑块三部分组成。在机械传动系统中，它 通过 曲柄和连杆实现曲柄的转动和滑块的直线 往复运动之间的转换，是自动送料机构、冲床、 内燃机空气压缩机等常见机械的主要机构 。 本文运用 A N S Y S软件，采用有限元方法对 曲柄 滑块机构中不同偏距对滑块运动特性的影响进 行了研究，分析了不同偏距下曲柄滑块速度 位移 S 、加速度 a的变化情况，总结出对曲柄滑 块运动特性的影响。 1 曲柄滑块机构运动规律分析 在 曲柄滑块机构中根据滑块运动的直线是 否与连结点B 和 曲柄旋转 中心0所成直线共线， 将 曲柄滑块机构分为结 点正置 ( e = O m m)和结 点偏置两种， ( - )站 点正 I( h) 瞎点 正 1 1 ( e)站 盎 囊 I 图 ( i)曲柄滑块机构简图 结点偏置又可分为正偏置和负偏置 。若共 线则是结点正置，如 图 1( a )所示；若结点 B 的运动轨迹偏离 O B连线位于曲柄向上运动的一 侧时，称为结点正偏置 ( P O mm)，如图 1( b ) 所示；若结点 B的运动轨迹偏离 0 B连线位于曲 柄向下运动的一侧时，称 为结点负偏置 ( e O mm)，如 图 1( C ) 所示 当曲柄 以角速度 绕 0点匀速速转动时， 滑块的位移 S 、速度 、加速度 a 将随曲柄转角 d的改化而改变 。假设偏距为零时，可以得到如 图 ( 2 )所示的几何关系，得出滑块位移 S与曲 柄转角 a之间的关系式： O B = O C + C B = R co s G + r一 ( R s i 口 ) ( i) s - 4 -L o ( 2 ) 整理得： 一 即一 H卜 (半 式中 滑块位移( 以下端终止点作为起点， 方向向上为正)； 一 曲柄的角速度 ( 以下端终止点为起点， 顺时针方向为正 )； 一 曲柄的半径； 一连杆的长度。 将( 3 ) 式对时间求导， 可得速度 V的表达式 ： f s i n o J + R s i n 2 ( 4 ) L 式中 滑块速度 ( 向下方向为正) 三 一连杆长度； 一 曲柄 角速 度 ( 在 本文 中建 立模 型 的 co =l O O r min) 。 将 ( 4 )式对时间再次求导，可得滑块的加 速度 a的表达式： 口=一 Rf c o s + 一R C O S 2 1 ( 5 ) 三 式中口 一滑块加速度，方向向下为正，单位 ，因为建立坐标系的需要而加上负号， 表示反向。 由 ( 3 )、 ( 4 )、 ( 5 )式可见影响曲柄滑 块机构中滑块运动特性的因素有角速度 、曲 柄长度 R和连杆长度 。 2 基于 A N S Y S的曲柄滑块运动特性分析 2 1 建立 曲柄滑块机构有限元模型 如图 ( 3 )所示为简化的曲柄滑块机构建模， 曲柄长度 A B= 1 2 O mm、连杆 长度 BC = 3 O O m m、 曲 柄 为 原 动 件， 设 转 速 为 c o = l O O r m i n ， 弹 性 模 量 E = 2 El l， 泊 松 比 P = O 3 。偏 距 分 为 e = 5 O m m， e = O m m , e = 一 5 0 ra m三种情况，以零偏距 为代表进行建模 。 擎一 一 一 A B 图 ( 2 )结点正置的曲柄滑块机构简 图 图 ( 3 )A N S Y S建立的模型 1 24 Ma ch in e C h i n a中国机械 滑蛲 2 2结点正置时的曲柄滑块运动特性 由曲柄滑块结 点正置时的位移图、速度图 和加速度 图可知位移最大值出现在中间时刻， 即 曲柄运动到最左边时；速度最大值出现在四 分之一时刻和四分之三时刻，即曲柄运动到最 下边和最上边时；加速度最大值在始末两点， 即曲柄运动到最右边时，值得注意的是在 中间 区段加速度呈波浪变化，速度曲线与正弦曲线 相近，但并不相同。 2 3结点偏置时曲柄滑块运动特性 由曲柄滑块结点偏置时的位移图、速度图 和加速度图可知偏距 e = 5 O mm和偏距 P = 5 0 ra m 两种情况输 出的位移图基本相同；速度图在 中 间时段的变化趋势稍有不 同，前者的变化为减 速减小到零再匀速增大，后者 的变化为匀速减 小到零再加速增大，而且前者速度为零 的时刻 在先于后者；在加速度 图上，两者中间时段的 加速度曲线呈现出关于Y轴对称的关系。 2 4不同偏距结果对比分析 通过观察不同条件下的位移 图、速度 图和 加速度图可知：不 同偏距下的曲柄滑块机构的 滑块位移变化趋势和大小是基本相 同。原 因有 两点，一是它们的位移大小都取决于曲柄 ，其 位移区间即是机构两次死点的直线距离；二是 在建模的初始状态定义时定义了滑块的起点位 于死点位置 ，所以输 出的位移图像时一样的。 这也说明不 同偏距对 曲柄滑块机构的运动 中的 位移影响是一致的。 三种不 同偏距条件下的滑块速度变化趋势 和大小也是趋近于相 同的，它们都是类正弦图 像，但并不完全相同，导致 该不 同的原 因是与 加速度有关的。 三种不 同偏距条件下的加速度随时间变化 的大趋势是相近的，都是 由负最大减小到零， 由零增大到正向最大，正最大减小到零，由零 增大到负向最大。但是在四分之一周期到四分 之三周期的时间段中，正偏距滑块的加速度呈 阶梯状减 小，零偏距的呈对称的波浪变化，负 偏距则呈 阶梯状增大。这种变化趋势正是速度 变化的体现，也是原因之一。 2 5偏距对曲柄滑块运动特性的影响 为使结果更准确，还建立了偏距为 e = 2 5 m m 和 P = 一 2 5 ra m的模型，通过对五种不同偏距条件 的位移图、速度图和加速度图的对 比，发现偏 距对 曲柄滑块机构滑块的位移几乎没有影响， 对速度和加速度的影响相 同，其 中对加速度 的 影响更明显。 偏距对加速度的影响主要是影响正向峰值 的大小和最大峰值出现的时间。当偏距值较小 时 ，加速度 曲线有两个峰值，分别 出现在四分 之一周期时刻和 四分之三周期时刻。为正偏距 偏距时，正向最大值出现在 中间时刻之前，偏 距越小峰值越小，右边峰值越大，并且 曲线越 趋 于轴对称；为负偏距偏距时，正向最大值出 现在中间时刻之后，同样偏距越小峰值越小， 左边边峰值越大，并且曲线越趋于轴对称。 通过研究，还可以得 出偏距足够大时将只 出现一次峰值， 还是正偏距的在 中间时刻之前， 负偏距 的在中间时刻之后。在速度和加速度上 都将体现十分明显的急进特性和急回特性，分 别对应正偏距和负偏距的情况 。 3 结束 语 在 实际生产中，正置机构在各类机械中都 比较常见，因为它相对简单，有利于简化机械 结构，也常用于要求运动相对稳定的大负载机 械中；负偏置的曲柄滑块机 构，滑块具有急 回 特性，常在冷挤压机 中使用；正偏置的曲柄滑 块机构，滑块具有急进特性，常在锻压机中使 用 。 文章在之前己经说 明滑块的运动特性与角 速度 C O 、曲柄长度 、连杆长度 三三个因素有关， 在此分析发现偏距对该特性也有一定的关系， 因此进一步研究这四个 因素与滑块运动之间的 关系，尤其是在前三个 因素的研究比较成熟的 基础上，对偏距进行更深层次的研 究对 曲柄滑 块机构的优化具有重要意义。 参考文献 ： 1 冯鉴， 何俊， 雷智翔 机械原理 成都： 西南交通大学出版社，2 0 0 8 8 ：4 6 4 8 2 濮 良贵， 纪名刚 机械设计( 第八版) 高 ， _ 、 d U Il I I 学术 等教育出版社 ，2 0 1 0 3 林 翠青 基 于 曲柄 压力 机 中 曲柄 滑 块 的运动 分析及 其研 究 J 数 字技术 与应 用 2 0 1 0 ( 0 7 ) ：6 7 6 8 4 彭辉 A N S Y S机构运动分析，江苏师范 大学，2 0 0 9 5 胡 国 良，任 继 文 A N S Y S 1 1 0有 限 元 分析 入 门与提 高 北 京：国防工 业 出版 社， 2 0 1 l _ 1 6 黄云清 有限元分析与 A N S Y S编程及高 级应用 M 北京：机械工业 出版社，2 0 0 9 作者简介： 刘宇 ， 男， 汉 ， 籍贯：四川省雅安市石棉县， 学历：本科 ( 在读) 导师简介 ： 殷俊 ( 1 9 8 7 一 )，四川 I 泸州人，西南交通 大学峨眉校区机械工程系教师，助教，研究生 学历， 主要研究方向：铁道车辆及城轨车辆空调。 D M H 2钻机除尘系统改造探讨 0 1 0 3 0 0神华准格尔能源集团公司黑岱沟露天矿 内蒙古 呼和浩特 一 柳德厚 摘 要 D M H 2 钻机除尘系统原采用过滤器 旋风除尘器 ， 在使用过程中存在很多问题 ， 致使除尘效率降低 ， 现在已无法使用。本文首先概述 了过滤器 旋风除尘器的工作原理和存在的问题 ， 根据 D M H钻机除尘系统改造经验 ， 分析了布袋脉冲除尘器的工作原理与特点 ， 提出了 DM H2钻丰 凡 除尘 穿孔作业产生的粉尘量大，对露天矿作业 现场和周边环境都有较大的污染。经检测，我 矿钻机 附近平均粉尘浓度约 4 5 0 m g m 3，最高 达到1 4 0 0 m g m ，钻机司机室平均粉尘浓度约 2 1 m g m ，最高达到 8 0 m g m 。所以做好钻机除 尘工作对于企业发展和职工健康具有十分重要 的意 义 。 D M H 2钻机是我矿为 吊斗铲倒堆工艺选 型 配套 的大型斜孔钻机，主要用于抛掷爆破穿孔 作业，由美国阿特拉斯一科普柯公司生产，钻 架从竖直状态 以5 。为一个进量调整，钻架角度 调整范 围是 6 O 。一 9 O 。设计生产能力为 6 0 m h ，最大钻孔深度 7 4 7 m ，孔 径 3 1 l ra m ，钻杆直 径 2 7 3 n ，排渣风量 4 5 3 m 。 m in 。由于生产能力 达不到设计要求，经过技术改造后，钻杆直径 为 2 3 5 m m ，空压机排渣风量达到 7 3 6 m 3 m in 。 所以排渣量大， 排渣压力高， 对周围环境污染大。 1 过滤器 旋风除尘器工作原理与存在的 问题 1 1过滤器 旋风除尘器工作原理 过滤器 旋风除尘器在集尘器的顶部安装 鼓风机 ，在上部壳体的清洁空气段产生一个真 空，在吸入软管和集尘箱中产生较小的真空， 钻机吹上来的岩粉经过吸入软管被带到集尘器 入 口，物料进入集尘器入 口后，下部壳体成切 线，较重的粒子受离心力的作用到集成器的外 壁，最终沉降到下降锥体，较重 的物料和细尘 被真空拉到旋风涡流，被过滤器的滤芯俘获。 脉冲空气控制器触发每个空气滤芯上的脉冲阀， 以释放储存在空气箱内的压缩空气，反向吹过 过滤器，将大部分物料吹离滤纸表面，并使向 滤芯前面的气流停顿，物料 由于重力作用下降 到椎体。物料集在下降锥体时，最终重量变得 足够大，以克服真空造成 的向上拉力，物料下 降到地面。 1 2过滤器 旋风除尘器在使用中存在的问 题 D M H 2 钻机除尘系统在使用过程中主要存在 两方面 问题，一是过滤器 旋风除尘器 中共有 九个滤芯，按照每 5 0 0小时更换一次 费用大概 9 0 0 0 0元，费用高，维护成本大；二是由于没有 考虑较大颗粒会进入进风口，作业过程 中大量 的大颗粒岩渣进入进风管入 口端就掉 下来堵塞 进风管，清理 困难，虽经过多次改造，效果一 直不理想 。 三是更换过滤器时间长， 劳动强度大， 降低 了设备的使用效率 。 2 布袋脉冲除尘器的工作原理与特点 2 1 布袋脉冲除尘器的分类及特点 脉冲布袋除尘器可分为三大类：( 1 )箱式脉 冲喷吹除尘器：箱式喷吹脉冲布袋 除尘器的最 大优点是喷吹装置简单，换袋维修方便 。但是 单室滤袋数量受限制。当喷头移动到某一集气 室时，打开脉冲阀，高压空气由喷嘴喷入箱内， 然后分别进入每条滤袋进行清灰，用一套喷吹 装置喷吹若干排滤袋，如果滤袋数量过多，会 影响滤袋的清灰效果。 ( 2 )