（机械设计及理论专业论文）精梳机支承结构系统的动力学性能研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明一i 掣必黜 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位做作者虢多净 日期：2 1 , 4 4 年翻阳厂p 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密母 学位敝储虢覆净 日期：驯7 年嘲伯 指导教师签名： 醐砌“撕伊 摘要 精梳机支承结构系统的动力学性能研究 摘要 目前，纺织工业的技术进步正在不断深入，新型纺织机械的研制 开发工作也在不断发展中，而精梳机的发展已成为棉纺企业实现现代 化的重要标志之一。精梳机速度的高低是衡量其技术水平的重要标 志。自2 0 世纪8 0 年代以来，棉纺精梳机快速发展，其梳棉速度己由 1 0 0 钳次分提高到4 5 0 钳次分，随着速度的提高，精梳机的不平衡 运动将激起精梳机支承结构系统的强烈振动，而由振动引起的一系列 矛盾又严重地妨碍着精梳机速度的进一步提高。本课题来源于校企联 合精梳机产品开发项目，旨在开发一款高效、可靠、高速、高精度的 精梳机。 课题以有限元理论和结构动力学理论为基础，对现有精梳机支承 结构系统的动力学性能进行研究并提出结构改进方案；以优化技术为 基础，对现有精梳机钳板机构进行优化设计。通过对支承结构系统的 改进及对钳板机构的优化，以解决现有精梳机在提速后带来振动强、 噪声大等问题。在课题研究过程中主要做了以下工作： 1 精梳机支承结构系统c a d 与c a e 模型的建立 根据企业技术要求，建立精梳机支承结构系统c a d 三维模型， 在对三维模型进行适当简化的基础上，将精梳机支承结构系统c a d 三维实体模型较合理地转化为相应c a e 模型。 2 精梳机支承结构系统的动力学性能研究 东扛人学颂：l j 学位论文 摘要 在c a e 有限元模型的基础上，利用a n s y s 软件的强大功能， 以了解支承结构系统的振动特性及为改善结构提供理论指导为目标， 对支承结构系统的动力学性能进行研究。对系统进行模态分析，获得 其固有频率与振型，并对其低阶模态特性与结构之间的关系进行分 析；对系统进行稳态响应分析，得出精梳机支承结构系统动态响应特 性。 3 精梳机支承结构系统的改进 根据模态分析得到支承结构系统的固有频率与振型并结合试验 数据，找出影响支承结构动态特性的主导模态，对支承结构系统提出 改进方案，以加强结构刚性并提高系统固有频率，达到支承结构能适 应提高精梳机钳次速度目的。 4 精梳机钳板机构的优化设计 根据精梳工艺要求，利用a d a m s 软件优化模块的优化功能，以 “音响夹角”作为极小化目标函数、上钳板咬合点在咬合瞬时加速度值 作为极小化的目标函数对上钳板机构进行优化设计，减小上下钳板咬 合瞬时冲击及支承结构系统的动载荷，从而达到从振源上减小激发精 梳机支承结构系统振动与噪声的目的。 关键词：精梳机、支承结构、钳板机构、模态分析、稳态响应分析、 有限元法、优化设计。 东华人学硕l ：学位论文摘要 d y n a m i cp e r f o r m a n c es t u d yo ft h es u p p o r t i n g s t r u c t u r es y s t e mo fc o m b e r a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h ep r o g r e s so ft e x t i l ei n d u s t r yt e c h n o l o g yi sb e i n gc o n t i n u o u s l yd e e p e n e d ，t h e s t u d yo fn e wt e x t i l em a c h i n e r yi sa l s o i nd e v e l o p m e n t ，a n dt h ed e v e l o p m e n to fc o m b e rh a s b e c o m ea l li m p o r t a n ts y m b o lo fm o d e r n i z a t i o nf o rc o t t o n s p i n n i n ge n t e r p r i s e s c o m b e rs p e e di s a ni m p o r t a n ts y m b o lo fm e a s u r ei t st e c h n o l o g yl e v e l s i n c et h e19 8 0 s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m b i n gm a c h i n e ，t h ec a r d i n gs p e e dh a sb e e ni n c r e a s e dt o4 5 0c l a m p m i nf o r m10 0c l a m p m i n u n b a l a n c e dm o v e m e n tw i l ls t i m u l a t eas t r o n gv i b r a t i o no fc o m b e rs u p p o r ts t r u c t u r es y s t e ma st h e s p e e di n c r e a s i n g as e r i e so fc o n t r a d i c t i o n sc a u s e db yv i b r a t i o nb e c o m eas e r i o u si m p e d i m e n tt o t h ec o m b i n gm a c h i n et of u r t h e ri m p r o v ei t ss p e e d t h i ss u b j e c tc o m e sf r o mc o m b e rp r o d u c t d e v e l o p m e n tp r o j e c t so fc o l l e g ea n de n t e r p r i s e ，a i m e da td e v e l o p i n ga ne f f i c i e n t ，r e l i a b l e ， h i g h - s p e e da n dh i g h - p r e c i s i o nc o m b e r b a s e do nf i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n dt h es t r u c t u r a ld y n a m i c st h e o r y ，d y n a m i cp e r f o r m a n c e s t u d yo ft h ee x i s t i n gs u p p o r t i n gs t r u c t u r es y s t e mo fc o m b e r ，a n dp r o p o s e ds t r u c t u r a li m p r o v e m e n t p r o g r a m o p t i m i z et h ee x i s t i n g c o m b e rn i p p e rb a s e do no p t i m i z et h e o r y t h r o u g ht h e i m p r o v e m e n ta n do p t i m i z a t i o no fs u p p o r t i n gs t r u c t u r es y s t e mo ft h en i p p e rm e c h a n i s mt os o l v e s t r o n gv i b r a t i o na n dn o i s eb r i n ga st h es p e e dd e v e l o p m e n t m a i n l yw o r ki nt h er e s e a r c hp r o c e s sa s t h ef o l l o w i n g ： 1 e s t a b l i s h e dc a da n dc a em o d e lo ft h es u p p o r t i n gs t r u c t u r es y s t e mo fc o m b e r a c c o r d i n gt ot h ec o m p a n yt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t ，b u i l dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fc o m b e r s u p p o r t i n gs t r u c t u r es y s t e m c h a n g ec a d m o d e li n t oc a em o d e lr e a s o n a b l yb a s e do ns i m p l i f i e d t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fc o m b e rs u p p o r t i n gs t r u c t u r es y s t e m 2 d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es u p p o r t i n gs t r u c t u r es y s t e mo fc o m b e r s t u d yd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ee x i s t i n gs u p p o r t i n gs t r u c t u r es y s t e mo fc o m b e rb a s eo n t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e la n du s i n gt h ep o w e rf u n c t i o no fa n s y ss o f t w a r e ，i no r d e rt ou n d e r s t a n d t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es u p p o r t i n gs t r u c t u r es y s t e mo fc o m b e ra n dt op r o v i d e t h e o r e t i c a lg u i d a n c et oi m p r o v et h es t r u c t u r e m o d a la n a l y s i so ft h es y s t e mt oo b t a i nt h en a t u r a l f r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e s ，a n da n a l y s i so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s t r u c t u r ea n di t s 东华人学顺i j 学位论义 摘要 v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s s t e a d y s t a t er e s p o n s ea n a l y s i so ft h es y s t e mt oo b t a i nt h ed y n a m i c r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es u p p o r t i n gs t r u c t u r es y s t e mo fc o m b e r 3 i m p r o v e m e n t so ft h es u p p o r t i n gs t r u c t u r es y s t e mo fc o m b e r a c c o r d i n gt ot h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dv i b r a t i o nm o d es h a p e sw h i c ho b t a i n e db ym o d a l a n a l y s i so ft h es u p p o r t i n gs t r u c t u r es y s t e mo fc o m b e r ，a n dw i t ht h et e s td a t a ，f i n dt h ed o m i n a n t m o d et h a ta f f e c td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs y s t e m p r o p o s e di m p r o v e m e n _ tp r o g r a mo fs t r u c t u r a l i no r d e rt os t r e n g t h e nt h es t r u c t u r a lr i g i d i t ya n di m p r o v et h es y s t e mn a t u r a lf r e q u e n c y 4 o p t i m i z a t i o no ft h en i p p e rm e c h a n i s mo fc o m b e r r e q u i r e m e n t s u n d e rt h ec o m b i n gp r o c e s s ，u s et h e o p t i m i z a t i o nf u n c t i o no fa d a m s o p t i m i z a t i o nm o d u l e s ，m a k e ”s t u d i o - a n g l e ”a st h em i n i m i z a t i o no b j e c t i v ef u n c t i o na n dm a k et h e i n s t a n t a n e o u sa c c e l e r a t i o nv a l u eo fb i t e p o i n to fu p - n i p p e ra s t h em i n i m i z a t i o no b j e c t i v e f u n c t i o n ，o p t i m i z e dt h eu p n i p p e ro fc o m b e r r e d u c i n gt h eb i t ep o i n ti n s t a n t a n e o u si m p a c to fu p p e r a n dl o w e rn i p p e ra n dd y n a m i cl o a do fs u p p o r ts t r u c t u r es y s t e m ，a c h i e v et h ep u r p o s eo fr e d u c i n g v i b r a t i o na n dn o i s ef r o mv i b r a t i o ns o u r c e h u a n gh u a ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) s u p e r v i s e db yw a n gs h e n g z e k e yw o r d s c o m b e r ，s u p p o r ts t r u c t u r e ，n i p p e rm e c h a n i s m ，m o d a la n a l y s i s ，s t e a d y s t a t e r e s p o n s ea n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，o p t i m a ld e s i g n 东1 芦人学硕i 学位论文 日录 目录 第一章绪论1 1 1 精梳机概述一1 1 2 课题的提出利主要研究内容一4 第二章精梳机支承结构系统及其c a d 三维模型7 2 1 精梳机支承结构系统c a d 二维模型7 2 2 精梳机支承结构系统的结构特点9 2 3 精梳机支承结构系统的受力分析1 0 2 4 本章小结l3 第三章精梳机支承结构系统简化及其c a e 模型1 4 3 1 精梳机支承结构系统相关结构类型的简化1 4 3 2 精梳机支承结构系统相关联接方式的处理方法3 5 3 3 有限元分析中耦合和约_ 束问题3 6 3 4 精梳机支承结构系统的c a e 模型3 7 3 5 本章小结4 3 第四章精梳机支承结构系统的动力学特性研究与结构改进一4 4 4 1 精梳机支承结构系统的模态分析4 4 4 2 精梳机支承结构系统的稳态响应分析4 7 4 3 样机振动测试分析5 4 4 4 精梳机支承结构系统的结构改进方案5 5 4 5 本章小结5 8 第五章上钳板机构的优化设计5 9 5 1a d a m s 软件介纠5 9 5 2 上钳板机构优化数! 学模型的建立6 1 5 3 上钳极机构优化设计在a d a m s 中的实现6 5 5 4 优化前后支承结构系统的承载对比7 3 5 5 改进效果评估7 4 5 6 本章小结7 5 第六章总结与展望一7 6 参考文献7 8 攻读硕士期间的研究成果i 致谢i i v 东华人学顺? l ：学位论文笫一帝绪论 1 1 精梳机概述 第一章绪论 为7 ；o n 快我国纺织工业的发展，采用高新技术改造传统纺织工业，是2 1 世 纪最重要的产业政策。当前，加快精梳机的发展是棉纺织行业结构调整的重点之 一。因为，只有提高纺织产品的质量和档次，才能增强纺织产品在国内外市场的 竞争力5 1 。 1 1 1 国内精梳机的发展 我国精梳机的生产虽然较晚，但发展速度却十分惊人，从上世纪7 0 年代开 始引进国外精梳设备起，在3 0 多年的时间经历了从引进、测绘、仿制、合作生 产到独立制造这一过程。自2 1 世纪以来，随着我国新型精梳机产品的不断推出， 最大限度的满足了企业需求。2 0 0 6 年在北京举办的中国国际纺织机械展览会上， 展出了具有自身特色的1 0 多种国产先进精梳机机型。其生产速度也有了相当大 的突破，现场演示的最高速度达到4 5 0 钳次分，最低速度也可达到3 5 0 钳次分， 在质量指标上已完全可以达到2 0 0 0 年全国高效能精梳工艺技术研讨会上提出的 系统指标。2 0 0 2 年山西经纬合力机械厂研制生产的f a 2 6 9 型精梳机，速度可达 3 8 0 钳次分。2 0 0 2 年江苏昆山凯宫机械有限公司研制生产的j s f a 2 8 6 型精梳机， 速度可达3 3 0 钳次分；2 0 0 6 年生产的j s f a 3 8 8 型精梳机，速度可达3 8 0 钳次 分。2 0 0 1 年陕西恒鑫精密纺织机械集团研制生产的x f a 2 8 9 型精梳机，速度可 达3 9 0 钳次分。我国精梳设备经过5 0 多年的发展，取得了巨大成就，精梳机的 综合质量水平有了极大的提高，速度由原来的1 0 0 多钳次分提高到现在的4 5 0 钳次分。总之，我国精梳机技术水平及设备加工制造水平与世界先进水平的差 距正不断的缩d , l l ，川。 1 1 2 国外精梳机的发展 在国外，精梳机最早发明于1 8 4 6 年，钳板为固定式，以发明者海尔曼的名 字命名。1 9 0 0 年英国的纳斯米史将其钳板改成前后摆动式。国外精梳机经历了 较长的缓慢发展时期，到2 0 世纪7 0 年代，随着世界科学技术的飞速发展，带来 东华人学硕! l ：学位论义第一章绪论 了精梳机和精梳技术快速发展的新阶段。国外著名的精梳机生产厂家有瑞士立达 公司和意大利马佐罩公司。2 0 世纪7 0 年代，瑞士立达公司推出了e 7 4 型精梳 机，速度为2 5 0 钳次分；2 0 世纪8 0 年代，瑞士立达公司对钳板机构、分离罗拉 传动机构等进行技术改进后推出了e 7 5 型精梳机，之后又推出了e 7 6 型精梳机， 速度分别为3 0 0 钳次分，3 5 0 钳次分。2 0 世纪9 0 年代，瑞士立达公司对e 7 6 型精梳机钳板机构、牵伸系统等进行了多项改进，相继推出了e 6 0 型、e 6 0 h 型 精梳机，机器的稳定性及精梳质量有了进一步提高。2 0 0 0 年，瑞士立达公司对 e 6 0 型、e 6 0 h 型精梳机的钳板传动机构及分离罗拉传动系统进行优化设计，推 出了e 6 1 型、e 6 2 型及e 7 2 型精梳机，速度达到了4 0 0 钳次分。在前不久上海 举行的国际纺织机械展上，瑞士立达公司推出了e 6 5 e 7 5 型精梳机，采用c a p d ( 计算机辅助过程优化设计) 技术，实际开机速度达到4 5 0 钳次分，处于国际 领先水平。意大利马佐早公司于2 0 世纪7 0 年代推出了p 1 型精梳机，2 0 世纪8 0 年代初期推出了p 2 型精梳机，1 9 8 5 年之后，又相继推出了p x l 型及p x 2 型精 梳机，p x 2 型精梳机的速度达到了4 0 0 钳次分。此外，2 0 世纪9 0 年代，日本原 织机公司也先后开发出v c 一2 5 0 型、v c 一3 0 0 型精梳机，日本t o y o t a 在v c 3 0 0 型精梳机技术的基础上，推出了h z 型精梳机，最高速度达到3 6 0 钳次分；意 大利沃克公司也开发出了c m 5 0 0 型精梳机，最高速度达到4 0 0 钳次分【3 4 5 j 。 1 1 3 精梳机的发展趋势 随着科技的不断进步，精梳机的发展呈现如下趋势【3 ，4 】： ( 1 ) 高速度 精梳机速度的高低是衡量其先进水平的重要指标。因为精梳机的速度越高， 单机产量和劳动生产率就越高，精梳机的万锭配台、占地面积、用人和耗电也相 应减少。因此，采用高效能精梳机具有巨大的经济效益。 ( 2 ) 质量优 质量优是指精梳机在高速运动时，精梳棉条的各项指标和精梳落棉指标都达 到高效能精梳机的要求。在正常配棉情况下纺纱质量指标为：精梳棉条的条干 c v 值在3 8 以下；精梳棉条含短绒率在8 以下；精梳棉条重量不匀率在0 6 以下；机台问的精梳条不匀率在o 9 以下；精梳后棉结的清除率不低于1 7 ； 精梳落棉含短绒率在7 0 以上；精梳后杂质的清除率在5 0 以上。为了实现优 质，新型精梳机在设计方面采用了钳板钳口两点握持、减小梳理隔距的变化幅度、 缩小分离罗拉有效输出长度、牵伸机构采用曲线牵伸等技术措施。 ( 3 ) 自动化 自动化水平也是衡量精梳机先进水平的重要指标。提高精梳机的自动化水 平，不仅可以减轻挡车工的劳动强度，还可以提高精梳产品质量。精梳机的自动 东 人学坝i j 学位沦义 第一章绪论 化水平主要体现在以下几个方面：采用多种高灵敏度的自停装置；采用多种自动 装置；采用工艺参数的在线调整；采用精梳质量的在线检测与计算机监控系统。 ( 4 ) 大卷装 由于精梳机的高速化，使棉条筒的满筒时间和喂入小卷的使用时间大大缩 短，换筒和换卷次数急剧增加，挡车工的劳动强度增大，导致挡车工的看台数减 少。因此，采用大容量的棉条筒和大卷装的小卷喂入也是精梳机的发展趋势之一。 1 1 4 精梳机钳板机构简介 精梳机的性能主要由主运动机构的优良决定，主运动机构主要包括分离罗拉 传动机构、钳板机构、喂给机构等。其中又数钳板机构最为复杂且最重要，钳板 机构性能的优劣直接决定精梳质量的好坏与精梳速度的高低。以下是对主运动机 构中的钳板机构的简要介绍，钳板机构的优化设计也将是本文研究的重点之一， 因为其主运动是引起精梳机支承结构系统主要振动之源。 钳板机构的作用是上下钳板有效地控制喂入的棉层，钳板在工作循环中做前 后摆动，给棉罗拉配合前进或后退给棉。钳板向后运动时钳唇握持棉须丛以供锡 林梳理；钳板向前运动时，钳唇升起，将经过梳理的棉须丛送向分离钳口，进行 分离接合。因此，钳板除有咬合外，还有前后摆动和上下启闭等运动。上下钳唇 闭合后，接触处必须密合，上钳唇内侧与下钳唇前缘有0 5 m m 的间隙，与加工 的棉层厚度相适应。间隙过小，钳唇开启、闭合时会使棉层遭受搓揉，造成纤维 混乱；问隙过大，对棉层握持不良，会出现丝束状结构的棉网，落棉增多。早期 的钳板的钳唇结构多为一线啮合，新设计的钳板钳唇改为两线啮合。这样可以有 效的控制纤维，提高梳理效果，使纤维的伸直平行得到改善，条干的质量得到稳 定的提高i s , 6 。 精梳机钳板机构形式有三种，主要根据下钳板的摆动中心( 也即前摆杆的摆 动中心) 相对于锡林轴的位置高低来划分，如图1 1 所示。 上支点 中支点 下支点 图1 - 1 三种钳板机构形式 上支点式钳板摆动机构与下支点式比较，上钳板钳口与锡林梳针间的梳理间 隔变化较小，因此，梳理效果较好。同时，钳板向前摆动的后期，钳口向上抬高， 东华人学硕i j 学位论文 第一章绪论 有利于棉须丛进入分离钳i z l 和棉网的分离结合。另外，上支点中心到后分离罗拉 中心的水平距离可以根据工艺要求进行调节，调节后，不影响梳理隔距和钳板的 摆动过程，可适应加工不同长度原棉的需要。钳板摆动的动程也比较小，有利于 机器高速。相对于上下支点式钳板摆动机构，中支承式的钳板结构简单，钳板座 连杆在前后摆动过程中作近似平动，其梳理隔距基本上是等隔距梳理的，梳理比 较彻底，因此，目前的主流精梳机大多采用中支承式的钳板机构【5 6 j 。 1 2 课题的提出和主要研究内容 1 2 1 课题的提出及研究意义 目前，纺织工业的技术进步正在不断深入，新型纺织机械的研制开发工作也 在不断发展中，而精梳机的发展已成为棉纺企业实现高品质发展的重要标志之 一。自2 0 世纪8 0 年代以来，棉纺精梳机快速发展，其梳棉速度己由1 0 0 钳次分提 高至u 4 5 0 钳次分，随着速度的提高，高速精梳机的振动和噪声问题也变得十分突 出。精梳机速度的高低是衡量其技术水平的重要标志，因为精梳机的速度越高， 单机产量和劳动生产率就越高，精梳机的万锭配台、占地面积、用人和耗电也相 应减岁引。本课题来源于校企联合精梳机产品开发项目，旨在开发一款高效、可 靠、高速、高精度的精梳机。 由于速度的提高，精梳机的各部件运动将激起精梳机的强烈振动，而由振动 引起的一系列矛盾又严重地妨碍着精梳机速度的进一步提高。精梳机的主要振源 产生于实现梳理动作的摆动钳床组件的激振和分离罗拉等往复机构的惯性冲击 等。为进一步分析确定精梳机振动的原因，并对其进行结构抗振设计，国内一些 学者针对精梳机工作时振动问题，建立其钳板轴系统刚柔耦合动力学模型及中 间轴系统动平衡优化模型，进行运动学和动力学仿真。根据对精梳机的动态测试 及仿真分析结果，找出精梳机振动的主要原因，并在此基础上提出结构改进方案， 降低精梳机的整机振动。通过测试及分析得知激励精梳机振动的原因有【_ 7 】：工作 过程中不可消除的周期径向力；曲柄滑块机构的横向滑动载荷；套在钳板轴上的 摇杆机构做往复运动时对轴产生冲击；锡林轴系统的偏心引起的离心力。 在提高精梳机速度的同时，还应设法减小其振动响应，从而提高精梳机的动 态性能。精梳机支承结构是整个精梳机的基体，承受着载荷与各运动部件支承动 反力作用。精梳机工作时旋转零件的偏心力( 如锡林运转时产生的离心力) ，往 复运动周期性的冲击力( 如钳板机构前后往复运动产生的惯性冲击力) 均将由机 架承担。支承结构不合理会严重影响精梳机的正常工作。因此，深入研究精梳机 支承结构系统的动态特性是其设计、改进和优化精梳机的基础，也是保证精梳机 具有良好动态性能的关键。提高支承结构的动态性能将有助于提高整机的抗振能 4 东华人学坝i j 学位论文 第一章绪论 力。以往，精梳机支承结构设计多从承载静态最大负载的能力出发，而高速化精 梳机发展所带来的振动问题，则要求以动态的观点来进行设计。在进行结构设计 和建立c a d 模型的基础上建立精梳机支承结构系统动力学分析模型，研究其动 力学性能与动态响应，以指导和完善精梳机支承结构系统动态设计。因此，对精 梳机支承结构的动态性能研究具有重要意义。 1 2 2 课题的研究内容 本课题以某企业实际型号精梳机支承结构系统及钳板机构为研究对象，以提 高该精梳机支承结构系统适应高速( 即4 0 0 钳次分) 的动态承载能力为目标， 展开以下研究： ( 1 ) 精梳机支承结构系统c a d 与c a e 模型的建立 在有效建立精梳机支承结构系统三维模型的基础上，将c a d 模型较合理地 转化为相应的c a e 有限元模型，其中结构简化及联接关系研究是关键。 ( 2 ) 精梳机支承结构的模态分析 在有限元模型的基础上对精梳机支承结构系统进行模态分析，获得其固有频 率与振型，并对其低阶振型特性与支承结构问的关系进行必要分析。 ( 3 ) 精梳机支承结构的动态响应分析与动态承载能力研究 对精梳机支承结构系统进行稳态响应分析，以得出精梳机支承结构系统动态 响应特性。 ( 4 ) 精梳机支承结构系统的改进与完善设计 根据模态分析得到支承结构系统的固有频率与振型，并结合试验，找出影响 支承结构动态特性的主导模态，对支承结构系统提出改进方案并完善其设计。 ( 5 ) 精梳机钳板机构的优化设计 根据精梳工艺要求，对精梳机原有钳板机构进行优化设计，从主要振源上减 小其在工作时对精梳机支承结构系统的振动及噪声的激励。 1 2 3 课题的研究方法 深入了解支承结构系统的承载特性是对其设计、改进和优化的基础。过去对 支承结构系统的设计多选择用样机作参考，这种方法不仅费用大、试制周期长， 而且难以对多种方案进行动态性能评价。现在对支承结构系统的设计已发展到包 括有限元法、优化、动态设计等在内的计算机分析、预测和模拟阶段。计算机技 术与现代电子测试技术相结合已成为支承结构研究中十分行之有效的方法。实践 证明，有限元法是一种有效的数值计算方法，利用有限元法计算得到的结构位移、 应力和低阶模态特性可作为结构设计的依据或作为结构改进设计的基础j 。 由于国内外精梳机制造企业对其设计、分析及优化等内容在技术上的保密， 东华人学硕士学位论文 第一章绪论 现有文献中很少相关报道。但是通过查阅汽车车架、机床床身、重型机械机架等 相关支承结构的文献，不难发现对支承结构系统动态特性的分析主要是基于结构 动力学理论和有限元方法上展开的。一般的分析步骤如下：建立支承结构的有限 元计算模型，计算支承结构的固有频率与振型，对支承结构进行稳定性分析，从 中找出影响支承结构动态特性的主导模态，为其设计优化提供参考。 本课题以有限元理论和结构动力学理论为基础，对现有精梳机支承结构系统 的动力学性能进行研究；以优化技术为基础，对现有精梳机钳板机构进行优化设 计。将精梳机支承结构c a d 三维实体模型较合理地转化为相应的c a e 有限元 模型。在有限元模型的基础上，利用a n s y s 软件强大的功能，以了解支承结构 系统的振动特性及为改善结构提供理论指导为目标，对支承结构系统的动力学性 能进行研究。利用a d a m s 软件优化模块的优化功能，以“音响夹角”作为极 小化目标函数、上钳板咬合点在咬合瞬时加速度值作为极小化的目标函数对精梳 机上钳板机构进行优化设计，以达到减小上下钳板咬合时引起精梳机产生冲击振 动及噪声的目的。 1 2 4 课题的研究主线 本课题按照图1 2 中的线路展开研究： 图1 2 课题研究主线 6 第幸牿梳机芷乐结构系统史j ic a di 维模型 第二章精梳机支承结构系统及其c a d 三维模型 精梳机支承结构系统赴整个精梳机的基体，承受着载荷与各运动部件支承动 反力作用。精梳卡) l - j ：作时旋转零件的偏心力( 如锡林运转时产! l - l q , j 离心力) ，往 复运动周期性支承动反力( 如钳板机构前后往复运动产生的惯性激励力) 均将由 支承结构承十e 。支承结构不合理会引起其过大振动而严重影响精梳机的萨常工 作。因此，深入研究精梳机支承结构的动态特性是其设计、改进和优化的基础， 也是保证精梳机具有良好动态性能的关键。提高支承结构的动态性能将有助于提 高整机的抗振能力。本章将在结构设计的基础i 二建立精梳机支承结构系统的 c a d 模型，并介绍其结构特点及其一【作时的承载情况。 2 1 精梳机支承结构系统o a d 三维模型 某企业实际型号精梳机支承结构系统( 机架) 采用的并非是常规的箱体式结 构，而是采用墙板与联接轴组合式的新结构。根据该企业提供的实际结构尺寸， 首先运用s o l i d w o r k s 软件建立了该精梳机支承结构系统的j 维实体模型，如图 2 1 所示，该支承结构系统主要由九块墙板、三根固联轴、两根固联板条a 、两 根固联板条b ，以及与墙板轴承联接的锡林轴、上钳板轴、f 钳板轴、上支点轴、 摆轴、台面压辊轴、喂卷罗拉轴、分离岁拉轴等零部件组成。 图2 1 精梳机支承结构系统三维实体模型 东仁人学坝i j 学位论文第一：章精梳机支承结构系统及ic a d 三维模型 该支承结构系统的最大外围尺寸为：x y z = 7 9 9 m m 1 2 5 9 m m 4 1 9 8 m m ，各零部件数量及主要尺寸如表2 1 所示。 表2 - 1 支承结构系统的主要零部件数量及尺寸 序号零部件名称主要尺寸( m m ) 数量 1 墙板 7 9 9 x1 2 2 9 x 3 69 直径：3 5 2 定位联接轴3 k ：4 1 9 8 截面：6 0 x 2 0 3 联接板条a 2 长：4 0 9 2 截面：3 2 x 2 0 4 联接板条b 2 长：2 0 4 6 直径：舛5 5 锡林轴 1 长：4 2 1 6 直径：1 r 4 5 6 上钳板轴 1 长：4 2 1 6 直径：( i ) 4 5 7 下钳板轴 1 k ：4 2 1 6 直径：m 1 4 8 上支点轴1 长：4 2 1 6 直径：m 3 0 9 摆轴 1 长：4 2 1 6 直径：3 0 1 0 台面压辊轴 1 长：4 2 1 6 直径：西1 0 1 1 喂卷罗拉轴 2 长：4 2 1 6 直径：1 0 1 2分离罗拉轴2 长：4 2 1 6 1 3 地脚直径：1 0 0 1 8 1 4 胀紧套 内径：9 3 5 2 7 此外，图2 - 1 所示结构的两端，其驱动运动轴与车头、车尾联接方式不同， 进而引起其两端的约束不同，即：车头处( 第一块墙板) 锡林轴孔、上钳轴孔、 下钳轴孔等位置的端面，约束了其z 方向位移；车头处( 第一块墙板) 锡林轴、 上钳轴、下钳轴、前分离罗拉轴、后分离罗拉轴、台面压辊轴和三根机架定位轴 的端面，约束了其x 、y 、z 三个方向的位移；车尾处( 第九块墙板) 喂卷罗拉 轴、毛刷轴和三根机架定位轴的端面，约束了其x 、y 、z 三个方向的位移。 第二章精梳机支承结构系统乏jlc a di 维模瞿 2 2 精梳机支承结构系统的结构特点 该型号精梳机支承结构系统主要由九块墙板、三根联接轴、两根联接板条a 、 两根联接板条b 、锡林轴一i 二钳板轴、下钳板轴、上支点轴、摆轴、台面儿：辊轴、 喂卷罗拉轴、分离罗拉轴等零部件组成。各墙板由三根定位联接轴、两根联接板 条a 及两根联接板条b 联接为一体，各块墙板之间的距离为5 0 5 m m 。定位联接 轴与墙板通过胀紧套进行联接，如图2 - 2 ( a ) 所示；联接板条与墙板通过螺栓进行 联接，如图2 - 2 ( b ) 所示；锡林轴、i ：钳板轴、下钳板轴、上支点轴、摆轴、台面 压辊轴、喂卷罗拉轴、分离罗拉轴等轴与墙板是通过轴承联接。其中，墙板又由 五个部分组成，各个部分之间用螺栓联接而成，如图2 3 所示。地脚通过螺栓与 墙板联接在一起，各个地脚放置在对应地面托脚上。 ( a ) 定位轴与墙板问的联接( b ) 墙板与联接板条的联接 图2 2 胀紧套属于轴孔过盈联接中的辅助件，主要用于轴孔类零件的紧密装配，以 实现零件与轴的联接。胀紧套联接不同于一般的过盈联接，使用胀紧套联接可使 零件制造和安装简单，调整方便。该胀紧套是由具有一定斜度的内外环及轴向摊 s 4 f , j 成，如图2 4 所示，内外环分别与轴和墙板孔相配合。胀紧套在内外环锥面 的作用下，产生径向力，抱紧墙板和机架联接轴。胀紧套夹紧前，外坏与墙板、 内环与机架联接轴之间存在着一定的i h j 隙，通过调节轴向推环，i ， 消除外环与墙 板、内环与机架联接轴之间的间隙。为了使得装配更加可靠，需要进一步调节轴 向推环，以产生足够的夹紧力。 幕币 1 【梳 1 支，r 结构系统及j ic a d 二二维模型 图2 - 3 墙板结构三维图 图2 - 4 胀紧套三维图图2 5 地脚三维图 2 3 精梳机支承结构系统的受力分析 该型号精梳机的梳棉速度要求由原来的3 5 0 钳次分提高到4 0 0 钳次分，而 o 铺一摹牿梳机支承结构系统支j ic a d 二- ：f f # 模型 随着速度的提高，精梳机的各部件运动将激起精梳机支承结构系统的强烈振动， 使得支承结构系统的振动和噪声问题变得突出。精梳机支承结构系统是整个精梳 机的基体，承受着载荷与各运动部件支承动反力作用。精梳机工作时旋转零件的 偏心力( 如锡林运转时产牛的离心力) ，往复运动周期性的动反力( 如钳板机构 前后往复运动产生的惯性力) 均将l | i 机架承担。 精梳机支承结构系统所承受的载荷兰要米源其t 运动机构，t 运动是。| 起 支承结构系统主要振动之源。主运动机构包括分离罗拉传动机构、钳扳机构、喂 给机构等。其中钳板机构前后往复运动产，l - ：f l j 惯性冲击力对支承结构系统的振动 影响最为突出，因此，钳板机构性能的优劣在很大程度上决定了支承结构系统的 振动强弱。 精梳机的主要振源产生于实现梳理动作的摆动钳床组件与钳轴、分离罗拉等 非匀速往复转动机构。为进一步分析确定精梳机支承结构系统所承受的载荷，以 便对其进行结构抗振设计，在a d a m s 软件中建立精梳机主运动机构的虚拟样 机模型，并进行运动与动态仿真分析。精梳机j i 运动机构的虚拟样机模型如图 2 - 6 所示；在现有： 作速度为3 5 0 钳次分时，精梳机支承结构系统各承载点的载 倚峰值如表2 2 所示，整个周期的载荷情涉分别如图2 7 图2 1 1 所示。 图2 - 6 精梳机主运动机构虚拟样机图 表2 2精梳机支承结构系统单眼墙板上的受力情况( 3 5 0 钳次分) 车f i ：f l i s ；- 号 f f f l t ：y l 名称 载荷峰值l r i ，单位：n 载荷峰值i f ，| 单位：n l 锡林轴孔 1 4 3 9 3 41 4 1 0 1 3 2 钳轴孑l 1 6 5 6 6 6 1 1 9 9 8 2 3 卜i 钳轴孑l 5 1 0 ，0 11 9 0 0 9 东# 人学顺i j 学位论文第二章精梳机支承结构系统皮j ec a d 三维模型 4 上支点轴孔 4 1 6 9 73 8 6 5 7 5 摆轴孔 4 2 3 35 8 8 4 图2 7 单眼墙板上锡林轴孔处受力 图2 8 单眼墙板上上钳轴孔处受力 蔓：力( m受力( 卜d 4 5 0 o 慨n 八碱- 3 5 到 (扒州s 7 39 5 8 8 s 0 0 0 0 v 跚盆o0 0 90 1