（纺织工程专业论文）含运动副间隙的四杆打纬机构振动和涡动过程分析[纺织工程专业优秀论文].pdf

东华大学硕士研究生学位论文 中文摘要 含运动副间隙的四杆打纬机构振动和涡动过程分析 中文摘要 喷气织机四连杆曲柄摇杆机构是常用的打纬机构，而织机上打纬 机构的动态性能的优劣对整个系统的性能有着至关重要的作用。随着 织机速度的不断提高和多品种的要求特别是厚重型织物，对喷气织机 的打纬机构提出了较高的要求。四杆打纬机构的转速已从8 0 年代的 4 5 0 转分提高到现在8 5 0 转分甚至更高，现有的机构在运转过程中出 现了许多机械故障，例如：在织造厚重或宽幅织物时，直径中1 2 0 r a m 的摇轴发生裂缝甚至断裂，摇轴两侧的1 1 0 轴承磨损严重等一系列问 题。种种现象表明，高速织机打纬机构出现的新问题是动力学问题， 必然要从动力学角度对机构进行分析，找出问题原因所在。 本文将从机构的动力学分析入手，分析四杆打纬机构的动力学特 性：从1 5 1 5 有梭织机和z a 型喷气织机的机架和筘座的振动测量出发， 比较了两种四杆打纬机构的结构、运动学参数和动态性能。从动力学 和最优动态特性方面探讨了从1 5 1 5 织机到无梭织机的四杆打纬机构 演变过程，求得了连杆打纬机构的设计原理。并用弹性四杆机构的分 析方法，用有限元方法建立了打纬机构的弹性动力学模型，并通过 m a t l a b 求解得出z a 型喷气织机弹性四杆打纬机构的固有频率并改变 其部分设计参量，用以探讨在降低杆件重量的情况下，改变机构的固 有频率，为改善机构的性能、提供改进思路。 在运动学、动力学分析的基础上，进一步分析由运动副间隙引出 的含间隙机构动力学问题。本文以四杆打纬机构为研究对象，通过振 动谱线图发现连杆角速度等于零的位置是滑动轴承含间隙的曲柄摇 杆机构强振动的高发区域，用含间隙滑动轴承的轴颈中心轨迹，研究 和分沂了含运动副间隙的四杆机构的振动特点，发现最强振动发生在 连杆角速度为零和轴颈中一i i , 轨迹偏一i i , 率小于0 1 时。并通过连杆、滑 动轴承系统的运动方程，研究轴颈静平衡位置稳定性和油膜支承轴颈 振动的特点。 东华太学硕士研究生学位论文 中文摘要 关键词：四秆打纬机构，m a t l a b ，喷气织机、固有频率、运动 副间隙、油膜涡动 末睾大学醺士辑究生学谴论文 黄文疆篓 a n a l y s i so ft h eo s c i l l a t i o na n dt u r b u l e n c ep r o c e s so f 丁h e f o u r - b a rb e a t i n g u pm e c h a n i s mw i t hm o t i o nd u a lc l e a r a n c e a b s t 袋a c t w 油t h ec o n s t a n ti n c r e a s eo ft h el o o m ss p e e da n dt h er e q u i r e m e n tf o r v a r i e t yo ff a b r i c ，e s p e c i a l l yt h eh e a v y h b r i c ，t h eh i g h e rr e q u i r e m e n t sa r e p u tf b r w a r dt ot h eb e a t i n g - u pm e c h a n i s mo fa i r - j 娥l o o m s 。t h er o t a t e s p e e do ft h ef o u r - b a rb e a t i n g - u pl i n k a g eh a sb e e ni m p r o v e df r o m 4 5 0 r ，m i nt o8 5 0 r m i n o re v e nh i g h e r , t h ep r e s e n tm a c h i n eh a sat o to f m a l f u n c t i o ni nt h ep r o c e s so fr o t a t i n g f o re x a m p l e ，w h e nm a n u f a c t u r i n g h e a v yo rw i d ef a b r i c ，t h em c k s h a f fm a yc o m eu pw i t hc r a c k ，e v e nr u p t u r e ， a n dt h e110a x l e t r e es h o w ss e r i o u sa b r a s i o n ，e r e + ，t h e r e f o r e t h e b e a t i n g - u pl i n k a g em u s tb es t u d i e db yd y n a m i c sm e t h o da n dt h ec u r r e n t p r o b l e m sm u s tb es o l v e da sq u i c k l ya sp o s s i b l e t h i sa r t i c l ew a sw r i t t e nf r o mt h ev i e wo fd y n a m i c sa n a l y s i st o a n a l y z ed y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c s t a r t i n gf r o mt h eo s c i l l a t i n gm e a s u r eo f t h el o o mf r a m ea n dt h el a yo f1515s h u t t l el o o ma n d z a - s t y l ea i r - j e tl o o m 1c o m p a r e dt h es t r u c t u r e ，k i n e m a t i c sp a r a m e t e ra n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e o ft h et w ok i n d so ff o u r - b a rl i n k a g eb e a t i n g - u pm e c h a n i s m 。a l s o d i s c u s s e di nt h i sp a p e rt h ee v o l v e m e n tp r o c e s sf r o mn o 1 5 1 5s h u t t l el o o m t ot h es h u t t l e l e s sl o o mf r o mt h ed y n a m i c sa n dt h e o p t i m i z a t i o no fd y n a m i c c h a r a c t e r s ，a n dg o tt h ed e s i g np r i n c i p l eo ft b u r - b a rl i n k a g eb e a t i n g - u p m e c h a n i s m im a d eu s eo fm e t h o do ff i n i t ee l e m e n tt oe s t a b l i s ht h em o d e l o fk i n e t o - e l a s t od y n a m i c sa n dc a l c u l a t e dt h e r e g u l a rf r e q u e n c yo f z a 4 s t y l ea i r - j e tr o o mt h r o u g hm a t l a ba n dc h a n g e dp a r t so ft h ed e s i g n p a r a m e t e rt od i s c u s st h ec h a n g e so fm e c h a n i s m sr e g u l a rf r e q u e n c yu n d e r t h ec i r c u m s t a n c e so fm a s sr e d u c t i o nw i t hav i e wt oo f r e fi m p r o v e di d e a f o rt h ei m p r o v e m e n to f m e c h a n i s m sp e r f o r m a n c e 0 黎华走擎疆士礤巍擞学鞋谁交 甍：窭擒簧 o at h eb a s i so fk i n e m a t i c sa n dk i n e t l ea n a l y s i s ，t h i sa r t i c l eu l t e r i o r t y a 癌a l y z em e c h a n i s m 毒n a m i c s 激。巍穗裂雌c a u s e db ym o t i o r l 泓 c l e a r a n c eo fm e c h a n i s m 1 nt h i sa r t i c l elt o o kf o u r - b a rl i n k a g em e e h a n i s m a st h er e s e a r c ho b j e c ta n dt h r o u g ht h ep i c t u r eo fo s c i l l a t i o nl i n e d i s c o v e r e dt h et o e a t i o nw h e r ea n g u l a ra c c e l e r a t i o no f t h et i n k a g ee q u a l e d 洒z e r ow a gt h ef r e q u e n tg r e ao fs t r o n go s c i t t a 6 0 n 西c r a n k - - r o c k e r m e c h a n i s mo fs l i d i n gb e a r i n gw i t hc l e a r a n c e 1m a d er i s eo ft h ej o u r n a l s e e m r a lu a e ko fs | i d i n g 瓿 t d n g 顽瞧c l e a r a n c e 稔i n v e s t i g a t ea n d 程a i y z e t h eo s c i l l a t i o nc h a r a c t e r l s t 沁o ft h ef o a r - b a rm e c h a n i s mo fm o f i o r ld u a ； c l e a r a n c ea n dd i s c o v e r e dt 融tt h es t r o n g e s to s c i l l a t i o nt o o kp l a c ew h e nt h e a r 曝a ra c c e l e r a t i o no ft h el i n k a g ew a s7 e l 馨a n dt h ee c c e n t r i c i t yo f e e n t r a tt r a c ko fj o u r n a lw a sl e s s t h a n0 1 a l s oii n v e s t i g a t e dt h es t a b i l i 瓣t h el o c a t i mo fj o u m a i ss t a t i cb a l a n c ea n dt h ec t t a m e t e r i s t i co ft h e o s c i l l a t i o n o f o i l - f i l m b e a r i n g j o u r n a l 氇粥t l 潞k i n e t l e e q u a l i o m w r i t t e nb yo u y m a gb i n ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e 揪t 醅s e n i o re r 喾n e e rz h uz h a n g c h e n k e y w o r d s ：f o u r - b a rl i n k a g eh e a t l n g u pm e c h a n i s m m a t l a b a i r - j e tl o o me i g e n - f r e q u e r | c y m o t i o nd u a lc 2 e a r 整u e e o i l ，f i l mt u r b u l e n c e 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重卢明：我恪守学术道德崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，地 本人在导师的指导f ，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明嗣i 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，并完全意识剑本，目 明的法律结果由本人承担， 学位论文作者签名：定p 家 日期： 2 u u l f 年ff = t 纾日 附件- - ： 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，同意学陵保 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又的全部或部分内容编入有芙数据库进 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锌。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：敌伽破 指导教师签 日期：如舛年f 月f 珀 日期 东毕丈学硕士研究生学位论文第一啦- j l 言 第一章引言 无梭织机的发展是高速化、智能化、自动化、可靠性和多用性。 喷气和喷水织机的打纬机构使用着曲柄摇杆机构，四杆打纬机构的转 速已从8 0 年代的4 5 0 转分提高到现在的6 5 0 8 5 0 转分。随着织机速 度的不断提高、筘幅加宽和多品种的要求特别是织厚重型织物，运转 过程中打纬机构和织机出现了一些严重故障，具体表现如下： 织造厚重或宽幅织物时，中1 2 0 r a m 的摇轴或实心摇轴发生裂 缝甚至断裂； 机架振动加大，当喷气织机安装在二层以上时，中1 6 r a m 的地 脚螺丝被扭断； 摇轴两侧的1 1 0 轴承磨损严重。 由于织机转速的提高，对喷气织机的打纬机构提出了更高的要求。 机构中各构件将不像在低速工作状态下所具有的刚体性能，而是表现 出有弹性变形的特征；另一方面，由于有减轻机构构件重量的设计要 求，各杆件设计用料需尽量减少，整个机构变得轻，杆件本身已明显 具有弹性性能。因此，使得以高速为主要特征的现代织机己不可避免 地出现弹性变形。这种变形不仅改变了机构的运动特性f 运动失真) ， 同时也对其动力特性产生较大的影响( 疲劳破坏) 2 1 鉴于以上现状，对织机的打纬机构进行动力学分析和综合迫在眉 睫，必须通过分析，找出问题的内在因素，进而从量上作出判断提 出切实可行的机构优化改进方案，实现机架构造的最佳化和打纬机构 的轻量化以及最适度的平衡化。使机器在强度、紧凑性和振动上达到 较佳状态从而保证织机在高速状态下平稳安全运转。 1 1 关于连杆机构弹性动力学的研究发展1 2 3 4 1 目前研究织机四连杆打纬机构的资料虽然不多，但是对连杆 ：乙构 的研究一直在进行。在1 8 7 5 年，r e u l e a u x 定义了机构的概念，印经 可移动或转动的关节点连接在起构成闭链的刚体，并且一个杆件固 定，并且有确定的运动的刚体的组合。这一基本假定在以后的9 0 多年 里指导着机构设计思路。然而到了2 0 世纪6 0 年代，为了提高生产率， 东华，一学硕工研究生学位论文第一氍r j i 言 要求机构本身能量消耗降低、噪声降低并且更准确的输出。在这样的 运转情况下，本来低速情况下不明显的弹性现象，在高速机构中就起 到了决定性的影响。 当原动构件等速回转时，机构的加速度和角加速度，因而其惯性 力，与原动构件转速的平方成正比。随着机械速度的提高和机构柔度 的加大，构件在惯性力作用下变形加大了，这使得机构的真实的运动 与期望的运动之间产生误差。随着机构主动件速度的提高，激振力的 频率也随之提高了。而机构柔度加大时，系统的固有频率也随之提高 了，激振力频率与固有频率的接近增大了振动的振幅，也增大了发生 谐振的危险。其中最常见的一种低阶谐振现象一一即机构在低于其第 一阶固有频率的一系列转速下都可能发生谐振现象。周期性变化的动 应力会导致构件的疲劳破坏。此外振动还会带来噪声，恶化工作环境。 因此传统的、把构件看成刚体的分析与设计方法已不能满足现代机械 设计的要求。因为这些设计方法不能体现出连接在一起的弹性构件， 这就需求新的考虑部件弹性的设计方法。 考虑构件弹性的研究最早可追溯到3 0 年代，但作为导致形成一个 机构学分支的研究热潮是从6 0 年代有了电子计算机的支持才开始的。 连杆机构弹性动力学的研究开始于科学技术最发达的美国。6 ( ) 年代可 被认为是早期研究阶段，这一时期的研究工作较为零碎，未成系统。 由于计入弹性所带来的复杂性，早期研究者仅把部分构件( 往往是一 个，如四杆机构的连杆) 看成是柔性的，而且一般仅考虑构件的一种 变形形式，如对杆状构件常仅考虑其弯曲变形：在方程推导中也常引 入许多假设，从而使模型与实际情况相距较远。7 0 年代初期， w e n t r e y 、e r d m a n 、s a n d o r 将结构动力学中有限元方法移植到机目分 析中来，才使这一领域的研究克服了早期的模型过于简化的缺陷走 上了日臻成熟的发展道路。 连杆机构弹性动力学是7 0 年以后发展起来的。因为连杆机构的分 析比轴系和凸轮机构更复杂，必须用到有限元方法，所以它的发艇必 然要在计算机在工程中得到应用之后。“机构弹性动力学，i 盍一术语实 东华大学硕士研究生学位论文第一啦引言 际上就是随着高速连杆机构的研究而出现的。连杆机构弹性动力学的 研究和多柔性动力学的研究是大体同时地、平行地发展起来的。在机 构学领域，主要由于连杆机构高速化的要求，开创了机构弹性动力学， 英文称为k i n e t o - - e l a s t od y n a m i c s 简称k e d ，机构弹性动力学产生， 并在近2 0 余年间发展成为连杆机构动力学的一个新的分支领域，他的 任务是研究机构的部分或者全部构件被看作是弹性体时在外力和惯性 力作用下机构的真实运动情况和受力情况( 弹性动力分析) ，以及相应 的设计机构的方法( 弹性动力综合) 。 近2 0 年来，许多研究者致力于弹性动力分析与综合的理论研究、 实验研究合应用研究。“k e d ”已成为世界机构学研究的一个前沿领 域。虽然公开发表的文献中极少就如何将k e d 方法应用于具体机械 的设计作详细的介绍，但仍披露出，应考虑构件弹性的高速机械还有 纺织机械。 12 含间隙机构动力分析的研究现状 2 4 5 1 在平面机构中，构件常用转动副和移动副连接。在各运动副中会 有必要的间隙，因为由于各构件间存在着相对运动，所以各运动副的 配合是动配合，组成运动副组件间就必然会有间隙。此外在机械运转 过程中，正常的磨损也将增大运动副中的间隙，有时在作机械设计时， 为了降低制造成本而采用了精密等级较低的配合，也可能使间隙增大。 总之，在实际机构中，运动副中是必然存在着间隙的。 间隙的存在，使机构的实际运动合预定的运动间发生偏差。对于 精密机械，就需要估计这种偏差，或在设计中就要计及这方面的因素。 对于高速机械来讲，由于间隙，使运动副组件间发生冲击，增加丁机 构的动应力，导致组件加速磨损，产生噪音合振动，降低效率。丰纬 机构带动筘座作摇摆运动，从而完成钢筘把纬纱打入织口，间隙过大 会导致织口处布面的振荡。另外由于间隙产生的冲击力也会引起陶件 的较大变形。由于上述种种原因，需要研究机构运动副中的间隙时运 动的影响，以便正确地选择间隙的大小，估计实际机构运动的偏毪， 也可进一步在考虑运动副间隙情况下，进行机构的优化设计。 东华大学硕士研究生学位论文第一牵引言 基于以上的客观原因，许多学者、专家都投入到间隙动力学的研 究中来。对含间隙连杆机构动力学的系统研究，是从7 0 年代初开始的。 在此之前，考虑运动副间隙的机构分析，多属运动学问题，如误差分 析等。d u b o w s k y 等人在1 9 7 1 年提出了一个一维的冲击副模型，对运 动副元素接触表面的刚度特性、阻尼特性、接触力模型以及冲击力特 性等，进行了基础性的研究。之后，他又提出了一维冲击杆模型和二 维冲击环模型，并发表了一系列论文，形成了一套比较完整的研究体 系。迄今为止，所提出的含间隙副的动力学模型可分为三种： 以牛顿力学为基础建立系统运动方程的方法，这种分析方法考 虑运动副元素接触表面的弹性变形，是一种定量的分析方法，它比较 容易和各种机构动力学问题相联系。由于使用的力学工具简单，比较 容易掌握。在使用这种方法时首先要确定副元素接触表面的刚度系数、 粘性阻尼系数和库仑摩擦系数，对连杆机构，所得到的运动方程是二 阶非线性微分方程组； 根据冲量概念和动量定理建立系统的运动方程，所得到的是二 阶和一阶相混合的非线性方程组。用这种方法可以进行副元素之间的 冲击强度分析，但由于冲击碰撞的作用时间无法确定，所以无法求出 冲击力，因此是一种定性的分析方法。当机构中含有多个含间隙运动 副时，使用这种方法推导运动方程将遇到困难。在使用这种方法时， 要首先给出副元素材料的恢复系数； 根据“连续接触模型”，假定副元素接触表面无弹性变形将 原含间隙机构转化成无间隙多杆多自由度系统，用第一类拉格朗同方 程或第二类拉格朗日方程建立系统的非线性微分方程。由于力学模型 的误差较大，在求解过程中需作某些近视假设。使用这种方法可以避 开考虑运动副中的一些物理参数，如刚度系数、阻尼系数和恢复系数 等，给某些动力学问题的研究带来了方便，但因为该模型不能真实地 反映出副元素的撞击特征，对计算结果是否符合实际没有很大的把握。 润滑是减少摩擦与磨损的最重要的方法，至少在目前的技术条件 下是如此。润滑流体力学是研究如何使用流体膜有效地将运动副分隔 东华大学硕士研究生学位论文 第一怿弓l 言 开的问题。1 8 8 3 年彼德罗夫首先解决了两圆柱表面间流体润滑的平面 问题。这是粘性流体力学中不多的精确解之一，称为彼德罗夫润滑理 论。1 8 8 6 年流体力学家雷诺利用狭缝流假设简化了维纳一斯托克斯方 程，并与连续方程合并，导出了雷诺润滑方程。雷诺方程的出现，使 润滑流体力学逐渐完善并发展成为粘性流体力学一个重要的分支。一 个世纪以来，人们对这个雷诺方程进行了大量的研究，并在通过对它 的求解解决工程实际问题方面取得了巨大的进展。早期的纯解析方法 给出了无限宽轴承和无限窄轴承的性能分析，从而建立起轴颈轴承的 一些最基本的物理概念。1 9 1 8 年研究出最佳润滑膜形的雷利阶梯滑 块。1 9 3 1 年米切尔和金斯堡发明可倾瓦轴承。这些都是润滑理论上的 成就。近代利用电子计算机以数值方法求解雷诺润滑方程，几乎任何 形状复杂的润滑膜的实际工程问题，都可以借助于数值计算预测其特 征【6 ”。 鉴于以上现状，机构的间隙动力学理论，仍处在不断发展之中。 文献【8 】研究了含运动副间隙的曲柄滑块机构的动态特性。文献【9 】 把这些前沿理论用在喷气织机的动力学分析、研究了含运动副间隙的 曲柄摇杆机构的动态特性，对通过滑动轴承合间隙时的轴颈中心轨迹 及油膜径向轴向分力与轴承负载之间的平衡，研究含运动副间隙的四 杆机构的运动特点，探讨四杆机构主振动的区域及其成因。 1 3 本课题研究工作的实用价值与理论意义 现代机械设计已从原来发展较成熟的、为实现某种功能的运动学 设计逐渐转向了以改善和提高机构运动和动力特性为主要目的的动 力学综合。机构动力平衡、含间隙机构动力学等，已成为现代机械动 力学领域的重要前沿课题和新分支，在近一二十年有了长足发展。国 际上对此开展了全面、深入的研究，取得了丰硕的成果。我国机淘学 者在这些领域也进行了一系列的研究，并己取得了重要的进展，尤其 是在机构动平衡理论及方法，含间隙机构动力学分析等方面的理论研 究。机械动力学已发展到了一定的阶段，但我国目前的总体设计水平 落后，还停留在静态漫计阶段，甚至还存在大量的模拟设计。要改变 东华人学硕士研究生学位论文 这种厩状，就必须重视动力学分析和综合领域理论的研究和排广。这 就是本课题的理论意义。 现代织机的高速化是其发展的趋势之一，随着织机转速的提，l i ， 目前打纬机构出现的一些问题，已成为织机进一步发展的障础，特别 是高速化的发展趋势，这些问题归根到底多是动力学的问题，因此必 须分昕故障产生的深层次原因，从量上作出判断，提出打纬机构的改 进方案和发展前景。这也就是本课题的实际意义。 14 本课题所用的计算工具- - m a t l a b 介绍i 2 l m a t l a b 作为线性系统的一种分析和仿真工具，最早开发并i l i 式 作为产品推出始于1 9 8 4 年，是目前科学计算领域中常用的一套高性能 的数值计算和可视化数学软件，被誉为“巨人肩上的工具”。 m a t l a b 建立在向量、数组和矩阵的基础上，它集数值分析、矩 阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、接口友好 的用户环境。在这个环境下，对所要求解的问题，用户只需简单地列 出数学表达式，其结果便以数值或图形方式显示出来。 m a t l a b 的含义是矩阵实验室( m a t r i xl a b 0 凡玎0 r y ) ，主 要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。经过十 几年的完善和扩充，现己发展成为线性代数课程的标准工具。在美国， 各著名大学早在8 0 年代末已把m a t l a b 列入电气工程类专业课程的 教学计划，成为大学生和研究生必修的课程和实验环境中必须掌握的 技术工具。 m a t l a b 中包括了被称作工具箱f t o o l b o x ) 的各类应用题 的求解工具。工具箱实际上是对m a t l a b 进行扩展应用的一系列 m ，- f l a b 函数( 称为m 文件) ，它可用来求解各类学科的问题，也括 信号处理、图像处理、控制系统辨泌、神经网络等。随着m a f i k b 版本的不断升级，其所含的工具箱的功能也越来越丰富，因此，啦用 范围也越来越广泛，由最初偏重于自动控制领域逐步向信号处理、图 像处理以及工程问题求解等领域发展，成为涉及数值分析的各类【= 程 师不可不用的工具。 要堡查兰堡兰婴壅兰兰焦篓三 第一章引苦 本文蘸有豹计算均基予m a t l a b6 5 舨。 1 + 5 章节安排说嗣 本文研究对象是z a 2 0 5 i 型喷气织机的凹杆打纬机构，如图1 所示。 l 一曲柄2 一犟手3 一晕手销4 一摇杆5 一筘座脚 6 一筘座7 一定位条8 一异形筘9 一摇轴 图1 iz a 2 0 5 1 型喷气织机的四杆打纬机构简图 本文第二章酋先从机构的运动学、动力学分析入手，建立霞杼打 纬机构的动力学模型，分析机构的动态特性。第三章在比较了喷气织 缓机车硅有梭织机两释四杼打纬枫构的结构、运动学参数秘动态性能。 从连枵枫构的动力学设计原理和最抗动态特性方耍探讨并分析了高速 四杼打纬机构豹设计原理。第四肇用有限元的守法建立z a 2 0 5 喷气织 机的弹性四杆打纬机构模型，计算其一二三阶固有频率，并尝试改变 部分参数来观测对频率的影响。第五章用古问隙滑动轴承的轴颈中心 轨迹研究和分析了含运动副间隙的蹬轩：机构的振动特点。并通过连 杆、滑动轴承系统豹运动方程，研究轴颈静3 f 衡位嚣稳定性和漓膜三 承辘鲠振动的特点。第六章得出结论。 东华大学硕士研究生学位论文第二章四连杆机构的话动学 析 第二章四连杆机构的运动学分析 四连杆曲柄摇杆打纬机构是常用的打纬机构，图二1 为四杆打纬 机构的示意图。本文的分析、讨论均基于z a 2 0 5 型喷气织机，转速 6 0 0 转分。机构的x y 坐标系按实际工作位置取，如图2 1 所示取 曲轴轴承中心a 为坐标原点，即x 。= o y 。= o ；摇轴轴承中心d 点 的坐标为x d = 8 m m ，y d = 1 5 9 8 m m 。各构件的长度为：l a b = 3 5 r a m ， h c = 7 5 r a m ，l c d = 1 4 5 m m ，l a d = | 6 0 m m 。 图2 1 喷气织机打纬机构简图 本章节所有分析、讨论均基于如下假设： 不考虑各轴承副间的摩擦； 假定曲轴的速度不变； 各构件均看作刚体，其变形忽略不计。 21 机构尺寸数据计算 图2 2 为牵手的零件图，图2 3 a 为摇轴和筘座的部件图，图二3 b 摇杆的零件图。现以摇杆c d 零件图为例，计算其质量和转动惯l t 。 其它杆件基本数据的计算方法与摇杆c d 的计算方法类似。 东华大学硕士研究生学位论文第二章四连杆机构的运动学竹析 髟 l 然t 荔淞 图2 2 牵手的零件图 锂筘 图! 3 ( ； ) 摇轴和筘座的部件图 东华大学硕士研究生学位论文 图2 ：j 【b ) 摇杆的零件图 2 1 1 计算摇杆c d 的质量 设摇杆总质量为m l ，摇杆由摇杆和轴体组成，并分成左右两摇杆， 摇杆由摇轴部和牵手栓部组成。 摇轴部m l l 是一园柱体： m l i - - - - x 4 x ( 7 8 x 7 8 x 7 4 5 0 5 0 x 7 4 ) 7 8 1 0 。 = 1 6 2 4 1 0 0 0 克 牵手栓部m 1 2 是0 6 0 的园柱体： m 1 2 = r d 4 x ( 6 0 6 0 x 7 4 4 0 4 0 7 4 ) x 7 8 1 0 3 = o 9 0 6 1 0 0 0 克 两部连接处m 1 3 是一扁平体： m 1 3 = ( 4 0 3 6 7 5 ) 7 8 x 1 0 。= o 8 4 2 1 0 0 0 克 轴的主体m 】4 是0 5 0 长1 2 0 的园柱体： m1 4 = r d 4 x ( 5 0 5 0 x1 2 0 ) 7 8 1 0 一= 1 8 3 7 1 0 0 0 克 将以上四部分的质量相加可以得到摇杆的总质量m ， m l = 2 ( m l i + m 1 2 + m 1 3 + m 1 4 ) = 2 5 二1 9 1 0 0 0 克 2 1 2 对摇杆c d 的转动惯量计算 设摇杆总转动惯量为f t 。根据所求得的各部分质量m m mn 1 、。， m 分别求摇轴部转动惯量牵手栓部转动惯量i 。：连接处转动惯 量f 。摇轴主体部转动惯量l m 1 1 l = 1 8 ( m i i ) ( d 2 + d 2 ) = ( 1 6 2 4 ) ( 5 0 5 0 - - 7 8 7 8 ) 8 = 1 7 4 2 5 k g m m ! 蠢拳戈学壤士耩竟垒掌经瓷嶷第二黎转连耪较鞫抟避鞠带分辑 往= i 8 ( m 1 2 ) x ( a 2 州3 ) 。( o 9 0 6 ) x ( 4 0 x 4 0 + 6 0 x 6 0 ) 8 = 5 8 9 k g m m 2 l 球= 1 t 2 ( m 舞x ( b z 爵，8 4 2 1 2 ) x ( 4 0 4 0 + 3 6 x 3 6 ) 1 2 = 2 0 3 。2k g m m 2 l 4 = i 8 ( mf 4 ) ( d 2 ) m ( i s 3 9 9 ) ( 5 0 5 0 ) 8 = 5 7 4 k g m m z 是= 2 强 十i 站睾i 驴鼬 3 x 7 2 。十撼瞧l 题2 = 2 x ( 1 7 4 2 5 + 5 7 4 + 5 8 9 + 2 0 3 2 叼8 4 2 x 7 2 2 + 。，9 0 6 x1 4 5 b - - 2x 2 6 5 2 0 k g m m 2 运麓炎叛熬穷藏藏零 粤嚣主足寸数鼷求褥羚纬瓤麴冀它稳律豹 麓奉数撩，魏裘2 1 辩示。 袭2 疆扦打终帆构器毒手馋弱点糕参数 抒佟甓髂 舞长( r n m )鹱由 m 她爨壤辑参谖瞧| k g c r a ) 鼗藕a b 3 53 6 23 5 名1 5 5 牵手8 g 7 52 72 x 2 ，2 71 1 s 罐括耪1 4 56 32 5 。2 5 2 8 梳菜a 耪 街 舞褒 4 4 4# 6 l1 4 0 3 + 5 筘窿瓣9 25 2 35 i 1 9 ，s 疆辘 0 5 6 。5 7 然。4 窆。2 掇搬戆运魏擎势躲 2 。2 逡巍数攀摸鬻 楚慧辫蘸瓣转淤，器、c 患靛撼纛簿涟之羧蹩，馥憩崽黉黎褥辕 美经移骢交健。 窝三一2 裴耧接秽慧凄汞激熬 束华土= 学硕士研究生学位论文 第二章四连轩机构的越动学”析 如图2 4 由点a 的位置推求点b 的位置： x b = x - a + l a b x c o s ( 伊 ) ： y b = y a + l a b s i n ( 妒 ) ； f 2 1 、 杆长l b 。和l 。d 已知，在三角形b c d 中由点d 和点b 的坐标可以 推求8 d 的距离： y b d = y d y b ； x b d = y d - - x b ； l b d = ( x h d x b d + y 川y b d ) 1 佗；( 2 2 1 由b d 纵横长度比可以求出l d b f 的角度，再由三角形d b c 的三边 的长度运用余弦定理，可以求出_ d b c 的角度，两角度相减可以得到 妒b 的角度。 由点d 的位置和杆b c 的倾角r p b ，可求出点c 的位置和杆c d 的 倾角缈c 。 再以摇杆c d 为例，说明运动学模型的建立过程。如图2 1 所 示，根据c d 杆的几何关系，有如下向量成立： t d = t 。+ t d t 。f 2 3 、 由式( 2 - 1 ) 对x ，y 方向投影得： 心3 繁+ 要。? c f 2 - 4 ) l 匕= i + 巧一r 对式( 2 - - 2 ) 分别求阶导数和二阶导数得到方程组： 0 j v ? _ 0 3 x x z ：黔 b s 、 l 旷“= 。+ 。“【，一。r 。) 爿24 “占“。( ，一t ) - - o ) c d j y j 一r 。)1 2 6 、 a 山= 4 。，+ s “( ，y ，一x 。) 。“一x ( l 一) 同样根据牵手b c 、曲柄a b 的几何关系，有如下式子成立： ， 。叫“。譬m 、 b ? 、 j t 。= 圪。+ 0 3 。( x 一x ) 东华丈学硕士研究生学位论文第二章四连杆机构的惩功学 析 f a 。= a k 一国：( 。t 一。) 一岛。( 1 一匕) l 一叫= 爿h 一孟( 1 一l ：) + s c ( x 。一x ) f = v 。一甜。( y b y 。) i = 矿。+ 国( x 一x 。) f 2 8 1 2 9 、 j 爿n2 一“一。( 一一“) 一s “一。( 圪一r ”：1 1 ) 1 ；a 却= a r 一国孟( k 一匕) + t n ( x ，一x 。) 式中：x 。、y 。、x b 、y b 、x 。、y 。、x d 、y d 表示运动副a 、b 、c 、d 处的坐标； v 。v b v 、v b 。、v h 、v 。、v 。v 、v d x 、v d v 表示运动副a 、b 、 c 、d 处的速度： a a x 、a a v 、a h x 、a h v 、a 。x 、a 。v 、a d x 、a d 。表示运动副a 、b 、 c 、d 处的加速度； 、占、“、表示分别表示曲柄a b 、牵手 b c 、摇杆c d 的角速度和角加速度。 其中a b 和各坐标值已知，s 、a 。a 妒a 小钆y 、v 。v h v 、 为零。 最后， 联立方程组( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 一i o ) 即可 求得表示四连杆打纬机构运动特性的诸多指标值，如摇杆的角位移、 角速度、角加速度等。 22 2 机构的运动性麓分析 四连杆打纬机构的运动性能取决于四根连杆的杆长。织机利用惯 性打纬，当曲柄位于前死心附近时，摇杆角加速度的绝对值较大。圈 2 5 表示津田驹z a 系列喷气织机打纬机构摇杆的角加速度和角速度曲 线，横坐标为曲柄转角，纵坐标为摇杆的角速度和角加速度。从阁中 可以看出，在曲柄转速为6 0 0 转分时，摇杆最大角加速度为1 4 8 1 弧 度秒二。加速度值越大，惯性打纬力电就越大。 查望叁兰望主型究生学位蛩文第二荜四连样机构的越曲肇分析 ( n )角加速度曲线 蓝牺转角，( 。) ( b ) 角速度曲线 图2 5 摇杆角加速度和角速度曲线 由图2 5 ( a ) 可见，在正加速度区域，加速度曲线曼驼峰状，加速 度在较小的幅度内波动两次。最大正加速度是最大负加速度绝对值的 l ，程负加速度区只有一个峰值。驼峰区域对应予弓l 纬阶段，平超的 蓝线有利于稳定弓l 纬。在盛辆目转一尉过程中，琵加速度医约占2 4 2 。， 负燕逮度区约占1 1 8 。正负加速度区域豹完全不越称是短零芋打；b 枫 构的典型特征。， 2 3 机构的动力学分析 2 3 1 机构动力学方稷的建立 蛔圈2 1 所示的四秆打纬机构直角坐标系，将各构件分离并。i je 备运动翮中的约束反力、惯性力、平衡力矩等，对各杆件进行动惠静 力分拆1 4 j 4 , 25 1 ，如强2 6 囊示： 善蒜毒蜒唆岷 东华大学硕士研究生学位论t第_ 二章四连样机构的运动学分析 图2 6 打纬机构备构件的受力分忻简图 如图2 6 所示，为打纬机构的受力分桥简图。根据达朗伯原理， 得出如下系统的动力学方程( 矩阵形式) ： l0l0000 00 0l0l00000 为一鬈五焉艺一五一五l 00001 00一l 0 l0o 0o o00- 10 l oo o 00 巧圪冀瓦场一一000 0000一l0lo o 00000- 10lo 0000 一匕也一挺00 0 一，a 施 一，d v ，is 曲 一f b c 。 一fb 。 i2 占船 一fc 妊一f 缸x fc 如一f 培p l 、d + ii sk 式中：x 。、y a 、x b 、y b 、x 。、y 。、确、y d 为运动副a 、b 、c 、d 的 坐标； f 嬲、f r a y 、f m ”f r b y 、f 啉f、f 心、f 心分剐为运动副a 、b 、 岛如岛艮岛胁 东华大学硕士研究生学位论文第二章蹦连杆机构f f l i g | , k 析 c 、d 处x 和y 方向上的分力； c l 、c 2 、c ”c 4 分别是杆a b 、b c 、c d 、d e 的质心，则x 。l 、 y mx 。2 、y 。2 、x c 3 、y 。3 为各杆的质心坐标： f 。b 。、f 。b ”f b c 、f b q 、f 。d x 、f c a y 、f d 。、f a e 。分别为杆a b 、b c 、 c d 、d e 质心处x 和y 方向上的惯性力： 【l 、1 2 、1 3 、【4 分别为杆件a b 、b c 、c d 、d e 相对于点a 、b 、 c 、d 的转动惯量： 气、5 | = d 、气分别表示杆a b 、b c 、c d 、筘座d e 的角加 速度： m 。为机构的输入力矩。 2 3 2 动力学分析 由上述矩阵( 2 1 1 ) ，并对应于曲柄的每一位置( 计算中，取二。为 运算间隔) ，方程组可求出一组解，曲柄转过3 6 0 。，可以推得各运动 副的轴承力和输入力矩等随曲柄转角的变化曲线。 图2 7a 、b 、c 、d 轴承力 图2 ，7 分别表示曲轴轴承力f i 、曲拐轴承力f 二、牵手栓轴承：j 了n 、 摇轴轴承力f 。的矢量图， 东华大学硕士研究生学位论文第二章四连杆机构的运动学分析 图2 8a 、b 、c 、d 轴承力随曲柄转角的变化曲线 图2 8 是随曲柄转过3 6 0 。，a 、b 、c 、d 处的轴承力的变化曲 线。其中d 处的轴承力要比a 、b 、c 三处的轴承力大得多。 四杆打纬机构具有两个支承点，曲轴轴承和摇轴轴承分别支承在 机架上，曲轴轴承力和摇轴轴承力直接作用在机架上。由于四杆打纬 机构各杆件的非匀速运动，产生了周期性变化的惯性力和惯性力矩， 惯性力和惯性力矩通过曲轴轴承和摇轴轴承对机架引起冲击。四杆打 纬机构对机架的冲击力p 定义为曲轴轴承力与摇轴轴承力的代数和： p x = f 1 x + f 4 x p y = f 1 y + f 4 y ( 2 1 2 ) 图2 9 表示机构所承受冲击力的矢量图，由图可见，对于z a 2 0 5 织机，冲击力在织机的深度方向上显得比在织机的高度方向上大得多， 这种力和方向上的特征，决定了这种织机的一些基本特点： 在织机的高度方向上冲击力显得不大； 在织机的深度方向上冲击力相当大，那术，机架在冲击力的 作用下，会在深度方向上移动；因此，机架与地面的联结就变成必不 可少了，即在这方面要求高了： 因此，打纬机构的设计不仅要减小冲击力的大小，还应合理 东也人学硕士研究生学位论文第二翥