（机械设计及理论专业论文）起毛机针辊系统结构性能研究.pdf

摘要 起毛机工作过程中曾出现针辊之问“打架”、共振、轴承提前破坏以及轴头 断裂等现象，严重影响了起毛质量和整机性能。 基于有关文献，针对上述问题和起毛机结构运动的复杂性，本文系统地建立 了起毛机针辊及其轴承的分析模型，并提出了系统综合性能的优化支承方案。 ( 1 ) 借助奇异函数和拉氏变换建立了多支承变截面梁的变形分析模型。针 辊在工作过程中受到皮带作用力、重力及公转惯性力、织物作用力等，将产生沿 锡林径向、切向的弯曲变形和针辊轴向的扭转变形。利用模型对简支、多支承辊 体的变形分析，可以求出工作过程中针辊的最大弯曲挠度扭转角度、最大合成 应力以及多个支承的最大支承反力等。 ( 2 ) 针对针辊的工况，建立了变截面梁的简支固支弯曲振动模型。起毛运 动属于行星运动，使得针辊的实际转速达到1 0 0 0 r r a i n 左右，而针辊的大跨度简 支结构决定了其弯曲固有频率较低。通过弯曲振动分析模型，可以求出针辊的前 五阶频率及其对应的振型和临界转速。由于模型的复杂性，多支承针辊的模态瞬 态等动力分析借助有限元软件a n s y s 8 1 得到了实现。通过频谱分析试验，两种 分析模型都有很高的求解精度。 ( 3 ) 基于前面的变形分析，建立了针辊轴承寿命分析模型。由一个工作周 期内每个支承转速和交变的约束反力，根据深沟球轴承的载荷及寿命分析公式， 确定出其使用寿命。 ( 4 ) 提出了针辊系统性能指标，并建了性能对支承位置的优化模型。一定 工况下，针辊的最大弯曲挠度、一阶固有频率及其支承最大支反力直接反映了针 辊系统的抗弯刚度、动力特性和轴承的使用寿命。以这些参数作为评价针辊系统 的性能指标，通过优化模型，得到综合性能最佳的支承位置，可直接指导辊体系 统的设计。 ( 5 ) 根据上述模型，本文利用m a t l a b 6 5 开发出了通用性较强的“起毛机关 键部件的系统分析平台”，成功用于厂方不同型号的起毛机的设计分析，得到的 优化结果已被采纳用于起毛机针辊综合性能的改善。 关键词：起毛机针辊、多支承变截面梁、临界转速、弯曲变形、扭转变形、弯曲 振动、多目标优化、轴承使用寿命 a b s t r a c t d u r i n gw o r k ，t h ep h e n o m e n ao f c o l l i s i o nb e t w e e nr o l l e r s ，v i b r a t i o no f r o l l e r s ，t h e f a i l u r eo fb e a r i n g sa n dt h eb r e a ko fs h a f t ，s o m e t i m e so c c u r , w h i c hh a v eb a di n t l u e n c e s o nt h eq u a l i t yo f p r o d u c ta n dt h ef i m c t i o no f t h ew h o l em a c h i n e b a s e do nr e l e v a n tr e f e r e n c e s ，c o n s i d e r i n gt h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v ea n dt h e c o m p l e xs t r u c t u r ea n dw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ye s t a b l i s h t h e a n a l y t i c a lm o d e l so ft h ew o r k i n gr o l l e r sa n di t sb e a r i n g s ，a n dt h eo p t i m i z e ds u p p o r t s c e n a r i of o rt h ew h o l ep e r f o r m a n c e 1 ) m a k i n gu s eo ft h es i n g u l a rf u n c t i o na n dt h el a p l a c et r a n s f o r m t h ed e f o r m a t i o n a n a l y s i sm o d e l so fb e a mw i t hm u l t i s u p p o r t sa n dv a r i a b l ec r o s s s e c t i o n s a r e e s t a b l i s h e d u n d e rt h em u l t i - t y p ef o r c e ss u c ha st h eb e l t se f f e c t ，t h eg r a v i t y , t h e i n e r t i aa n dt h ee f r e c to ft h a tt e x t i l e t h er o l l e rw i l lb e n di nt h et a n g e n ta n dn o r m a l d i r e c t i o no ft h ed r u n l ，a n dt w i s ta b o u ti t sa x i s w i t ht h e s em o d e l s t h em a x i m u m d e f o m a a t i o n s t r e s sa n dr e a c t i o n so f t h o s eb e a r i n g sc a nb ef i g u r e do u t 2 ) a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gc o n d i t i o n s t h ev i b r a t i o nm o d e lo ft h eb e a mw i t h v a r i a b l ec r o s s s e c t i o n si sb u i i t t h em o t i o no f t h er o l l e r sb e l o n g st op l a n e t m o t i o n s ot h er e a lr o t a t i o n a ls p e e dw i l lr e a c hi t sf i r s tc r i t i c a ls p e e da tw h i c ht h er o l l e rw i l l p r o d u c el a r g ea t t i t u d eo fb e n d i n g t h i sl a r g ed e f o r m a t i o nc a nr e s u l ti nt h e d e c r e a s eo ft h e i rb e a r i n g s s e r v i c el i f ea n dc o l l i s i o n sb e t w e e nt h e m w i t ht h i s m o d e l ，t h ef i s tf i v en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o nm o d e w i l ib ek n o w n b e c a u s eo f t h ec o m p l i c a t e ds t r i c t u r e t h em o d e lo f t h er o l l e rw i t h m u l t i s u p p o r t sw i l lb es e tu pi nt h ea n s y s 8 1e n v i r o n m e n t t h e s em o d e l sh a v e h i g ha c c u r a c ya n de f f i c i e n c yt e s t e db yt h ef r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i so ft h e r o l l e r s 3 ) b a s e do nt h ep r e v i o u sa n a l y s i s t h ea n a l y t i cm o d e lf o rt h eb e a r i n g ss e r v i c e1 i f ei s b u i l t ，d u r i n gt h ew o r kc y c l i c ，t h eb e a r i n g sl o a di st h ef u n c t i o no ft i m e u s i n gt h e r e l e v a n tf o r m u l ao fb a l l b e a r i n g t h e r o l l e r s b e a r i n g ss e r v i c e 1 i f ec a l lb e a n t i c i p a t e d 4 ) 1 1 1 ep a r a m e t e r sr e f l e c t i n gt h er o l l e rs y s t e m sb e h a v i o ra r er a i s e d w i t hw h i c ha n o p t i m i z e dm o d e la b o u tt h ep o s i t i o n so ft h o s eb a l lb e a t i n g sa n db e l t - w h e e li sb u i l t a n ds o l v e dw i t ht h es o f t w a r eo fm a t l a b 7 o t h er e s u l ti sh e l p f u lf o rt h ed e s i g no f t h ed r u ma n dr o l l e r s 5 ) b a s e do nt h o s em o d e l sm e n t i o n e da b o v e t h ea n a l y s i sp l a t f o r mf o rr a i s i n g m a c h i n e si s d e v e l o p e db yu s eo fm a t l a b 6 5a n dp u ti n t op r a c t i c ei ns o m e e n t e r p r i s e t h eo p t i m i z e ds o l u t i o nf o rt h ep o s i t i o n so fb a l lb e a r i n g si sa d o p t e dt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f r a i s i n gm a c h i n e k e y w o r d s ：r a i s i n gr o l l e r s ，m u l t i s u p p o r tv a r i a b l es e c t i o nb e a m ，c r i t i c a ls p e e d ，b e n d i n g m a dt o r s i o n ，v i b r a t i o no fb e n d i n g ，m u l t i o b j e c to p t i m i z a t i o n ，b e a r i n g ss e r v i c el i f e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：白j 南镌 签字目期： 训 年，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸垄盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝望盘芏可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：创匀镑 签字日期：钟 年多月 ，f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：，鼻) j 劾节琦饰c 上劫殉 裉公辞 通讯地址：丘许乍玮铱铀绣，鹰哟编9 ”季 导师签名： 签字日期： 电话：哆卜 口细鲴9 2 邮编：知j 够 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要：通过阅读相关文献，对起毛机的功能、工作原理以及目前研究的热点作了简要介 绍。结合实际工作过程中针辊系统结构出现的问题，基于弹性体和机械动力学理论提出了通 用分析模型、性能优化模型及其实现作为研究课题。借助m a t l a b 6 5 7 0 ，得到很好的实现。 1 1 概述 1 1 1 起毛机简介 棉毛织品在生产过程中需要进行起毛( 或称拉绒) 处理。起毛是该类织物后 期处理中较为重要的一道工序，通过起毛可增强织物的外观和手感、提高织物的 保暖陛和实用性【l l ，所以起毛质量对织物的档次起着决定性作用。起毛机一般分 为两类即织物刺果起毛机和钢丝针辊起毛机，本文着重讨论的是钢丝起毛机。 作为高度机电一体化产品，起毛机一般有机架、进布辊、出布辊、锡林、顺 针辊、逆针辊、清洁辊、叠布机和控制系统九部分组成，如图1 - 1 示为起毛机的 工作结构简图l l o 。 图1 1 起毛机工作结构图 1 一机架2 一进布辊3 一吸尘筒4 一清洁辊5 出布辊 6 一工作辊7 锡林8 一上架9 紧布辊1 0 一叠布机 织物起毛是依靠工作辊针尖与织物问的相对“微差运动”实现的。影响起毛 效果的因素主要有织物线速度( 布速) 、织物张力、起毛力等运行参数和针辊直 浙江大学硕士学位论文 径、锡林直径等结构参数，其中结构参数决定了起毛的范围和种类，运行( 工艺) 参数决定了起毛风格 8 】。其他因素如织物的种类、针布”、起毛工艺，也会影 响起毛的质量和风格。 因此，布速、织物张力和起毛力成为起毛过程中保证质量的主要工艺参数， 国内外许多厂家采取不同的措施来有效控制上述运行参数，使其有较大的调整范 围以满足不同风格的要求。如起毛机驱动系统的设计，先后经历了单台或两台电 机驱动、机械无级调速到相关部件的分散独立驱动、变频调速【”，控制系统由当 初的模拟仪表到现在的微机( s t d 总线，p c 或p l c 等) 控制，以及有关参数测 控手段的改善，大大提高了上述参数的控制精度和起毛质量。 1 1 2 工作原理 织物起毛是一个动态的物理过程，起毛风格及其质量受结构、运动参数的影 响。对于特定的起毛机，通过调整其针辊转速、锡林转速和织物速度可实现不同 的起毛风格和质量，如图l 一2 斜引。 v 由 图1 2 起毛原理示意图 起毛机各部件的运动方向如图示，逆针辊针尖朝向和锡林转向相反而得名。 虽然顺逆针辊针尖朝向相反，但其有关转速相似。这里，以逆针辊的起毛转速计 算为例说明起毛的原理。针辊白转同时还随锡林公转，其针尖速度是两者的合成 速度。设逆针辊自转产生的针尖速度为v ，米分，公转时产生的速度为v 2 米 分，自转速度为n i 转分，公转的速度为n 2 转分，针辊的有效半径为r 米，锡 林的有效半径为r 米，布料的速度为v 。米分。由图知，自转与公转方向相反， 浙江人学硕j 一学位论文 林的有效半径为r 米，布料的速度为vm 米分。由图知，自转与公转方向相反， 以针尖的朝向为f ，则逆针辊针尖的合成速度为： v i = 2 n & v 2 = 2 n 2 ( r + r ) v ”* 2 v l v z 由可以计算出逆针辊针尖的绝对速度v 。逆针辊对布料的相对速度，即 起毛速度v 起由图及假设针尖朝向为正方向可求出 v 逆商= v 针尖逆+ v 当针尖相对于布料的速度v 。 o 时，逆针辊在起毛，且其值越大，起毛的 力度就越大。当v 。赶= o 时，针尖相对于布料静止，这时针尖速度与布速相等， 对应针辊的转速即为零点转速。当vm * 0 时，针尖背向布面滑动，起到梳理的 作用，其绝对值越大，则其梳理的力度越大。所以，通过调整针辊转速、布速即 其相对速度，来调整起毛力的大小】【2 4 】a 1 1 3 研究情况 起毛机关键部件如锡林、进出布辊、顺逆针辊等采用独立调频电机驱动、工 艺参数微机闭环控制，使得起毛品种和质量得到大力改善。随着对起毛机理认识 的加深和现代测控技术的发展，起毛机的整体性能和自动化程度也日益得到提 高。文献【1 】对起毛原理及工艺进行了探讨，分析了影响起毛质量的因素，指出 织物张力大起出的毛密短，张力小起出的毛疏长，对起毛工艺参数的调整具有指 导意义；文献 3 【5 对起毛针布的组成结构及其对起毛风格的影响，做了较全面 的介绍；郑江文、孙中文在文献 8 中较深入地分析了工艺参数和针辊直径等结 构参数对起毛风格和质量的影响，指出起毛力的调整可通过调整针辊转速来实 现，织物张力的调整可以通过改变出布辊和进布辊的速差来实现：张进武在文献 【1 1 】中对引进起毛机的电气部分改造，提供了零点转速和起毛力的控制方案；陈 建国在文献【1 2 中，对引进起毛机的工艺参数控制板进行了改造，提高了控制的 可靠性；谢新仓在文献【1 0 中对起毛机整体的机电一体化设计、工艺参数的微机 控制原理( 如图1 3 示工艺参数之间的关系以数学模型的方式存储在微机之中) 及检测方案进行了概述，着重于起毛运行参数的控制及其实现。 浙江大学坝士学位论文 1 j 雾i 篙嚣：嚣警：器：主 罢票：嚣塞器耄星 墓喜：嚣鏊：璧 蔷亲羹宝嚣譬嚣 圭卷翥蛊鲁鐾要愤怎嚣 精洁辅安垒离台h 懈护盘停 蠢塞萋异墓蚕藿弹 亚卿特蚌宴慨护基母 彝謦鬻鐾摩墨护息停 鲁# 定位侍艚器 荐蓿暑捏建莲嚣露嚣 联机启功、停止、鼻俘输 外部崔力p 御叠 ，h 部张力 一期蔓 卅部电机崴辅按钒 * 林电凯正反转控制 唧辅电凯正厘转担删 # t # 自 进步电i f l , j e 厦转控翩 出市电机正匣转控制 孽市电机垂犀转担橱 鬻釜毫疑巷霉嚣相 霉萋鲁孰蹙槿耩甜 自市电机霉悸拉材 羹市电外起伴控村 联机j 苣营、停止、息停、输出拄制 ，嚣堆鼙拉翩 风# l j 自动、停止控舸 丹部速度迪蛊与摊力指示灯 图1 3 起毛机微机控制原理图 综上所述，国内外对起毛工艺参数的控制及其实现有了深入的研究，而对关 键部件一针辊系统的结构性能( 包括静动力学) 对起毛质量和整机性能的影响， 则鲜见报道。在起毛机设计过程中，如果针辊设计不合理，那么即使采用再先进 的控制技术也很难保证起毛的风格和质量。 1 2 问题的提出与课题研究 1 2 1 问题的提 n 起毛机针辊的大跨度结构和行星运动规律，使得其刚度、强度及动力学特性 成为影n 向起毛质量的关键因素。在工作过程中，因为其刚度太差造成过大的弯曲 扭转变形和很低的临界转速，使得针辊之间出现“打架”以及针辊轴承圈脱落； 为了提高辊体系统的抗弯刚度和固有频率，通过增加支承造成的过约束，会使辊 体薄弱部位产生疲劳而断裂，以及轴承过载而提前破坏等情形。这些情形小仅严 重影响起毛质量，而且使得起毛机不能正常工作而降低生，“效率等。针对上述问 题，研究辊体系统t 作过程巾的受力变形情况，以及提高相关性能将非常必要。 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 课题的研究内容 1 2 2 1 分析模型的建立 起毛机针辊的运动受力变形问题，属丁机构动力学范畴。下面对机械动力学 的研究内容及分析方法作简要介绍。 1 ) 机械动力学简介 机械动力学【27 j 是研究机械在力作用下的运动和机械在运动中产生力的科学。 其研究内容按任务分为两类：动力学反问题( i n v e r s ed y n a m i c s ) ，已知机构的运 动状态和工作阻力，求解输入转矩和各运动副反力及其变化规律；动力学正问题 ( f o r w a r dd y n a m i c s ) ，给定机器的输入转矩和工作阻力，求解机器的实际运动 规律。根据一定的假设，起毛机针辊的问题属于动力学反问题。 在机械动力学发展史上，先后提出了四种不同水平的分析方法，即静力分析、 动态静力分析、动力分析、弹性动力分析。在当代机械的分析与设计中，这四 种分析方法也仍然应用。 静力分析( s t a t i ca n a l y s i s ) 对低速机械，运动中产生的惯性力可以忽略不 计。对机械运动中的各个位置，可用静力学的方法求出为平衡载荷而需要在驱动 构件上施加的输入力或力矩，以及各运动副中的反作用力。 动态静力分析( k i n e t o s t a t i ca n a l y s i s ) 随着机械速度的提高，惯性力不能 再被忽视。根据达朗贝原理i l “，可以将惯性力计入静力平衡方程来求出需在驱动 构件上施加的输入力或力矩，以及各运动副的反作用力。这种分析方法称为动态 静力分析。在这种分析方法中要计入惯性力，而为求出惯性力又需要知道构件的 加速度。所以，在此之前需要进行运动分析。在进行运动分析时是假定驱动构件 按某一给定的理想运动规律运动的( 多数驱动构件均被假定为等速回转运动) 。 现在许多速度较高的机械，均用动态静力分析代替了静力分析。动态静力分析用 在动力学反问题中。 动力分析( d y n a m i ca n a l y s i s ) 在力的作用下，机械并不能维持“驱动构件 等速回转”的理想化假定。在实际的运动中常需要知道机械系统的真实运动。“动 力分析”的目的正是要求出在外力作用卜i 机械的真实运动，用于动力学正问题中。 弹性动力分析( e l a s t o d y n a m i ca n a l y s i s ) 在上述三种分析中，构件均被假 浙江大学硕士学位论文 定为刚性。随着机械轻量化、高速化地发展，构件的柔度、惯性力加大，尤其对 于一些高精密机械，需要计入弹性变形的影响。机械转速的提高和柔度的加火使 得激振频率和固有频率接近，会发生较强的振动现象，既影响机械的运动精度， 又影h 向构件的疲劳强度，并引发噪声。在此情况下，出现了考虑构件弹性的动力 分析方法一弹性动力分析。 机械动力学也和机械运动学一样，研究分析和综合两方面的问题。分析，即 进行现有机械的研究；综合就是设计机械使之达到给定运动学、动力学的要求。 对于弹性体的变形和振动，其规律为高阶微分方程或偏微分方程，尤其复杂 结构的边界条件，使得求解这些方程变得极其困难甚至不可能。随着计算机技术 和数值计算的发展，出现了解决这类问题的两种常用的数值方法，即有限差分法 和有限元法。这两种方法的特点是计算精度随差分点数或单元数而变化，要得到 较高精度就必须取足够多的差分点或单元，且各差分点或单元节点的值必须同时 求出，会有较大的计算工作量，尤其对于结构的优化设计。 由上所述，根据需要，起毛机针辊的分析模型主要是基于动态静力分析和弹 性动力分析的方法建立的。对于简支的针辊系统，采用动态静力分析法分析其受 力和变形；对于多支承“超静定”的针辊系统，由于结构的复杂性采用弹性体准 静力分析3 叩( k e s ) 的方法分析其受力和变形：对于针辊系统的横向弯曲振动形 态和固有频率的分析，采用了基下能量原理和里兹法的弹性动力分析方法，具体 如下所述。 2 ) 起毛机针辊分析模型 ( 1 ) 起毛机针辊的“行星运动”分析模型 起毛机针辊运动类似与齿轮系的“行星运动”，但又不尽相同。在运动过程 中，针辊自转的同时，还随锡林滚盘公转，而且“行星轮”针辊带轮只是间 歇的与“太阳轮”皮带接触。运用行星传动的转换机构法”】可以清楚地分析 起毛运动规律。 ( 2 ) 起毛机针辊的受力分析模型 起毛过程中，锡林电机、顺逆针辊电机对起毛均提供动力，起毛针辊既受到 如皮带作用力、支承反力等集中力，又受到如重力、惯性力、织物沿辊体全长的 作用力等分布力。而日，在工作过程中，针辊处于锡林不同周向位置时所受到的 皮带作用力、织物作用力不同。本文基于j 。方实际经验以及便于定量分析，对织 浙江大学硕士学位论文 物与针辊的作用采用“带传动模型”，并忽略了摩擦功率损耗。此外，对于多支 承针辊属于“超静定”结构，在求解支反力时需要联立弯曲变形协调方程进行。 ( 3 ) 针辊的弯曲扭转变形分析模型 针辊受到上述力作用将会产生沿锡林径向和切向的弯曲变形。针辊属于阶梯 轴( 中间为占辊梯总长超过4 5 的空心钢管，且为工作部件) ，尤其对于采用多 个支承的过约束形式，使得求解其弯曲变形变得困难。有许多文献对变截面梁的 弯曲分析，提供了多种解析和数值方法。文献【2 0 提出了用有限差分法求解变截 面梁的弯曲挠度的数值算法；文献【2 1 提出了基于弹性体能量法分析变截面梁弯 曲挠度的方法；叶开沅等提出了一类解决变截面梁变形、振动、稳定问题的方法 阶梯折算法 1 7 】，但不太易于程序实现；陈连等在文献【1 9 中提供了变截面梁 弯曲变形的通用解析表达式，但物理意义不太明确；本文基于后两者提出了弯曲 分析模型，不仅可以求出反映抗弯刚度的弯曲挠度转角，而且还可以分析反映其 强度的弯曲应力等。尤其对于多支承变截面梁，通过变形受力分析还可以求出支 承的作用力，为改善轴承寿命和性能优化提供依据。 ( 4 ) 针辊横向弯曲振动分析模型 通过运动分析，针辊的自转速度高达1 0 0 0 r m i n ，接近简支针辊的一阶临界 转速，由于针辊的偏心，工作过程中会产生较大的振动。文献 2 2 2 4 基于传递 矩阵和集中参数法建立了阶梯轴的横向弯曲振动模型，并给出了其解析解，但极 其复杂计算量大不易程序实现。为有效地分析针辊系统的固频及其振型，本文基 于弹性体能量原理，采用瑞利里兹法 2 5 也9 1 建立了变截面梁的动力学方程，并根 据边界条件求出了相应的固有频率及其振型。对于多支承针辊系统，由于模型的 复杂性本文基于a n s y s 8 1 利用其a p d l 5 6 5 7 1 i 具建立了以梁单元为主的有限元 模型，可以对一系列针辊系统进行模态、谐态和瞬态等动力学分析 2 5 3 7 1 。 ( 5 ) 针辊轴承分析模型 当针辊最大弯曲挠度在许用范围内，轴承最大作用力小于其极限额定静载荷 时，轴承正常工作一段时间后将会产生疲劳，即达到其“寿命”。基于文献 4 3 4 4 1 ， 本文系统地建立了滚动轴承的分析设计模型，对于其故障寿命分析进行了较全 面的阐述。 ( 6 ) 针辊系统性能优化模型 定工作条件下，针辊的最大弯曲挠度、最大弯曲应力、一阶固有频率、最 浙江人学硕上学位论文 大支承反力等反映了辊体系统的综合性能。本文根据生产中出现的问题，注重提 出了反映辊体刚度、固频和轴承使用寿命的三个指标，基于上述模型建立了综合 性能关于支承位置和带轮位置的多目标优化模型h 5 m 1 。结果表明，优化模型具 有一定的指导意义。 1 2 2 2 模型的实现与求解 基于上述诸理论模型，借助m a t l a b 强大的数值计算和可视化功能以及 g u i d e ，开发出了通用性较强的多支承变截面梁的分析系统。其中，g u i d e ( t h e m a t l a bg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) 是m a t l a b 6 x 软件 包中的一个工具，用于开发基于句柄( h a n d l e s ) 结构的类似于m i c r o s o f t v b 的图 形用户交互界面【5 2 【5 4 】 5 5 。用户可以将模型函数封装在利用g u i b u i l d e r 所开发的 图形化界面内，然后借助c o m p i l e r 5 3 】( 利用m c c 函数，但功能有限) 还可以生 成脱离m a t l a b 环境的独立应用( s t a n da l o n ea p p l i c a t i o n s ) 。但由于功能限制和产 权保护，并非所有的应用程序都可以编译生成独立应用。 c o m p o n e n t 酬e 1 1 e 图l 一4 am a t l a b 6 5g u i d e 界面 在借助模型分析时，需要输入较多的结构参数和工作参数，为便于集成到起 毛机参数化建模环境p r o e 中，丌发出了有关接口数据文件可实现其集成，如图 1 4 b 示。 浙江大学碗士学位论文 图1 - 4b 分析系统与其它系统的集成框图 根据对象的特点，借助有限元软件a n s y s 8 1 中的梁单元并利用其参数化语 言a p d l 建立了针辊模型，对其进行静态、模态和瞬态分析，所得结果与上述理 论模型的结果一致。这里的a p d l 是指a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ，即 a n s y s 参数化设计语言。a p d l 是一种脚本语言，不仅可以实现例行任务的自 动化以及有限元参数化建模，还拥有d o 循环、i f - t h e n e l s e 分支语句、以及矢量 矩阵运算等功能。a p d l 是实现优化设计、自适应网格化等高级功能的基础，同 时也为日常分析提供了方便口”5 7 j 。 根据有关模型，建立了多支承变截面梁系统性能关于支承位置的优化模型， 利用有关优化工具得到了可行的优化支承方案。由于分析模型的复杂性，如弯曲 分析和振型分析模型是支承位置的隐函数，难于利用传统的优化算法【4 5 】【5 卅进行 求解，而借助遗传算法或模式搜索可以很快寻优。本文利用浙江大学机械设计研 究所开发的基于仿生物算法h 6 - 4 9 1 的广义优化平台和m a t l a b 7 0 中的遗传算法及模 式搜索工具箱口”，均顺利地实现了求解。 浙江大学硕十学位论文 第二章起毛机针辊系统模型 摘要：根据起毛机复杂的结构和运动规律，以及工作过程中针辊 现的问题，本文按照 运动、受力、变形的思路，先后提出了相关的分析模型，为其程序的实现和优化模型的建立 提供了理论基础。最后，通过对针辊系统固频的频谱分析实验，验证了振动模型的可靠性。 2 1 针辊运动分析模型 织物起毛是个动态的物理过程，起毛风格及其质量受结构、运动参数的影 响。对于特定的起毛机，通过凋整其针辊转速、锡林转速和织物速度可实现不同 的起毛风格和质量。木模型采用行星运动的转换机构法【1 3 】，对起毛转速、针辊实 际转速与锡林转速和针辊电机通过皮带驱动针辊的转速之间的关系进行了探讨， 经实践证明是司。行的。 图2 1 是某型号起毛机3 6 根针辊的工作简图，图2 1 ( a 1 是逆针辊在其调频电 机通过皮带传动下的工作示意图，图2 1 ( b ) 是顺逆针辊以及前后导布辊对织物作 用的示意图。 图2 1 针辊工作示意图 图2 1 中，n o 表示主动带轮转速，n l 表示针辊的实际转速，n 2 表示锡林 转速，v b 表示织物线速度，d d 表示针辊带轮的直径，d b 为主动带轮直径，d ：表 示针辊的有效直径( 包括起毛针布厚度) ，d 表示锡林的有效直径。各部分的运 浙江大学硕士学位论文 动方向如图2 - 1 中箭头所示。根据“行星传动”，将针辊等效为行星轮、锡林等 效为行星架、与带轮“内啮合”的皮带等效为绕锡林轴线转动的太阳轮( 设其 等效转速为n 3 ) ，如图2 2 采用“转换机构法”可求出针辊转速n 1 。 图2 2 起毛行星运动示意图 由图2 - 1 ( a ) 知，针辊自转与锡林公转方向相反，在计算时以针尖的朝向为 正方向，n 2 以负值代入求n ，的计算式。设逆针辊针尖的自转线速度为v l ，随锡 林公转产生的速度为v 2 ，逆针辊针尖的合成速度为v z j r ，逆针辊的起毛速度为 v 。，则起毛转速n ，可由下列式子联立求解得： n 。d6 = n ，( d + d 。) f j = ( 。一n ：) ( ，一n ：) = ( d + d 。) i d 。 v l = 7 n 】d 。 矿2 = 7 t n2 ( d ：+ d ) ( 2 1 ) 矿。，= 矿l 一矿2 v ，= v ：，+ vh n ，= v ，( z d ：) n 。= ( 矿：一v 。) ( z d ：) 其中，前两式由行星传动“转换机构法”得出的，n z 应以负值代入( 2 1 ) 求解。 式中，n o 。表示“零点起毛”，即v f = 0 时针辊的转速：当速度v p o 时，逆针 辊起毛，且其值越大，起毛力度就越大；当v ， o 时，起梳理作用，其绝对值越 大，则梳理力度越大。同样，可求出顺针辊的转速关系式，这里不再赘述。 浙江人学硕士学何论文 2 2 针辊受力分析模型 针辊在起毛过程中，随锡林转动到不同位置，其皮带轮的作用力不同，重力 在转动的局部坐标系内的分力电不同，致使其轴承的作用力也会不同。下面，根 据力平衡方程着重讨论两端简支针辊的轴承作用力、皮带作用力和织物作用力对 针辊处于不同周向位置的分布规律。至于多支承的“超静定”针辊的受力状况需 借助变形协调方程，将在针辊弯曲分析模型中讨论。 1 针辊及轴承受力计算 图2 3 为针辊在起毛过程中某时刻的受力简图。 ! 凡i ，。f 、”、 i j 馥彬l 叫“矿1 m 名 “ u 4 _ 辚龋l ( a )( b ) 图2 3 b 针辊受力分析图 设锡林转速为n 2 转分，对应角速度为w 2 弧度秒：针辊转速为n i 转分，角 速度为w l 弧度秒，由针辊电机带动产生的转速为n 1 1 转分，锡林电机产生的 针辊转速n 1 2 转分，每根针辊质量为m 千克，有效长度为l 米，针辊的平均偏 心距为e 米：布料的甲均速度为v 。米分，织物的线密度为d e n s 千克米，起 毛张力分为紧边f ，2 和松边张力f t l 针辊中心至锡林中心距离为r 米。针辊带 轮直径为d d 米( 半径r d ) ，距近端轴承的距离为l d 米，针辊皮带的预紧力为f 。o o 牛，皮带产生的有效拉力为f 。牛，压轴力为q 牛，传动效率为玎。针辊所受惯 性力f 。有两部分组成( 这里不考虑偏心情况) ，其中f 。1 为公转引起的惯性力， f 。为针辊自转偏心引起的惯性力。设针辊轴承对针辊的作用力在局部坐标系 x o y 内的分力分别为n x 】，2 、n 。】，2 牛顿，对单根逆针辊在起毛过程中进行动力 学分析： ( 1 ) 相关位置及速度计算 塑垩查兰塑主兰些堕壅 1 = n 1 l + 1 2 l ：= ( d + 玩) 2 叩b d = 2 r t h = 0 0 1 0 皿= ( d o + 2 t h ) d d = 2 r a ( 2 ) 惯性力计算 ( 0 1 = 2 e r 1 6 0 o ) 2 = d r n 2 6 0 口2 屿f q = 口( n 一2 ) 1 2 n = z ( 3 6 2 ) ( 2 3 6 ) = 1 4 8 3 5 ( 8 5 。) 幺= ( 一2 ) 2 , l = z ( 1 8 2 ) ( 2 1 8 ) = 1 3 9 6 3 ( 8 0 。) f d1=m2 2 r ，口p l = 9 珊1 2 ， ，。= f ， f r2=fr2 l ，】= f 。l l ，。2 = g 22 ( 月+ ，) 尸。2 = g 。22 ( r r ) f a 。= f 。2 + f 。e l f ，。= f 。2 一f 。1 ，。= f 。+ f 。】 ，。= f 。+ f 。t ( 3 ) 根据达朗伯原理 1 4 j ，进行针辊受力计算 q = m g c o s 口 q = m g s m a 丝= 兄一f ) s i n o , h ( 白= o 只= 一f + m 。+ m ：十( f 2 一磊) s i n 0 , + q = 0 = 一q 十也+ m ：+ 兄+ c l 一( f 。+ ( ：) c o s 岛q = 0 峰= 也丢三+ f “4 z q 上十u ：一 ) 血日k 一圯：； 一卜【q 似( 厶一胁i i l 鸟协一e ( 岛+ 荨) = o 鸠= 鲁+ g 厶十等) + f 4 x e s o ，q l 一( z 。+ f , 2 ) c o s q 出一m ，了3 l t a l 4r1 一ix l 正，一q 三一( z + z 。) c o s6 1j 出= 0 若设零点起毛时织物的张力为f t o ，起毛过程中逆针辊两侧织物紧边张力为 = f t o + af ，松边张力为f t l = f t o af 。又根据带传动“。有关计算有关系式： 廿= e ( 瓦d d z s l n 0 1 ) q = 2 f oc o s 0 2 t 。划。萨p 万2 5 一1 ) + 硼矿2 e = a f , 3 浙江大学硕上学位论文 则通过卜述式了联立求得 n ，l = t ( 三d 三+ 1 ) 一fs i n 0 1 一o 5 g ， 薹麓l ，+ - 0 5 g - a + 1 ) + fs in0501nc o s 0 q ( l 1 g ，- 0 5 耻。娥2 5 ( 2 _ 2 ) 。1 = e o】+d 上+ ) + o 5 g ，一0 ，c t o ，c 。 n 。2 = foc o s q q 三d 三+ o 5 g ，一o 7 5 。一o 5 疋1 上述式中，f 。为单个针辊所受的皮带的有效拉力，f 。o 为单个针辊上皮带的 “名义预紧力”，它与皮带的预紧力有一定关系。f 。o 为单个针辊上织物的“名义 张力”，同样与织物的初始张力f o 也有一定关系，具体如下述。 2 针辊皮带张力计算 在针辊电机通过带传动带动针辊时，根据实际情况每根针辊所获转矩、受力 不同，以下标i 区别。下图2 - 4 为逆针辊运动示意图。 图2 4 起毛机运动简图 设第i 个针辊带轮的紧边拉力为f i e 2 = f 。e 0 + af 。松边拉力为f 。1 = f i 。o - f 。 则该针辊此时的转矩为： t i = ( f f ) sin 0 2 d 。2 = f i n d d si n 0 2 又针辊在起毛过程中由皮带传动的得到的转速n 。保持不变，所以该针辊上的功 率为 p i - t ，nl l = af , o d d n l l s i n 0 2 该针辊此时的压轴力为 0 ：= 2 f ，。o c o s 0 2 浙江大学硕+ 学位论文 同时，下一个针辊的紧边拉力为f 。m = f p t o - af 一f ，+ 2af ，。 ( 2 - 4 b ) 设顺逆针辊各十八根，起毛过程中有效针辊个数n e - 1 4 ，则有下面初始条件 f 。= f 蚰，f 。- f 。或h o = f mf h 。o - f 。o ( 2 - 4 c ) ( 24 c ) 式中n 为织物的初始张力。 通过上述各式可确定出针辊带轮的名义预紧力f 。，和织物的名义张力f 。” f 。，进而求出织物、带轮对针辊的径向压轴力，为后面的挠度应力分析做准备。 如上所述，设顺逆针辊数目均为nl ，工作针辊数目为n e 。如图2 4 ，f i e = 1 5 ， 以水平向右为起始位置进行逆时钊旋转， 则第一个工作针辊的位置为 a t l = ( n t n e + 1 ) 兀n t 2 t 1 - a t l ( 2 7 n 2 ) 最后一个工作针辊的位置为 a t 2 = 3 7 2 - ( nl n e + 1 ) 7 【n t t 2 = a t 2 ( 2 a n 2 ) d a t2 = n t ，d t - d a t ( 2 a n 2 ) 6 浙江大学硕上学位论文 当工作辊数目为偶数时，上述诸式同样适用。 最后，需要特别指出的是，该力学分析模型适用于针辊两端的支承为“简支” 形式，即轴承仅提供支反力而不提供反力矩，因此支承两端轴的转角不受约束。 为提高辊体刚度，采用“哑铃”式的多轴承形式属“超静定”。需要借助弯曲变 形方程来求解，在后面的弯曲分析模型中将给与详细讨论。下面仅对多支承针辊 的支反力求解简要介绍。 4 多支承针辊支反力分析 设在某种工况下，待求针辊轴承反力r ，对应的轴向位置为r 。( i - 1 ，2 ，3 ， n ) ，根据多支承针辊的弯曲分析模型( 支承位置处的弯曲挠度为零) ，边界条件 起始端的挠度y ( o ) 和转角0 ( 0 ) 均未知，故共有( n + 2 ) 个未知数，而对针辊可列 出某个平面( 沿锡林径向和切向平面) 内的力平衡方程和变形协调方程如f r 1 十r 2 + r 3 + 十r 。+ p l + p 2 + + p 。= o r 1 r r a 。l + r 2 r 。2 + r 3 r ，。3 + + r 。r 。切+ p j p 。l 十p