基于椭圆齿轮—曲柄摇杆的打纬机构分析与试验研究.pdf

浙江理工大学 硕士学位论文 基于椭圆齿轮 曲柄摇杆的打纬机构分析与试验研究 姓名 张成广 申请学位级别 硕士 专业 机械设计及理论 指导教师 陈建能 20080315 浙江理 人学硕士学位论文 摘要 目前在织机中有三种类型 分别是剑杆织机 喷水织机和喷气织机 剑杆织机因结构 简单 成本低而应用广泛 我国是一个纺织大国 但由于我国在现代剑杆织机研究不足 当今剑杆织机机构的知识产权不在我国 就不可能将企业做大 做出品牌 要改变中高级 剑杆织机生产设备主要依靠进口的局面 必须走自主创新的道路 需要从剑杆织机核心机 构开始做基础性研究工作 剑杆织机的打纬机构主要有三种 共轭凸轮机构 四连杆机构 和六连杆机构 本文综述了目前国内外织机发展的现状和打纬机构的研究情况 提出了一种新的打纬 机构 椭圆齿轮 曲柄摇杆的打纬机构 为分析该机构的打纬性能 建立了机构的运动学数 学模型 采用V i s u a lB a s i c6 0 软件编写了辅助分析软件 得到打纬机构的运动学特性曲线 在对打纬机构运动学分析的基础上 建立了其刚体动力学模型并编写辅助分析程序 得到 该机构的动力学特性 为考虑打纬机构实际工作中的弹性变形对其动力学特性的影响 对该机构进行多体动 力学分析 利用A D A M S 分析软件建立了打纬机构整机的运动学模型 同时结合运用 A N S Y S 和A D A M S 建立了打纬机构的关键部件摇杆的柔性体模型 并进行了应力应变分 析 得到摇杆的应力云图和关键点的应变图 在A D A M S 中导入模态中性文件 进行机构 弹性动力学分析 并与打纬机构刚性动力学分析结果进行比较 为验证该机构的打纬性能 考虑和引纬机构的匹配 对打纬机构和引纬机构进行参数 优化 采用基于V B 6 0 编写的可视化软件进行人机交互对话优化方法 结合实际设计时的 结构限制 取得了一组最佳参数 研制了试验台 采用高速摄像及其视频分析技术 测得 打纬点的动程 速度 测量结果与理论分析吻合 关键词 打纬机构 椭圆齿轮 曲柄摇杆 运动学分析 动力学分析 试验 浙江理 r 大学硕十学位论文 B e a t i n g u pA n a l y s i sA n dT e s tR e s e a r c hB a s e dO nE l l i p t i c g e a r c r a n k r o c k e r A b s t r a c t A tp m s e m t h e r ea r et h r e e t y p e sl o o m s n a m e l yt h er a p i e r w a t e ra n da i r j e tl o o m s r a p i e r h a sb r o a da p p l i c a t i o nb e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r ea n d l o wc o s t C h i n ai sab i gt e x t i l ec o u n t r y b u tb e c a u s el a c k i n gr e s e a r c hi nm o d e m r a p i e r r a p i e ri nt o d a y Si n t e l l e c t u a lp r o p e r t yi sn o ti no u r c o u n t r y w h i c hr e s t r i c t e dt h ed o m e s t i ce n t e r p r i s e sb e c o m es t r o n ga n dm a k ef a m o u sb r a n d t o c h a n g et h es i t u a t i o nt h a th i g hp r o d u c te q u i p m e n to fr a p i e rm a i n l yd e p e n d so ni m p o r t s m u s tt a k e t h er o a do fi n d e p e n d e n ti n n o v a t i o na n ds h o u l ds t a r td ob a s i cr e s e a r c hf r o mc o r ec o m p o n e n to f t h er a p i e r R a p i e ro ft h eb e a t i n g u pm e c h a n i s mh a st h r e em a i nt y p e s c o n j u g a t ec a m f o u r b a r l i n k a g ea n ds i x b a rl i n k a g e T h i sp a p e rr e v i e w e dt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fl o o m sb o md o m e s t i ca n df o r e i g na n da l s o t h es i t u a t i o no ft h eb e a t i n g u pm e c h a n i s ms t u d y p r e s e n tan e wt y p eb e a t i n g u pm e c h a n i s m e l l i p t i c a lg e a r c r a n k r o c k e rb e a t i n g u pm e c h a n i s m a n dt h e ne s t a b l i s ht h ek i n e m a t i c s m a t h e m a t i c a lm o d e lo fb e a t i n g u pm e c h a n i s m f o ra n a l y s i s i n gt h ep e r f o r m a n c eo fb e a t i n g u p m e c h a n i s m k i n e m a t i c sa n a l y s i so ft h en e wb e a t i n g u pm e c h a n i s m W a sm a d e 析t l lV i s u a lB a s i c 6 0s o f t w a r e o u t p u tb e a t i n g u pm e c h a n i s m Sk i n e m a t i c sc u r v e e s t a b l i s h e di t sr i g i dd y n a m i c s m o d e la n da i d sa n a l y s i sp r o c e s so ft h em o d e lh a sb e e nm a d eo nt h eb a s i so fk i n e m a t i c sa n a l y s i s o b t a i n e dt h ed y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so f t h i sb e a t i n g u pm e c h a n i s m F o rt h eb e a t i n g u pm e c h a n i s m c o n s i d e r i n gt h ei m p a c to fd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c sb yt h e e l a s t i cd e f o r m a t i o nw h i l et h eb e a t i n g u pi sw o r k i n g m a d e m u l t i b o d yd y n a m i c sa n a l y s i s u s i n g A D A M Ss o f t w a r es e tu pt h ew h o l eb o d yk i n e m a t i c sm o d e lo fb e a t i n g u pm e c h a n i s m c o m b i n e d w i t hu s i n go fA N S Y Sa n dA D A M St ob u i l da k e yc o m p o n e n tn a m e dt h es o f t r o c k e rm o d e lo f b e a t i n g u pm e c h a n i s m a n da l s ot h es t r e s s s t r a i na n a l y s i s o b t a i n e dc l o u do fs t r e s so fr o c k e ra n d s t r a i no f t h ek e yp o i n t s i m p o r tt h em o d a ln e u t r a lf i l ei nA D A M Sf o rf l e x i b l ed y n a m i ca n a l y s i s a n dc o m p a r et h er e s u l tw i t l lt h er i g i dd y n a m i ca n a l y s i so fb e a t i n g u pm e c h a n i s m T ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo fb e a t i n g u pm e c h a n i s m c o n s i d e r i n gm e e tw t hw e f t m e c h a n i s m o p t i m i z ep a r a m e t e r s 析t l ll a t i t u d ea n dw e f tm e c h a n i s m b a s e do nt h ev i s u a l i z a t i o n i i 浙江理下大学硕十学位论文 s o f t w a r eo fV B 6 0f o ri n t e r a c t i v ed i a l o g u eo p t i m i z a t i o nm e t h o d s o b t a i n e das e to fb e s t P a r a m e t e r sa n dd e v e l o p e dt e s t b e db yc o m b i n e d 历t l lt h es t r u c t u r er e s t r i c t i o n sw h i l ed o i n ga c t u a l d e s i g n U s i n gt h et e c h n o l o g yo f h i g h s p e e dv i d e oa n dc a m e r aa n a l y s i s m e a s u r e dt h er a n g ea n d s p e e do f b e a t i n g u pp o n t h er e s u l to f m e a s u r e m e n t sm a t c h e dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s K e yw o r d s b e a t i n g u pm e c h a n i s m e l l i p t i cg e a r c r a n k r o c k e r k i n e m a t i c sa n a l y s i s d y n a m i c A n a l y s i s t e s t 浙江理工大学学位论文原创性声明 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己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 学位论文作者签名 日期 一年歹 浙江理工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 本人授权浙江理工 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 本学位论文属于 学位论文作者签名 保密口 在 不保密 纵文7 吼岬年歹月易日 年解密后使用本版权书 指导教师签名 陈建如 日期 夕年3 月 浙江理T 大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 我国是纺织大国 纺织品的出口量位居世界第一 同时也是纺织机械进口大国 据我 国海关统计 2 0 0 8 年上半年我国纺织机械及零附件出口额8 1 0 亿美元 同比增长6 6 0 6 月出口额为1 2 8 亿美元 2 0 0 8 年二季度我国纺织机械进口额为2 3 2 1 亿美元 同比增长 2 2 5 六月进口额为4 0 5 亿美元I 我国有不少织机生产厂家 但其产品大多是中低档水平 且没有形成世界知名品牌 虽然有一些厂家开始生产高档织机 如中纺机和经纬纺机 但其产品在可靠性和耐久性方 面却远远不如进口产品 特别是不能长时间高速运转 在演示和展销期间可以高速运转 究其原因 除了关键零部件的材质和热处理不过关外 对核心工作部件的机理没有进行深 入的研究 造成运动构件之间受力不良也是主要原因之一 因此虽国内机织在价格上具有 优势 如国产剑杆织机价格平均在1 2 万元 台 而2 0 0 6 年进口的剑杆织机平均价格为4 4 5 万美元 但很多企业还是青睐进口产品 出现这种状况的原因是国内织机生产厂家自主创新能力差 例如到2 0 0 4 年4 月 在 我国申请有关剑杆织机机构的相关专利共3 5 件 其中国外在华申请1 1 件 且这1 1 件已 经进入实用和推广 对核心机构 如打纬和引纬机构 还停留在测绘和仿制阶段 这不仅 带来侵权法律问题 不可能将企业做大 做出品牌 同时也由于没有从理论上进行深入研 究 对其中的核心技术没有完全掌握 就仿制不了意想的性能和可靠性 无梭织机的发展趋势是高速化 智能化 自动化和可靠性 多用性 随着织机速度的 不断提高 箱幅的不断加宽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 喷气织机的工厂使用转速已从八十年代中期的4 5 0 转 分提高到2 0 0 2 年 的7 5 0 转 分 最高的展示车速达1 5 0 0 转 分 织机箱幅系列从1 5 0 c m 提高到3 6 0 c m 打纬 机构在运转的过程中出现了一些故障 鉴于以上现状 对织机的打纬机构进行动力学分析 己迫在眉睫 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 可见织机的研究必须走自主创新的道路 本研究的目的就是提出具有自主知识产权的 打纬机构并进行基础研究 其研究成果将为开发具有自主知识产权的高档织机提供技术支 撑 这对于节省外汇开支 提升我国纺机行业的竞争力 促进我国纺织行业的可持续发展 具有迫切的现实意义 1 浙江理 丁大学硕士学位论文 1 2 几种典型的打纬机构 打纬机构的作用是将织机主轴的匀速旋转运动转化为摇轴的非匀速摆动 把新引入的 纬纱推向织口形成织物 要求钢筘在后心位置要有停顿时间或 近似停顿 时间 以便有 充分的时间完成打纬动作 目前织机上常用的打纬机构有连杆打纬机构和共轭凸轮打纬机 构 连杆打纬机构基本是四连杆非分离筘座式和六连杆式 共轭凸轮打纬机构则基本是分 离筘座式 2 下面主要分析目前国内外织机上配置的几种主要打纬机构各自的优缺点 共轭凸轮打纬机构 如S M 9 3 意大利S O M E T 公司 1 T 一9 6 浙江泰坦 和G A 7 3 1 杭纺 机 等就采用该类型机构 它很容易满足打纬要求的运动规律 能实现2 4 0 左右的完全 停顿时间 但是凸轮廓线加工精度要求相当高 如存在误差就产生冲击 机构振动大 使 织物产生 开车稀密路 疵点 反而限制了车速的提高 目前 国内的凸轮制造技术水平 与国外相比还有一定差距 国内企业一般还没有真正设计意义上的凸轮产品 通常是通过 反复测绘反求而进行制造 不知其机理 因此加工出来的凸轮产品性能差 关键技术掌握 在一些专业的凸轮制造厂家和科研机构中 无法通过技术引进来提高我国的制造水平 8 9 3 2 卜主轴 2 一主凸轮 3 8 一转子 4 一筘座脚 5 一摇轴 6 一筘座 7 钢筘 9 N 凸轮 图1 111 9 6 型剑杆织机上的共轭凸轮打纬机构 四连杆打纬机构 T P 5 0 0 意大利S M I T 公司 型剑杆织机 Z h 2 0 5 型喷水织机 J A T 6 0 0 型喷气织机和z w 型喷水织机都采用了四连杆打纬机构 该机构结构简单 制造容易 但 是在曲柄后止点附近时 筘座无静止时间 如果允许5 m m 左右的打纬位移 能实现6 5 左 右的 近似停顿 时间 性能比共轭凸轮打纬机构差 它主要用于非分离式筘座 2 浙江理工大学硕士学位论文 o A 一曲柄 A B 一连杆 o c 打纬杆 图1 2 P 5 0 0 打纬机构简图 六连杆打纬机构 如P A T 型喷气织机采用该类型打纬机构 如果允许5 咖左右的打纬 位移 能实现1 2 0 左右的 近似停顿 时间 其性能优于四连杆打纬机构 但比共轭凸 轮打纬机构差 另外该机构铰链点较多 累计误差大 因此加工精度要求比四连杆打纬机 构高1 3 1 l 0 t 1 曲柄 2 4 一连杆 3 5 摇杆 6 打纬杆 图1 3 六连杆打纬机构简图 上述的打纬机构是目前织机中虽为常见的 我国不具有自主知识产权 从而严重影响 国产织机的规模化生产 而本文提出的新型打纬机构采用了两级传动 通过合理设计椭圆 齿轮和曲柄摇杆的各机构参数 能实现筘座在后心位置长时间的停顿 并且具有很好的运 动学特性 满足织造工艺要求 具有完全自主知识产权 1 3 打纬机构国内外研究现状 国外对打纬机构的研究叙述如下 M r a z e k J i r i 用拉格朗日第二类方程建立了四连杆 浙江理 人学硕士学位论文 打纬机构动力学数学模型 提出了一种考虑构件之间间隙存在前提下机构各参数对其动力 学特性影响的快速分析方法 4 1 A n i r b a nG u h a C 等对有梭织机的六连杆打纬机构进行刚体 运动学建模 并进行参数优化 得到在后心位置曲柄转动9 5 筘座摆动0 0 6 的良好效果 5 1 G u H u a n g 分析了两种用组合曲线来设计打纬共轭凸轮轮廓曲线方法 并分析这两种方 法设计的凸轮打纬时的加速度 筘座反力和凸轮压力角 6 1 D a o D B u l l e r w e l l A 和 M o h a m e d M 在考虑弹性变形的基础上对打纬过程进行动力学分析i f 陈静 冯志华考虑刚弹耦合的影响采用柔性多体系统建模方法建立了喷气织机四连杆 打纬机构的微分一代数动力学控制方程组 并将其转化为常微分方程组 采用传统的显式 R u n g e K u t t a 法求解 得到在6 0 0 r m i n 工况转速下 打纬机构弹性轴的扭转振动幅度较小 在一个运动周期内 扭转弹性变形小于0 1 I S 可见打纬时 机构的弹性变形不是很大 因此认为打纬机构在工作过程中由于构件变形引起的弹性位移与名义运动的位移相比很 小 同时弹性位移不影响机构的名义运动 机构实际运动的位移是名义运动位移和弹性位 移的迭加 符合采用机构运动弹性动力学 K i n e t o E l a s t o d y n a m i c s 简称K E D 分析方 法的假设条件1 9 1 因此可以不考虑刚弹耦合 这样其动力学方程就是线性的 从而大大简 化方程的求解 为参数优化提供可能性 而引纬机构比打纬机构的惯性力小 弹性变形也 小 因此也不考虑刚弹耦合 采用K E D 方法分析其弹性动力学特性 王亚平 吴小平等利用机械系统仿真软件A d a m s 建立G J 6 0 0 剑杆织机的凸轮打纬机构 的仿真模型 分析了不同转速 不同滚子与凸轮之间的接触刚度和接触预紧力下钢筘最大 角加速度和轴承处的受力 1 0 l 百士红考虑到打纬凸轮机构的质量 刚度等动力学特性参数 建立了该机构系统的动力学模型 求出了摆杆的真实运动规律 求解了动力打纬凸轮的廓 线方程l l l 还有国内学者马小利 沈丹峰 徐卫英 梁海顺 程军红等对四连杆打纬机构构进行 运动特性分析 张春林 于晓红 袁丽清 牛建设 郜剑等对共轭凸轮打纬机构进行运动 分析或对凸轮轮廓曲线进行研究 马世平 王光华 王浩程 曹清林 袁守华等对六连杆 打纬的运动特性进行分析 从上面的叙述来看 对打纬机构的研究主要集中在对目前常用的共轭凸轮 四连杆和 六连杆打纬机构进行运动学和动力学特性分析 而对它们进行综合 参数优化 研究的却 很少 本论文研究的目的就是对提出的椭圆齿轮 曲柄摇杆进行运动学和动力学分析 建模和试验研究 并考虑和引纬机构的运动协调性 利用弹性动力学分析方法来分析某一机构的动力学特性例子很多 L i e h 式 1 2 采用K E D 4 浙江理工大学硕士学位论文 方法建立了兼考虑关节和连杆柔性的曲柄滑块机构的弹性动力学模型 并通过数值仿真研 究了关节的柔性和滑块的惯性对连杆弹性振动的影响 C h e n 1 3 以具有柔性连杆的曲柄滑块 机构为研究对象 在假定刚体曲柄作匀角速转动的情况下 导出了连杆的弹性振动方程 并通过数值仿真研究了曲柄的长度和转速对于连杆弹性振动出现倍周期分叉的依从关系 另外还说明了连杆的弹性振动经倍周期分叉通混沌的道路 弹性动力学分析的难点在于如 何求解弹性动力学方程 由于考虑了机构的弹性变形 在动力学平衡方程中出现了惯性力 和阻尼 因此引入质量矩阵和阻尼矩阵 最后求解方程组不是代数方程组 而是线性常微 分方程组 由于矩阵阶数很高 常用的算法 例如R u n g e K u t t a 方法 一般是不经济的 所以只有少数有效的方法 直接积分法 G e a r 算法 中心差分法和W i l s o n o 法 和模态 迭加法 可以用来求解 如果同时也考虑了几何非线性及刚弹耦合的影响 动力学方程已 不是线性微分方程 这时通常采用直接积分法 但是当动力学方程的维数较高时 方程的 刚性将急剧增加 使得积分很难进行 由于模态迭加法固有的优点 R o b e r t oV i l i a v e r d e 1 4 1 M e l a dMH a n u a 1 5 等用该法求解弹性动力学问题已经日益受到人们的重视且收到了良好的 效果 张宪民基于模态迭加法提出了一种改进闭式迭代算法 求解考虑集合非线性和刚弹 耦合项时的弹性连杆动力学方程 l6 可见对机构弹性动力学特性的研究主要集中在研究所 建立的动力学方程求解方法上 也是难点 尽管研究了各种算法 求解的时间消耗还是 很大 据文献报道 少则几分钟 多则几小时 取决于系统的复杂程度和计算精度要求 含f n J 隙机构动力分析的研究 协1 9 也很多 文献 2 0 3 研究了含运动副间隙的曲柄滑块机 构的动态特性 文献 2 1 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 目前弹性动力学模型与分析方法主要有下面几种 1 集中参数模型 连续弹性体模型的使用由于构件形状的复杂性而受到限制 为简化模型常将弹性体的 分布质量按某种简单原则聚集在若干点上 形成集中质量和集中转动惯量 在这些集中质 量之间用无质量的弹性元件联接 这样就用这些点处的有限个自由度替代了连续弹性体模 型的无限个自由度 按这种模型建立起来的方程为常微分方程 这种模型由于对质量分布 形式简化较多 显得粗糙一些 文献 2 2 采用此法构造了有内部节点 分布刚度并带集中 质量的梁单元 它的特点是利用动平衡原理来分布集中质量 5 浙江理工人学硕士学位论文 2 有限元模型 这种模型是采用另一种方式对连续弹性体模型进行简化瞄 它也承认质量和弹性的分 布特性 但是以节点的弹性位移作为广义坐标 在节点之间建立起关于节点坐标的弹性位 移场或形函数 并以此假设为基础导出单元的动力学方程 然后将单元动力学方程装配成 系统动力学方程 它也是用节点处的有限个自由度代替了连续弹性体的无限个自由度 所 建立的动力学方程是常微分方程 在单元划分数相同的情况下 这种模型一般比集中参数 模型更精确 文献 2 4 2 7 采用这种方法建立模型 由于有限元理论的发展 提供了多种 平面和空间单元 因而可用有限元模型模拟具有复杂形状的构件 3 有限段模型 有限段法 2 8 1 的本质在于将柔性体系统离散为多刚体 各刚体之间用弹簧连接 然后利 用建立多刚体系统动力学方程的矩阵方法导出其非线性系统动力学方程 此方法的特点是 无须对梁单元的变形场进行假设 也不受小变形假设的限制 因此 可以进行柔性体结构 的大变形分析 1 4 椭圆齿轮建模加工及非匀速传动性能的研究 椭圆齿轮传动能够实现周期性变化的传动比 在包装机 计量器等机械中得到了广泛 的应用 椭圆齿轮研究的方向主要集中在如何利用椭圆齿轮传动实现所要求的运动规律 轨迹 姿态 角 速度和 角 加速度 以及如何更加准确方便地加工椭圆齿轮 由于椭圆齿轮的加工受到限制 其应用一直受到其加工工艺的限制 随着先进加工设 备的出现 其工艺上的难题也就得到了解决 椭圆齿轮的三维特征建模 首先要在草图环境中绘出椭圆齿轮的二维草图 再利用拉 伸等命令生成椭圆齿轮的三维特征效果图 在特征创建过程中 关键步骤是草图轮廓的绘 制阴们 制造椭圆齿轮的困难在于它的齿轮节曲线是椭圆的 国内外许多学者对形成椭圆齿轮 节曲线进行了研究 K u c z w s k i 提出利用正齿轮来近似获得椭圆齿轮的轮廓 在椭圆偏心率 不大的情况下 用几段圆弧来替代椭圆节曲线1 3 1 1 熊镇芹 吴序堂根据非圆齿轮的理论推 导出了椭圆齿轮的齿廓 齿顶 齿根的理论曲线 由啮合理论求出左右齿廓和齿顶 齿根 的交点 利用计算机绘出各个齿的精确齿形 用线切割加工出了精密的椭圆齿轮 3 2 1 方毅 薛小雯用研究圆柱齿轮的方法来研究椭圆齿轮的滚齿方法和齿形方程 指明了椭圆齿轮上 每个齿的齿形都与其当量基圆半径的齿轮的齿形相同 3 3 方毅等人介绍了椭圆齿轮插齿机 6 浙江理 r 大学硕十学位论文 和滚齿机 分析了椭圆齿轮的成型机理畔 陈建能在博士论文中 采用椭圆齿轮行星系的非匀速传动 实现了插秧机分插机构取 秧爪要求的特殊轨迹和姿态 同时对整个分插机构 包括椭圆齿轮行星系 的动力学特性 进行分析和建立理论模型 并研制了试验台加以验证 3 5 1 1 5 本论文主要研究内容 论文研究工作以提出的新型打纬机构为核心而展开 结合行业实际水平 论文研究主 要采用理论分析 产品设计和试验验证相结合的方法进行 论文共分五章进行 第一章介绍了几种典型的打纬机构及其各自的优缺点 论述了打纬机构目前国内国外 的发展和研究状况 重点是打纬机构的动力学研究情况 简单介绍了椭圆齿轮的特点和设 计加工方面问题 第二章首先提出了新型的打纬机构以及其特点 对该机构进行了运动学分析 运动学 分析的目的是要求出打纬点的位移 速度和加速度 为此建立求解方程 运用V B 6 0 软件 编写了辅助优化程序 采用人机对话的方式选择一组参数 输出具有良好运动学特性的曲 线 符合织机的打纬工艺要求 最后将其运动学特性与常用打纬机构性能进行了比较 第三章在对打纬机构运动学分析的基础上 对打纬机构进行刚性动力学分析 考虑到 曲柄与从动椭圆齿轮固结在一起的问题 动力学分析分两步来求解 同样运用人机交互软 件编写了动力学辅助程序 编写程序的方法采用了序列求解法 一步步输出各个未知力 并对其中比较重要的铰链点的动力学特性进行了分析 分析各参数的变化对动力学特性的 影响 第四章对打纬机构进行弹性动力学分析 将在A N S Y S 软件中生成的摇杆模态中性文件 导入A D A M S 软件中 指定好各部件的联接方式 输出基于精确动力学分析的打纬机构各铰 链点的受力曲线图 并在仿真完成后 将在A D A M S 中生成的载荷文件导入A N S Y S 中 又进 行基于精确动力学分析的摇杆应力应变分析 第五章根据前面章节的运动学和动力学分析结果 编写了基于V B 的人机交互优化软 件 运用该软件选取一组较佳的机构参数设计该打纬 引纬机构的运动学试验台 采用高 速摄像方法结合视频分析技术测试其运动学参数 对实测参数与理论模型计算结果进行比 较 分析其误差存在的原因 7 浙江理1 二火学硕士学位论文 第二章椭圆齿轮一曲柄摇杆打纬机构运动学分析 打纬机构是剑杆织机的五大核心机构之一 它将纬纱引入梭口的纬纱打紧 其作用是 形成织物所需的纹理 打纬机构的设计必须保证在后心位置有充足的引纬时间 而且打纬 机构应简单 坚固 操作安全 3 6 1 本章提出一种新型的打纬机构 Z L 2 0 0 6 2 0 1 4 1 8 0 3 5 并对该机构的运动学特性进行分 析 为后续的动力学分析提供基础 并为能和实验获得的运动学特性 打纬点位移和速度 进行比较提供理论参照 2 1 椭圆齿轮一曲柄摇杆打纬机构简介 图2 1 为椭圆齿轮 曲柄摇杆打纬机构的简图及其初始位置 主动椭圆齿轮1 装在 织机主轴D 上 其旋转中心为椭圆齿轮的一个焦点 通过椭圆齿轮1 和2 的传动 将运动 和动力传到轴彳上 彳为从动椭圆齿轮2 的一个焦点 然后通过曲柄摇杆机构嬲将运 动转化为摇杆C D E 的非匀速往复摆动 曲柄A B 与从动椭圆齿轮2 固结 彳点为椭圆齿轮 2 的转动中心 打纬杆处于前心初始位置时f 在剧的延长线上 圈2 1 椭圆齿轮 一曲柄摇杆打纬机构及其初始位置 2 2 椭圆齿轮一曲柄摇杆的打纬机构运动学模型的建立 为分析方便 将相关参数列于表2 1 2 2 1 从动椭圆齿轮角位移 角速度和角加速度数学模型建立 如图2 2 0 和彳分别为椭圆齿轮1 和2 的一个同相焦点 为椭圆齿轮转动中心 啮 8 浙江理 人学硕士学位论文 合点尸任何时刻都处于例的连线上 因此两齿轮在任意位置啮合时 既不会分离也不会 切入 故传动平稳 这是椭圆齿轮实现非匀速传动的最大优点 主动轮1 匀速逆时针转动 弋 攥I 图2 2 椭圆齿轮啮合初始位置 时 从动轮2 作顺时针变速转动 设主动轮1 转过角仍 从动轮2 转过角仍 这时两 椭圆瞬心线在卧岛接触 重合 经推导得 i 6 2 a c c o s 仍 吒 6 2 a c e o s 够2 仍在o 2 万之间变化 仍在O 一2 万之间变化 由椭圆齿轮的传动特性得 一 i 2 2 a 一吃 即c o s 仍 面 瓦a c 赢 c o s j 而q O b 而2 一詈 由式2 一 1 2 一 4 可计算从动轮角位移仍与主动轮角位移仍的关系 对2 一 5 式求导得 式2 一 6 中 识2 警 2 一 1 2 一 2 2 一 3 2 一 4 2 一 5 缟哳华 孚 魂 2 6 噍 一面b 2 丽 c s i n c p 办 一2 一 一 识 口 c c o s 仍 2 9 2 一 7 浙江理工人学硕士学位论文 表2 1 相关参数说明 2 2 2 摇杆的角位移 角速度和角加速度数学模型建立 曲柄与从动椭圆齿轮固接 故曲柄的角速度和角加速度与从动椭圆齿轮一样 即 二 l2 仍 l2 鲠o 1 0 浙江理工人学硕士学位论文 由图2 3 可列方程 图2 3 曲柄摇杆机构及参数 式2 一 8 中石 y 一 一仍 由2 一 1 0 得 一 2 一 2 g 一譬 2 y s i n L b x D c o s A 0 其中杨 c o s y Y n 厶 s i n y 在A B D C 中 根据余弦定理有 2 一 8 2 一 9 2 一 1 0 c o s c 讹 2 筠景黼 2 川1 t a n A 丝二丝 x B x D 根据2 一 1 1 2 一 1 2 两式可求得五和五 N X c 和儿已知 建立速度及加速度方程 t a n A Y c Y B x c x B 2 一 1 2 2 一 1 3 i 兮 目 O S 1 1 b 儿 S 1 O U O S 勺 如 止 5 乞乞 b I I 乇虼 r 浙江理工人学硕士学位论文 式2 一 2 0 和2 一 2 1 中 一识 s i n j l 一欢 c o s 石 二 c o s j 3 s i n A 以 如 s i l l 魄一五 C O S 五 s i n 五 乃 毛 s i n 五一五 l 设 s i n j 谚 c o s A 珐 c o s j l 一程 s i n A 刍 厶 垒 墅基 乞 s i n A 一五 五2 焉觜 c 1 d x B 毛 Z c o s A 一如 Z c o s j 2 乞 厶 舅 s i n A 一乞 Z s i n A 彳召杆质心坐标 M X l 厶 q A C s O 访S 妥 召c 杆质心坐标 咒X 2 X 蜘B t L 厶2 B 曰C s O m S 量 C D 杆质心坐标 求方程组2 一 2 4 一阶导数 得A B 杆质心速度 求方程组2 一 2 5 一阶导数 得B C 杆质心速度 求方程组2 一 2 6 一阶导数 得C D 杆质心速度 1 2 2 一 1 4 2 一 1 5 2 一 1 6 2 一 1 7 2 一 1 8 2 一 1 9 2 一 2 0 2 一 2 1 2 一 2 2 2 一 2 3 2 一 2 4 2 一 2 5 2 一 2 6 2 一 2 7 2 一 2 8 2 一 2 9 以 厶 5 k k b I I 黾弘 L 茎吗稚 而 乃 兰伽励 嘭 一 南儿 I I 砭 耽 L 城吩麓 屯 乃 浙江理 人学硕士学位论文 求方程组2 一 2 4 二阶导数 得么B 杆质心加速度 毛2 一鼍厶爿c o s q 2 一 3 0 t Y 5 一町厶As m q 求方程组2 一 2 5 二阶导数 得B C 杆质心加速度 P 铲k 呼血叩咖0 s 2 2 3 1 I 必 弗 岛曰 畋c o s c r 2 一口 2 2s i n a 2 求方程组2 一 2 6 二阶导数 得C D 杆质心加速度 玺繁 戊3 c o 血sa 3 a 小 s i n o S g S 3 2 峭2 旧 厶 一 一 2 2 3 打纬点的位移 速度和加速度数学模型的建立 由于打纬杆与杆C D 相固接 因此打纬杆上E 点在一个运动周期内剑头的位移 速度 和加速度为 s p 厶一厶翱 2 一 3 3 上式中五初为初始时刻摇杆的角位移 v p J 二3 2 一 3 4 口 p Z 2 一 3 5 2 3 椭圆齿轮曲柄摇杆打纬机构运动学辅助优化分析软件的编写 前面的章节对椭圆齿轮曲柄摇杆打纬机构运动学进行了分析 为了可视化打纬机构参 数对打纬杆位移 速度和加速度的影响 利用V i s u a lB a s i c 语言编写椭圆齿轮曲柄摇杆打 纬机构运动辅助分析软件 2 3 1 优化软件的程序求解框图 根据2 2 节的运动学分析 程序的求解框图如图2 4 所示 浙江理工人学硕士学位论文 读A a k 厂 厶 厶 厶 唬 6 口咖厨 训s 1 2 2 州 1 1 1 2 5 如2 F o r i 1T 03 6 0 万 仍2 面7 根据2 一 1 2 一 4 求出伤 由2 一 5 式求出晚 由2 一 6 求出谚 由2 一 8 求出X By 曰 由2 一 1 2 求出歹 由2 一 1 1 求出五一歹 得出五 根据2 一 1 4 2 一 2 1 求出立 竞 五 j I 图2 4 运动学计算程序求解框图 2 3 2 辅助分析软件的功能及使用方法 利用v B 软件编制了可视化的椭圆齿轮一曲柄摇杆打纬机构辅助分析软件 该打纬机 构包含多级传动 第一级由两个椭圆齿轮组成 第二级为曲柄摇杆机构 该机构有一个输 入构件 即主动椭圆齿轮 织机主轴 的转动 该机构通过椭圆齿轮传动和曲柄摇杆机构实 现将织机主轴的匀速转动转化为钢筘的往复摆动 由该软件可以分析打纬点的位移 速度 和加速度 并可输出该机构满足打纬要求的初始安装位置 通过人机对话 可优化出满足 打纬要求的椭圆齿轮一曲柄摇杆打纬机构结构参数 程序一运行就进入软件的起始界面 如图2 6 所示 该软件的输入参数为口 k 主动轮转速n 厶 厶 厶和厶 1 4 浙江理工人学硕士学位论文 幽2 5 打纬机构运动学辅助分析起始界面 软件界面分布有命令按钮 上下三角按钮 文本框 图片框和框架 左上方的空白区 域作为第一个图形显示窗口 在没点击任何命令按钮和垂直滚动条时显示打纬机构的机构 简图 图2 6 打纬机构运动学辅助分析运行界面 软件右边分布3 个图片框 用来输出打纬杆位移 速度和加速度曲线 对参数输入框 中输入参数 或单击输入框中任何一个上下三角按钮 机构的参数产生变化 此时几个图 片框中输出的内容如图2 6 所示 左边图片框输出的是初始位置 为打纬机构初始安装图 右边自上至下分布了打纬点位移 速度和加速度曲线圈 右下方的参数输出框实时输出此 参数下打纬机构的初始安装位置参数 单击 运动模拟 命令按钮 能在左方的图片框中 1 5 浙江理 人学硕士学位论文 动态输出整个运动周期中打纬机构的运动仿真图 如图27 附2 7 打纬机构运动学辅助分析模拟界面 单击 暂停 按钮会在当前位置停下 并在图片框显示当前位黄时打纬杆的位移 速 度和加速度 单击 进 或 退 命令按钮能使打纬机构步进或步退 右边的图片框用 圆圈标示相应位置时刻剑头运动参数值 如图2 8 所示 单击 停止 关闭本程序 图28 步进 步j 睦界面 浙江理工人学硕士学位论文 2 4 机构参数对打纬性能的影响 2 4 1 椭圆偏心率k 的影响 通过对机构的分析 发现椭圆齿轮偏心率k 对打纬机构的运动规律影响很大 随着七的 增大 打纬后心停顿位置角不断下降 从图2 9 所示规律判断 欲达到类似共轭凸轮的效 果 七的取值应在0 6 0 8 之间 图2 1 0 为文中所给定参数的打纬机构在转速3 0 0 r m i n 不同七值下加速度的仿真图 随着k 值增大 打纬终了的最大加速度显著下降 同时最小 峰值向中心偏移 在织机中速运转的工作条件下 k 值可偏大选取 提高该打纬机构工作 的平稳性 0 50 5 50 60 6 50 70 Y 50 E k 值 图2 9k 值对停顿角的影响曲线 k O 8 k O f i J 咚器 警o 8 1 8 0 4 2 4 0 0 3 0 0 葛 O 图2 1 0 不同k 值下打纬点加速度曲线 打纬后心停顿时间和打纬最大加速度值对该打纬机构是一对矛盾的目标 不能取得两 方面的同时改进 因此 在机构的优化设计中 参数七的设计尤其应该重视 2 4 2 曲柄和摇杆对性能影响 02 04 06 08 0 曲柄长度 胍 图2 1 1 值对打纬点最大加速度的影响曲线 1 7 0 5 4 3 2 l l 2 N n1 心捌晏 一 如 约 2 2 2 2 卫 1 i ov 殿譬占J 酏 o门 1 倒捌最K咄蛭蚜器 浙江理T 大学硕士学位论文 图2 1 l 为文中所给定参数的打纬机构在转速3 0 0 r m i n 在机构其它参数不变的情况 下 不同曲柄长度打纬点最大加速度的影响曲线 从图中可看出曲柄的长度不能取得过小 也不能取得过大 一般曲柄长度可取在4 0 m m 6 5 m m 之间比较合适 2 3 2 2 3 0 o 2 2 8 搬 罾2 衡 缝 2 2 4 2 2 2 2 2 0 Z 0 Z 53 03 5 4 0 连扦长度 n 图2 1 2z 值对打纬点最大加速度的影响 图2 1 2 为文中所给定参数的打纬机构在转速3 0 0 r m i n 在机构其它参数不变的情况 下 不同连杆长度对打纬点最大加速度的影响曲线 从图中可看出 连杆长度较短时 筘 座在后心的停顿时间较长 随着连杆长度的增加 停顿时间不断减少 到连杆长度增加到 2 8 t u r n 后 其曲线变的很平坦 证明连杆的长度变化对筘座停顿时间己没有多大影响 其 停顿角始终在接近2 2 0 左右 并且在连杆长度变化的整个区间内 停顿时间的变化并不怎 么显著 停顿角的区间在2 2 0 2 3 0 2 5 摇杆运动性能分析 打纬机构的运动性能取决于曲柄摇杆四杆的杆长 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 图2 1 3 表示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 从图中可以看出 在曲柄 转速为3 0 0 转 分时 摇杆最大角加速度为3 2 0 弧度 秒 加速度值越大 惯性打纬力也就越 大 分 一 静 剑 殿 止 踺 a 摇杆角位移曲线 1 8 浙江理工人学硕士学位论文 1 厂 一2 0 旷鬟 织机主蝻角 o b 摇杆角速度曲线 C q 铀 鼍2 0 0 h 鬟 仁了 F 宅 譬 2 0 0 骤 一 八 N 一 织机主轴转角 o c 摇杆角加速度曲线 图2 1 3 摇杆角位移 角速度 角加速度曲线 由图2 1 3 a 可见 摇杆角位移在主轴转到18 0 的时候处于最小值 此时摇杆位于最 后心位置 刚好利于引纬 并且从2 1 3 C 中可以看出此时摇杆角加速度几乎为O 因此在 引纬的过程中可以避免对机器的冲击 而在两端的角加速度很平坦 刚好是打纬的时刻 几乎为0 的角加速度可以保证打纬工作的顺利进行 2 6 与常用的两种打纬机构性能比较 图2 1 4 所示为六连杆打纬机构 3 7 1 和共轭凸轮打纬机构1 3 8 的运动学曲线比较 一 KV O 0 2 呔 0嬲 I 3 0 0 I 熙一盼 a 六连杆打纬机构运动学曲线 b 共轭凸轮式打纬机构运动学曲线 1 位移曲线2 速度曲线3 加速度曲线 图2 1 4 两种常用打纬机构运动学曲线 图2 1 4 a 反映了六连杆打纬机构筘座在织机主轴转速3 0 0 r m i n 时的定性运动规律曲 线 六连杆的后心停顿时间不足 这限制了它在高速 宽筘幅织造上的应用 图2 1 4 b 是T T 9 6 型剑杆织机上的共轭凸轮打纬机构在织机主轴转速3 0 0 r m i n 下的运 动曲线 其筘座的停顿时间较长为2 4 0 从6 0 0