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喷气织机双侧四连杆打纬机构动态分析摘要 摘要 随着生产的发展，喷气织机在纺织机械中所占的比重越来越大。与传统织机相比， 喷气织机的转速有了很大的提高，而且随着各部件的不断更新，转速还有提高的潜力。 准确分析和预测高速运转时织机的动态性能，是织机改进设计的重要依据。据此，本 文对喷气织机的主要部件一双侧四连杆打纬机构进行动态分析。 传统的动态静力分析是在假设所有构件为刚性体的情况下展开的。本文首先采用 该假设建立了打纬机构的刚体运动学与动力学模型，分析了实际工况下现有机型的筘 座运动性能及其对打纬工艺的影响，以及机构的主要动力性能如运动副反力、输入力 矩、摆动力力矩随输入转角的变化规律等。并讨论了输入转速、空心主轴内径和幅 宽这三个参数的变化对动态性能的影响，结果表明，随着转速的提高，筘座运动的速 度、加速度以及加速度的波动增大，在提高打纬力的同时，允许引纬的时间减少，运 动副反力、输入力矩、摆动力矩等随着转速的提高迅速增大，动力性能恶化严重，而 空心主轴内径以及幅宽的变化对机构动态性能的影响较小。相对而言，刚体动力学模 型适用于中、低速织机，在转速较高时，必须计入构件的弹性变形而对机构进行弹性 动力学分析。 论文随后考虑了打纬机构中主要弹性构件一空心主轴和摇轴的扭转变形情况，结 合有限单元法，在对弹性体进行单元划分后，建立了机构的多自由度动力学模型。这 种建模方法不仅计入了构件的变形，还考虑了变形与机构大范围刚体运动的相互耦 合，因此更能反映整个机构的动态特性。对机构的微分一代数混合动力学方程组，本 文在采用最小未知量法将其转化为微分方程后，根据自适应r u n g e - k u t t a 算法，自编 程序对动力学方程进行了数值求解，并计算了工况转速下机构的各阶固有频率。后引 入结构阻尼以近似机构的实际阻尼，通过分析不同阻尼下的节点扭转振动响应考察阻 尼对机构动态响应的作用，并对工况下有阻尼机构各节点的稳态扭转角度、角加速度 对打纬工艺的影响进行分析，结果表明，空心主轴和摇轴的扭转变形对现有机型幅宽 方向打纬运动的同步性和打纬力影响* l i d , 。另外，为了给弹性假设下的打纬机构动态 设计提供参考，本文对机构参数改变时的节点扭转角度和角加速度进行计算，计算结 果说明，高速情况下扭转变形对机构的动态性能有较大程度的恶化，而空心主轴内径 撕要喷气织机双饲四连杆打纬机构动态分析 的增加在使自身扭转变形增大的同时，对整个机构动态响应的影响也迅速增大。 最后，本文采用压电加速度计对筘座的角加速度进行了测量，并与剐体假设下的 理论计算值进行比较，比较结果证明了理论建模和分析的正确性。 关键词：双侧四连杆打纬机构，动态静力分析，柔性多体系统动力学，动态性能，扭 转振动响应，参数分析 h 作者：陈静 指导老师：冯志华 喷气织机双侧四连抒打纬机构动态分析 a b s t r a c t d y n a m i ca n a l y s i so fat w o - s i d ef o u r - b a rb e a t i n g - u p m o t i o no fa na i r - i e tl o o m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o n ，a i r - j e tl o o ma c c o u n t sf o ral a r g ep r o p o r t i o no f t e x t i l em a c h i n e r y c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt e x t i l em a c h i n e r y ，t h er o t a t i o ns p e e do fa n a i r - j e tl o o mh a sb e e ns u b s t a n t i a l l yi n c r e a s e da n dw i l lh a v em o r ep o t e n t i a la st h eu p d a t eo f i t sc o m p o n e n t s a n a l y s i sa n dp r e d i c t i n gt ot h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h el o o mu n d e r 1 1 i g hs p e e di s 蚰i m p o r t a n tb a s i si nr e d e s i g n h e n c e ) t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h e d y n a m i ca n a l y s i so f t h et w o - s i d ef o u r - b a r b e a t i n g - u pm o t i o no f e na i r - j e tl o o m k i n e t o s t a t i ca n a l y s i si sc a r r i e do u to nt h ea s s u m p t i o nt h a ta l lp a r t so ft h em e c h a n i s m a r er i g i d t h u s ，k i n e m a t i ca n dd y n a m i cm o d e l so fb e a t i n g - u pm o t i o na r es e tu pf i r s t ，a n d t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c , s u c h 龉t h er e g u l a r i t yo fs l e ym o v e m e n t r e a c t i o n so fk i n e m a t i c p a i r s ，i n p u tm o m e n ta n ds h a k i n gr o m e m o m e n ta r es t u d i e d t h ee f f e c t so nd y n a m i c p r o p e r t i e sw h 面i n p u ts p e e d , i n n e rd i a m e t e ro fh o l l o wm a i ns h a f ta n dt h e 、i d mo fl o o m v a r ya a l s od i s c u s s e d r e s u l t ss h o wt h a t t h ev e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no fs l e yb e c a m e h i g h e rw h i c hi n c r e a s et h eb e a t i n g - u pf o r c eb u tr e d u c et h et i m ea v a i l a b l ef o rw e ri n s e r t i o n 鹊t h ei n p u ts p e e dr a i s e s r e a c t i o nf o r c e i n p u tm o m e n ta n ds h a k i n gm o m e n ta r ea l s o i n c r e a s er a p i d l y t h ec h a n g eo f i n n e rd i a m e t e ro f h o l l o wm a i ns h a ra n dt h ew i d t ho f l o o m h a v ear e l a t i v e l yl o wi n f l u e n c eo nd y n a m i cp r o p e r t i e s t h i sr i g i dd y n a m i c sa p p r o a c hi s e s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rl o o m sw i t hl o wo rm e d i u ms p e e d w h i l eu n d e rh i g hs p e e d ， d e f o r m a t i o no ff l e x i b l ep a r t sw i l la f f e c tt h ed y n a m i cr e s p o n s es e r i o u s l y , a sar e s u l t t h e a n a l y s i so fe l a s t o d y n a m i c si sn e e d e d i nt h ef o l l o w i n gp a r to f t h i sp a p e r , t h et o r s i o n a ld e f o r m a t i o no f m a i ns h a a n dr o c k i n g s h a f ca r et a k e ni n t oa c c o u n t , a n dt h ed y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e dw i mf e ma n dt h e f l e x i b l em u l t i - b o d ys y s t e mm e t h o di nw h i c hb o t ht h ed e f o r m a t i o na n dt h ec o u p l i n ge f f e c t b e t w e e nd e f o r m a t i o na n dl a r g e - s c a l em o v e m e n to fm e c h a n i s ma r ec o n s i d e r e d m i n i m u m u n k n o w nq u a n t i t i e sa p p r o a c hi su s e dt ot r a n s f o r md i f f e r e n t i a l a l g e b r a i ce q u a t i o n st oo d e s ( o r d i n a r y - d i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ) w h i c ha r et h e ns o l v e dn u m e r i c a l l yw i t ht h es e l f - a d a p t i v e r u n g e - k u t t aa l g o r i t h m n a t u r a lf r e q u e n c i e so ft h em e c h a n i s mu n d e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n a r et h e no b t a i n e d p r o p o r t i o n a ld a m p i n gi si n t r o d u c e dt oi n s t e a dt h ea c t u a ld a m p i n g ，a n d i i i a b s t r a c t喷气织机双侧四连杆打纬机构动态分析 i t se f f e c to nd y n a m i cr e s p o i l s ei si n s p e c t e dt h o u g ht h et o r s i o n a lv i b r a t i o n so ft h en o d e s f u r t h e rm o r e ，t o r s i o n a la n g ：ea n da n g u l a ra c c e l e r a t i o no fs t e s d y - s t a t ec o n d i t i o nu n d e r w o r k i n gc o n d i t i o ni sd c ：p i s v e d r e s u l t ss h o wt h a td e f o r m a t i o no ft h et w o s h a f t sh a sl i t t e r i n f l u e n c eo ns y n c h r o n i s mo fs l e ym o v e m e n ta n db e a t i n g - u pf o r c e t op r o v i d er e f e r e n c ei n d y n a m i cd e s i g no ft h em e c h a n i s m , p a r a m e t e ra n a l y s i si sc a r r i e do u t t h ed e f o r m a t i o n u n d e rh i 曲s p e e dd e t e r i o r a t e st h ed y n a m i cp r o p e r t i e si nal a r g ee x t e n t , a n dt h ei n c r e a s eo f i n n e rd i a m e t e ro fm a i ns h s rw i l lr a p i d l yi n c r e a s ei t sd e f o r m a t i o na n dt h ei n f l u e n c e0 n w h o l em e c h a n i s m f i 弛l 耽p i e - z c e l o e t r i ca e c e l e r o m e t e ri su s e dt om t s b l ea n g u l a ra e e d e r a t i o no f t h es l e y m o v e m e n t t h et e s tr e s u l tp r o v e st h ea c c u r a c yo ft h et h e o r e t i c a lm o d e l sa 脑c o m p a r i n g t h et h e o r e t i c a lv a l u eo f r i g i dd y n 缸- u i c sa n a l y s i sw i t hi t k e yw o r d s ：t w o - s i & f o u r - b a rb e a t i n g - u pm o t i o n ，k i n e t o s t a t i ca n a l y s i s ，f l e x i b l em l l l t i = b o d y s y s t e m 由啪r n i ，d y n a m i cp r o p e r t i e s ，t o r s i o n a lv i b r a t i o n , p a r a m e t e rm a l y s i s i v w r i t t e nb yc h e n j i n g s u p e 州s e db yf e n gz h i h u a 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：煎堑e t 期：型 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被套阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： e t 期：知丘 日期：苎叠：g 喷气织机双侧四连轩打纬机构动态分析 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着生产的发展，喷气织机在纺织工业中的应用日益广泛。与传统有梭织机相比， 喷气织机除采用气流引纬外，织机的转速有了较大的提高，最高速度已经达到 1 2 0 0 r r a i n 左右。高速运转在提高生产效率的同时，也使织机的动态性能受到一定程 度的影响。 打纬机构是织机中利用往复摆动的筘座将纬纱打向织口的机构。喷气织机打纬机 构在运动过程中具有更高的速度和加速度，决定打纬工艺的一些运动参数因此发生相 应地变化，给织机的其他机构提出了更高的要求。另外，为满足惯性打纬的需要，打 纬机构一般是织机中惯性大、耗能大的部件，构件运动产生的周期性惯性力和惯性力 矩，通过轴承作用在机架上，会引起机架的振动。要了解机构的这些动态性能，可以 通过建立机构的剐体动力学模型后求解得到。但是，织机高速运转下构件的弹性变形 是动态分析中不可忽略的因素，并且随着转速的进一步提高，弹性变形效应也会更加 明显。构件的弹性变形不仅给打纬机构的运动输出带来误差，使机构在筘幅方向产生 运动不同步现象，而且速度提高也会使机构的激振力上升，产生剧烈振动的可能性增 加，而振动既破坏机构的运动精度，又影响弹性构件的疲劳强度，并加剧轴承副中的 磨损。因此，了解弹性假设下机构的动态性能，根据动态性能对各构件进行更新设计， 将机构的振动和变形控制在允许的范围内，已成为实际生产中面临的主要问题。 目前对打纬机构的动态性能分析，主要集中在机构刚性假设下的打纬运动规律以 及机构动态平衡方面的研究【卜3 1 。在考虑弹性变形的情况下，由于打纬机构是一个时 变非线性系统，动力学方程的数值求解存在一定的难度，因此目前部分文献为避开这 一点，只针对打纬机构的一部分构件进行动力分析而不考虑机构整体的动态行为【4 1 ； 或是对机构建模时，不考虑弹性变形和机构大范围运动的相互影响f 5 】，导致所建的模 型精确度受到影响。 本文基于上述背景，在对喷气织机打纬机构进行刚体运动学和动力学分析的同 时，应用柔性多体动力学的方法，考虑弹性变形对机构大范围运动的影响来建立机构 第一章绪论 喷气织机双侧四连杆打纬机构动态分析 模型，并着重对工况转速附近的机构动态性能进行分析。另外，分析机构转速和几何 参数的改变对动态性能的影响，以期对机构动态设计提供参考。 1 2 打纬机构简介 1 2 1 打纬机构的分类 织造机械包含开口、引纬、打纬、送经、卷曲五大机构。织机主轴运转一周，这 五个机构各完成一次运动循环。织物在织机上的形成过程如图1 1 所示。经纱l 自织 轴2 上引出，绕过后梁3 ，穿过停经片4 和综框5 上的综眼6 。综框分别作上下运动， 使穿入综眼的经纱分成两层，形成梭口，以便梭子( 或引纬器) 8 通过梭道，将纬纱引 入梭口。由钢筘7 将引入梭口的纬纱打向织口，使经纱与纬纱交织成织物。然后绕过 胸梁9 、卷曲辊1 0 、导布辊1 1 ，最后将织物卷绕在卷布辊1 2 上。 织口 梭 l 一经纱；2 一织轴；3 后粱；4 停经片；5 一综框； 6 - - 综眼；7 钢筘；8 梭子；9 一胸梁；l o 一卷曲辊；1 l 一导布辊；1 2 一卷布辊 图1 1 织物的形成 、 织机打纬机构的主要作用是：用钢筘将引入梭口的纬纱打向织口；用钢筘控制经 纱密度和织物幅宽；用筘座控制梭子( 或引纬器) 在梭道中的飞行方向，并保证其运动 的稳定性。打纬机构按运动形式的不同，可分为往复式和旋转式两种。其中往复式打 纬机构利用筘座脚的往复摆动实现打纬，一般将筘座在机前的极限位置称为前心位 置，在机后的极限位置称为后心位置。按结构形式分，往复式打纬机构可分为连杆式 和凸轮式。典型的连杆式打纬机构为四连杆和六连杆打纬机构，凸轮式打纬机构通常 采用共轭凸轮形式。图1 2 为各种结构形式的打纬机构示意图，现分别介绍如下。 喷气织机双侧四连杆打纬机构动态分析第一章绪论 ( a )( ” ( c ) 图1 2 打纬机构结构示意图( 8 ) 四连杆；c o ) 六连抨；( c ) 共轭凸轮 ( 一) 四连杆打纬机构 图1 2 ( a ) 所示为四连杆打纬机构。当主轴0 l 回转时，曲柄1 通过牵手2 带动筘座 脚3 以摇轴d 2 为中心往复摆动。当筘座脚向机前方向摆动时，钢筘将纬纱打向织口。 这种打纬机构结构简单，制造方便，但是筘座运动没有绝对静止时间，对引纬不利。 四连杆打纬机构的运动性能取决于四根杆件的尺寸安排，按照牵手长度三与曲柄 长度r 的比值可分为长牵手、中牵手、短牵手三种。l r 6 为长牵手打纬机构。l r 值是影响筘座运动的一个 重要参数。根据文献【6 】的研究，l r 值对筘座运动的影响如下： ( 1 ) 牵手越长，筘座运动越接近简谐运动； ( 2 ) 牵手越短，允许梭子飞行的时间越长，即引纬时间越长； ( 3 ) 牵手越短，筘座在后心的运动越慢，具有近似停顿时间； ( 4 ) 牵手越短，筘座在前心附近的加速度越大，对惯性打纬有利，同时加速度变 化越大，会增大织机的振动。 从织机发展过程来看，有梭织机常采用中长牵手，原因是织物较轻，对打纬力要 求不高，织机速度不高，引纬时间能满足梭子飞行的要求，另外，中长牵手能提供较 大的空间安装提花机。随着织机的高速化，短牵手能延长引纬时间的优势显得更为重 要，各种新型的无梭织机如喷水织机、喷气织机，只要采用四连杆打纬机构，几乎毫 无例外地选择短牵手型。 ( 二) 六连杆打纬机构 图1 2 c o ) 所示为六连杆打纬机构。它由两个四连杆机构串连而成。六连杆打纬机 构和四连杆打纬机构相比，曲轴和摇轴之间的空间较大，使综框有充裕的安装空间， 第一章绪论喷气织机双侧四连杆打纬机构动态分析 不需要将牵手长度缩得很短就可以使筘座获得更长的近似停顿时间，筘座加速度变化 过大，影响机构的高速适应性。 ( 三) 共轭凸轮打纬机构 图1 2 ( c ) 所示为共轭凸轮打纬机构。凸轮轴0 l 回转时，主凸轮1 推动转予2 ，使 筘座脚3 绕摇轴d 2 向前摆动进行打纬。回程时，副凸轮4 推动转子5 使筘座向后摆 动。这种共轭双凸轮打纬机构有如下特点： ( 1 ) 筘座运动性能由主副凸轮的外廓线决定，可以根据引纬打纬的工艺要求安排 筘座的运动规律，从而设计凸轮的轮廓线； ( 2 ) 筘座有绝对的静止时间，对引纬有利； ( 3 ) 筘座往复摆动由主副凸轮积极控制，受力较小，能适应高速； ( 4 ) 筘座运动的时间短，加速度大，惯性力大，织机容易振动； ( 5 ) 制造精度要求高，在惯性打纬时，由于转子和凸轮间隙的存在会形成“开车 稀密档”织疵。 共轭凸轮打纬机构筘座运动规律通常是由几种运动曲线叠加或分段组合而成。常 用的有图1 3 中的两种运动规律。图中横坐标庐= 3 6 0 x 萌如( 萌为凸轮轴转角，唬为 筘座来回摆动一次所对应的凸轮轴转角) ；纵坐标a 为筘座角加速度。坐标原点对应筘 座从后心开始运动的瞬时，庐= 1 8 0 。对应筘座运动到前心位置即打纬结束时刻。 八八 v ( a ) 图1 3 共轭凸轮的筘座加速度曲线 ( a ) 正弦一余弦加速度曲线组合；改进梯形加速度曲线组合 4 喷气织机双侧四连杆打纬机构动态分析第一章绪论 ( 1 ) 正弦一余弦加速度曲线的分段组合。如图1 3 ( a ) ，采用该运动规律时筘座的 角位移、角速度、角加速度曲线连续，机构无刚性冲击。但在起始点和终止点，角加 速度变化率( s o 角跃度) 存在突变，机构会产生柔性冲击。 ( 2 ) 改进( 修正) 梯形加速度曲线的分段组合。如图1 3 ( b ) ，与正弦一余弦加速度曲 线的分段组合规律相比，角跃度无突变，最大角加速度可降低2 5 * 一3 0 ，最大角速 度可降低2 巧。 图1 4 所示为上述三种打纬机构的角位移曲线图。此处横坐标妒为主轴转角，纵 坐标j 为筘座角位移，坐标原点对应筘座的前心位置，= 1 8 0 。对应后心位置。自角 位移曲线的最高点向下微小距离厶处作一水平线，该直线与各位移曲线的交点在横 坐标上的投影，称为筘座的相对静止角。相对静止角越大，就意味着筘座在后心附近 相对停留的时间越长，这对打纬是有利的。图中破、唬、唬分别为四连杆、六连杆、 共轭凸轮打纬机构的相对静止角，可以看出，共轭凸轮打纬机构的相对静止角最大( 且 筘座有绝对静止时间) ，筘座在后心附近停顿时间最长，它使引纬时间达到很大的数 值。六连杆打纬机构的相对静止角较大，但筘座在后心附近有一微小波动量，它使此 处的加速度的方向会产生不利的变化。四连杆打纬机构的相对静止角最小，筘座近似 停顿时间最短。四连杆和六连杆打纬机构均没有绝对静止时间。 图1 4 打纬机构位移曲线 四连杆；一六连杆；共轭凸轮 旋转式打纬机构取消了往复摆动的筘座脚，而使用做旋转运动的圆形筘片直接打 纬，因而传动机构得以简化，机速得以提高。 第一章绪论 喷气织机双侧四连杆打纬机构动态分析 1 2 2 喷气织机四连杆打纬机构的特点 喷气织机是利用喷射的高速气流对纬纱产生的摩擦力进行引纬的一种新型无梭 织机。它抛弃了笨重的梭子，采用压缩空气作为载纬介质引纬。喷气织机打纬机构的 筘座上固装异形筘，它不仅是控制经纱密度，将纬纱打向织口的器件，也是引导气流 和纬纱的器件。喷气织机上还装有主喷嘴和辅喷嘴，引纬流场的末端还装有探纬器。 由于采用了主辅喷嘴与异形筘相结合的引纬方式以及各种自动控制装置，喷气织 机幅宽增加，织物的品种适应性扩大，不但能生产各类平纹、斜纹、毛圈织物，而且 还能生产长丝类织物、多色织物及细特高密防羽绒布、涤经棉纬或棉经纬长丝仿丝绸 等特种织物。从总体上看，轻、中、重，低、高特织物均可生产。 为适应织机的喷气引纬，打纬机构应满足如下要求7 一】： ( 1 ) 筘座摆动动程要小，实现短动程打纬，以减少筘片与经纱的摩擦，适应高速 运转； ( 2 ) 筘座在后心时，相对静止时间要尽可能长，以适应宽幅织物的引纬； ( 3 ) 织造高密织物时，筘座角加速度应在满足强打纬要求的同时，还应有良好的 动态性能； ( 4 ) 筘座摆动到前心时，辅喷嘴必须在布面下方，摆至后心时，瑚喷嘴应伸进梭 口，进行喷射和引纬； ( 5 ) 打纬机构对织机的振动干扰和产生的噪音要小。 喷气织机打纬机构的类型也有前述的几种，但由于本文的研究对象是四连杆打纬 机构，故以下将着重对其进行介绍。 喷气织机是织机高速化的产物。在织机的各运动机构中，打纬机构属于惯性大， 耗能大的机构。由于四连杆打纬机构支承在机架上，机构运动产生的周期性变化的力 与力矩，引起了机架的振动【9 1 。为改善其动态性能，喷气织机与有梭织机相比，在打 纬机构的结构和材料上作了部分改进【1 0 】，表现在如下方面： ( 1 ) 喷气织机四连杆打纬机构在结构上分成两个部分，即曲柄摇杆机构和筘座摆 动系统，实现了产生摆动的机构和完成打纬的机构的分离。喷气织机的筘座摆动系统 集中了打纬机构绝大部分的质量，且由于筘座脚长度较短，摆动系统的质心离摇轴较 近，其他各杆件的质心在摇轴的另一方向，因此，各构件的惯性力对支承的作用力和 喷气织机双侧四连杆打纬机构动态分析 第一章绪论 作用力矩能部分中和，有利于机构的动态平衡； ( 2 ) 喷气织机四_ 连杆打纬机构采用短筘座脚。短筘座脚使喷气织机筘座的摆动动 程小于有梭织机，有利于减小钢筘对经纱的摩擦，缩短了织口和第一页综框的距离， 确保开口的清晰，减小了筘座摆动系统的惯性质量，减小了惯性力对机架振动的影响； ( 3 ) 喷气织机的摇轴轴径较有梭织机要粗，筘座脚和筘座截面加强。在打纬时， 摇轴承担着大部分的打纬阻力矩，摇轴在输入力矩和打纬阻力矩的共同作用下产生扭 振，使在筘幅方向摇轴的扭转角不同步，筘座的摆动角速度和角加速度沿筘幅方向分 布产生变化，打纬的质量和工艺效果受损，摇轴轴径加粗及筘座脚和筘座截面加强有 利于提高筘座摆动的抗扭刚度； t ( 4 ) 筘座材料采用了轻质高强度的铝合金，减小了筘座摆动部分的惯性质量从而 减小了筘座运动中的惯性力对机架振动的影响。 1 3 柔性多体系统动力学进展 随着科学技术的发展，机械系统日趋复杂化，构件的柔度增大，运转速度加快， 运动精度的要求越来越高，系统的动态性能越来越复杂，简单的将构件作刚性体假设 的多刚体系统动力学已经无法准确解释系统复杂的动力学行为。因此工程机械中有很 多系统都必须同时考虑构件的大范围运动和本身的弹性变形，这类系统称为柔性多体 系统或刚柔混合多体系统。 最早处理柔性多体系统动力学问题的方法是运动一弹性动力学方法，即 k e d f k i n e t o e l a s t od y n a m i c s ) 法。在文献 11 、1 2 中，r c w i n t 瞽e y 和a g e r d m a n 在不考虑构件弹性变形对大范围刚体运动影响的情况下，把结构力学的有限元法引入 弹性系统的动力学分析中，从而为多体系统动力学问题的研究开辟了一条新路。张策 等在其专著【1 3 】中对连杆机构动力学的k e d 法进行了较为详尽的介绍。k e d 方法的 特点是；在运动学方面不考虑构件的弹性变形对其大范围运动的影响，而通过多刚体 系统动力学分析得到构件的运动性态，加上构件的惯性特性，以惯性力的形式加到构 件上，根据惯性力和系统的外力对构件进行弹性变形和强度分析。这种方法的实质就 是将柔性多体系统动力学看成是多刚体动力学和结构动力学的简单叠加，而忽略了两 第一章绪论喷气织机双倜四连杆打纬机构动态分析 者之间的耦合。随着轻质高速高精度机械系统的不断涌现，该法的局限性逐渐暴露出 来。 柔性多体系统动力学( f l e x i b l em u l t i - b o d ys y s t e md y n a m i c s ) 最早是在航空工业中 发展起来的，1 9 5 8 年美国发射第一颗人造卫星“探险者一号”时，由于没有考虑卫 星的四根鞭状天线的弹性效应对卫星姿态稳定性的影响，导致卫星进入轨道后发生翻 滚、失控的现象。另外，高速机构和新兴的机器人领域也是推动柔性多体系统动力学 发展的重要领域。 柔性多体系统动力学主要研究柔性体的变形与其大范围空间运动之间的相互作 用或相互耦合以及这种耦合所导致的动力学效应。文 1 4 】认为，柔性多体系统不同于 多刚体系统，它含有柔性部件，变形不可忽略；它与结构动力学不同，部件在自身变 形运动的同时，在空间中经历着大的刚性移动和转动，刚性运动与变形运动互相影响、 强烈耦合；与一般系统不同，它是一个多输入，多输出的时变、高度耦合、高度非线 性的复杂系统。刚柔耦合是柔性多体系统的本质特征，正是这种特征给系统的建模和 数值求解带来了许多困难，使其成为柔性多体系统动力学分析的核心问题。 1 3 1 柔性多体系统动力学建模 柔性多体系统的运动描述方式，按照所选取的坐标系的不同，可分为绝对描述和 相对描述两种类型。 绝对描述是以菜一个指定的惯性系为参考系，系统中每一个物体在每一个时刻的 位置和运动都在这个惯性系中确定。这种描述方法特别适合处理大变形问题，它无需 区分物体的刚性运动和变形，对二者都按连续介质力学的方法统一进行处理。目前这 种方法由于其繁复而形式化的理论在工程应用中尚不被广泛采用，但随着几何非线性 大变形问题的大量出现，绝对描述方法将逐渐显示出其重要性。 相对描述是目前最常采用的建模方法，它直接源于多刚体系统动力学。该方法对 每个柔性体建立一个浮动坐标系( 通常为非惯性系) ，将柔性体的运动看成是浮动坐标 系的牵连运动和相对于该坐标系的相对运动的合成，这也相当子将柔性体的运动分解 为未变形情况下的刚性运动和相对于未变形物体的变形运动的叠加。在文 1 s j = p ，a a s h a b a n a 等人用一致质量有限元方法对柔性体进行离散，并将柔性体浮动坐标系的 大范围转动用e u l e r 参数来描述，建立了柔性多体系统的动力学模型。这种方法的优 喷气织机双侧四连杆打纬机构动态分析 第一章绪论 点是建模简单，易于编程，适用于任何开环或闭环系统，但其全部未知量必须一次性 求出，计算工作量较人，尤其对大型复杂系统，计算效率较差。 相对描述还包括建立相邻两物体运动变量间的关系来建立递推形式的运动方程。 e j h a u g 在用铰相对坐标建立多剐体系统动力学模型【1 6 】的基础上，根据矢量变分方 法( v a r i a t i o n a lv e c t o rc a l c u l u sm e t h o d ) 和虚功原理，采用铰相对坐标加模态坐标的方 法，建立了开环及含闭环的柔性多体系统的动力学模型【1 7 18 1 。柔性多体系统的递推 列式具有方程个数少，计算效率高的优点，但是程式化较差。 在建立系统动力学方程时，可以采用不同的原理和方法，常用的有以下三种： ( 1 ) 牛顿一欧拉方法。该法在向量力学的基础上，直接应用动量定理和动量矩定 理列出隔离的单个物体的动力学方程，然后以约束条件为依据消去约束力或约束力 矩。这种方法对半柔性系统，特别是系统中有一个刚性主体的情况比较合适，但它只 适用在简单链系统的情况； ( 2 ) 在虚位移和达朗伯原理基础上演变出的拉格朗日方程。这种方法以标量力学 为主要特征，引入动力学函数建立系统的动力学控制方程。这是现在普遍应用并经实 践证明比较有效的方法； ( 3 ) 基于高斯原理即极小原理的方法。它开辟了一条不必建立运动微分方程而直 接用优化方法进行动力学分析的新途径。 1 3 2 柔性多体系统动力学方程的数值解法 柔性多体系统的动力学控制方程，由于其耦合和非线性，通常得不到响应的解析 解，必须借助于数值方法。无论以哪种形式建立的动力学方程，都存在描述刚性运动 的慢变量和描述弹性变形的快变量之间的数值病态问题。变化快的分量很快地趋于它 的稳定值，而变化慢的分量则缓慢地趋于它的稳定值。从数值解的观点来看，当解变 化快时数值方法应采用小步长积分，当变化快的分量已趋于稳定，或没有变化快的分 量出现时，就应该改用较大的步长积分。但是实践和理论都证明，很多方法，特别是 显式积分方法，步长仍不能放大，否则就出现数值不稳定现象，即误差急剧增大，以 至掩盖了真解，使求解过程无法进行。方程组的这种性质叫做刚性( s 缸回。刚性性质 是由方程中变量的刚柔耦合本质决定的，从计算数学的角度讲是数学问题本身的性 质，它不依赖于求解这个问题的数值方法。正是这个性质使传统的常微分方程的数值 9 第一章绪论喷气织机双侧四连杆打纬机构动态分析 积分方法遇到极大的困难，同时也使对刚性微分方程数值积分方法的研究成为数值方 法中最活跃的研究方向之一。 针对刚性微分方程组的数值求解，已经建立了数值稳定性和稳定区域的概念，并 且发表了大量数值解法的论文，常用的数值解法包括g e a r 法、隐式r u n g e - k u t t a 法、 显式r u n g e k u t t a 法及其改进方法、矩阵分解法等。文 1 9 】对刚性微分方程组数值解 法进行了比较全面且详细的介绍。针对具体的工程问题，如何从数值稳定性、数值解 的精度、计算量和计算速度出发选择合适的数值解法，已成为解决实际问题的关键之 一。文【2 0 针对港口机械中的门座起重机，在比较了各数值方法之后，选择了传统的 显式r u n g e - k u t t a 法的改进方法一g 1 l 法进行数值积分，取得了较好的效果。 由于刚性方程的数值求解是目前柔性多体系统动力学中公认的难题之一，许多计 算数学工作者、力学工作者在数值计算方面做了大量的研究工作。从一定意义上讲， 柔性多体系统动力学不但有其独特的理论问题需要进一步深入研究，而且其进展和工 程中的实际应用也取决于刚性方程的数值研究工作的进展。 1 4 机械系统的结构动态设计 机械系统的结构动态设计是指对满足工作性能要求的机械产品的初步设计图纸， 或需要改进的机械产品进行动力学建模和动态特性分析，然后根据工程实际，给出其 动态特性要求或预定的动态设计目标，再按照动力学“逆问题”方法直接求解结构设 计参数，或按照“正问题”分析法进行结构修改设计或动态性能预测，从而得到具有 良好动态特性的产品设计方案( 2 。动态设计的本质是在设计阶段就把系统的动态特性 考虑进去，取代了传统设计方法中所使用的依据静态设计规范及理论设计出样机，再 不断进行修改的方法。动态设计方法大大改善了产品的质量，提高了产品的安全可靠 性，是满足现代产品设计要求的有效方法。 结构动态设计“正问题”方法也就是结构修改的重分析方法，是目前使用较为广 泛的动态设计方法。为得到良好的动态特性，在设计中对结构设计变量进行反复修改， 为了了解再设计结构的动态特性，需要对修改结构进行动态特性分析，这就是所谓的 重分析。在重分析之前，可以通过灵敏度分析得到设计目标对设计变量的敏感程度， 喷气织机双橱四连杆打纬机构动态分析第一章绪论 从而对设计变量的选择提供依据，以避免设计修改中的盲目性，提高设计效率。重分 析则是基于。正问题”动态设计的关键。目前比较成熟的重分祈方法主要有矩阵摄动 法、基于模态变换的特征值再分析方法、基于模态参数再识别的传递参数法。从本质 上讲，这些方法是局部近似分析技术，当修改量比较大时，重分析的精度会明显下降。 基于人工神经网络理论的重分析方法【2 2 】在整个设计变量空间的重分析精度稳定性较 好，且分析速度较快，因此适合于大修改量的重分析。 对于机械系统有两种水平的灵敏度分析和重分析【2 3 1 ，一种是部件水平的分析，主 要是部件的特征值、特征向量的灵敏度分析和重分析。另种是整体系统水平的分析， 主要是系统响应的灵敏度分析和重分析。目前，对织机打纬机构主要是基于部件水平 的动态分析。文 2 4 以剑杆织机主墙板处的交叉动柔度为优化设计目标，对主轴主支 承刚度及辅助支承位置进行了优化设计，使交叉动柔度明显低于优化之前的数值。文 【2 5 】在分析了高速喷射织机打纬轴结合件的固有频率与各结构参数的关系的基础上， 采用神经网络为优化工具，以结合件的固有频率为优化目标，对筘幅、筘座脚宽度、 打纬轴的内径与外径进行了优化，使各阶固有频率有了很大的提高。 1 5 本文的主要工作 本文的主要工作是对w g 2 0 0 0 型喷气织机的双侧四连杆打纬机构动态性能进行 分析研究。按照对机构构件的不同假设，分为两个主要部分。 第一部分是打纬机构的刚体运动学与动力学分析。在运动学方面，主要分析筘座 的角位移、角速度、角加速度的变化及箕对打纬工艺的影响，在动力学方面，对机构 的运动副反力、输入力矩、摆动力力矩曲线的变化规律进行分析，并对机构参数( 输 入转速、空心主轴内径、幅宽) 的变化给动态性能带来的影响进行研究。这种在刚性 假设下建立的模型和分析的结果对中、低速运转的打纬机构具有定的理论指导意 义。 第二部分是打纬机构的柔性多体系统动力学分析。在动力学建模时，考虑了机构 中主要弹性构件一空心主轴和摇轴的扭转变形，并结合有限单元法对弹性体进行单元 划分，采用柔性多体系统动力学建模方法建立打纬机构的多自由度刚柔耦合动力学模 第一章绪论喷气织机双侧四连杆打纬机构动态分析 型。对模型的时变非线性动力学方程，采用自适应r u n g e - k u t t a 算法，结合m a f l a b 与c ”编程语言，自行编制程序对动力学方程进行数值求解，并计算工况转速下机构 的各阶固有频率。通过对无阻尼、小阻尼、阻尼打纬机构节点动态响应的比较分析， 考察阻尼对机构响应的作用。对有阻尼机构各节点的稳态扭转角、扭转角加速度进行 分析，结合机构刚体运动规律，讨论扭转变形给幅宽方向打纬运动的同步性和打纬力 带来的影响。分别对打纬机构在不同转速、不同空心主轴内径( 一次改变一个参数) 时 节点的扭转角度和角加速度进行计算，期望从动态响应的变化规律出发，在如何减小 弹性变形及提高动态性能方面对机构的动态设计提供参考。 本文最后采用压电式加速度计对打纬机构筘座运动的角加速度进行了实地测量。 由于实验条件的限制以及弹性假设下建模的近似性，本文只对筘座两端的加速度信号 进行采集和分析，并与刚体假设下的理论计算值比较，以验证理论分析的正确性。 喷气织机双侧四连杆打纬机构动态分析第二章打纬机构刚体运动学与动力学分析 第二章打纬机构刚体运动学与动力学分析 本文的喷气织机打纬机构装配示意图如图2 1 。由图可以看出，该机构为双侧四 连杆打纬机构，两侧四连杆通过空心主轴4 和摇轴1 2 连接。右曲轴6 是整个机构的 动力输入端，通过牵手7 带动摇杆8 往复摆动，右侧四连杆的运动通过主轴和摇轴传 递到左侧四连杆。筘座脚11 安装在摇轴上，随摇轴的往复摆动而实现打纬。整个打 纬机构通过曲轴和花键轴处的轴承支承在织机左右墙板上。 1 、6 一曲轴；2 、7 牵手；3 、5 空心主轴联轴器；4 一空心主轴；8 、1 6 摇杆； 9 、1 5 花键轴；1 0 、1 4 摇轴联轴器；11 一筘座脚；1 2 摇轴；1 3 一筘座 图2 1 打纬机构装配示意图 当织机运转速度不高时，可以将打纬机构的所有构件看作刚性体，在这种情况下， 打纬机构左右两侧四连杆的运动是完全同步的，整个机构在幅宽方向是左右对称的， 因此可以在四连杆的运动平面内对打纬机构进行运动学和动力学分析。图2 2 所示为 打纬机构在右侧四连杆平面内的示意图。 。土 ， 碌海，一 !一 - j , r b ， 图2 2 打纬机构示意图 第二章打纬机构刚体运动学与动力学分析喷气织机双侧四连杆打纬机构动态分析 图中a b 为曲轴，b c 为牵手，c d