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【JX374】椭圆齿轮-曲柄摇杆打纬机构的分析与设计[KT+RW+FY+PROE]
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【JX374】椭圆齿轮-曲柄摇杆打纬机构的分析与设计[KT+RW+FY+PROE],jx374,椭圆,齿轮,曲柄,摇杆,打纬,机构,分析,设计,kt,rw,fy,proe
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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，利用时结合运用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：n of is a in in is in of on of do of up of of a up of up of of as of on of up or up of by up is up of up to a of of of up o of up on a of by up ey 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，2008年上半年我国纺织机械及零附件出口额810亿美元，同比增长660，6月出口额为128亿美元。2008年二季度我国纺织机械进口额为2321亿美元，同比增长225，六月进口额为405亿美元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12万元台，而2006年进口的剑杆织机平均价格为445万美元)，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2004年4月，在我国申请有关剑杆织机机构的相关专利共35件，其中国外在华申请11件，且这11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450转分提高到2002年的750转分，最高的展示车速达1500转分。织机箱幅系列从150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12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，如大利1江泰坦)和纺机)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240。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。8932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 1 196型剑杆织机上的共轭凸轮打纬机构四连杆打纬机构，大利剑杆织机、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实现65。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，$果允许5咖左右的打纬位移，能实现120。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131。柄；24一连杆；35摇杆；6六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【41，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95。筘座摆动006。的良好效果【51。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61。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。采用传统的显式到在600r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01。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(称析方法的假设条件191，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，采用亚平、吴小平等利用机械系统仿真软件析了不同转速、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【10l。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：2】采用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。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(例如般是不经济的，所以只有少数有效的方法(直接积分法(心差分法和模态迭加法)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，41， 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【l 6。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19】也很多，文献203研究了含运动副间隙的曲柄滑块机构的动态特性。文献21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22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2427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【281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。14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，椭圆偏心率不大的情况下，用几段圆弧来替代椭圆节曲线1311。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【321。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【33】；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【351。15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【361。本章提出一种新型的打纬机构(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。21椭圆齿轮一曲柄摇杆打纬机构简介图21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柄彳点为椭圆齿轮2的转动中心，打纬杆处于前心初始位置时21椭圆齿轮一曲柄摇杆打纬机构及其初始位置22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21。221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22，0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22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=62(a+c=62(a+c仍在o2万之间变化，仍在O一2万之间变化)由椭圆齿轮的传动特性得：一，i 2 2a+c赢)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=一面办一2一一。识 。 (口+c“92一(7)浙江理工人学硕士学位论文表21相关参数说明222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 ： ，l 2仍、-，l 2鲠可列方程：图23曲柄摇杆机构及参数式2一(8)中石=仍由2一(10)得：(一)2+(一)2+“()0其中杨=n=厶据余弦定理有：2一(8)2一(9)2一(10)筠景黼 2川1，二丝xB1)、2一(12)两式可求得五和五，立速度及加速度方程：2)2一(13)，1=，、，勺+=如止?5|乞乞+b虼r【浙江理工人学硕士学位论文式2一(20)和2一(21)中：=一识。一欢。 一五)=_，l(设谚=(珐刍：!厶垒：墅基乞一五)五2焉觜c1=Z+厶舅厶咒方程组2一(24)一阶导数，得方程组2一(25)一阶导数，得方程组2一(26)一阶导数，得22一(14)2一(15)2一(16)2一(17)2一(18)2一(19)2一(20)2一(21)2一(22)2一(23)2一(24)2一(25)2一(26)2一(27)2一(28)2一(29)以厶?5|b=，、L茎吗稚=而乃兰伽励嘭一+南儿=耽，、屯乃浙江理：人学硕士学位论文求方程组2一(24)二阶导数，得么毛2一鼍厶爿一(30)一町厶A 5)二阶导数，得铲 2-(31)+岛曰(畋方程组2一(26)二阶导数，得繁(戊3 a：3 a小；2峭2，旧=厶。 一 ) 一223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此打纬杆上度和加速度为：s=p(厶一厶翱) 2一(33)上式中五初为初始时刻摇杆的角位移。v=p一(34)口=pZ 2一(35)23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31优化软件的程序求解框图根据22节的运动学分析，程序的求解框图如图24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2+州(11+12)5_)如2 60万仍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XB 2)求出歹。由2一(11)求出五一歹。，得出五根据2一(14)1)求出立，竞，五，运动学计算程序求解框图232辅助分析软件的功能及使用方法利用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26所示。该软件的输入参数为口、k，主动轮转速n、厶、厶、厶和厶。14浙江理工人学硕士学位论文幽25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26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26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15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2 7。附27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28所示。单击“停止”关闭本程序。图2 8步进、步机构参数对打纬性能的影响241椭圆偏心率现椭圆齿轮偏心率着七的增大，打纬后心停顿位置角不断下降，从图29所示规律判断，欲达到类似共轭凸轮的效果，七的取值应在0608之间。图210为文中所给定参数的打纬机构在转速300r同七值下加速度的仿真图，随着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，高该打纬机构工作的平稳性。05 055 06 065 07 0 k=O8，k=O。 图210不同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。242曲柄和摇杆对性能影响0 20 40 60 80曲柄长度：胍图211值对打纬点最大加速度的影响曲线1705432如约2222卫1i譬占J酏1。倒捌最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4032230o228搬罾2衡缝2242222205 30 35 40连扦长度：2 z值对打纬点最大加速度的影响图212为文中所给定参数的打纬机构在转速300r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28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220。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220。230。25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213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300转分时，摇杆最大角加速度为320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18浙江理工人学硕士学位论文1厂、：一20旷鬟织机主蝻角(o)(b)摇杆角速度曲线C200仁了八。_N一织机主轴转角(o)(c)摇杆角加速度曲线图213摇杆角位移、角速度、角加速度曲线由图213(a)可见，摇杆角位移在主轴转到1 80。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213(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。26与常用的两种打纬机构性能比较图214所示为六连杆打纬机构371和共轭凸轮打纬机构138】的运动学曲线比较。 一_K V& 呔0 嬲I： 300!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214两种常用打纬机构运动学曲线图214(a)反映了六连杆打纬机构筘座在织机主轴转速300r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214(b)是筘座的停顿时间较长为240。，从600至并且速度、加速度趋于零，有利于剑杆引纬。打纬的最大动程为95纬终了时，加速度最大为328824m时打纬力最大，有利于将纬纱打紧。因为筘座在运动过程中，其加速度方向是变化的，因此，195o删鼎暇鞋骧浙江理工大学硕十学位论文惯性力的方向也随着发生变化，从而使织机在运转中产生振动。在325。左右跃度值最大，此时筘座运动不平稳性也较大，从而产生摇轴振动，但筘座运动跃度曲线是连续的轭凸轮打纬性能明显优于六连杆机构，理论上可满足任意工艺要求，实现预定的筘座运动规律，是目前在高速无梭织机上应用较多的打纬机构。虽然共轭凸轮打纬机构的性能优越，但它对共轭凸轮的加工精度要求高。为了适应高速运转，筘座加速度的导数(跃度)要求连续，这就要求凸轮的轮廓线做到三阶连续，加工成本高。新机构的后心停顿角能达保证剑头在梭口有充足的引纬时间，打纬终了时能提供最大打纬力。通过与上述两种打纬机构比较可知，椭圆齿轮一曲柄摇杆打纬机构的性能接近于共轭凸轮打纬机构，但比六连杆打纬机构有了很大改善。27本章小结1)本章介绍了提出的新型打纬机构的特点，建立了椭圆齿轮和曲柄摇杆两级传动的运动学数学模型。2)编写了打纬机构运动学分析软件，介绍了辅助分析程序的界面和功能。3)分析了机构参数对打纬性能的影响，并与常用的两种打纬机构性能进行了比较。20浙江理工大学硕士学位论文第三章椭圆齿轮一曲柄摇杆打纬机构刚体动力学分析本章先建立了一般曲柄摇杆机构中的连杆摇杆的动力学计算模型，并编制了程序，然后建立了曲柄和椭圆齿轮的动力学模型，采用序列求解法求出打纬机构各未知力，为机构的强度分析和机构设计提供依据。31动力学分析曲柄是和从动椭圆齿轮固定在一起的，因此这里只需对连杆和摇杆进行受力分析，动力学分析求解的方法是序列求解法，即由机构的末端件或者执行件开始求解，在求解方程过程中，各个未知力不断被求出，再把这些刚刚求出的力代入含有要求解的剩余的力的方程，在求解中，要求方程除了刚求出的力外只能包含一个未知力，这样一步步求出所有未知力，连杆和摇杆受力情况见图31所示，已知常量为：ml、m2、勘。1)受力分析l 分析连杆如下动力学平衡方程：E=+一7c)+岛一7【2)一蔓=o 3一(1)0=+蹈一兀)+尼r 一兀2)一一必=o 3一(2)龇2篇-J：鼯。 3，一( ：比)(毛 ：毛(咒 口嚷=o 一浙江理工大学硕士学位论文分析摇杆仞受力情况，有如下动力学平衡方程：E=+c7【2)一最一鸭墨=o 3一(4)弓=易+r 2)一一或=o 3一(5)=层k+层一勃)一以。弦=o 3一(6)联立式3一(1)3一(6)，用方程逐次求解法，即可求出各未知力。2)曲柄和椭圆齿轮受力分析由于曲柄与从动椭圆齿轮是固结在一起的，应作一个分析对象，曲柄和椭圆齿轮受力分析见图32。图32曲柄和椭圆齿轮受力分析图椭圆齿轮动力学分析相关符号说明表31为椭圆齿轮动力学分析用到的相关符号，在动力学分析之前，需要确定从动轮2质心的位移和加速度。从动轮2质心的位移方程：优? 3一(7)【 2+万)从动轮2质心的加速度方程：c()魏+万)弓；) 3一(8)=c(02+万)唬一)鹾)传统的驱动力分析方法为力偶矩分析，存在错误，本文采用与实际工况相近的作用力驱动分析。椭圆齿轮传递作用力如图32，以轮2为研究对象，动力由齿轮用力包括正压力摩擦力弓：，正压力与两节曲线公切线成20。，摩擦力与惯性力作用下齿轮2变为主动轮，因此产生正压力目，和摩擦力B。，研究对象仍然为齿轮2。图中转角仍加大的方向)与向径匕(即浙江理工大学硕士学位论文面)方向的夹角。则由节曲线方程乞一吒(仍)=得：。 a+一(9)在0刀范围内变动。齿廓正压力与摩擦力之间的关系：哆日。=哆：目：=留缈现以椭圆齿轮2受晶：、哆：驱动为例，推导目：与力矩材之间的关系如下：M=(目：争+口：号一三)吒=嚣(+9)和=嚣 吼耻两一+了i)飕耻丽力学分析以从动轮2为研究对象，列动力学平衡方程：X=+一一o】，=一+0一m：(g+兑)=o-m：1)可知，式3一(13)中：
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