精梳機(jī)分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的平衡研究

李留濤1， 任家智1， 賈國(guó)欣2

(1.中原工學(xué)院； 2.河南工程學(xué)院， 鄭州 450007)

摘要：使用質(zhì)量—加速度法以及機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析方法，在原有精梳機(jī)分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Solidworks三維建模技術(shù)、Adams虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)和Matlab計(jì)算機(jī)編程技術(shù)對(duì)精梳機(jī)分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行研究，探討了該機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中單個(gè)構(gòu)件慣性力的變化規(guī)律以及在機(jī)構(gòu)總慣性力中所占的比重，并比較了機(jī)構(gòu)在優(yōu)化前后慣性力的變化情況。研究表明：對(duì)分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的平衡優(yōu)化，可以使機(jī)構(gòu)的振動(dòng)降低27%以上，有利于提高精梳機(jī)的速度和降低能源的消耗。

關(guān)鍵詞：分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；振動(dòng)；慣性力；平衡優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TS112.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.03.006

Abstract:Using the method of quality-acceleration and dynamics analysis, based on the modeling analysis of the existing detaching roller transmission mechanism of comber, the Solidworks 3 d modeling technology, Adams virtual prototype technology and MATLAB computer programming technology were used in studying detaching roller transmission mechanism of combing machine, the individual components of inertial force and the proportion in the total inertia force of the mechanism were discussed, and the changes of the institutions in the inertial force were compared before and after optimizing. The research results show: the balance optimization of detaching roller transmission mechanism can reduce the vibration of the institutions and more than 27% vibration is reduced, and improve the speed of combing machine and reduce the consumption of energy.

收稿日期：2014-12-11

基金項(xiàng)目：紡織工業(yè)協(xié)會(huì)科技指導(dǎo)性項(xiàng)目(2012024)

作者簡(jiǎn)介：李鉻(1960-)，男，河南內(nèi)黃人，教授。

文章編號(hào)：1671-6906(2015)03-0034-03

為完成精梳棉網(wǎng)的搭接及輸出，精梳機(jī)的分離羅拉必須實(shí)現(xiàn)周期性“倒轉(zhuǎn)→順轉(zhuǎn)→基本靜止”的運(yùn)動(dòng)，因此，精梳機(jī)的分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大多采用了將平面連桿機(jī)構(gòu)與差動(dòng)輪系結(jié)合的傳動(dòng)形式，其中平面連桿機(jī)構(gòu)為變速傳動(dòng)部分，差動(dòng)輪系為恒速傳動(dòng)部分，二者的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過合成之后最終傳遞給分離羅拉，使分離羅拉做周期性“倒轉(zhuǎn)→順轉(zhuǎn)→基本靜止”的運(yùn)動(dòng)。

在平面連桿機(jī)構(gòu)中，由于構(gòu)件的數(shù)量較多，多數(shù)構(gòu)件呈不規(guī)則形狀且為非勻速運(yùn)動(dòng)，故在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生了較大的振動(dòng)，加劇了構(gòu)件的磨損，縮短了相關(guān)構(gòu)件的使用壽命，阻礙了精梳機(jī)速度的提高。因此，研究分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)情況，找出慣性力變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡優(yōu)化，對(duì)于降低精梳機(jī)的振動(dòng)具有重要意義[1-3]。

本文運(yùn)用質(zhì)量—加速度法以及機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析方法，在原有精梳機(jī)分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Solidworks三維建模技術(shù)、Adams虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)和Matlab計(jì)算機(jī)編程技術(shù)對(duì)精梳機(jī)分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行研究，探討了該機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中單個(gè)構(gòu)件慣性力的變化規(guī)律以及其振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力在機(jī)構(gòu)總慣性力中所占的比重，并比較了機(jī)構(gòu)在優(yōu)化前后慣性力的變化情況，為精梳機(jī)速度的提高提供了理論支撐和解決途徑。

1分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖1所示為分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿傳動(dòng)部分，其中O為錫林軸，O1為偏心套旋轉(zhuǎn)中心，O2為鉗板擺軸中心，O3為差動(dòng)臂中心。當(dāng)錫林軸O勻速回轉(zhuǎn)時(shí)，通過定時(shí)調(diào)節(jié)盤OA、連桿AB帶動(dòng)偏心套O1B做變速圓周運(yùn)動(dòng)。在偏心套O1B上活套有擺動(dòng)臂ECD，當(dāng)偏心套做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，擺動(dòng)臂ECD在搖桿O2D的約束下做變速運(yùn)動(dòng)；與E點(diǎn)鉸接的連桿EF，帶動(dòng)首輪擺臂FO3(搖桿結(jié)合件)做周期性的擺動(dòng)，即O3軸做周期性的正反向運(yùn)動(dòng)。

圖1　分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿傳動(dòng)部分

分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輪系傳動(dòng)部分如圖2所示。

圖2　分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輪系傳動(dòng)部分

圖2中O3軸做周期性正反向運(yùn)動(dòng)，即差動(dòng)輪系中的32齒首輪做正反向運(yùn)動(dòng)。在32齒齒輪軸O3上活套一個(gè)95齒齒輪，該齒輪為差動(dòng)輪系的差動(dòng)臂。安裝在錫林軸O上的15齒齒輪，通過56齒過橋齒輪將恒速運(yùn)動(dòng)傳遞給95齒齒輪，由95齒齒輪輸入行星輪系；由行星輪系將平面連桿機(jī)構(gòu)傳來的變速運(yùn)動(dòng)與錫林軸傳來的恒速運(yùn)動(dòng)合成后，經(jīng)過25齒、87齒、28齒齒輪傳給分離羅拉，使分離羅拉做周期性“倒轉(zhuǎn)→順轉(zhuǎn)→基本靜止”的運(yùn)動(dòng)[4-7]。

2分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣性力

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，由各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件慣性力構(gòu)成的慣性力系與由各構(gòu)件構(gòu)成的外力系組成一平衡力系，即慣性力與機(jī)構(gòu)的振動(dòng)力大小相等。為了掌握分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)慣性力的變化規(guī)律，在對(duì)分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行Solidworks三維建模的基礎(chǔ)上，利用Adams虛擬樣機(jī)仿真軟件對(duì)該模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

根據(jù)分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件的實(shí)際尺寸，利用Solidworks三維建模軟件分別繪制各個(gè)構(gòu)件的實(shí)物模型，并在該軟件中進(jìn)行裝配，然后導(dǎo)入Adams虛擬樣機(jī)仿真軟件中進(jìn)行仿真。利用三維建模軟件Solidworks建立的分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)物模型如圖3所示。

圖3　分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維實(shí)物模型

設(shè)置仿真時(shí)間為50 s，步數(shù)為10 000，精梳機(jī)速度為400鉗次/min。分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中單個(gè)構(gòu)件慣性力及總慣性力的仿真結(jié)果如表1所示。

表1　分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單個(gè)構(gòu)件慣性力及機(jī)構(gòu)總慣性力　N

以單個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力和總慣性力的最大值為衡量指標(biāo)，對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：定時(shí)調(diào)節(jié)盤、連桿AB、偏心套、擺動(dòng)臂、連桿EF、搖桿、搖桿結(jié)合件產(chǎn)生的慣性力占總慣性力的比重依次為：0.73%、8.01%、36.87%、38.55%、5.72%、8.75%、1.37%?？梢?，偏心套和擺動(dòng)臂產(chǎn)生的慣性力在總慣性力中所占的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他構(gòu)件慣性力所占的比例。因此，減小偏心套和擺動(dòng)臂產(chǎn)生的慣性力可以有效地降低整個(gè)機(jī)構(gòu)的慣性力，有利于提高機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和減少整個(gè)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)。

3分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的平衡優(yōu)化

3.1分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的平衡分析

圖4所示為利用質(zhì)量-加速度法對(duì)分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡分析的原理圖，其中mi(i=1～7)為機(jī)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量，li(i=1～7)為圖中相應(yīng)構(gòu)件的長(zhǎng)度，(pi,qi)(i=1～7) 為構(gòu)件的質(zhì)心在相應(yīng)局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置。

圖4　分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)平衡原理

根據(jù)文獻(xiàn)[8-10]可得到機(jī)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件慣性力的矢量方程表達(dá)式。定時(shí)調(diào)節(jié)盤、連桿AB、偏心套、搖桿、擺動(dòng)臂、連桿EF、搖桿結(jié)合件的慣性力矢量方程表達(dá)式分別為：

F1=-(M1O1·a1O1+M1O2·a1O2+M1A1·a1A1

+M1A2·a1A2)

(1)

F2=-(M2A1·a2A1+M2A2·a2A2+M2B1·a2B1

+M2B2·a2B2)

(2)

F3=-(M3O11 ·a3O11 +M3O12 ·a3O12 +M3B1·a3B1

+M3B2·a3B2)

(3)

F4=-(M4O21 ·a4O21 +M4O22 ·a4O22 +M4D1·a4D1

+M4D2·a4D2)

(4)

F5=-(M5C1·a5C1+M5C2·a5C2+M5E1·a5E1

+M5E2·a5E2)

(5)

F6=-(M6E1·a6E1+M6E2·a6E2+M6F1·a6F1

+M6F2·a6F2)

(6)

F7=-(M7O31 ·a7O31 +M7O32 ·a7O32 +M7F1·a7F1

+M7F2·a7F2)

(7)

其中：Mjpi與構(gòu)件質(zhì)量有關(guān)，稱為構(gòu)件j在p(p=u、v)點(diǎn)的第i(i=1、2)個(gè)質(zhì)量參數(shù)，u、v為構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副；ajpi與時(shí)間有關(guān)，稱為構(gòu)件j在p(p=u、v)點(diǎn)的第i(i=1、2)個(gè)加速度參數(shù)。

令與機(jī)架連接處運(yùn)動(dòng)副的加速度為0，可得到下列等式：

a1O1=a1O2=a3O11 =a3O12 =a4O22 =a7O31 =a7O32 =0

(8)

同一個(gè)旋轉(zhuǎn)副處加速度相等，根據(jù)式(1)—式(8)可得分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總慣性力矢量方程表達(dá)式為

(9)

對(duì)構(gòu)件ECD進(jìn)行分析，可知構(gòu)件ECD上第3個(gè)運(yùn)動(dòng)副C的加速度與其他兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副E、D的加速度存在如下關(guān)系：

(10)

(11)

(12)

(13)

將式(10)—(13)代入式(9)得式(14)：

F=-{(M1A1+M2A1)a1A1+(M1A2+M2A2)a1A2+(M6F1+M7F1)a6F1+(M6F2+M7F2)a6F2+(M5E2+M6E2+

(14)

其中：(p5C,q5C)、(p5D,q5D)分別為點(diǎn)C、點(diǎn)D在構(gòu)件ECD局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)參數(shù)；Mjpi具體求解如式(15)—式(18):

Mju1=mj(1-pj/lj)

(15)

Mju2=mj·qj/lj

(16)

Mjv1=mj·pj/lj

(17)

Mjv2=-mj·qj/lj

(18)

式(14)即為利用質(zhì)量-加速度法得到的分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)慣性力矢量方程表達(dá)式。由式(14)可知：若使分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完全平衡，則加速度前面的系數(shù)應(yīng)全部為0，但由于分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中構(gòu)件形狀以及車頭箱空間位置的限制，完全平衡只能是理論上的追求，在實(shí)際生產(chǎn)中無法實(shí)現(xiàn)，故對(duì)該機(jī)構(gòu)只進(jìn)行部分平衡優(yōu)化。

3.2分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的平衡優(yōu)化

根據(jù)對(duì)分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件慣性力的分析可知：偏心套和擺動(dòng)臂產(chǎn)生的慣性力在機(jī)構(gòu)的總慣性力中所占的比例較大，故對(duì)偏心套和擺動(dòng)臂進(jìn)行平衡優(yōu)化可以有效地降低機(jī)構(gòu)的慣性力?？紤]到減小擺動(dòng)臂的質(zhì)量可能會(huì)影響構(gòu)件的正常功能，故這里只以偏心套構(gòu)件優(yōu)化來對(duì)分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡優(yōu)化。

以平衡后機(jī)構(gòu)總慣性力F的最大值最小化作為目標(biāo)函數(shù)，以偏心套正常完成所設(shè)計(jì)的功能為約束條件，對(duì)公式(14)的多變量非線性函數(shù)進(jìn)行最小化從而達(dá)到優(yōu)化的目的。優(yōu)化前后偏心套的形狀如圖5所示，優(yōu)化前偏心套質(zhì)量為6.671 96 kg，優(yōu)化后為4.655 2 kg。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果繪制偏心套實(shí)物模型并模擬安裝到分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，利用Adams虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，仿真時(shí)間設(shè)置為50 s，步數(shù)為10 000，速度分別設(shè)置為350鉗次/min、400鉗次/min、450鉗次/min。優(yōu)化前后的慣性力及慣性力減少率如表2所示。

圖5　優(yōu)化前后偏心套的形狀

特征參數(shù)速度/(鉗次·min-1)350400450優(yōu)化前最大值/N722.24946.671189.57最小值/N230.72300.88380.36極差/N491.52645.78809.21優(yōu)化后最大值/N523.28685.06861.96最小值/N166.42217.57274.59極差/N356.86467.48587.37減少率最大值/%27.5527.6427.54最小值/%27.8727.6927.81極差/%27.3927.6127.41

由表2可知：①分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化后比優(yōu)化前的慣性力最大值減小了27.54%，最小值減小了27.69%，極差降低了27.39%；②慣性力參數(shù)的變化率均保持在恒定范圍內(nèi)，故當(dāng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方案確定之后，機(jī)構(gòu)慣性力最大值、最小值、極差的變化率恒定，與機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)。

4結(jié)語

(1)精梳機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中，各個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力不同，按照大小順序依次為結(jié)合件、偏心套、搖桿、連桿AB、連桿EF、搖桿結(jié)合件、定時(shí)調(diào)節(jié)盤。對(duì)慣性力較大的構(gòu)件進(jìn)行平衡優(yōu)化，可以有效地降低整個(gè)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)，從而提高機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

(2)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得出了分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在不同鉗次時(shí)優(yōu)化前后慣性力的變化規(guī)律，即若等鉗次地提高精梳機(jī)的速度，則優(yōu)化前后機(jī)構(gòu)慣性力的變化率相同。

(3)對(duì)分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的部分構(gòu)件平衡優(yōu)化，可以使機(jī)構(gòu)的慣性力減少27%以上，有利于改善機(jī)構(gòu)的平衡狀態(tài)，該研究為精梳機(jī)速度的提高提供了理論支撐和解決途徑。

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(責(zé)任編輯：姜海芹)

The Balance Study of Detaching Roller Transmission

Mechanism on Comber

LI Liu-tao1， REN Jia-zhi1， JIA Guo-xin2

(1.Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007；

2.Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 450007, China)

Key words:detaching roller transmission mechanism；vibration；inertia force；balance optimization