精梳機(jī)鉗板擺動機(jī)構(gòu)的平衡及實(shí)驗(yàn)

賈國欣，楊明霞，劉鵬展，任家智

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

當(dāng)精梳機(jī)的速度提高到400鉗次/min以后，機(jī)器的振動加劇，構(gòu)件疲勞損壞，壽命縮短，精梳制品的質(zhì)量下降.精梳機(jī)的振動主要發(fā)生在鉗板部分，針對鉗板部分的振動，王榮［1］以覆蓋總質(zhì)心軌跡的矩形面積最小為目標(biāo)函數(shù)，利用Proe軟件對鉗板機(jī)構(gòu)進(jìn)行了平衡優(yōu)化，但優(yōu)化配重的參數(shù)與安裝位置在文中沒有提及，而且優(yōu)化配重的減振效果也沒有在精梳機(jī)上得到驗(yàn)證.因此，本研究對精梳機(jī)的鉗板擺動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了平衡優(yōu)化，得出優(yōu)化配重的具體參數(shù)并在精梳機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對降低精梳機(jī)的實(shí)際振動與提高精梳制品的質(zhì)量具有重要意義.

1 鉗板擺動機(jī)構(gòu)

鉗板擺動機(jī)構(gòu)為平面二自由度的七連桿機(jī)構(gòu)，其主動件分別為鉗板擺軸O2和張力軸O3，鉗板擺軸由錫林軸通過滑桿滑套機(jī)構(gòu)傳動，張力軸由鉗板擺軸通過齒輪機(jī)構(gòu)傳動，如圖1所示.在精梳機(jī)的一個工作循環(huán)中，鉗板擺軸正反向轉(zhuǎn)動，固連其上的后擺臂前后擺動，帶動下鉗板座和前擺臂前后擺動，前擺臂活套在錫林軸O1上.同時，由鉗板擺軸傳動的張力軸通過牽吊桿使上鉗板結(jié)合件圍繞支點(diǎn)開啟閉合.鉗板擺動機(jī)構(gòu)的錫林軸、鉗板擺軸、張力軸與同一機(jī)座相連.鉗板擺動機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)目多、形狀不規(guī)則、運(yùn)動規(guī)律復(fù)雜，是精梳機(jī)主要的振動源.隨著精梳機(jī)速度的提高，振動越發(fā)劇烈，帶來的負(fù)面影響就越來越嚴(yán)重.

圖1 鉗板擺動機(jī)構(gòu)Fig.1 Nipper swing mechanism

2 鉗板擺動機(jī)構(gòu)的平衡優(yōu)化

2.1 鉗板擺動機(jī)構(gòu)的慣性力

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，在機(jī)構(gòu)各運(yùn)動構(gòu)件所受諸外力的反作用力都作用于同一機(jī)座的情況下，該機(jī)座所受的振動力為機(jī)構(gòu)各運(yùn)動構(gòu)件慣性力構(gòu)成的慣性力系的主矢［2］.因此，對鉗板擺動機(jī)構(gòu)振動力的平衡即對慣性力的平衡.

鉗板擺動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如圖2所示，設(shè)構(gòu)件質(zhì)心為s，各構(gòu)件質(zhì)量為mi(i=1，2，3，5，6，7)，長度為Li(i=1，2，…，8).其中，L21是AO2的長度，L4是OO1的距離，L8是OO3的距離，各構(gòu)件轉(zhuǎn)角為θi，各構(gòu)件質(zhì)心在其構(gòu)件的隨動坐標(biāo)系中的極坐標(biāo)為(ri，αi)，構(gòu)件的質(zhì)心位置矢量為rst，則該機(jī)構(gòu)的慣性力

其中

圖2 鉗板擺動機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖Fig.2 Kinematic sketch of nipper swing mechanism

利用Solidworks建立鉗板擺動機(jī)構(gòu)的三維實(shí)物模型，運(yùn)用質(zhì)量屬性命令找出各個構(gòu)件的質(zhì)心特征參數(shù)［3］，如表1所示.

將鉗板擺動機(jī)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，編制計(jì)算機(jī)程序，算出各構(gòu)件一個運(yùn)動周期內(nèi)的轉(zhuǎn)角結(jié)合求得的質(zhì)心特征參數(shù)及θi，計(jì)算當(dāng)HC500精梳機(jī)的速度為400鉗次/min、落棉刻度為8時，在一個運(yùn)動周期內(nèi)，一臺精梳機(jī)8個鉗板擺動機(jī)構(gòu)的慣性力幅值曲線見圖3.

圖3 鉗板擺動機(jī)構(gòu)慣性力幅值曲線Fig.3 Amplitude curve of inertia force of nipper swing mechanism

表1 構(gòu)件質(zhì)心特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of component centroid

2.2 鉗板擺動機(jī)構(gòu)振動力部分平衡優(yōu)化

機(jī)座所受的振動力和振動力矩可通過調(diào)整機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的質(zhì)量分布或在某些構(gòu)件上附加平衡質(zhì)量得到平衡，也可以附加平衡連桿組或齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平衡.若附加的平衡質(zhì)量或平衡構(gòu)件選擇恰當(dāng)，則疊加后的振動力就可能減少或?yàn)?，從而達(dá)到平衡的目的.

上述鉗板擺動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)完全平衡(總慣性力為0)需要添加4個配重，即使機(jī)構(gòu)裝配空間允許，機(jī)構(gòu)自身的質(zhì)量和體積也會增加很多，使得機(jī)構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動副反力增加，所以完全平衡不太實(shí)用.因此，本研究采用部分平衡優(yōu)化，即添加較少數(shù)目的配重使機(jī)構(gòu)振動減少到令人接受的程度.

考慮到機(jī)器車中的空間限制，將配重添加在鉗板擺軸上.設(shè)配重的質(zhì)量為m8，配重質(zhì)心位置矢量為rs8，平衡后機(jī)構(gòu)總振動力F為原機(jī)構(gòu)振動力Fs與平衡配重振動力F8的疊加，即

建立如下的優(yōu)化模型:

(1)優(yōu)化變量為X=［m8，rs8］T;

(2)約束條件為0≤m8≤(m8)max，30 mm≤rs8≤(rs8)max;

(3)目標(biāo)函數(shù)為Fmax=f(m8，rs8)最小化.

利用Matlab軟件中的優(yōu)化函數(shù)fmincon對上述多變量有約束非線性函數(shù)最小化問題進(jìn)行求解［5］，優(yōu)化結(jié)果為當(dāng)配重塊質(zhì)徑積m8×rs8=262.2 kg·mm時，機(jī)構(gòu)的減振效果最好.據(jù)文獻(xiàn)［2］和精梳機(jī)車的空間限制，建立優(yōu)化配重的三維實(shí)物模型，如圖4所示.

圖4 優(yōu)化配重實(shí)物模型Fig.4 Practical model of optimized weight

3 平衡配重減振實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)原料為棉精梳小卷，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為河南省夏邑縣永安紡織有限公司，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器為HC500精梳機(jī)與福祿克805測振儀.

3.2 方案設(shè)計(jì)

為了檢驗(yàn)優(yōu)化配重的減振效果，在HC500精梳機(jī)上分別安裝原配重和優(yōu)化配重，采用相同工藝，利用福祿克805測振儀測試精梳機(jī)的振動情況，測試點(diǎn)分布在車中A，B，C，D，E，F(xiàn)處，如圖5和圖6所示.

圖5 車后振動測試點(diǎn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of vibration test points on back machine

圖6 車前振動測試點(diǎn)示意圖Fig.6 Schematic diagram of vibration test points on front machine

實(shí)驗(yàn)方案1:原配重安裝位置保持不變，即每個鉗板機(jī)構(gòu)各有兩塊配重，配重安裝在鉗板后擺臂上，如圖7所示.

實(shí)驗(yàn)方案2:每個鉗板機(jī)構(gòu)有一塊優(yōu)化配重，配重安裝在每個鉗板機(jī)構(gòu)鉗板擺軸的中間位置，如圖8所示.

圖7 方案1Fig.7 Scheme one

圖8 方案2Fig.8 Scheme two

3.3 結(jié)果與分析

當(dāng)HC500精梳機(jī)的速度為400鉗次/min、落棉刻度為8時，利用福祿克805測振儀分別測試兩種方案6個測試點(diǎn)的振動位移s、振動速度v與振動加速度a，每種方案每點(diǎn)測量10次，求平均值.將平均值作為參數(shù)最終數(shù)值，兩種方案的振動參數(shù)值如表2所示.

表2 測試點(diǎn)振動參數(shù)數(shù)值及對比Tab.2 Vibration parameter values and comparison of test points

由表2可知:

(1)采用優(yōu)化后配重，車中6個測試點(diǎn)的振動加速度都降低了，其中車后C點(diǎn)的振動加速度下降比例最大，達(dá)到11.76%;車前D和F點(diǎn)的振動加速度下降比例最小，均下降了4.17%.6個測試點(diǎn)的平均下降比例為6.6%，加速度與作用力或載荷成正比，加速度降低可減輕構(gòu)件的疲勞破壞程度.

(2)采用優(yōu)化后配重，車中6個測試點(diǎn)的振動速度都降低了，平均下降比例為9.05%.其中，E點(diǎn)的振動速度下降最多，A點(diǎn)的振動速度下降最少，振動速度降低可顯著降低噪聲、減少能源消耗.

(3)采用優(yōu)化后配重，車中6個測試點(diǎn)的振動位移都下降了，平均下降比例為8.14%.振動位移反映振動幅度的大小、決定構(gòu)件的變形程度，從以上數(shù)據(jù)可以看出，由于振動位移明顯下降，減振效果非常顯著.

4 結(jié)論

(1)精梳機(jī)速度提高后振動嚴(yán)重，構(gòu)件的疲勞損壞加劇、壽命縮短，精梳制品的質(zhì)量下降.

(2)鉗板擺動機(jī)構(gòu)是產(chǎn)生振動的主要機(jī)構(gòu)，在一個工作循環(huán)中，8個鉗板擺動機(jī)構(gòu)的慣性力幅值最大達(dá)到了2 349.2 N.

(3)運(yùn)用最優(yōu)化方法結(jié)合Matlab程序計(jì)算可得，當(dāng)裝在鉗板擺軸上的配重質(zhì)徑積為262.2 kg·mm時，減振效果最好.

(4)對優(yōu)化配重進(jìn)行生產(chǎn)加工并在HC500精梳機(jī)進(jìn)行安裝與實(shí)驗(yàn)，與原配重相比，所有測試點(diǎn)的振動位移、速度與加速度都減少，證明了優(yōu)化方案的正確性.

(5)上述機(jī)構(gòu)平衡優(yōu)化方法可適用于其他任何平面連桿機(jī)構(gòu).

［1］王榮，湯文成，趙春花.精梳機(jī)鉗板機(jī)構(gòu)的振動平衡優(yōu)化［J］.制造業(yè)自動化，2009，31(12):101-104.

［2］華大年，華志宏.連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng)新［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:230-231，274.

［3］北京兆迪科技有限公司.Solidworks 2012寶典［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012:229-231.

［4］賈國欣，楊明霞，任家智.FA266型精梳機(jī)鉗板機(jī)構(gòu)及工藝參數(shù)運(yùn)動學(xué)建模［J］.紡織機(jī)械，2009(3):17-23.［5］李胡錫，姜紅.Matlab循序漸進(jìn)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1997:242.