精梳機分離羅拉傳動機構(gòu)的平衡研究

李留濤1， 任家智1， 賈國欣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—加速度法以及機構(gòu)動力學(xué)分析方法，在原有精梳機分離羅拉傳動機構(gòu)數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，運用Solidworks三維建模技術(shù)、Adams虛擬樣機仿真技術(shù)和Matlab計算機編程技術(shù)對精梳機分離羅拉傳動機構(gòu)的振動進行研究，探討了該機構(gòu)在運動過程中單個構(gòu)件慣性力的變化規(guī)律以及在機構(gòu)總慣性力中所占的比重，并比較了機構(gòu)在優(yōu)化前后慣性力的變化情況。研究表明：對分離羅拉傳動機構(gòu)的平衡優(yōu)化，可以使機構(gòu)的振動降低27%以上，有利于提高精梳機的速度和降低能源的消耗。

關(guān)鍵詞：分離羅拉傳動機構(gòu)；振動；慣性力；平衡優(yōu)化

中圖分類號：TS112.2

文獻標志碼：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

基金項目：紡織工業(yè)協(xié)會科技指導(dǎo)性項目(2012024)

作者簡介：李鉻(1960-)，男，河南內(nèi)黃人，教授。

文章編號：1671-6906(2015)03-0034-03

為完成精梳棉網(wǎng)的搭接及輸出，精梳機的分離羅拉必須實現(xiàn)周期性“倒轉(zhuǎn)→順轉(zhuǎn)→基本靜止”的運動，因此，精梳機的分離羅拉傳動機構(gòu)大多采用了將平面連桿機構(gòu)與差動輪系結(jié)合的傳動形式，其中平面連桿機構(gòu)為變速傳動部分，差動輪系為恒速傳動部分，二者的運動經(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”的運動。

在平面連桿機構(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動，故在機構(gòu)運動過程中產(chǎn)生了較大的振動，加劇了構(gòu)件的磨損，縮短了相關(guān)構(gòu)件的使用壽命，阻礙了精梳機速度的提高。因此，研究分離羅拉傳動機構(gòu)的振動情況，找出慣性力變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對機構(gòu)進行平衡優(yōu)化，對于降低精梳機的振動具有重要意義[1-3]。

本文運用質(zhì)量—加速度法以及機構(gòu)動力學(xué)分析方法，在原有精梳機分離羅拉傳動機構(gòu)數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，運用Solidworks三維建模技術(shù)、Adams虛擬樣機仿真技術(shù)和Matlab計算機編程技術(shù)對精梳機分離羅拉傳動機構(gòu)的振動進行研究，探討了該機構(gòu)在運動過程中單個構(gòu)件慣性力的變化規(guī)律以及其振動產(chǎn)生的慣性力在機構(gòu)總慣性力中所占的比重，并比較了機構(gòu)在優(yōu)化前后慣性力的變化情況，為精梳機速度的提高提供了理論支撐和解決途徑。

1分離羅拉傳動機構(gòu)

圖1所示為分離羅拉傳動機構(gòu)連桿傳動部分，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為差動臂中心。當錫林軸O勻速回轉(zhuǎn)時，通過定時調(diào)節(jié)盤OA、連桿AB帶動偏心套O1B做變速圓周運動。在偏心套O1B上活套有擺動臂ECD，當偏心套做圓周運動時，擺動臂ECD在搖桿O2D的約束下做變速運動；與E點鉸接的連桿EF，帶動首輪擺臂FO3(搖桿結(jié)合件)做周期性的擺動，即O3軸做周期性的正反向運動。

圖1　分離羅拉傳動機構(gòu)連桿傳動部分

分離羅拉傳動機構(gòu)輪系傳動部分如圖2所示。

圖2　分離羅拉傳動機構(gòu)輪系傳動部分

圖2中O3軸做周期性正反向運動，即差動輪系中的32齒首輪做正反向運動。在32齒齒輪軸O3上活套一個95齒齒輪，該齒輪為差動輪系的差動臂。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動傳遞給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構(gòu)傳來的變速運動與錫林軸傳來的恒速運動合成后，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”的運動[4-7]。

2分離羅拉傳動機構(gòu)的慣性力

根據(jù)達朗貝爾原理，由各運動構(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，即慣性力與機構(gòu)的振動力大小相等。為了掌握分離羅拉傳動機構(gòu)慣性力的變化規(guī)律，在對分離羅拉傳動機構(gòu)進行Solidworks三維建模的基礎(chǔ)上，利用Adams虛擬樣機仿真軟件對該模型進行動力學(xué)分析。

根據(jù)分離羅拉傳動機構(gòu)中各個構(gòu)件的實際尺寸，利用Solidworks三維建模軟件分別繪制各個構(gòu)件的實物模型，并在該軟件中進行裝配，然后導(dǎo)入Adams虛擬樣機仿真軟件中進行仿真。利用三維建模軟件Solidworks建立的分離羅拉傳動機構(gòu)實物模型如圖3所示。

圖3　分離羅拉傳動機構(gòu)三維實物模型

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

表1　分離羅拉傳動機構(gòu)單個構(gòu)件慣性力及機構(gòu)總慣性力　N

以單個構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力和總慣性力的最大值為衡量指標，對表1中的數(shù)據(jù)進行分析可知：定時調(diào)節(jié)盤、連桿AB、偏心套、擺動臂、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?，偏心套和擺動臂產(chǎn)生的慣性力在總慣性力中所占的比例遠遠超過其他構(gòu)件慣性力所占的比例。因此，減小偏心套和擺動臂產(chǎn)生的慣性力可以有效地降低整個機構(gòu)的慣性力，有利于提高機器的運轉(zhuǎn)速度和減少整個機構(gòu)的振動。

3分離羅拉傳動機構(gòu)的平衡優(yōu)化

3.1分離羅拉傳動機構(gòu)的平衡分析

圖4所示為利用質(zhì)量-加速度法對分離羅拉傳動機構(gòu)進行平衡分析的原理圖，其中mi(i=1～7)為機構(gòu)中各個構(gòu)件的質(zhì)量，li(i=1～7)為圖中相應(yīng)構(gòu)件的長度，(pi,qi)(i=1～7) 為構(gòu)件的質(zhì)心在相應(yīng)局部坐標系中的坐標位置。

圖4　分離羅拉傳動機構(gòu)平衡原理

根據(jù)文獻[8-10]可得到機構(gòu)中各個構(gòu)件慣性力的矢量方程表達式。定時調(diào)節(jié)盤、連桿AB、偏心套、搖桿、擺動臂、連桿EF、搖桿結(jié)合件的慣性力矢量方程表達式分別為：

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)點的第i(i=1、2)個質(zhì)量參數(shù)，u、v為構(gòu)件的運動副；ajpi與時間有關(guān)，稱為構(gòu)件j在p(p=u、v)點的第i(i=1、2)個加速度參數(shù)。

令與機架連接處運動副的加速度為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)可得分離羅拉傳動機構(gòu)總慣性力矢量方程表達式為

(9)

對構(gòu)件ECD進行分析，可知構(gòu)件ECD上第3個運動副C的加速度與其他兩個運動副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C、點D在構(gòu)件ECD局部坐標系中的坐標參數(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機構(gòu)慣性力矢量方程表達式。由式(14)可知：若使分離羅拉傳動機構(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機構(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，在實際生產(chǎn)中無法實現(xiàn)，故對該機構(gòu)只進行部分平衡優(yōu)化。

3.2分離羅拉傳動機構(gòu)的平衡優(yōu)化

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

以平衡后機構(gòu)總慣性力F的最大值最小化作為目標函數(shù)，以偏心套正常完成所設(shè)計的功能為約束條件，對公式(14)的多變量非線性函數(shù)進行最小化從而達到優(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)果繪制偏心套實物模型并模擬安裝到分離羅拉傳動機構(gòu)中，利用Adams虛擬樣機仿真技術(shù)對機構(gòu)進行仿真分析，仿真時間設(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分離羅拉傳動機構(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)，故當機構(gòu)的優(yōu)化方案確定之后，機構(gòu)慣性力最大值、最小值、極差的變化率恒定，與機構(gòu)的運動速度無關(guān)。

4結(jié)語

(1)精梳機在運動過程中，各個構(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、定時調(diào)節(jié)盤。對慣性力較大的構(gòu)件進行平衡優(yōu)化，可以有效地降低整個機構(gòu)的振動，從而提高機器的運轉(zhuǎn)速度。

(2)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對機構(gòu)進行動力學(xué)仿真分析，得出了分離羅拉傳動機構(gòu)在不同鉗次時優(yōu)化前后慣性力的變化規(guī)律，即若等鉗次地提高精梳機的速度，則優(yōu)化前后機構(gòu)慣性力的變化率相同。

(3)對分離羅拉傳動機構(gòu)的部分構(gòu)件平衡優(yōu)化，可以使機構(gòu)的慣性力減少27%以上，有利于改善機構(gòu)的平衡狀態(tài)，該研究為精梳機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