陳 濤，彭 彥 平，孫 秋 花，張 偉，李 明 穎

(大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034)

0 引 言

擺絲器屬于紡織機(jī)械中的一種，即無(wú)紡織布生產(chǎn)設(shè)備。國(guó)內(nèi)自行生產(chǎn)的擺絲器種類及數(shù)量較多，但大多存在一些技術(shù)問(wèn)題[1]，如某企業(yè)生產(chǎn)的擺絲器在使用過(guò)程中傳動(dòng)桿發(fā)生斷裂。針對(duì)這一實(shí)際問(wèn)題，對(duì)擺絲器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，找出傳動(dòng)桿發(fā)生斷裂的主要原因，通過(guò)理論計(jì)算與結(jié)果對(duì)比，確定改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。實(shí)際應(yīng)用表明該設(shè)計(jì)方案是可行的，對(duì)今后擺絲器實(shí)際生產(chǎn)中解決相關(guān)問(wèn)題有一定的指導(dǎo)意義。帶動(dòng)71個(gè)(圖1為只包含2個(gè)構(gòu)件的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖)設(shè)計(jì)相同、均勻分布的構(gòu)件(由桿4和桿5組成，桿4長(zhǎng)為60mm、桿5長(zhǎng)為100mm)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)件帶動(dòng)限幅板6擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)擺絲動(dòng)作。受力分析得出當(dāng)傳動(dòng)桿向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)桿所受橫向力為同時(shí)向上，傳動(dòng)桿向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受力同時(shí)向下。所以傳動(dòng)桿受橫向交變力作用，變化頻率為700r／min，這是造成傳動(dòng)桿疲勞斷裂的主要原因。

1 傳動(dòng)桿斷裂分析

擺絲器傳動(dòng)桿斷裂主要原因是原始構(gòu)件的設(shè)計(jì)問(wèn)題。如圖1所示，連桿1和連桿2帶動(dòng)長(zhǎng)為7 171mm的傳動(dòng)桿3做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)桿3

圖1 原始傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified diagram of original transmission mechanism

2 設(shè)計(jì)方案分析

2.1 設(shè)計(jì)方案提出

由于原始設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)存在傳動(dòng)桿受橫向力較大問(wèn)題，也是傳動(dòng)桿易斷裂的原因，因此，盡可能減少傳動(dòng)桿所受橫向力是設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。為此，擬采用如圖2所示的機(jī)構(gòu)，將原始構(gòu)件設(shè)計(jì)為構(gòu)件一(由桿7、桿8組成，桿7長(zhǎng)為85mm、桿8長(zhǎng)為40mm)和構(gòu)件二(由桿9和桿10組成，桿9長(zhǎng)為81mm、桿10長(zhǎng)為30mm)兩種形式，盡可能使桿8和桿10與傳動(dòng)桿3平行，較大程度上減少傳動(dòng)桿所受橫向力。采用兩種機(jī)構(gòu)間隔布局，目的是使傳動(dòng)桿同時(shí)受上下兩個(gè)方向的力。同時(shí)限幅板6的擺動(dòng)規(guī)律也應(yīng)滿足原始設(shè)計(jì)要求。當(dāng)傳動(dòng)桿左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種設(shè)計(jì)可以使傳動(dòng)桿上所受橫向力減小。

圖2 改進(jìn)后構(gòu)件簡(jiǎn)圖Fig.2 Diagram of the improved component

整個(gè)機(jī)構(gòu)的初始定位如圖3所示：構(gòu)件一和構(gòu)件二的上下鉸鏈在同一豎直位置，∠θ的取值設(shè)計(jì)為90°。這種設(shè)計(jì)的原因有兩個(gè)，一是此時(shí)傳動(dòng)的壓力角相對(duì)較小，傳動(dòng)角相對(duì)較大，有利于整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)[2]；二是構(gòu)件一和構(gòu)件二分別相對(duì)于初始位置的運(yùn)動(dòng)是對(duì)稱的，有利于使傳動(dòng)桿上所受橫向力相互抵消，減少橫向合力。

圖3 改進(jìn)后傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案Fig.3 Design scheme of the improved transmission mechanism

2.2 設(shè)計(jì)方案可行性驗(yàn)證

2.2.1 改進(jìn)前后回轉(zhuǎn)角度曲線對(duì)比

將圖1中擺絲器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，進(jìn)行仿真計(jì)算[3]?？傻贸鰯[絲器∠θ從0至360°變化一周，∠θ與滑塊(傳動(dòng)桿)位移的關(guān)系曲線。

連桿1設(shè)為a，長(zhǎng)為15mm；連桿2設(shè)為b，長(zhǎng)為200mm，滑塊位移為：

如圖4所示，桿AB、BC向右移動(dòng)至AD、DE處 ，設(shè)AB＝AD＝60mm，DE＝BC＝100mm，l＝75mm，CE＝X。

圖4 原始構(gòu)件簡(jiǎn)化圖Fig.4 Simplified diagram of original member

根據(jù)幾何關(guān)系和余弦定理可得：

根據(jù)式(2)，當(dāng)∠θ由0至360°變化一周時(shí)，可得改進(jìn)前后原始構(gòu)件和構(gòu)件一、構(gòu)件二的∠α和∠θ的關(guān)系對(duì)比曲線見(jiàn)圖5。

圖5 3種構(gòu)件∠α和∠θ的關(guān)系對(duì)比曲線Fig.5 Relation curve of original componentαandθ

如圖5所示，∠α的最大和最小差值基本一致，說(shuō)明改進(jìn)設(shè)計(jì)后的兩種構(gòu)件帶動(dòng)限幅板擺動(dòng)的回轉(zhuǎn)角度范圍與原始構(gòu)件帶動(dòng)限幅板擺動(dòng)的回轉(zhuǎn)角度范圍基本相符，可以采用改進(jìn)后的構(gòu)件。

2.2.2 改進(jìn)前后回轉(zhuǎn)角加速度曲線對(duì)比

利用數(shù)值微分的計(jì)算方法對(duì)∠α求二階導(dǎo)數(shù)[4]，當(dāng)∠θ由0至360°變化一周時(shí)，可得改進(jìn)前后原始構(gòu)件和構(gòu)件一、構(gòu)件二的回轉(zhuǎn)角加速度ε和∠θ的關(guān)系曲線見(jiàn)圖6。如圖6所示，3條曲線走向基本一致，說(shuō)明改進(jìn)后的兩種構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與原始構(gòu)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本相符，即限幅板的擺動(dòng)規(guī)律滿足原始設(shè)計(jì)要求，可以采用。

圖6 3種構(gòu)件角加速度ε和θ的關(guān)系對(duì)比曲線Fig.6 Relation curve of original component angular accelerationεandθ

2.2.3 改進(jìn)前后橫向力對(duì)比

首先需計(jì)算出原始機(jī)構(gòu)傳動(dòng)桿所受橫向力Fy的最大值，再通過(guò)對(duì)比改進(jìn)后機(jī)構(gòu)傳動(dòng)桿所受橫向合力F的最大值，檢測(cè)設(shè)計(jì)方案是否達(dá)到減少傳動(dòng)桿所受橫向力的目的。圖7為帶有限幅板的原始機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖7 帶有限幅板的原始機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.7 Diagram of original mechanism with limiting plate

由圖7可知，若使限幅板擺動(dòng)，F(xiàn)1對(duì)限幅板的力矩需大于或等于限幅板自身的轉(zhuǎn)矩。由于桿4、桿5質(zhì)量較小，對(duì)力矩的影響忽略不計(jì)。限幅板轉(zhuǎn)矩＝限幅板轉(zhuǎn)動(dòng)力矩＋限幅板摩擦力矩[5]，由于限幅板的摩擦力矩很小，所以將限幅板的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩近似看作限幅板的轉(zhuǎn)矩。

限幅板由矩形薄板和回轉(zhuǎn)軸組成，限幅板轉(zhuǎn)動(dòng)力矩＝(矩形薄板轉(zhuǎn)動(dòng)慣量＋回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)×限幅板最大角加速度，即

式(3)中：m1為薄板質(zhì)量；m2為回轉(zhuǎn)軸質(zhì)量。

矩形薄板尺寸：0.73m×0.35m×0.002m。

A處回轉(zhuǎn)軸的長(zhǎng)設(shè)為l1，半徑設(shè)為r，則

兩者材質(zhì)均為1Cr18Ni9，即奧氏體不銹鋼，其密度為7.85g／cm3。

由桿5上所受二力F平衡可得：

改進(jìn)前后傳動(dòng)桿受橫向力F和∠θ的關(guān)系如圖8所示。由圖8得Fymax＝205.350N。對(duì)于改進(jìn)后的構(gòu)件一和構(gòu)件二測(cè)得的最大橫向力Fy分別為27.770和－24.471N，由于兩者方向相反，最大合力為3.299N，遠(yuǎn)小于原始機(jī)構(gòu)傳動(dòng)桿所受橫向力205.350N，說(shuō)明這種設(shè)計(jì)方案可以達(dá)到減少傳動(dòng)桿所受橫向力的目的。則合力較優(yōu)的構(gòu)件一尺寸為桿7長(zhǎng)為85mm、桿8長(zhǎng)為40mm，構(gòu)件二尺寸為桿9長(zhǎng)為81mm、桿10長(zhǎng)為30mm，從而確定了改進(jìn)后構(gòu)件的尺寸。

圖8 改進(jìn)前后傳動(dòng)桿受橫向力F和∠θ的關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve of original mechanism drive link horizontal force Fand∠θ

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)擺絲器構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，擺絲器限幅板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與原始機(jī)構(gòu)限幅板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本相同，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。同時(shí)擺絲器傳動(dòng)桿所受橫向力由最大的205.350N減少到3.299N，得到了較大的改善。設(shè)計(jì)方案成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，延長(zhǎng)了傳動(dòng)桿的壽命，效果良好。

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