袁紫運

摘 要：由于常規(guī)的四桿機結(jié)構(gòu)存在著一些參數(shù)上的問題，造成了其在使用性能以及使用功能上難以發(fā)揮出全力。隨著機械自動化生產(chǎn)要求日益變高，對于四桿結(jié)構(gòu)要求也將變得越來越高，文章針對新型四桿機結(jié)構(gòu)設(shè)計進行研究，從參數(shù)設(shè)計、模型分析實現(xiàn)對常規(guī)四桿機結(jié)構(gòu)改造與研究。

關(guān)鍵詞：四桿機結(jié)構(gòu)；參數(shù)設(shè)計；動力學特性

隨著我國自動化技術(shù)研究不斷深入，對于四桿機結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究變得更加廣泛，但是在控制參數(shù)方面卻存在著嚴重的不足。即使不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，也僅能夠確保在部分的時間內(nèi)四桿機結(jié)構(gòu)具有良好的控制特性，其他時間段內(nèi)則可能出現(xiàn)失控問題，因此文章基于對四桿機結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置控制進行分析和研究，提出了相應(yīng)的四桿機結(jié)構(gòu)改進措施。

1 四桿機結(jié)構(gòu)設(shè)計研究發(fā)展現(xiàn)狀

參數(shù)設(shè)計作為四桿機構(gòu)設(shè)計重要思想，其在設(shè)計中屬于一種新興的CAD設(shè)計方法。設(shè)計過程中可以實現(xiàn)對生產(chǎn)產(chǎn)品進行全生命周期計算輔助設(shè)計，可以有效的促進產(chǎn)品的革新速度。然后通過用戶友好界面來改善結(jié)構(gòu)參數(shù)，以便完成四桿機結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計[1]。參數(shù)化設(shè)計在繪圖、機械裝配、圖庫參數(shù)生產(chǎn)等均可以實現(xiàn)參數(shù)化，建立起相應(yīng)的參數(shù)化圖庫。隨著先進機械產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的引進，對于檢測設(shè)備、設(shè)計方法等要求更高，從根本上提升了機械設(shè)備的生產(chǎn)能力。傳統(tǒng)的設(shè)計還存在著計算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工程繪圖等操作，在實際的參數(shù)化的時候，必須要將幾何圖形元素精確坐標尺寸。

實際生產(chǎn)制造過程中由于產(chǎn)品之間存在著很多相同、相似的零部件，設(shè)計時通過修改已經(jīng)擁有的圖形來實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。但是傳統(tǒng)的設(shè)計繪圖系統(tǒng)之中，缺乏相應(yīng)的參數(shù)設(shè)計功能，而且在進行圖形尺寸處理的時候，往往還會引起圖形發(fā)生很大的變化。很多不同的產(chǎn)品模型進行設(shè)計和造型，都無法支持產(chǎn)品相應(yīng)的設(shè)計工作，使得產(chǎn)品的設(shè)計費用變得相對較高，設(shè)計的時間相對較長，不能夠?qū)崿F(xiàn)快速現(xiàn)代化市場需求。采用參數(shù)化模型，不斷調(diào)整參數(shù)使得幾何形狀、參數(shù)控制等來實現(xiàn)產(chǎn)品的精確造型，新型的四桿機結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的設(shè)計造型進行比較，其最大的不同之處就是在于產(chǎn)品的精確制造。參數(shù)化設(shè)計其主要使得工程設(shè)計人員在不考慮相應(yīng)的考慮細節(jié)的時候，能盡快設(shè)計出草擬零件圖[2]。

2 變參數(shù)四桿機結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟

變參數(shù)四桿機結(jié)構(gòu)在設(shè)計的時候常常是對四桿機結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)內(nèi)的變曲率圓弧設(shè)計。對于四桿機結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)進行變曲率圓弧設(shè)計，主要是對四桿機結(jié)構(gòu)的角位置、初始桿長等運動參數(shù)進行設(shè)計。因此在設(shè)計的時候可以將四桿機結(jié)構(gòu)變參數(shù)設(shè)計問題進行分化求解設(shè)計。

2.1 確定四桿機結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)

設(shè)計四桿機結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的時候，如圖1所示就是確定圖中θA1的大小，AD與AB的桿長。

圖 1 四桿機結(jié)構(gòu)初始設(shè)計

沿著連桿的初始方向的角位置為θB1進行搜索，得出了|BC1|并且據(jù)此計算出|C1D|，搜索的時候必須要滿足相應(yīng)的瞬時動力指標，并且根據(jù)此計算出微分N多邊形上的起點C1。曲柄AB旋轉(zhuǎn)角度為△θA（θA+1，N-1），計算出BCi的角度位置θBi，則沿著BCi方向向前搜索△bi。計算瞬時等效四桿機構(gòu)（AB，BCi+1，Ci+1，DA），根據(jù)等效四桿機構(gòu)作為研究計算對象，使得曲柄AB旋轉(zhuǎn)微小角度△θA則可以求得αi+1以及（AB，BCi+2，Ci+2，DA）。當曲柄AB繞著BCi轉(zhuǎn)動180°時，可以求得瞬時的應(yīng)力Ci=CA。

設(shè)計參數(shù)四桿機構(gòu)的模型時，最為關(guān)鍵的是找出變曲率圓弧、撓性件的運動周期內(nèi)切點變化情況。然后根據(jù)變參數(shù)機構(gòu)的各個運動機構(gòu)和運動學分析，將瞬時連續(xù)與漸變瞬時等效機制聯(lián)系起來。

2.2 數(shù)學模型設(shè)計

從第i個設(shè)計瞬時四桿機構(gòu)參數(shù)向著第i+1個瞬時四桿機構(gòu)參數(shù)過渡的時候進行計算。例如，已知θAi、θBi、θDi、|AB|、|BCi|、|CiD|、△bi，計算得出|BCi+1|、|Ci+1D|、αi，βi。？駐bi/sin？茁=|Ci+1D|/sinαi，由此可得出：

sin？茁i=？駐bisinαi/|Ci+1D|，則：βi=arcsin{-△bisinθBicosθDi+△bisinθDi

cosθB/[△bi2+2△bi|CiD|（cosθBicosθDi+sinθBisinθDi）+|CiD|2]1/2}

通過變參設(shè)計計算出四桿機構(gòu)的變曲率圓弧，其在下半個運動周期僅僅根據(jù)自己設(shè)計出的變曲率來對機構(gòu)進行研究，針對結(jié)果對原來設(shè)計進行適當變動。數(shù)學模型的建立，可以有效改善變參設(shè)計在四桿機構(gòu)中設(shè)置狀況。

針對四桿機構(gòu)在下半個運動周期中根據(jù)自己設(shè)計出變曲率圓弧，并且根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計對于原來的參數(shù)進行變動。

例如，已知|BCi+1|、|AB|、|Ci+1D|、αi、βi，求得θAi+1。由于γi=π-（αi+βi），θB1=θDi+1-γi，則可得XCi+1=XD+|Ci+1D|cosθDi+1?？筛鶕?jù)式子進行瞬時等效機構(gòu)對于曲柄位移以及其他參數(shù)結(jié)構(gòu)反推。

3 變參四桿機結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

在抽油機設(shè)計中常常會使用到變參四桿機結(jié)構(gòu)，主要是從曲柄上來加強平衡使得電動機與減速箱在運動變化中負載趨于一定范圍之中均衡。游梁式抽油機設(shè)計曲柄的時候，采用的變參數(shù)法，其結(jié)構(gòu)存在著很多不同之處，主要是在連桿剛性件換成了撓性件，例如在實際應(yīng)用中多采用鋼絲繩、傳動帶等部件。游梁式抽油機的后臂將會裝上一個供撓性件反復(fù)纏繞的變曲率圓弧，這個供撓性件的工作原理和常規(guī)的游梁式抽油機存在著很大的相同之處。如圖2所示為變參數(shù)桿機結(jié)構(gòu)抽油機工作原理圖。

圖2 變參數(shù)桿機結(jié)構(gòu)抽油機工作原理圖

游梁式抽油機載荷狀況非常特殊，其主要的設(shè)計特征為驢頭懸點載荷和油井液柱構(gòu)成了彈性系統(tǒng)。上下行程的載荷變化相當大，通常抽油機的運動特性可以從其動力特性中得以體現(xiàn)，那么在衡量一臺抽油機的性能好壞，就必須根據(jù)其耗能指標和動力指標來進行評價。抽油機耗能的指標代表了減速箱的有效輸出情況，當電動機的有效輸出功率減小時，則機械的耗能降低，所以抽油機的能耗也就直接影響其使用成本。

減速箱峰值Mmax最大負扭矩的絕對值等于抽油機動力指標代表參數(shù)。若其減速箱峰值過大，將會造成抽油機設(shè)計的時候，選用額定扭矩過大或者額定功率過大。若當Mmax過大則會造成抽油機設(shè)計過程中的選用額定扭矩較大、減速箱功能較大的電機。但是|-Mmax|過大則會造成減速箱中的工作齒輪出現(xiàn)反向沖擊增大，將很大程度上影響減速箱的壽命、嚴重影響抽油機的工作可靠度。常規(guī)游梁式抽油機在設(shè)計中若減速箱的最小扭矩不為負，但是若仍然采用參數(shù)曲柄搖桿機構(gòu)的異形游梁式抽油機，其可以有效的避免減速箱出現(xiàn)負工作扭矩。

4 結(jié)束語

隨著科學技術(shù)不斷發(fā)展，機械生產(chǎn)技術(shù)逐漸得到顯著革新，傳統(tǒng)控制技術(shù)以及機械設(shè)計理念逐漸被新型創(chuàng)新理念和設(shè)計方法所替代。四桿機構(gòu)在機械生產(chǎn)中尤其是在參數(shù)化控制結(jié)構(gòu)之中應(yīng)用廣泛。四桿機構(gòu)的參數(shù)化、模塊化、可視化等研究通過不斷革新技術(shù)，將參數(shù)化合理的應(yīng)用于機械設(shè)計制造之中效果顯著。

參考文獻

[1]徐春濤，廉哲滿.基于矯正解的經(jīng)過預(yù)定三位置的四桿機構(gòu)設(shè)計[J].延邊大學學報（自然科學版），2012，01：87-91.

[2]周大偉.CATIA草圖輔助線及關(guān)系曲線在四桿機構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].沈陽航空航天大學學報，2012，03：52-55.