楊曉華,謝彩云,馮玉華

(成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院/成都市技師學(xué)院,四川 成都 611731)

0 引言

攪拌機(jī)構(gòu)屬于常見(jiàn)的平面四桿機(jī)構(gòu)類(lèi)型,平面四桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用,工程技術(shù)人員根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)四桿機(jī)構(gòu)開(kāi)展運(yùn)動(dòng)分析。傳統(tǒng)的三種方法有圖解法、實(shí)驗(yàn)法和解析法都不夠直觀(guān),作圖復(fù)雜,計(jì)算工作量大,不能為工程技術(shù)人員提供很好的理論模型。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件能解決這個(gè)問(wèn)題,比如Solid-Works 軟件的Motion 模塊,它能夠快速高效的虛擬仿真構(gòu)件的位置、構(gòu)件上點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。

1 攪拌器機(jī)構(gòu)的工作原理

該攪拌器用于液體的混合,攪拌器機(jī)構(gòu)的工作簡(jiǎn)圖如圖1 所示。圖中AB 桿為曲柄、BC 為連架桿、CD 為搖桿、AD 為機(jī)架、CE 為攪拌頭。主動(dòng)件曲柄AB 逆時(shí)針進(jìn)行圓周針旋轉(zhuǎn),而構(gòu)件CD 只能做擺動(dòng),CE 桿運(yùn)動(dòng)路徑為攪拌頭的工作軌跡。

圖1 攪拌器機(jī)構(gòu)工作簡(jiǎn)圖

2 速度瞬心法介紹

在機(jī)械原理中經(jīng)常用運(yùn)動(dòng)學(xué)方法解決機(jī)構(gòu)幾何學(xué)問(wèn)題。速度瞬心法是這種方法的典型運(yùn)用,該方法屬于圖解法,既靈活方便又直觀(guān)簡(jiǎn)潔,是一種行之有效的方法。

速度瞬心定義原則先確定直接接觸構(gòu)件的速度瞬心位置,再按“三心定理”確定非直接接觸構(gòu)件的速度瞬心位置。對(duì)于相隔兩個(gè)及以上構(gòu)件間非直接接觸構(gòu)件的速度瞬心位置確定的問(wèn)題,圖解法較為復(fù)雜,很難確保作圖的精度。如何有效確定復(fù)雜機(jī)構(gòu)的全部瞬心位置,是使用速度瞬心法進(jìn)行復(fù)雜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的關(guān)鍵。借助SolidWorks 軟件裝配體中的布局功能繪圖模塊可以有效提高確定速度瞬心位置的效率還能確保作圖精度。

3 攪拌器機(jī)構(gòu)的角速度、線(xiàn)速度分析

3.1 速度瞬心法求解攪拌器機(jī)構(gòu)的角速度、線(xiàn)速度

3.1.1 在布局下創(chuàng)建攪拌器機(jī)構(gòu)

攪拌器是一種曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型AB=14 mm、BC=44 mm、CD=32 mm、AD=42 mm及構(gòu)件的相對(duì)位置關(guān)系,如圖2 所示實(shí)線(xiàn)部分。點(diǎn)擊“新建”選項(xiàng)卡,在彈出的對(duì)話(huà)框中單擊“裝配體”,再點(diǎn)“生成布局”利用布局模塊“繪制工具條”按鈕繪制攪拌器機(jī)構(gòu)示意圖并標(biāo)注相應(yīng)的構(gòu)件尺寸。

圖2 曲柄AB 構(gòu)件在不同位置的示意圖

3.1.2 速度瞬心法求解CD 構(gòu)件的角速度、線(xiàn)速度

曲柄AB 構(gòu)件用電機(jī)驅(qū)動(dòng)并且勻速運(yùn)動(dòng),速度為10 r/min。曲柄AB 構(gòu)件在0 s 時(shí)處于水平位置0°和當(dāng)曲柄AB 構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)1.2 s 時(shí),曲柄以水平位置0°為參考,轉(zhuǎn)動(dòng)72°。試求曲柄AB 構(gòu)件在0°和72°時(shí),AB、CD 構(gòu)件的角速度和B、C 點(diǎn)的線(xiàn)速度。利用SolidWorks 布局的繪圖功能作出攪拌器構(gòu)件AB(設(shè)為構(gòu)件2)、CD 構(gòu)件(設(shè)為構(gòu)件4)的瞬心(設(shè)為P24)、瞬心位置及對(duì)應(yīng)A、B 點(diǎn)距離進(jìn)行參數(shù)化標(biāo)注,如圖2 所示。試運(yùn)用瞬心法求CD 構(gòu)件的角速度及C 點(diǎn)的線(xiàn)速度。

(1)曲柄AB 構(gòu)件位于0°時(shí),AB、CD 構(gòu)件的角速度和B、C 點(diǎn)的線(xiàn)速度。

①曲柄AB 構(gòu)件角速度和B 點(diǎn)的線(xiàn)速度

由于曲柄AB 構(gòu)件作勻速運(yùn)動(dòng),AB 的直線(xiàn)對(duì)應(yīng)的角速度、B 是點(diǎn)對(duì)應(yīng)線(xiàn)速度在任何時(shí)刻角速度和線(xiàn)速度是相等的,構(gòu)件AB 的角速度用ω1表示,CD構(gòu)件的角速度用ω2表示。

②CD 構(gòu)件的角速度及C 點(diǎn)的線(xiàn)速度

(2)曲柄AB 構(gòu)件位于72°時(shí),CD 構(gòu)件的角速度和C 點(diǎn)的線(xiàn)速度。

為對(duì)比研究,依次取曲柄AB 在1.8、2.4、3.0、4.2、5.4 s 時(shí)對(duì)應(yīng)CD 構(gòu)件的角速度及C 點(diǎn)的線(xiàn)速度,計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 AB、CD 構(gòu)件的角速度和B、C 的線(xiàn)速度

3.2 利用SolidWorks 軟件Motion 功能運(yùn)動(dòng)仿真

利用SolidWorks 軟件中Motion 功能,在AB 桿件上添加旋轉(zhuǎn)電機(jī),電機(jī)轉(zhuǎn)速為10 r/min,設(shè)置動(dòng)畫(huà)時(shí)間為6 s。在動(dòng)畫(huà)演示的過(guò)程中,AB 桿作周轉(zhuǎn)、CD 桿擺動(dòng),進(jìn)一步驗(yàn)證了此機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

3.2.1 “跟蹤路徑”分析攪拌器的運(yùn)動(dòng)軌跡

利用SolidWorks 軟件中Motion 功能中的“跟蹤路徑”分析運(yùn)動(dòng)軌跡,可以完成平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的三大類(lèi)基本命題中兩個(gè)任務(wù)滿(mǎn)足預(yù)定的連桿位置要求和預(yù)定的軌跡。圖解法是完成設(shè)計(jì)連桿位置、預(yù)定的軌跡的常用方法,但圖解法作圖比較繁雜,利用SolidWorks 中Motion 功能下面的“結(jié)果和圖解”在彈出“結(jié)果”對(duì)話(huà)框中,選擇“位移/速度/加速度”下方“跟蹤路徑”可直接生成軌跡,提高設(shè)計(jì)工作的效率。攪拌機(jī)機(jī)構(gòu)的軌跡仿真如圖3 所示。

圖3 攪拌器機(jī)構(gòu)的軌跡

3.2.2 攪拌器運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析

利用SolidWorks 軟件Motion 功能中的“角速度、線(xiàn)速度、加速度”選項(xiàng)可以完成平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的三大類(lèi)基本命題之一滿(mǎn)足預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求,利用SolidWorks 軟件中Motion 功能下面的“結(jié)果和圖解”在彈出“結(jié)果”對(duì)話(huà)框中,選擇“位移/速度/加速度”下面的“角速度、線(xiàn)速度”進(jìn)行設(shè)置直接生成圖解表,讀取相應(yīng)的角速度和線(xiàn)速度,如圖4、5所示。

圖4 C 點(diǎn)的角速度圖解

圖5 C 點(diǎn)的線(xiàn)速度圖解

為對(duì)比研究,依次從圖解表中讀取曲柄AB 在1.8、2.4、3.0、4.2、5.4 s 時(shí)對(duì)應(yīng)CD 構(gòu)件的角速度及C 點(diǎn)的線(xiàn)速度,如表2 所示。

表2 AB、CD 構(gòu)件的角速度和B、C 的線(xiàn)速度

3.3 速度瞬心法與仿真分析法誤差分析

通過(guò)表1、表2 可以看出,C 點(diǎn)在不同位置的角速度,使用速度瞬心法與仿真分析法的數(shù)值非常接近,最大誤差發(fā)生AB 構(gòu)件運(yùn)動(dòng)5.4 s,AB 的角度為324 度時(shí),CD 構(gòu)件的角度誤差值為(1.203 2 -1.176 4)/1.203 2 ×100%=2.22%。最大誤差數(shù)值很小,驗(yàn)證了通過(guò)仿真分析法直接讀取運(yùn)動(dòng)規(guī)律值是可行的。其次通過(guò)Motion 分析的“結(jié)果和圖解”也可以直接生成CD 構(gòu)件的角加速度與時(shí)間關(guān)系圖解。

4 結(jié)論

本研究運(yùn)用速度瞬心法對(duì)構(gòu)件的角速度、線(xiàn)速度進(jìn)行求解,利用SolidWorks 軟件的Motion 功能對(duì)攪拌器機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析,分析的結(jié)果表明,這兩種方法所求得的值非常接近,SolidWorks 軟件的Motion 分析功能高效完成平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的三大類(lèi)基本命題,避免大量數(shù)據(jù)計(jì)算,操作過(guò)程簡(jiǎn)便,為平面連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù),也極大提高設(shè)計(jì)人員的工作效率。通過(guò)Motion 運(yùn)動(dòng)仿真分析,可以有效降低產(chǎn)品的制造成本、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,并使設(shè)計(jì)分析人員快速地了解產(chǎn)品的可行性。