CJ60精梳機(jī)凸輪和三角連桿結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

石 琦

（上海一紡機(jī)械有限公司，上海200050）

CJ60精梳機(jī)是由上海一紡機(jī)械有限公司于2005年自行設(shè)計(jì)、自己制造的高速精梳機(jī)。當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)最高速度為450鉗次／分鐘。實(shí)際生產(chǎn)速度根據(jù)所使用的棉花纖維的品質(zhì)指標(biāo)最高一般為350～380鉗次／分鐘。在實(shí)際生產(chǎn)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中，當(dāng)速度大于400鉗次／分鐘的速度時(shí)，發(fā)現(xiàn)三角連桿有因沖擊斷裂損壞的現(xiàn)象發(fā)生。為此，本文對(duì)三角連桿與凸輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)斷裂損壞事件進(jìn)行分析。

1 CJ60精梳機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 三角連桿與凸輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

CJ60精梳機(jī)三角連桿與凸輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在圖1中，凸輪與轉(zhuǎn)動(dòng)主軸固定，隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，三角連桿固定在行星輪系軸上。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)共軛凸輪一起旋轉(zhuǎn)，分別推動(dòng)三角連桿上的2個(gè)轉(zhuǎn)子，使得三角連桿作來(lái)回?cái)[動(dòng)，從而傳動(dòng)行星輪系上的太陽(yáng)輪，通過(guò)行星輪系將主軸輸入的恒速與三角連桿傳入的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)合成為一個(gè)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，最后控制分離羅拉的運(yùn)動(dòng)。在這種共軛凸輪結(jié)構(gòu)中，由于三角連桿的2個(gè)轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置是固定的，一般其相互關(guān)系的角度精度是由制造時(shí)加工設(shè)備精度、加工工藝及操作工的水平所決定的，2個(gè)轉(zhuǎn)子與凸輪的間隙，在允許的公差范圍內(nèi)有0.00～0.06 mm的誤差，并且是不能調(diào)節(jié)的。另外，在實(shí)際加工中材料的變形非常大，實(shí)際誤差可能達(dá)到0.10～0.30 mm。如果凸輪高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)凸輪運(yùn)行到一條凸輪運(yùn)動(dòng)軌跡曲線的最高點(diǎn)再轉(zhuǎn)向另一條凸輪運(yùn)動(dòng)軌跡曲線時(shí)，凸輪與三角連桿上的轉(zhuǎn)子之間將因間隙的存在而發(fā)生兩種激烈的碰撞：① 凸輪由與其一起工作的轉(zhuǎn)子沖向另一個(gè)轉(zhuǎn)子時(shí)產(chǎn)生；②發(fā)生在第一次彈性碰撞后，第2個(gè)轉(zhuǎn)子彈出帶動(dòng)第1個(gè)轉(zhuǎn)子砸向原有的凸輪軌跡面。這兩種碰撞產(chǎn)生的碰撞沖擊力一般遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)分離羅拉的驅(qū)動(dòng)力，并且與凸輪和轉(zhuǎn)子之間的間隙成正比；而且第一次發(fā)生的碰撞力越大，反作用力的彈性力也越大，那么第二次的撞擊力也越大。在每一個(gè)循環(huán)中，上述的沖擊現(xiàn)象要發(fā)生2次，三角連桿在整個(gè)運(yùn)行中受到的是交變打擊，會(huì)在三角連桿的受力點(diǎn)產(chǎn)生交變應(yīng)力；因此，凸輪、三角連桿所受到的沖擊力的強(qiáng)度大小、破壞程度與加工凸輪、三角連桿運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的凸輪和轉(zhuǎn)子之間的間隙有關(guān)。

圖1 三角連桿與凸輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 CJ60精梳機(jī)三角連桿的受力分析與計(jì)算

1.2.1 正常運(yùn)行時(shí)的三角連桿的受力分布

圖2 三角連桿運(yùn)動(dòng)時(shí)受力圖

圖2為三角連桿運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力圖。圖2中，三角連桿受到凸輪的推力F，同時(shí)受到驅(qū)動(dòng)分離羅拉的反作用力矩M（其他的支撐力忽略不計(jì)）。根據(jù)剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的微分方程—扭矩平衡方程[2]

即

式中，M為三角連桿輸入到行星輪系太陽(yáng)輪上的反作用扭矩；J為三角連桿、太陽(yáng)輪及行星輪系上轉(zhuǎn)化到三角連桿上的總慣量；ε為三角連桿的角加速度；LO2O3為轉(zhuǎn)子受力點(diǎn)至三角連桿回轉(zhuǎn)中心的距離。

1.2.2 分離羅拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)慣量的計(jì)算

圖3為傳動(dòng)分離羅拉的行星輪系簡(jiǎn)化圖。圖中Z1～Z9表示行星輪系上的各個(gè)齒輪，各齒輪齒數(shù)如下：Z1為33，Z2為22，Z3為29，Z4為26，Z5為71，Z6為92，Z7為15，Z8為Z9為23，Mf為精梳機(jī)在450鉗次／分鐘時(shí)，伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)分離羅拉所需的最大扭矩（含電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子），Mf＝120（N·m）。

圖3 傳動(dòng)分離羅拉的行星輪系簡(jiǎn)化圖

按圖3所示的行星輪系結(jié)構(gòu)，本文采用Solid Work三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件建立各零件的三維模型，即可計(jì)算出各零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

根據(jù)齒輪傳動(dòng)的慣量轉(zhuǎn)化到Z1齒輪上的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到三角連桿與太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和

行星輪系各零件轉(zhuǎn)化到輸入太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

1.2.3 分離羅拉角加速度εf和三角連桿角加速度ε的計(jì)算

分離羅拉的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4所示。采用Solid Work三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件建立各零件三維模型后，運(yùn)用MSC公司開(kāi)發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析系統(tǒng)（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）軟件，進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬化仿真設(shè)計(jì)，計(jì)算出各零件的位移、速度、加速度，并繪制出各曲線圖，如圖5、6所示。

圖4 分離羅拉的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖5 分離羅拉在0.109 3 s（32.79″）時(shí)，它的角加速度達(dá)到最大

由圖5可見(jiàn)，分離羅拉在0.109 3 s（32.79″）時(shí)，它的角加速度εf達(dá)到最大，

由圖6可見(jiàn)，三角連桿在0.109 3 s（32.79″）時(shí)，它的角加速度ε達(dá)到最大，

1.2.4 驅(qū)動(dòng)分離羅拉扭矩 M′f的確定

式中，（Jf＋Jm）為伺服電動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)分離羅拉時(shí)的齒輪與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的慣量之和；M5為行星輪系輸出的扭矩。

圖6 三角連桿在450鉗次／分鐘時(shí)圍繞旋轉(zhuǎn)中心的角位移、角速度、角加速度組合圖

根據(jù)行星輪系的輸入扭矩和輸出扭矩之間的關(guān)系[3]：

式中，MA為行星輪系輸入扭矩；MC為行星輪系輸出扭矩；ibac為行星輪系轉(zhuǎn)臂B固定時(shí)的速比。

所以，三角連桿受到凸輪輸入的驅(qū)動(dòng)扭矩

1.2.5 三角連桿受力的應(yīng)力分析

根據(jù)上述計(jì)算的三角連桿受到的扭矩大小，本文采用Solid Work公司提供的COSMOS有限元分析軟件，進(jìn)行三角連桿受力后的應(yīng)力分析計(jì)算，得到三角連桿受力后的應(yīng)力分布和材料失效的部位情況圖如圖7所示。

由圖7可見(jiàn)，零件所受的凸輪傳給的力所產(chǎn)生的應(yīng)力小于所用材料的疲勞極限強(qiáng)度，但在螺孔附近有形成細(xì)小應(yīng)力集中的現(xiàn)象（紅色）；另外，所采用的是QT50－7球墨鑄鐵，在澆注時(shí)不易控制珠光體的含量和石墨的球化率，實(shí)際的強(qiáng)度比所要求的低，而因間隙所產(chǎn)生的沖擊力一般是所受靜態(tài)力的3～4倍；因此，三角連桿在精梳機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，材料可能會(huì)在此產(chǎn)生小裂縫，隨著機(jī)臺(tái)的不斷運(yùn)行，裂縫逐漸變大，最終造成零件損壞。

圖7 三角連桿應(yīng)力分布圖

2 三角連桿的改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 三角連桿的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)凸輪—三角連桿結(jié)構(gòu)傳動(dòng)特點(diǎn)：三角連桿在轉(zhuǎn)向時(shí)的沖擊大小與凸輪和轉(zhuǎn)子之間的間隙有關(guān)，將三角連桿的2個(gè)轉(zhuǎn)子分為2個(gè)零件，中間用一個(gè)可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)連接起來(lái)。這樣原有的用QT50－7材料制造的三角連桿零件可以用45號(hào)鋼代替，提高了材料的強(qiáng)度，同時(shí)凸輪和轉(zhuǎn)子之間的間隙也可根據(jù)不同的速度來(lái)調(diào)節(jié)，達(dá)到?jīng)_擊最小、震動(dòng)最輕運(yùn)行狀態(tài)，克服了精梳機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，使精梳機(jī)的速度能進(jìn)一步提高。

2.2 三角連桿的改進(jìn)設(shè)計(jì)計(jì)算

改進(jìn)三角連桿的形狀和結(jié)構(gòu)就是改變?nèi)沁B桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及它的受力分布點(diǎn)。

2.3 三角連桿改進(jìn)后受力的應(yīng)力分析

三角連桿改進(jìn)后受力時(shí)應(yīng)力分布和材料失效的部位情況如圖8所示。

由圖8可見(jiàn)，改進(jìn)后零件應(yīng)力最大點(diǎn)在安裝螺栓的沉孔處，是原有應(yīng)力的1／12。最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的持久疲勞屈服強(qiáng)度σ－1，在整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)下，三角連桿不會(huì)因沖擊和材料疲勞而損壞。

圖8 三角連桿改進(jìn)后受力時(shí)應(yīng)力分布和材料失效的部位情況圖[5]

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)三角連桿的改進(jìn)設(shè)計(jì)，使得三角連桿在高速450鉗次／分鐘運(yùn)行的情況下，凸輪對(duì)三角連桿的沖擊力減小，使之產(chǎn)生的振動(dòng)也相應(yīng)減輕，同時(shí)也提高了三角連桿的機(jī)械強(qiáng)度，避免了三角連桿的斷裂現(xiàn)象，克服車頭里傳動(dòng)部件因三角連桿的失效而產(chǎn)生的其他零件損壞或報(bào)廢的弱點(diǎn)，最終可以使得CJ60的實(shí)際的機(jī)械最高運(yùn)行速度達(dá)到450鉗次／分鐘，進(jìn)一步達(dá)到高速和高產(chǎn)的目的。該套技術(shù)改造方案如果能實(shí)際當(dāng)中應(yīng)用，相信在不久的將來(lái)生產(chǎn)的CJ60型精梳機(jī)能夠在達(dá)到450鉗次／分鐘運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)更加穩(wěn)定，在開(kāi)放的經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)中更具有競(jìng)爭(zhēng)力，給企業(yè)帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 南京工學(xué)院，西安交通大學(xué).理論力學(xué)[M].北京：人民教育出版社，1979：83.

[2] 上海一紡機(jī)械有限公司.CJ60型棉精梳機(jī)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，傳動(dòng)圖 FT1－CJ60[R].上海：上海一紡機(jī)械有限公司，2005.

[3] 庫(kù)德里亞夫采夫B H，基爾佳舍夫 .行星齒輪傳動(dòng)手冊(cè)[M].陳啟松，張 展，江耕華，等，譯.北京：冶金工業(yè)出版社，1986：14.

[4] 白秋云，朱德貴，孫紅亮.熱等靜壓處理對(duì)球墨鑄鐵疲勞性能的影響[J].材料導(dǎo)報(bào)，2011，23（8）：92－94.

[5] 上海紡織工業(yè)學(xué)院.工程力學(xué)：下冊(cè)[M].北京：高等教育出版社，1979：418.