基于虛擬樣機(jī)仿真的經(jīng)編機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)平衡研究

黃 駿 張建兵 韋海龍 樊騰飛 張大偉 趙加洋

（常州市潤源經(jīng)編運(yùn)用工程技術(shù)研究中心，江蘇常州 213000）

基于虛擬樣機(jī)仿真的經(jīng)編機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)平衡研究

黃 駿 張建兵 韋海龍 樊騰飛 張大偉 趙加洋

（常州市潤源經(jīng)編運(yùn)用工程技術(shù)研究中心，江蘇常州 213000）

經(jīng)編機(jī)運(yùn)行過程中，由于各部件本身所具有的質(zhì)量在運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生的慣性作用，使得機(jī)器運(yùn)行過程中產(chǎn)生很大的振動(dòng)力，直接影響經(jīng)編機(jī)的高速運(yùn)行性能。為此，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，并借助Solidworks和ADAMS軟件建立了經(jīng)編機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，對(duì)機(jī)器在配重塊不同材料及不同大小時(shí)的運(yùn)行過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，得出了對(duì)機(jī)構(gòu)總質(zhì)心位移及基座轉(zhuǎn)動(dòng)副處受力的影響規(guī)律，并就減小機(jī)器振動(dòng)力提出了方法。

經(jīng)編機(jī)；振動(dòng)力；虛擬樣機(jī)；配重塊

在經(jīng)編機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，除受到外載荷的作用外，還受到其各部件本身所具有的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下所產(chǎn)生的慣性作用，機(jī)構(gòu)的質(zhì)量分布越不均，機(jī)器轉(zhuǎn)速越高，這種慣性作用會(huì)迅速增加，使機(jī)器產(chǎn)生很大的振動(dòng)力，其不僅使構(gòu)件運(yùn)動(dòng)中摩擦力和構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力增大，而且是機(jī)器產(chǎn)生振動(dòng)、噪音和疲勞等現(xiàn)象的主要原因，其結(jié)果大大影響了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能。

過去的動(dòng)平衡研究，一般都是通過建立各個(gè)構(gòu)件之間的解析關(guān)系，通過編程來求解，這類方法適于解決僅含結(jié)構(gòu)簡單，規(guī)則構(gòu)件的簡單機(jī)構(gòu)的動(dòng)平衡。

本文以研究中心某高速經(jīng)編機(jī)為建模原型，以虛擬樣機(jī)仿真學(xué)為基礎(chǔ)對(duì)整機(jī)的動(dòng)平衡進(jìn)行研究。

1 機(jī)構(gòu)振動(dòng)力及其平衡

機(jī)構(gòu)振動(dòng)力是反應(yīng)和度量機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中由于各構(gòu)件質(zhì)量產(chǎn)生慣性力作用的重要指標(biāo)，其大小為構(gòu)件各慣性力的總和[1～4][11]。

式中mi為各構(gòu)件質(zhì)量；rsi為各構(gòu)件質(zhì)心位置在固定坐標(biāo)系中的向量；n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；構(gòu)件慣性力Fs又稱為機(jī)構(gòu)振動(dòng)力。對(duì)于做周期運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)來說，要完全消除慣性力的影響，使得振動(dòng)力完全平衡的充要條件是

其中C為常量，式（2）表明機(jī)構(gòu)振動(dòng)力完全平衡的條件是整個(gè)機(jī)構(gòu)總質(zhì)心靜止不動(dòng)，從而達(dá)到機(jī)構(gòu)振動(dòng)力的完全平衡，配重法或質(zhì)量重新分布正是根據(jù)這一思想而產(chǎn)生的簡單、有效的平衡方法。

2 整機(jī)虛擬樣機(jī)模型建立

本研究機(jī)型為某高速機(jī)，其主傳動(dòng)通過曲軸傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，通過在曲軸正對(duì)兩側(cè)軸肩上裝配重塊來對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡，每一段曲軸上有6個(gè)配重塊，其中2個(gè)為槽針配重塊、2個(gè)為針芯配重塊、2個(gè)為沉降配重塊。取一段曲軸為研究對(duì)象，當(dāng)槽針處于最低點(diǎn)時(shí)，槽針配重塊、針芯配重塊及沉降配重塊在曲軸上的安裝如下圖1所示，整機(jī)ADAMS中的虛擬樣機(jī)模型如下圖2所示[5～6]：

圖1 原配重塊及安裝位置

圖2 整機(jī)虛擬樣機(jī)Model1

3 機(jī)構(gòu)動(dòng)平衡分析

3.1 有無配重塊時(shí)比對(duì)分析

動(dòng)平衡的主要目的是消除由于慣性引起的振動(dòng)力，由上分析，振動(dòng)力的平衡一般是使機(jī)構(gòu)總質(zhì)心靜止不動(dòng)或總質(zhì)心位移變化平緩。所以先分析當(dāng)原配重塊存在以及去掉配重塊后機(jī)構(gòu)的質(zhì)心輸出位移以及對(duì)基座受力的影響。配重塊的材料為Q235-A，輸出的質(zhì)心位移為曲軸、配重塊、槽針梳櫛主連桿、針芯主連桿及沉降主連桿的總的質(zhì)心位移，仿真中設(shè)置機(jī)器轉(zhuǎn)速為2000r/min，如下

圖3 總質(zhì)心豎直方向位移

圖4 總質(zhì)心水平方向位移

圖5 基座轉(zhuǎn)動(dòng)副處豎直方向受力

圖6 基座轉(zhuǎn)動(dòng)副處水平方向受力

由以上仿真可見，原機(jī)構(gòu)通過增加配重塊，使機(jī)構(gòu)豎直方向質(zhì)心位移變的非常平緩，豎直方向基座受力最大減少1196N，水平方向質(zhì)心位移變的較為平緩，水平方向基座受力由接近幅值為880N的正弦規(guī)律受力變?yōu)橛胁▌?dòng)的受力，避開基座承受正弦規(guī)律的受力，可防止基座的疲勞破壞。

同時(shí)可看出總質(zhì)心水平方向位移還可通過優(yōu)化配重塊有使其進(jìn)一步變平緩的空間。

3.2 配重塊不同材料時(shí)對(duì)比分析

配重塊一般使用的材料為Q235-A，以下研究在保持配重塊原大小和安裝位置不變的情況下，分別設(shè)置配重塊的材料為Q235-A、QT400、45及LY12，研究配重塊不同材料時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)總的質(zhì)心位移及基座受力的影響，為配重塊的材料選擇提供依據(jù)。

圖7 配重塊不同材料時(shí)總質(zhì)心豎直方向位移

圖8 配重塊不同材料時(shí)總質(zhì)心水平方向位移

圖9 配重塊不同材料時(shí)基座轉(zhuǎn)動(dòng)副豎直方向受力

圖10 配重塊不同材料時(shí)基座轉(zhuǎn)動(dòng)副水平方向受力

由以上仿真可見，當(dāng)配重塊采用密度較小的材料LY12時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)的平衡效果很不好，機(jī)構(gòu)質(zhì)心位移及基座處受力都會(huì)產(chǎn)生很大的波動(dòng)，且變化趨勢(shì)與無配重塊時(shí)一致，所以實(shí)際平衡中不易采用密度較小的材料來進(jìn)行平衡。

當(dāng)配重塊材料為Q235-A及45時(shí)，由于兩種材料的密度相差很小，平衡后機(jī)構(gòu)質(zhì)心位移曲線及基座受力曲線基本重合，機(jī)構(gòu)平衡后的效果基本一致，所以實(shí)際平衡中配重塊應(yīng)采用加工更容易、價(jià)格更低廉的材料更能降低成本。

當(dāng)配重塊材料為QT400時(shí)，平衡后機(jī)構(gòu)質(zhì)心的豎直方向位移接近于水平直線，這也是機(jī)構(gòu)平衡當(dāng)中比較理想的平衡狀態(tài)，機(jī)構(gòu)質(zhì)心的水平方向位移同采用Q253-A及45時(shí)相比變化更平緩，且基座轉(zhuǎn)動(dòng)副處水平方向受力明顯減小。所以采用QT400機(jī)構(gòu)能取得更好的平衡效果。

3.3 配重塊不同大小時(shí)對(duì)比分析

當(dāng)配重塊材料為Q235-A、配重塊安裝位置為原位不變時(shí)，改變配重塊大小，在不同配重塊形狀下對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平衡效果進(jìn)行研究。以下配重塊大小的改變是基于原配重塊大小的基礎(chǔ)上，對(duì)配重塊由小到大依次改變，其中：修改配重塊1 〈修改配重塊2 〈原配重塊；修改配重塊4 〉修改配重塊3 〉原配重塊。

由于要在其它所有零部件及仿真環(huán)境相同情況下對(duì)不同配重塊下的整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比仿真分析，所以先把原配重塊整機(jī)模型轉(zhuǎn)換到ADAMS中生成Model1，再把逐漸改變配重塊后的整機(jī)模型轉(zhuǎn)換到ADAMS中分別生成Model2、Model3、Mode4、Model5，然后分別從Model2、Model3、Mode4、Model5中導(dǎo)出新修改的配重塊，然后再將其逐次導(dǎo)入Mode1模型中進(jìn)行配重塊的替換。

圖11 修改后配重塊1

圖12 修改后配重塊2

圖13 原配重塊

圖14 修改后配重塊3

圖15 修改后配重塊4

圖16 不同配重塊時(shí)總質(zhì)心豎直方向位移

圖17 不同配重塊時(shí)總質(zhì)心水平方向位移

圖18 不同配重塊下基座轉(zhuǎn)動(dòng)副豎直方向受力

圖19 不同配重塊下基座轉(zhuǎn)動(dòng)副水平方向受力

由以上仿真可見，在配重塊材料為Q235-A不變，當(dāng)在原配重塊基礎(chǔ)上配重塊逐漸增大時(shí)，機(jī)構(gòu)總質(zhì)心豎直和水平方向的質(zhì)心位移變化越來越劇烈，基座轉(zhuǎn)動(dòng)副處水平方向受力明顯增加，所以增大配重塊的方法不能獲得好的平衡效果。

當(dāng)配重塊在原配重塊基礎(chǔ)上減小為修改后配重塊2時(shí)，機(jī)構(gòu)總質(zhì)心的豎直方向位移變化非常平緩，接近于直線，機(jī)構(gòu)總質(zhì)心水平方向位移較原配重塊也變化更為平緩一些；當(dāng)配重塊繼續(xù)變小為修改后配重塊1時(shí)，總質(zhì)心的豎直方向位移又開始出現(xiàn)波動(dòng)，且比修改為配重塊2后的機(jī)構(gòu)總質(zhì)心豎直位移波動(dòng)大，但修改為配重塊1后總質(zhì)心水平方向位移比原配重塊及其它修改配重塊后機(jī)構(gòu)質(zhì)心水平方向位移都平緩，所以說明在原配重塊基礎(chǔ)上減小配重塊可以更好的平衡機(jī)構(gòu)，但一定要適當(dāng)減小，同時(shí)使機(jī)構(gòu)總質(zhì)心豎直和水平方向位移都能變化的非常平緩。

4 結(jié)論

本文針對(duì)經(jīng)編機(jī)實(shí)際高速運(yùn)行過程中振動(dòng)力很大，影響經(jīng)編機(jī)高速運(yùn)行性能的的特點(diǎn)，以及傳動(dòng)動(dòng)平衡研究只適于解決結(jié)構(gòu)簡單、構(gòu)件規(guī)則的問題，

本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)某經(jīng)編機(jī)整機(jī)進(jìn)行了動(dòng)平衡研究，并得出了以下結(jié)論：

4.1此機(jī)型通過在曲軸上加配重塊，使機(jī)構(gòu)總質(zhì)心豎直和水平方向位移變平緩來對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)平衡，減小振動(dòng)力；

4.2在原配重塊大小和安裝位置不變情況下，配重塊材料改為QT400時(shí)機(jī)構(gòu)能取得更好的平衡效果；

4.3在原配重塊基礎(chǔ)上配重塊適當(dāng)減小，機(jī)構(gòu)能取得更好的平衡效果。具體配重塊減小到多少，需同時(shí)保證機(jī)構(gòu)總質(zhì)心豎直和水平方向位移都運(yùn)動(dòng)很平緩，還需要進(jìn)一步研究優(yōu)化。

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Dynamic Balance Research of Warp Knitting Machine Based on Virtual Prototype Simulation

Due to the inertia effect of the every part itself has a mass, the warp knitting machine will produce a large vibration force during operation, and directly impacts the high speed running performance of warp knitting machine. In this paper, the virtual prototype model of warp knitting machine was built based on the virtual prototype technology and the software of Solidworks and ADAMS. The machine dynamic running process was simulated while the balancing weight was at the different material and different size, the law of the mechanism total displacement and the stress of the revolute pair was obtained. The method was proposed to reduce the vibration force.

warp knitting machine; Vibration force; Virtual prototype model; Balancing weight

TS183.3

A

投稿日期：2014-11-17