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摘要 精梳机钳板机构平衡及运动特性研究 研究生姓名：王荣 导师姓名：汤文成教授 学校名称：东南人学 摘要 精梳机的高速化带来运动构件强惯性作用引发的振动问题成为当今纺织领 域需要研究的重要课题之一，本文针对这一问题进行了一些有意义的探索。 本文利用现代机构分析技术与数理分析相结合，用解析法建立了c m 5 0 0 型 精梳机钳板机构及加压机构这一二自由度七杆机构的机构模型及数学模型；根据 数学模型，用m a t l a b 软件进行编程，以能动态表示出各个时刻各个构件的速度， 加速度为目标，从运动学角度对其进行分析；根据程序运行结果分析了一些机构 参数对精梳机高速运行的影响。 本文对钳板机构惯性力平衡进行了分析，得出了该机构惯性力完全平衡和部 分平衡条件。以在一定范围内能完全覆盖总质心轨迹的矩形面积最小为目标函 数，摆轴的质量和质心位置为优化变量，利用m a t l a b 编制程序对钳板机构的惯 性力进行了平衡优化。 关键词：精梳机钳板机构惯性力平衡优化 东南人学硕士论文 t h es t u d yo ne q u i l i b r i u ma n dm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s o f n i p p e rm e c h a n i s mi nc o m b e r c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：x v , n gr o n g a d v i s e r ：p r o f i a n gw e n c h e n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fo p e r a t i o nv e l o c i t yo fn e wc o m b e r s t h ev i b r a t i o np r o b l e mm a d eb y i n e r t i ao fm o t i o nm e c h a n i s mh a sb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n ts u b j e c t s t h i sp a p e rh a ds t u d i e d t h ep r o b l e mi nf o l l o w i n g ： t h ef i r s t ，t h em a t h e m a t i cm o d e l l i n go ft h en i p p e rm e c h a n i s m ，t w od e g r e e so ff r e e d o m m e c h a n i s mw i t hs e v e nl i n k a g e s i nc m 5 0 0c o m b e rh a sb e e nc o n d u c t e db ya n a l y s i sm e t h o d c o m b i n e dt h ea d v a n c e dm e c h a n i s ma n a l y s i st h e o r ya n dt h ed i g i t a la n a l y s i sm e t h o d t h es e c o n d ，t h ei n f l u e n c e so fm e c h a n i s mp a r a m e t e r so no p e r a t i o no fc o m b e ri nh i g h v e l o c i t yr u nh a db e e ns t u d i e db yt h er e s u l t sf r o mt h ep r o g r a mc o m p i l e da c c o r d i n gt ot h e m a t h e m a t i cm o d e l t h et h i r d ，t h ec o n d i t i o n so ft o t a le q u i l i b r i u ma n dp a r te q u i l i b r i u mo fi n e r t i ao fm o t i o n m e c h a n i s mh a db e e nf o u n db yt h ea n a l y s i so fi n e r t i af o r c ei nt h en i p p e rm e c h a n i s m f i n a l l y , t h ei n e r t i a f o r c ee q u i l i b r i u mo ft h en i p p e rm e c h a n i s mi s i m p l e m e n t e db y p r o g r a m m i n gu s i n gt h es o f t w a r em a t l a b t h eo p t i m a lo b j e c t i v ei st h er e c t a n g u l a ra r e aw h i c hc a n c o v e r st h et r a c k so fm e c h a n i s mc e n t r o i da n dt h ea st h eo b je c tf u n c t i o na n dt h eq u a l i t ya n dt h e o p t i m a lv a r i a b l e sa r em a s sa n d c e n t r o i do fr o c k e ra r m k e y w o r d s ：c o m b e r , n i p p e rm e c h a n i s m ，i n e r t i af o r c e ，e q u i l i b r i u m ，o p t i m i z a t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：塾日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名：乡每、日 期：出， 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 我国精梳机的生产起步较晚，但发展速度却十分惊人，从上世纪7 0 年代我国开始引 进国外精梳机设备起，在3 0 多年中，经历了引进、测绘、仿制、合作生产到独立制造这 一过程。目前，纺织工业的技术进步正在深入，新型纺织机械的研制开发工作也在不断发展 中，而精梳机的发展已成为棉纺织厂实现现代化的重要标志之一。从精梳机在5 0 年代中期 以来的不断发展，我们可以发现：虽然精梳机的工作原理没有变化，但它的生产效率却提高 到原来的1 0 倍l l j 。进入2 l 世纪，随着我国新型精梳机产品的不断推出，一定程度上满足 了国内市场的需求。但与国外产品相比，仍存在着很大的差距，这种差距受诸多方面因素 的影响，其中对精梳机关键部件的研究与性能分析对提高我国纺织机械水平，改善机构性 能有着十分重要的现实意义。 1 1 2 课题的研究意义 我国精梳机经过几十年的发展，各方面的性能，无论是速度、产量、质量、还是自动 化水平都有了很大提高，但是同国际最先进的机型相比还存在很大差距i 列，例如： 1 、精梳机工作时钳板系统做前后往复运动，在一个工作循环周期中钳板做一次往复 运动，即一个钳次，精梳机高速时每秒钟可达6 7 钳次，因此往复运动产生的惯性冲击力 很大，极易引起整机振动。惯性冲击力大小与往复运动件的质量、速度和加速度有关f 。 在钳板传动部分，由于曲柄半径及钳板组件的质量较大，精梳机高速运行时钳板组件的冲 击力大，产生振动。机械振动一般来说都是有害的，它将影响设备的正常工作和机床的加 工精度，引起构件的加速磨损，甚至导致急剧断裂而破坏，伴随着振动而末的是机器的噪 声，它污染环境，危害人类健康i 引。 2 、我们知道精梳机速度的高低是衡量其技术水平的重要标志，精梳机的速度越高， 单机产量和劳动生产率就越高，精梳机的万锭配台、占地面积、用人和耗电量也相应减少， 经测算，在精梳机的给棉长度与精梳落棉率相同的情况下，新型精梳机的产量为上世纪7 0 年代产精梳机的4 1 5 倍；万锭配套台数只有l 4 ；占地面积和用人为原有的1 4 ：且耗 电量大大减少。现代精梳机最高的实际纺纱速度仍未冲破4 0 0 钳次m i n 的大关，其原因有 三：往复摆动的钳床组件伴有上钳板定时的近似冲击性的加压，高钳次升速后引发的振动 是其一：其二，锡林、钳床与分离罗拉组成的动态三角工作区中紊乱的气流对新旧纤维网 接合的影响：其三，新旧纤维网接合前，新纤维网前端纤维的抬头时间随速度的提高而减 少，产生抬头用时问题| 5 1 。 精梳机的高速度就是高产出，与经济效益息息相关，国产精梳机应保持一流的速度， 至少不比欧洲设备低多少。若能开发出纺纱速度在4 0 0 钳次m i n 的国产精梳机，将会受到 1 东南大学硕j 二论文 市场的热烈响应。为了适应高速的要求，新型精梳机在设计上采取了减轻钳板组件重量、 优化钳板传动机构及分离罗拉传动机构的尺寸等技术措施，以减小钳板及分离罗拉运动惯 性力和惯性力矩、减轻机器的振动、降低机器的噪音与能耗。但是快速往复摆动的钳床， 必须承受上钳板的冲击力，必需具有一定的刚性，继续用减轻钳床及其组件重量以换取转 动惯量的降低的方法，潜力实在有限。减小动程的可能性是存在的，却牵涉到对现机构的 改进。超高速引发的分离罗拉过高的瞬时加速度值，即使强度能完全承受，可提高机器的 机械速度，但由于纺纱工艺的限制，要提高纺纱速度，却不那么容易1 6 1 。 根据我国国情，要使我国现有精梳设备不致淘汰又能上一个新台阶，以适应目前市场 的需要，提出课题的题目为“精梳机钳板机构平衡及运动特性的研究”，对钳板机构进行 动力平衡，减小随机构运转而周期性变化的强惯性作用，为提高精梳机的速度，减小机器 振动、噪音和疲劳等提供理论依据。 1 2 精梳机钳板机构研究现状及发展趋势 1 2 1 钳板机构发展现状 钳板是精梳机上的重要结构部件，起到钳持棉层的作用。 精梳机的钳板部分包括钳板摆轴传动机构、钳板传动机构、钳板加压机构及上、下钳 板等。它们的作用是钳持棉丛供锡林梳理，并将梳理过的须丛送向分离钳口，以实现新棉 丛与旧棉网的接合。 1 一张力轴；2 一偏心轮；3 一导杆；4 _ 弹簧；5 一上钳板架；6 一下钳板座；7 一锡林 轴；8 钳板摆轴 图1 - 1 中支点式钳板机构 国际上新型精梳机的钳板机构基本上有两大类：一类以瑞士立达为代表，采用中支点 式钳板和小锡林( 直径约1 2 5m m ) ；另一类以日本丰田为代表，采用上支点式钳板，并配备 辅助钳板和采用大锡林( 直径1 5 0m m ) 。两者都采用优质新型材料尽量减轻钳板组件的重量 第一章绪论 和运动转动惯量，以适应精梳机的高速运行，提高精梳机的产量。 l 、图卜1 所示为中支点式钳板机构，钳板摆动的支点在锡林轴的中心： 这种类型的钳板机构的工作过程见第二章精梳机钳板传动机构部分所述，该种钳板机 构的梳理阶段的梳理隔距变化很小，有利于梳理效能的提高。该钳板机构能适应高速的关 键在于减轻钳板组件的重量和转动惯量，因上下钳板均采用轻质铝合金，给棉罗拉为中空， 给棉棘轮组件为塑料件，使整个钳板组件的重量大大减轻。 2 、图卜2 所示为上支点式钳板机构，钳板摆动的支点位于锡林轴的上方： 1 一摆轴；2 一摆臂；3 一下钳板座；4 一下钳板：5 一给棉罗拉；6 一上钳板 图1 - 2 上支点式钳板机构 钳板摆臂2 随同钳板摆轴l 前后摆动，推动下钳板座，通过吊杆使钳板以上支点为中心 摆动。上钳板的加压采用固定支点式，可以简化机构。此外钳板摆动动程较小适应机器高 速。上支点的位置可适当调节，以改变钳板的运动轨迹，有利于精梳机适应不同原棉的 力h - l - t 7 1 8 1 9 1 。 1 2 2 精梳机钳板机构研究概述 目前，已有很多学者对精梳机钳板机构进行了研究。文献【l o 】【1 l 】【1 2 】主要从工 艺性能上，在三个方面进行了探讨：开启闭合规律、分离接合规律、梳理规律。文献【1 3 】 从运动特性方面，着重研究了工作过程中钳板开启闭合时各构件的运动规律。文献【1 4 提出了一种精梳机钳板机构的新方案设计，将该机构原本一起运动的下钳板件按其功能分 解成两个部分，一部分为下钳口固装在机架上不动，另一部分为轻薄的托板仍装在座架上 做往复运动，并提出了相应机构运动方案。文献【1 5 】介绍了一种和传统精梳机相区别的 精梳机钳板机构的新方案设计，该钳板摆轴传动机构采用具有停歇功能的共轭凸轮机构采 用新的钳板摆动机构使给棉罗拉固接在机架上，不随下钳板移动，减少了下钳板组件的质 量。 1 2 3 精梳机及其钳板机构的发展趋势 1 、速度高 东南人学硕十论文 精梳机的速度高低是衡量其现代化水平的重要标志。因为精梳机的速度越高，单机产 量和劳动生产率就越高，精梳机的万锭配台、占地面积、用人和耗电也相应减少。经测算 可知，在精梳机的给棉度与精梳落棉率相同的情况下，新型精梳机的产量为a 2 0 1 d 型号精 梳机产量的4 1 5 倍。新型精梳机的万锭配台数只有a 2 0 1 d 型号精梳机的四分之一，万锭 精梳机耗电量大大减少l l 圳。因此采用高效能精梳机具有巨大的经济效益。为了适应高速的 要求，新型精梳机在设计上采取了减轻钳板组件重量，优化钳板传动机构及分离罗拉传动 机构的尺寸等技术措施，以减小钳板及分离罗拉运动的惯性力和惯性力矩、减轻机器的振 动、降低机器的噪音与能耗。 2 、质量优 质量优是指精梳机在高速运动时，纺纱质量要好，即精梳条的各项指标和精梳落棉指 标要达到高效能精梳机的要求。为了实现优质，新型精梳机在设计方面采用了钳板钳口两 点握持，减小梳理隔距的变化幅度，缩小分离罗拉有效输出长度、牵伸机构采用曲线牵伸 等技术措施。 3 、自动化 采用伺服电动机、变频电动机取代那些复杂的齿轮、连杆、凸轮组合传动，自动化水 平大大提高，用无接触的电子传动替代机械传动，不仅机器传动件间的磨耗大大降低，机 器的振动、噪声也大大减小，而且机器的灵活性、适纺性得到扩展，操作更方便1 1 8 l 。 4 、大卷装 精梳机的高速度化，使棉条筒的满筒时间和喂入小卷的使用时间大大缩短，换筒和换 卷次数急剧增加，挡车工的劳动强度增大，导致挡车工的看台数减少。因此，采用大容量 的棉条筒和大卷装的小卷喂入也是当代精梳机的发展方向之一。 5 、钳床组件摆动的传动方式将被替代。 钳板摆动传动方式已逾百年，随着机器速度的越来越高，钳床组件的摆动惯量也越来 越大，相应存在的技术问题也越来越突出，如果要继续提高速度的话，钳板摆动的传动 方式将会改变，钳床固定和钳床滚动的精梳机将会得到应用。 1 3 本课题的主要研究内容和方法 本论文从工程应用出发，以马佐里( 东台) 纺机有限公司生产的精梳机作为研究系统，对 精梳机的钳板机构的运动及平衡进行理论研究，主要内容安排如下： 1 、根据机械中机构运动简图的画法和工厂图纸抽象出精梳机钳板传动机构运动简图。 2 、建立精梳机钳板摆轴传动机构和钳板传动机构这些平面连杆机构的数学模型以及 组合平衡分析模型 3 、对精梳机钳板机构的设计原理和工作原理进行分析。该机构是由曲柄摇杆机构和 一个二自由度的七杆机构组合而成，根据数学模型，对其进行编程，以能动念表示出各个 时刻各个构件的速度，加速度为目标，从运动学角度对其进行分析。 4 、根据程序运行结果分析了一些机构参数对精梳机高速运行的影响。 4 第一章绪论 5 、对机构动力平衡进行分析研究，对主要的平衡方法进行分析比较，最后选择合理 的平衡方案，对机构的惯性力进行部分平衡。为该机构的进一步的惯性力矩平衡分析和应 用以及提高机器的运转速度提供了理论依据。 东南 学i 论j 第二章精梳机钳扳机构运动学建模 机构运动分析的目的主要有三个”： 通过对机构的位移或轨迹分析可以确定各构件在运动过程中所占据的空间大小，判 断各构件之侧是否会发生位置干涉，考察从动件及其上某些点能哲实现预定的位置或轨述 要求。 基于机构的速度分析，可以了解从动件的速度变化规律能否满足工作要求。其次，由 于功率是速度和力的乘积，所以在功率已知的条件f ，通过速度分析还可以了解机构的受 力情况。此外，机构的速度分析还是加速度分析的必要日u 提。 由机构的加速度分析，可以确定各构件及其t 某些点的加速度变化规律这是计算构 件惯性力和研究机械动力性能的必要前提。 本课题主要是针对精梳机钳扳机构在高速运行时产生振动和噪音，影响其精梳质量的 现状，提出对钳板机构进行惯性力的部分平衡，以碱小机构运转时的惯性力 1 起的不平衡 因素。要对机构媵性力进行分析，首先我们需要对机构的运动进行分析。 这一章主要坩钳板机构建模，进行运动分析，找出其影响精梳机高速运行的参数。 2 1 钳板机构的组成及工作原理 2 11 钳板机构的组成 精梳机的钳板部分包括钳板摆轴传动机构、钳板传动机构、钳板加压机构及上、f 钳 扳等。 图2 1c m 5 0 0 型精梳机钳板机构 第二章精梳机钳板机构运动学建模 c m 5 0 0 型精梳机钳板摆轴的运动来源于锡林轴，其机构如图2 1 所示。在锡林轴上固 装有法兰盘即曲柄，在离锡林轴中心7 0 m m 处装有滑套，钳板摆轴上固装有l 形滑杆，滑 杆的中心偏离钳板摆轴中心3 8 m m ，且滑杆套在滑套内。当锡林轴带动法兰盘转过一周时， 通过滑套带动滑杆和钳板摆轴往复摆动一次。下钳板固装于下钳板座上，钳板后摆臂固装 于钳板摆轴上，钳板前摆臂以锡林轴为支点，它们组成以钳板摆轴和锡林轴为固定支点的 四连杆机构。当钳板摆轴作正、反向摆动时，通过摆臂和下钳板座使钳板作前后摆动。由 于钳板摆动的支点在锡林的中心，故称之为中支点式摆动钳板机构。上钳板架铰接于下钳 板座上，其上固装有上钳板。张力轴上装有偏心轮，导杆上装有钳板钳口加压弹簧，导杆 下端与上钳板架铰接，上端则装于偏心轮上的轴套上。当钳板摆轴逆时针回转时，钳板前 摆，同时由钳板摆轴传动的张力轴也作逆时针方向转动，再加上导杆的牵吊，使上钳板逐 渐开口；而当钳板摆轴作顺时针方向转动时，钳板后退，张力轴也作顺时针回转，在导杆 和下钳板座的共同作用下，上钳板逐渐闭口。钳板闭口后，下钳板继续后退，导杆中的弹 簧受压使导杆缩短而对钳板钳口施加压力，以便钳板能有效地钳持须丛接受锡林梳理。为 确保锡林梳理时的钳口压力，在2 4 分度钳板在最前位置时，由定位工具校定张力轴与偏 心轮的位置角q 为4 2 0 1 1 2 1 1 。 2 1 2 钳板机构的工作原理 钳板运动和分离结合运动是精梳机中两个最重要的工作环节，直接影响梳理的质量， 所以两者的机构也是设计的重点。对钳板机构的研究与改进一直是技术人员的工作重点。 在研究钳板机构的性能之前，首先要知道它的工作原理。本文以目前运用的最多的一种钳 板机构为例说明钳板机构的工作原理。机构工作一个周期需要经过四个阶段【2 2 1 ： ( 1 ) 精梳锡林梳理阶段( 图2 2 a ) ：上下钳板闭合，牢牢地钳制喂入的棉层，棉层的 须丛前端在上下钳唇的压制下，向下弯曲，被锡林梳针梳理，在此过程中钳板先后退再前 进。 ( 2 ) 分离前的准备阶段( 图2 2 - b ) ：钳板继续前进，钳板开始开启，给棉罗拉开始给 棉，将梳好的棉层送至分离罗拉口，分离罗拉倒转，前面分离的棉层尾端靠近这次梳好的 棉层前端。 ( 3 ) 分离接合阶段( 图2 2 c ) ：钳板继续前摆，顶梳梳理再次梳理棉层，分离罗拉正 传，接合棉层，同时将梳好的棉层倒入机内，完成分离接合工作。 ( 4 ) 锡林梳理前准备阶段( 图2 2 d ) ：钳板后退，钳口逐渐闭合，锡林梳针逐渐转向 钳唇下方，准备梳理，开始新的一轮工作。 7 东南大学硕士论文 ( a ) 图2 2 钳板机构的工作原理 2 2 钳板机构运动简图 2 2 1 钳板摆轴的运动简图和运动分析 钳板前后摆动的规律主要取决于钳板摆轴的摆动规律。钳板摆轴的运动参数主要有钳 板摆轴的摆角，摆动角速度及角加速度。为了便于分析，将图2 - 1 中的滑杆刚体内扣除边 长为3 8 m m 的矩形后简化为图2 - 3 r 2 3 1 。 钳板摆轴的运动分析如下： 选取o 为原点，x 轴和y 轴的方向如图2 3 所示。 图2 3 钳板摆轴传动机构运动简图 第二章精梳机钳板机构运动学建模 设o o l = ，则据图2 - 1 和图2 - 3 得，= 2 0 52 + 3 0 2 = 2 0 7 1 8 m m 曲柄o a = r = 7 0 m m ，h = 3 0 m m ，在一定的机型上r 为一定值，q 为钳板最前位置( 2 4 分 度) 时o a 与x 轴的夹角，其值为： ， h b = 2 u r c c o s ( ) + a r c s i n ( ) = 7 0 2 5 。+ 8 3 3 。= 7 8 5 8 。 乡( i ) 为某分度曲柄o a 与x 轴的正向夹角，令p 2 而, g - ，则有 0 ( i ) = 1 6 9 p 一岛p + i 9 p = ( 1 4 4 一只+ i 9 ) p ( 2 1 ) 式中，i 为分度数( i = 0 ，1 ，2 ，4 0 ) 设f o ，( i ) 为某分度o t a - x 轴的正向夹角，o i a 的长为m ，则根据复数法表示的位置 方程有，l + m e i f o ，( i ) = r e 徊( ，向实轴和虚轴投影得： l + m c o s ( f 0 3 ( i ) ) = r c o s ( o ( i ) ) ( 2 2 ) m s i n ( f 0 3 ( i ) ) = r s i n ( o ( i ) ) ( 2 3 ) 设f o ( i ) 为某分度o l a 与其最前位置( 2 4 分度) 的夹角，其值为： f o ( i ) = 2 7 0 一儡一f 0 3 ( i ) ( 2 4 ) 联合求解式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 得： t g ( f 0 3 ( i ) ) = 忑r s i 丽n ( o ( 丽i ) ) ( 2 5 ) 删) = a r c t g 磊r s i 而n ( o ( 丽i ) ) ( 2 6 ) 将式( 2 6 ) 代入式( 2 4 ) 得某分度钳板摆轴的摆角为： f o ( i ) = 2 7 0 - 品一a r c t g 忑r s i 而n ( o ( 丽i ) ) ( 2 7 ) 对式( 2 7 ) 求导得某分度钳板摆轴的角速度为： ( i ) ：i 韭唑塑生一国 ( 2 8 ) ”7 l l + r r 一2 r l c o s ( o ( i ) ) 、 对式( 2 8 ) 求导得某分度钳板摆轴的角加速度为： 氏( i ) ：j 坠堕堕鲤磐国z ( 2 9 ) ”。 ( 1 1 + r xr 一2 r l c o s ( o ( i ) ) ) 2 、 2 5 2 钳板传动机构的运动简图 c m 5 0 0 型精梳机的钳板前后摆动及上钳板开闭口机构如图2 1 所示，按照机构简图的 画法1 2 4 i ，钳板传动机构的机构简图见图2 4 。 从钳板机构的运动简图可知钳板机构为平面连杆机构，由图可知该机构活动构件的数 目为6 ，平面低副个数为8 ，可算出该机构的自由度为2 ，即要使该机构具有确定的运动， 该机构的原动件应为2 。钳板传动机构的动力源有钳板摆轴o l 和张力轴0 2 两个，所以此 9 东南人学硕十论文 平面连杆机构有确定的运动。 由平面机构的组成原理可知，平面多杆机构可由主动件、基本杆组及机架所组成。基 本杆组的自由度为零，即如给定其外接副的位置，该杆组的位置就随之确定，对于速度和 加速度也是如此。因此，平面多杆机构的运动分析可归结为其中基本杆组的运动分析。由 钳板传动机构的运动简图可以知道，它可看为一个铰链四杆机构，一个m 型i i 级杆组， 一个偏心轮( 主动件) 的组合。依次分析这些基本杆组的运动即可得钳板机构的运动情况。 图2 - 4 钳板传动机构运动简图 2 3 钳板传动机构的运动分析 2 3 1 铰链四杆机构运动分析 l 、初始位置角和位置分析 在四杆机构o g d o l 中，设连杆o l d 的长为z l ，连杆d g 的长为2 ，连杆o g 的长为 3 ，o e 的长为b ，o i e 的长为a 。办( f ) 为某分度时连杆o l d 与实轴正向的夹角，五( f ) 为某分 度时连杆d g 与实轴正向的夹角，五( j ) 为某分度时连杆o g 与实轴正向的夹角。按图所示的 五边形可列矢量方程得 ，。e 矾( + i , e i i , ( ) = a + b i + ，1 e 如( ) ( 2 1 0 ) 分别向实、虚轴投影得： 。 ( 2 1 1 ) l , c o s ( f l ( f ) ) + 1 2 c o s ( a ( f ) ) = a + 3 c o s ( f 3 ( f ) ) l l s i n ( f l ( i ) ) + 1 2 s i n ( f 2 ( 啪= b i + 3 s i n ( f s ( f ) ) ( 2 1 2 ) 对式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 进行整理可将石( f ) 、五( f ) 用彳( f ) 表示，如下式，、 令聊= a 一，。c o s ( f , ( f ) ) ，刀= b 一，ls i n ( f ( f ) ) 1 0 第_ 二章精梳机钳板机构运动学建模 + 口2 + b 2 + ，? + ，；一巧一2 订，l c o s ( f , ( f ) ) 一2 6 ，l s i n ( f l ( f ) )f = 2 ，3 y = n + 棚2 + n 2 一f 2 ，x = m f 则： z ( f ) = 石o + f o ( f ) ( 2 1 3 ) 六( f ) = 2 a r c t g ( y - - ) ( 2 1 4 ) 脚) = a r c t gn + 1 3s i n ( f 3 ( i ) ) i ( 2 1 5 ) 在式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 中z ( f ) = f o ( i ) + 石o ，f o ( i ) 己知，而z 。为钳板最前位置时连杆o l d 与实轴正向的夹角，在这里我们叫它做初始位置角。根据落棉隔距的定义，当钳板摆到最 前位置时，下钳板钳唇前缘与后分离罗拉表面间的距离为落棉隔距。分离罗拉的位置固定， 分离罗拉中心的坐标为( x ，y o 。) 已知，且分离罗拉的直径为2 9 m m ，设落棉隔距为l d ， 则根据落棉隔距的定义可得下式： ( x p ( f ) 一x 。) 2 + ( k ( f ) 一y 0 。) 2 = 1 4 5 + l d ( 2 1 6 ) 又有， x p ( f ) = ，l c o s ( f l ( i ) ) + k c o s ( l ( f ) 一z 2 ) ( 2 1 7 ) v ( f ) = ，i s i n ( z ( ) ) + 七s i n ( f 2 ( f ) 一z 2 ) ( 2 1 8 ) 当i 为2 4 分度时，z ( 2 4 ) = z o ，联立求解方程( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) ， 五个方程解五个未知数，可得到z 。再将石。代入式( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 得在任一分度 时的f t ( i ) 、 ( f ) 、六( f ) 。 从而得到d 、0 3 、g 、p 的位置坐标为： x d ( f ) = ，l c o s ( z ( i ) ) y d ( f ) = ，l s i n ( f l ( f ) ) x g ( f ) = x d ( f ) + ，2 c o s ( a ( f ) ) y g ( f ) = y d ( f ) + 7 2 s i n ( f 2 ( f ) ) x o ，( f ) = x d ( f ) + ，2 l c o s ( l ( f ) ) y o ，( f ) = y d ( f ) + ，2 i s i n ( f 2 ( 劝 x p ( f ) = x d ( f ) + 如c o s ( l ( f ) 一石2 ) y p ( f ) = y d ( f ) + 屯s i n ( f 2 ( f ) 一z ：) 2 、速度分析 对上述式子进行求导得， 铂( f ) = c o o ( i ) 东南大学硕上论文 09、：二垫必墅竖盟二厶蚴2(i7 1 2 s i n ( f 2 ( f ) 一六( f ) ) og、：3(i 0 9 0 ( i ) l , s i n ( f l ( i ) - f 2 ( i ) ) 7 1 3 s i n ( f 3 ( f ) 一厶( f ) ) 从而得到d 、0 3 、g 、p 的速度为： v d x ( f ) = 一l f f o l ( i ) s i n ( f l ( i ) ) v d y ( f ) = l i f o l ( i ) c o s ( f l ( i ) ) v 0 3 x ( f ) = 一l 1 0 9 l ( i ) s i n ( f l ( f ) ) 一1 2 1 0 5 1 2 ( ) s i n ( ( 嘞 v 0 3 y ( f ) = l i f o l ( i ) c o s ( f l ( i ) ) + 1 2 t 0 9 2 ( i ) c o s ( f 2 ( f ) ) v g x ( f ) = 一l t 0 9 l ( i ) s i n ( f t ( f ) ) 一1 2 0 9 2 ( i ) s i n ( f 2 ( f ) ) v g y ( f ) = l , 0 9 1 ( i ) c o s ( f t ( i ) ) + 1 2 0 ) 2 ( i ) c o s ( f 2 ( f ) ) v ；x ( f ) = 一l 1 0 9 l ( i ) s i n ( f l ( f ) ) 一1 1 2 0 9 2 ( i ) s i n ( f 2 ( f ) 一z 2 ) v p y ( f ) = l , 0 9 l ( i ) c o s ( f l ( f ) ) + 1 1 2 c 0 2 ( ) c o s ( 厶( f ) 一石2 ) 3 、加速度分析 对上述式子进行求导得， 令a 2 = l i e o ( i ) s i n ( f z ( f ) 一 ( f ) ) ，b 2 = i i ( 0 9 0 ( 0 ) 2 c o s ( f , ( f ) 一六( f ) ) l ( f ) = s o ( f ) s，(f)：13(01)3(0)2-a2-b2-12(022(0)2cos(f2(i)-f3(i) “7 1 2 s i n ( a ( f ) 一a ( f ) ) ，(f)：12(01)2(0)2+a2+b2-13(023(0)2cos(f3(i)-f2(i) ” i ：i n ( f 3 ( f ) 一以( f ) ) 从而得到d 、0 3 、g 、p 的加速度为： a d x = 一，l i ( f ) 2c o s ( f , ( f ) ) 一，l s l ( f ) s i n ( z ( f ) ) a d y = 一l 1 0 9 l ( f ) 2s i n ( f l ( f ) ) + 和l ( i ) c o s ( f t ( i ) ) a 0 3 x ( f ) = a d x ( f ) 一l z t 哆( f ) 2 c o s ( l ( ) ) 一1 2 i 2 ( i ) s i n ( f 2 ( f ) ) a 0 3 y ( f ) = a d y ( f ) 一1 2 t 2 ( f ) 2 s i n ( l ( i ) ) + 1 2 l 2 ( i ) c o s ( f 2 ( f ) ) a g x ( f ) = a d x ( f ) 一2 0 , ) 2 ( i ) 2c o s ( a ( i ) ) 一如s 2 ( ) s i n ( 五( f ) ) a g v ( f ) = a d y ( j ) 一1 2 0 2 2 ( i ) 2s i n ( l ( ) ) + 1 2 e 2 ( i ) c o s ( l ( f ) ) a p x ( f ) = a d x ( f ) 一1 2 0 9 2 ( i ) 2 c o s ( a ( ) 一彳2 ) 一1 2 e 2 ( i ) s i n ( f 2 ( f ) 一石2 ) a p y ( f ) = a d y ( f ) - 1 2 0 2 2 ( i ) 2 s i n ( l ( ) 一石2 ) + ，2 2 ( ) c o s ( l ( ) 一石2 ) 对于落棉隔距l 。，通常已给定，不同落棉刻度下对应的落棉隔距见表2 1 。 表2 1 不同落棉刻度下的落棉隔距 l 落棉刻度 567891 01 11 2 卜落棉隔距 6 3 4 7 4 78 6 29 7 81 0 9 51 2 1 41 3 3 41 4 5 5 1 2 第二章精梳机钳板机构运动学建模 2 3 2 张力轴运动分析 已知钳板摆轴传动机构的原动件有两个：一个为钳板摆轴，另一个为张力轴。钳板摆 轴的运动已知，张力轴的运动情况见下分析： 在图2 5 中o l 为钳板摆轴，固装其上的齿轮z l ，通过齿轮z 2 、z 3 传动张力轴齿轮 z 4 。 已知f o ( f ) 为某分度钳板摆轴的摆角，设月( f ) 为某分度张力轴的摆角。则 们) - 丢堋垆一等州f ) = - 3 3 6 8 f o ( f ) 对式求导得某分度张力轴的角速度熊( f ) 为： 图2 5 张力轴运动分析 c o s ( 1 = 一3 3 6 8 c o o ( i ) 再次求导得某分度张力轴的角加速度凫( f ) 为： e 8 ( i 1 = 一3 3 6 8 e o ( i ) 2 3 3 h 点的运动分析 设五。为钳板最前位置时0 2 h 与x 轴的正向夹角，为2 3 8 。，f s ( i ) 为某分度0 2 h 与x 轴的正向夹角。则：a ( i ) = 六。+ 爿( f ) 。 1 、h 点的位移分析 设张力轴轴心0 2 的坐标为( x o ：，v o ：) ，0 2 h 的长度为，。，其坐标与长度均为定值，某 分度h 点的位移在两轴上的分量为x h ( f ) 、v h ( f ) ，则： x h ( ，) = x 0 2 + 1 8x c o s ( a ( f ) ) y h ( f ) = y 0 2 + l s s i n ( 五( f ) ) 2 、速度分析 v h x ( f ) = 一l s c o s ( i ) s i n ( f s ( f ) ) v h y ( f ) = 1 8c o s ( i ) c o s ( f s ( f ) ) 1 1 东南人学硕十论文 3 、加速度分析 a h x ( f ) = 一气露( f ) c o s ( 五( f ) ) 一l s 6 s ( i ) s i n ( f s ( i ) ) a l l y ( f ) = - 1 8 ( f ) s i n ( 五( f ) ) + l s s ( i ) c o s ( f s ( i ) ) 2 3 4 钳板开口时相关参数的运动分析 r r r 型i i 级杆组中m 点的运动分析 1 、位置分析 连杆h m 和连杆0 3 m 构成m 型i i 级杆组，由前面的分析，已经得到h 和0 3 点的运 动情况。现在分析m 的运动情况，m 点的运动情况可分为开口和闭口两种情况，当钳板 开口时，h m 的长度一定为，因而m 的运动情况由h 点和0 3 点决定；当钳板闭合时，h m 的长度是变化的，但此时，上钳口和下钳口的运动情况是一样的，已知下钳口p 点的运动 情况，因此m 的运动情况由下钳e lp l 和0 3 点决定。 设0 3 m 的长度为z 。，h 0 3 与实轴正向的夹角为口，h 0 3 的长度为d ( f ) ，角h o ，m 为 ，兀( f ) 为某分度0 3 m 与实轴j 下向的夹角，石( f ) 为某分度h m 与实轴正向的夹角。得 魄c 嬲， f l = a r c c o s ( 鼍茅 则六( f ) = 口一 则m 点在两轴上的位移分量为： x m ( f ) = x n ( f ) + 1 4 c o s ( f 5 ( f ) ) y m ( f ) = y o ，( i ) + 1 4 s i n ( 六( f ) ) f 7 ( i ) = a r c t g y h ( i ) - y m ( i ) i 2 、速度分析 因为h 与m 为同一构件上的两点，0 3 与m 也为同一构件上的两点，根据刚体的运 动分析得： v k ( f ) = v o ，x ( f ) 一鸭( f ) c ( f ) 一v o ，( f ) ) = v h x ( f ) 一q ( f ) ( y o ( f ) 一y h ( i ) ) 。v m y ( f ) = v 3 ，y ( f ) + 绌( f ) ( x m ( f ) 一x o ，( f ) ) = v h y ( f ) + m 7 ( i ) ( x m ( f ) 一x h ( f ) ) 联立上两式得， ，、心，h x ( f ) 一v o ，x ( f ) j ( x m ( f ) 一x h ( f ) ) + ( v h y ( f ) 一v 0 3 y ( i ) x y m ( i ) 一y h ( f ) ) 则d 2 丽f 蒜取i 万i 疆萨甄万j 丽沥琢而丽 锡(，)=飞(vx丽(i)f-v啄o,x(研i)xx丽m(fi)-ixo,司(i)邛+(v丽hv(fi)-面vo,孤v(i)瓦)(ym万(i)丽-yo,(i) 3 、加速度分析 第二章精梳机钳板机构运动学建模 i 司样由刚体的运动分杉r 得： a u x ( i ) = a 0 3 x ( f ) 一露( f ) ( x m ( i ) - x o ，( 神- - 8 5 ( f ) 【y m ( f ) 一y o ，( 神 a 懈( f ) = a h x ( f ) 一霹( f ) ( x m ( f ) 一x h ( f ) ) 一岛( f ) c ( f ) 一y h ( f ) ) a m y ( f ) = a 0 3 y ( f ) 一c 0 2 ( i ) ( y m ( f ) 一y o ，( f ) ) + e s ( i ) ( x m ( f ) 一x o ，( f ) ) a m y ( f ) = a l l y ( f ) 一国7 2 ( f ) 【y k ( f ) 一y h ( f ) ) + 占7 ( f ) ( x m ( f ) 一x h ( f ) ) 联立上四式得， 岛( 沪瓦万j 丽酝e ( x 丽m ( i j ) - x 琢h ( 万i ) ) + 瓦f ( 而y m ( j i ) - 丽y h 灏( i ) ) i 而 毛z ( 沪瓦万j 而e 取( x 万m ( i i ) - x 丽o , ( 两i ) ) + 币f ( 万y u ( i i ) - 琢y o 礤, ( i ) ) 砾而瓦砑 其中 e = a h x ( f ) 一a 0 3 x ( f ) + 红2 ( i ) ( x m ( f ) 一x o ，( 纠一霹( i ) ( x m ( f ) 一x h ( ，) ) f = a h y ( f ) 一a 0 3 y ( f ) + c 0 2 ( i ) ( y m ( f ) 一y o ，( f ) ) 一缈；( i ) ( y r m ( f ) 一y o ( f ) ) 2 3 5m 0 3 p 。刚体构件中异点的运动分析 1 、位置分析 已知上钳板摇架m o ，鼻为一个构件，而机械中的构件相当于刚体，已知刚体上的两点 o ，和m 的运动，求第三点鼻的运动，已知0 3 7 , 的长度为，螂的长度为名， z m o ，p l = 六l ，则： f 4 1 = a r c c o s ( 锷 已知某分度o ，m 与x 轴正向的夹角为六( f ) ，则某分度量的位移在两轴上的分量为： x ，1 ( i ) = x o ，( f ) + 1 5 c o s ( a ( ，) 一i ) k ( i ) = y o ，( i ) + l s s i n ( f 5 ( f ) 一六1 ) 2 、速度分析 因为m o ，暑是刚体，所以厶，是定值，对上两式求导得： v a x ( f ) = v 0 3 x ( f ) 一l s c o s ( i ) s i n (