高速织机机械系统动态仿真与结构优化分析
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摘要
高速化是国内外织机的发展趋势,高速织机机械系统动态性能与结构优化成为研发新型织机的核心技术,本文利用虚拟样机仿真分析技术并结合有限元方法和三维造型技术,从系统分析的角度,对织机机械系统包括引纬机构、打纬机构等进行研究和优化。
首先应用Solidworks三维造型软件及ADAMS虚拟样机分析软件,建立引纬机构的虚拟样机物理模型并仿真分析,得到了关键零件受力、驱动力矩、剑杆位移速度加速度等仿真结果曲线；根据引纬机构虚拟样机受力的动态仿真结果,利用ANSYS有限元分析软件对引纬机构上的关键零件进行强度校核,对关键零件的结构进行了优化,在保证强度的前提下,有效地降低了零件的重量,改善了引纬机构动态性能,得到有利于高速化织机运转的引纬机构部件。高速织机打纬机构的动态性能是影响织机性能的主要因素之一,本文针对打纬筘座机构提出了两种动平衡结构方案,对其中较优的方案进行了筘座系统动平衡优化,使用有限元分析校核了关键零件的强度和筘座机构的固有频率,得到了新型的打纬筘座机构。对织机打纬传动系统的打纬曲线进行了分析研究,提出了种基于打纬力的打纬曲线设计方法,针对共轭凸轮打纬传动机构中的共轭凸轮机构,使用参数化设计进行了共轭凸轮正向设计,得到了基于打纬力的共轭凸轮轮廓曲线。最后针对目前国内制造企业共轭凸轮打纬机构存在测绘二次误差的问题,提出了基于ADAMS运动学仿真的共轭凸轮副凸轮曲线的反求修正方法,研究结果表明采用该方法修正优化后的共轭凸轮打纬机构可以有效消除凸轮曲线误差,动态性能有明显的改善。
Nowadays, the high speed is the trend of the loom, and the dynamic performance and structure optimization for the mechanical system of high-speed loom system becomes the core technique of new loom. In this paper, the mechanical system of loom including weft insertion mechanism and beat-up mechanism will be researched and optimized by virtual prototyping analysis technique, in the way of system analysis, combining finite elements analysis (FEA) and 3D modeling techniques.
First,3D modeling software and virtual prototyping analysis software is used to establish the weft insertion mechanism physical model and do the simulation analysis, gaining the simulation result curves including force of important parts, motion torque, ribbon position, velocity and acceleration and so on. Then FEA software is used to check the stress of important parts and optimize their structure according to the result of simulation analysis, and to optimize the structure of important parts, descending the weight of parts efficiently and improving the dynamic performance of weft insertion mechanism, gaining the parts of weft insertion mechanism benefitted to high-speed loom. Dynamic equilibrium is one of the important fact to impress the dynamic performance of the loom in a high speed and two proposals are proposed for the dynamic equilibrium of race mechanism in this paper, then a better one is chose to optimize it, and after that FEA software is used to check stress of it's important parts and it's natural frequency, gaining the new type of beat-up mechanism. Furthermore, a way of designing beat-up curve based on beat-up force is proposed for the beat-up mechanism in this paper, and a top-down design of conjugate cam in conjugate cam beat-up mechanism has been done by parametric design, gaining the profile curve of conjugate cam based on beat-force. Finally, in this paper, an optimization of conjugate cam based on ADAMS is proposed to modify quadric error resulting from measuring in our country's manufacture enterprises, and the results demonstrate the error of cam curve is eliminated efficiently and the dynamic performance of conjugate cam mechanism has improved obviously after optimization.
首先应用Solidworks三维造型软件及ADAMS虚拟样机分析软件,建立引纬机构的虚拟样机物理模型并仿真分析,得到了关键零件受力、驱动力矩、剑杆位移速度加速度等仿真结果曲线；根据引纬机构虚拟样机受力的动态仿真结果,利用ANSYS有限元分析软件对引纬机构上的关键零件进行强度校核,对关键零件的结构进行了优化,在保证强度的前提下,有效地降低了零件的重量,改善了引纬机构动态性能,得到有利于高速化织机运转的引纬机构部件。高速织机打纬机构的动态性能是影响织机性能的主要因素之一,本文针对打纬筘座机构提出了两种动平衡结构方案,对其中较优的方案进行了筘座系统动平衡优化,使用有限元分析校核了关键零件的强度和筘座机构的固有频率,得到了新型的打纬筘座机构。对织机打纬传动系统的打纬曲线进行了分析研究,提出了种基于打纬力的打纬曲线设计方法,针对共轭凸轮打纬传动机构中的共轭凸轮机构,使用参数化设计进行了共轭凸轮正向设计,得到了基于打纬力的共轭凸轮轮廓曲线。最后针对目前国内制造企业共轭凸轮打纬机构存在测绘二次误差的问题,提出了基于ADAMS运动学仿真的共轭凸轮副凸轮曲线的反求修正方法,研究结果表明采用该方法修正优化后的共轭凸轮打纬机构可以有效消除凸轮曲线误差,动态性能有明显的改善。
Nowadays, the high speed is the trend of the loom, and the dynamic performance and structure optimization for the mechanical system of high-speed loom system becomes the core technique of new loom. In this paper, the mechanical system of loom including weft insertion mechanism and beat-up mechanism will be researched and optimized by virtual prototyping analysis technique, in the way of system analysis, combining finite elements analysis (FEA) and 3D modeling techniques.
First,3D modeling software and virtual prototyping analysis software is used to establish the weft insertion mechanism physical model and do the simulation analysis, gaining the simulation result curves including force of important parts, motion torque, ribbon position, velocity and acceleration and so on. Then FEA software is used to check the stress of important parts and optimize their structure according to the result of simulation analysis, and to optimize the structure of important parts, descending the weight of parts efficiently and improving the dynamic performance of weft insertion mechanism, gaining the parts of weft insertion mechanism benefitted to high-speed loom. Dynamic equilibrium is one of the important fact to impress the dynamic performance of the loom in a high speed and two proposals are proposed for the dynamic equilibrium of race mechanism in this paper, then a better one is chose to optimize it, and after that FEA software is used to check stress of it's important parts and it's natural frequency, gaining the new type of beat-up mechanism. Furthermore, a way of designing beat-up curve based on beat-up force is proposed for the beat-up mechanism in this paper, and a top-down design of conjugate cam in conjugate cam beat-up mechanism has been done by parametric design, gaining the profile curve of conjugate cam based on beat-force. Finally, in this paper, an optimization of conjugate cam based on ADAMS is proposed to modify quadric error resulting from measuring in our country's manufacture enterprises, and the results demonstrate the error of cam curve is eliminated efficiently and the dynamic performance of conjugate cam mechanism has improved obviously after optimization.
引文
[1]刘向阳.我国纺织机械发展综述.天津纺织科技,1：10-15；
[2]王鸿博,邓炳耀,高卫东.剑杆织机实用技术.北京：中国纺织出版社,2004；
[3]陈静.喷气织机双侧四连杆打纬机构动态分析.苏州大学硕士学位论文,2006；
[4]洪海沧.当前国内外剑杆织机和喷气织机的技术水平及发展趋向.纺织导报,2007,5：34-50；
[5]刘志海.剑杆织机新型引纬机构的设计与分析研究.东南大学硕士学位论文,2004,3；
[6]李啸凌.共轭凸轮引剑机构虚拟设计的研究.东华大学硕士学位论文,2006,3；
[7]罗军徐乃勇,何勇,陈明.剑杆织机凸轮引纬机构运动的分析与优化.国际纺织导报,2005,6：26-32；
[8]张小德.SM92剑杆织机引纬机构共轭凸轮的动态设计分析.机械研究与应用,2009,5：38-41；
[9]肖卫兵.剑杆织机共轭凸轮引纬机构的动态建模与响应分析.机电设备,2007,8：6-8；
[10]郑智毓.TT96型剑杆织机引纬系统的测试分析.纺织学报,2004,4：73-74；
[11]竺志超,李志祥.引纬机构的遗传算法优化设计.纺织学报,2002,3：34-35；
[12]赵斯伟,何勇,陈明,徐乃勇.一种新颖的剑杆织机引纬方法.上海纺织科技,2005,5：26-28；
[13]赵雄.椭圆齿轮——曲柄摇杆引纬机构分析与综合.浙江理工大学硕士学位论文,2008,3；
[14]蒋淼,陈建能,赵匀.椭圆齿轮—曲柄滑块机构运动特性分析.浙江理工大学学报.2009,2：256-260；
[15]胡顺序.基于虚拟样机技术的新型剑杆织机研究.华东理工大学硕士学位论文,2006,12；
[16]高超,梁海顺,陈赞,李军宁,刘锋,贾正锋.几种喷气织机四连杆打纬机构的比较分析.纺织器材,2008,4：293-295；
[17]陈静,冯志华.喷气织机四连杆打纬机构动态响应的数值解.苏州大学学报(自然科学版),2006,2：48-50；
[18]魏圆圆,冯志华,梁林祖,袁渊.四连杆打纬机构的动平衡研究.苏州大学学报(工科版),2007,2：18-22；
[19]梁海顺,胡巧娥,王贯超,马志燕,陈登.四连杆打纬机构的Fuzzy优化设计.机械设计与研究,2005,2：72-74；
[20]刘锋,梁海顺,贾正锋,李军宁,高超,陈赞.RecurDyn在织机连杆打纬机构中的应用.纺织器材,2010,1：6-9；
[21]余联庆,梅顺齐.织机六连杆打纬机构的优化设计与仿真.机械与电子,2007,7：12-14.
[22]王浩程.六连杆打纬机构的MAPLE动态设计及分析.纺织学报,2006,6：32-35；
[23]李志杰,张家珏.高速打纬共轭凸轮运动规律的设计分析.机械设计,2005,1：99-100：
[24]滕兵,何勇.共轭凸轮打纬机构弹性动力学和有限元分析.机械设计与制造,2006,2：39-40：
[25]谢征恒,毛立民,过玉清.基于LabVIEW和Matlab的共轭凸轮打纬机构分析与设计.东华大学学报(自然科学版),2007,1：66-69；
[26]滕兵,沙玲.虚拟样机技术在织机打纬机构分析中的应用.丝绸,2007,8：40-47；
[27]王盛,张秋菊,李国良,管仁伟.剑杆织机打纬共轭凸轮机构分析及优化.机械研究与应用.2009,4：107-110；
[28]陈元甫.织机工艺与设备.北京：纺织工业出版社,1989；
[29]徐浩贻.现在喷气织机打纬机构及其分析对比.广西纺织科技,2001,30(3)：38-39,42：
[30]禹同娥.浅析织机打纬机构的设计与分析.科协论坛,2007,6：13-14；
[31]陈元甫,洪海沧.剑杆织机原理与使用(第二版).北京：中国纺织出版社,2005；
[32]张春林,白士红.打纬共轭凸轮机构的设计.北京理工大学学报,2000,20(1)：33-36：
[33]沈毅.打纬共轭凸轮运动规律的研究.浙江丝绸工学院学报,1997,3：
[34]Chakraborty J, Dhande G K. Kinematic and Geometry of Planar and Special Cam Mechanisms. New York:John Wiley Sons,1977;
[35]Tsay D M, Wei HM. A general approach to the determination of planar and special cam profiles. ASME J of Mech. Des,1996,118(2):259-265;
[36]曹巨江,彭国勋.各类凸轮机构统一数学模型的研究.西北轻工业学院学报,1992,10(2)：1-10；
[37]彭国勋,肖正扬.自动机械的凸轮机构设计.北京：机械工业出版社,1990；
[38]张玉华,徐致让,包家汉等.确定盘型凸轮曲率半径的相对加速度法及其应用.安徽工业大学学报,2003,20(4),303-307；
[2]王鸿博,邓炳耀,高卫东.剑杆织机实用技术.北京：中国纺织出版社,2004；
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