自动络筒机小端轮部件的动态参数分析.pdf

技术专论自动络筒机小端轮部件的动态参数分析陈燊(通用电气再生资源(天津)有限公司,天津 )摘要:为合理设计小端轮部件、减少振动影响、最大程度发挥防叠装置的效果并保证筒纱质量,采用线性系统理论,通过建立具有少量自由度的小端轮部件力学模型,研究小端轮部件的固有特性,并根据力学模型分析轴向、径向和摆动个模态的参数,确定小端轮部件的动态参数.指出:建立并分析小端轮部件力学模型,确定其动态参数,并考虑动态参数对机构动态特性的影响,合理设计小端轮部件结构,可保证筒纱成形良好.关键词:自动络筒机;小端轮;防叠装置;力学模型;轴向;径向;摆动;自由度中图分类号:T S 文献标志码:A文章编号:()A n a l y s i so nD y n a m i cP a r a m e t e r so f F l a n g eP a r t sC o m p o n e n t so fA u t o m a t i cW i n d e rCHE NS h e n(G e n e r a lE l e c t r i cR e n e w a b l eR e s o u r c e s(T i a n j i n)C o,L t d,T i a n j i n ,C h i n a)A b s t r a c t:T od e s i g nf l a n g ep a r t sc o m p o n e n t sr e a s o n a b l y,r e d u c ev i b r a t i o ne f f e c t s,m a x i m i z et h ee f f e c to f a n t i f o l d i n gd e v i c ea n de n s u r ec h e e s eq u a l i t y,t h e l i n e a r s y s t e mt h e o r y i su s e dt os t u d yt h e i n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ff l a n g ep a r t sc o m p o n e n t sb ye s t a b l i s h i n gaf l a n g ep a r t sc o m p o n e n t sm e c h a n i c a lm o d e lw i t has m a l l a m o u n td e g r e e so f f r e e d o m,a n dt h ep a r a m e t e r so fa x i a l,r a d i a l a n ds w i n gm o d e sa r ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a lm o d e l t od e t e r m i n et h ed y n a m i cp a r a m e t e r so f f l a n g ep a r t s I t i sp o i n t e do u tt h a tt h ee s t a b l i s h m e n ta n da n a l y s i so ft h em e c h a n i c a lm o d e l o f t h e f l a n g ep a r t sc o m p o n e n t,t h ed e t e r m i n a t i o no f i t sd y n a m i cp a r a m e t e r s,a n dc o n s i d e r a t i o no fi n f l u e n c eo fd y n a m i cp a r a m e t e r so nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h em e c h a n i s m T h er e a s o n a b l ed e s i g no f t h e f l a n g ep a r t s s t r u c t u r e c a ne n s u r eg o o d f o r m i n go f c h e e s e K e yW o r d s:a u t o m a t i cw i n d e r;f l a n g ep a r t s;a n t i f o l d i n gd e v i c e;m e c h a n i c a lm o d e l;a x i a l;r a d i a l;s w i n g;d e g r e eo f f r e e d o m收稿日期:;修回日期:作者简介:陈燊(),男,辽宁丹东人,高级工程师,主要从事纺织机械再制造方面的工作.小端轮是自动络筒机支臂组件的关键部件,传统设计仅进行静力分析和低速试验.随着自动络筒机转速的提高,对小端轮固有特性进行分析研究,确定其振动动态参数可以保证筒子纱防重叠机构的有效性、确保筒子纱的成形质量.因此,笔者采用线性系统理论对小端轮的动态参数进行研究.力学模型建立小端轮部件结构见图.在标准工作条件下,其工作频率小于 H z、系统线性良好,小端轮仅存在摆动、轴向和径向种模态,故简化图为图.简化原则为:因滚动轴承内、外圈刚性连接,故将内、外圈与端盖、转轴、底座进行合并;将滚动体的质量平均分配到内、外圈;将滚动体与内、外圈的接触等效为弹簧连接.在工作状态时,因小端轮力学模型固定部分与络筒机支臂组件连接为刚体,故主要分析模型转动部分的动态参数.】【T e x t i l eA c c e s s o r i e sV o l N o J u l 端盖;转轴;滚动轴承;底座.图小端轮模型转动部分;模型固定部分.图小端轮等效力学模型自动络筒机小端轮实际振动系统很复杂,笔者分析振动系统的所有部件均假定为刚性,且均遵循胡克定律,可看作线性振动系统并用叠加原理.因小端轮部件的质量和弹性是连续分布的,故模型系统工作中具有个自由度,笔者使用质量聚缩法将系统简化为有限多的振动系统,并根据力学模型分析个模态的参数.识别轴向参数研究小端轮部件轴向固有特性的主要目的是确定其轴向刚度和轴向阻尼,当小端轮部件增加个轴向激振时,其运动方程为:MIX(t)(t)CCX(t)(t)KKX(t)(t)f(t)R f(t)()式中:M 力学模型固定部分的质量;I 力学模型转动部分的转动惯量;X 小端轮部件位移的加速度矢量方程;t 小端轮部件的运行时间;小端轮部件角度的加速度方程;C 轴向阻尼;C 摆动阻尼;X 小端轮部件位移的速度矢量方程;小端轮部件角度的速度方程;K 轴向刚度;K 摆动角刚度;X 小端轮部件的位移矢量方程;小端轮部件的角度方程;f(t)激振函数;R 激振点到小端轮转轴的距离.根据单自由度系统在激振下的振动可得运动方程,由初始条件X(),可以得出:X(t)j wX(t)X(t)j wX(t)()(t)j w(t)(t)j w(t)()式()和式()中,j为运动待定复数常数;w为简谐振动的复数表达.据此简化式()得:j wMCKj wj w ICKj wX(t)(t)f(t)R f(t),则X(t)j w f(t)Kj w CMw(t)j w R f(t)Kj w CI w()设:品质因子QX(t)f(t)j wKj w CMw()带宽 wCM()当小端轮部件产生共振时,wK/M,则KwM.其轴向刚度Kw/(wQ),轴向阻尼C/Q.根据小端轮部件运动工况查询品质因子和带宽值,可推导出小端轮部件轴向参数.识别径向参数研究小端轮部件径向固有特征,只需在模型转动部分施加径向激励,此时其运动方程为:MX(t)KX(t)CX(t)f(t)()式()中:K为径向刚度;C为径向阻尼.用同()式的推导方法得出:X(t)(j w)X(t)X(t)j wX(t)()将式()代入式(),整理后得:MwKj w CX(t)wf(t).设:品质因子QX(t)f(t)wMwKj w C()】【第 卷第期 年月T e x t i l eA c c e s s o r i e s 带宽 wCM()当小端轮部件产生共振时,wK/M,则KwM.其径向刚度Kw/(wQ),径向阻尼C/Q.只需查询到品质因子和带宽值便可推导出小端轮部件的径向参数.识别摆动参数高速转动时,小端轮外表面任意点受到激励,则小端轮部件表面的激励点L的方程为:X(L)XR()设:品质因子QX(L)f(t)XR f(t)()带宽 wCI()将()式代入式()中,可得:Qj w(KMw)j w Cj w R(KI w)j w C()当小端轮部件产生共振时,wK/I,则KwI.将K,K代入式()中后求得:Qj w(KMw)wC(KMw)wCj w R(KI w)j w C()推出小端轮部件摆动刚度和阻尼表达式:摆动角刚度KwC/(w);摆动角阻尼CR/Qw(KMw)(KMw)wCwC(KMw)wC.同理,只需查询到品质因子和带宽值便可求出小端轮部件的摆动角参数.动态参数耦合分析可知,小端轮部件工作过程中是多自由度的振动,随振动自由度增加,因传统耦合计算方法繁琐故使用较简洁的方法计算系统的刚度和阻尼.刚度耦合根据瑞利能量法计算振动系统的刚度耦合值.转动过程中将小端轮部件的可能转动量表达为若干给定位移的线性组合,以瑞利商作为位移泛函,则利用瑞利商取驻值时条件,便可求出物体振动刚度的近似值.小端轮部件工作时的最大动能为:Tm a xM v()式中:Tm a x 小端轮部件工作时的最大动能;M 小端轮部件质量矩阵;v 小端轮部件的线速度.则小端轮部件工作时的最大势能为:Vm a xATKA()式中:Vm a x 小端轮部件工作时的最大势能;AT 主振型的转置(文中分析主振型为振动频率的平方);K 小端轮部件的刚度矩阵;A 小端轮部件的主振型.小端轮部件在振动时满足能量守恒条件,即Tm a xVm a x.将式()和式()代入计算,得到系统刚度耦合值为:KPTA AT/(M v),其中PT为小端轮部件第i阶固有频率刚度矩阵的转置.阻尼耦合根据阻尼系统响应振动叠加法,通过坐标空间变化计算振动系统阻尼耦合值.其方程为:Cma Mpb Cp()式()中:Cm为系统阻尼;a,b为阻尼系数;Mp为个模态的刚度矩阵;Cp为个模态的阻尼矩阵.根据小端轮部件的材料、转速、周围介质查看手册,即可得出阻尼系数.将上文分析的动态参数代入式()中,便可推导出系统的阻尼耦合值.结论通过对小端轮部件力学模型的建立和分析,确定了小端轮部件的动态参数.在设计自动络筒机支臂组件时,考虑小端轮部件动态参数对机构动态特性的影响并合理设计,从而保证筒纱良好成形.参考文献:青岛宏大纺织机械有限责任公司 S MA R O型自动络筒机产品说明书Z :刘永明,马淦林,王正奎回转轴系参数识别研究J中国纺织大学学报,():俞昊旻,宋建农转子动力学在纺织机械动态分析中的应用J纺织基础科学学报,():(美)S I N G I R E S USR a o 机械振动M 版李欣业,张明路,译北京:清华大学出版社,:闻邦椿,刘树英,张纯宇机械振动学M 版北京:冶金工业出版社,:刘习军,贾启芬工程振动理论与测试技术M北京:高等教育出版社,:,曾志新,吕明机械制造技术基础M武汉:武汉理工大学出版社,:】【T e x t i l eA c c e s s o r i e sV o l N o J u l