棉纺精梳机分离罗拉连杆驱动机构动力学仿真及有限元分析

冯清国, 巫鳌飞, 任家智,3, 陈宇恒

(1. 中原工学院, 河南 郑州 450007; 2. 盛美半导体设备(上海)股份有限公司, 上海 201203;3. 先进纺织装备技术省部共建协同创新中心, 河南 郑州 450007)

棉纺生产过程中,精梳加工是提高产品附加值的有效手段,而精梳机的速度及运行稳定性是决定生产效率的关键因素,由于其关键部件运动的复杂性,目前国内外大多数精梳机工作仍然采用齿轮、连杆等传统的机械传动机构来实现。当精梳机的速度提高后,分离罗拉驱动机构受到的负荷会急剧增大,各部件出现断裂的概率增大,因此,对精梳机分离罗拉驱动机构进行动力学分析,找出各部件最大应力的部位及不同速度时各部件的选材方案,对精梳机分离罗拉驱动机构及相关设备关键部件的设计具有重要指导意义。

贾国欣等[1-2]对分离罗拉及其传动机构的运动规律进行了研究,并对其运动过程中产生的振动进行了分析,但没有对连杆机构受力方面进行研究。徐子静等[3]对柴油机连杆及其疲劳安全特性进行了仿真计算;方兴未[4]对水力破拆机器人工作装置的4种不同工况进行动力学仿真分析;袁俊凇等[5]以简单薄壁件为例通过有限元分析来预测其加工变形情况,李金键[6]对精梳机钳板驱动机构进行了动力学仿真分析。而对精梳机分离罗拉驱动机构材料的有限元分析鲜见报道。

本文通过Solidworks软件建立分离罗拉驱动机构的三维模型并导入Adams软件建立分离罗拉驱动机构动力学模型,得到连杆机构在各铰接处的受力,在此基础上利用Ansys workbench软件的瞬态动力学模块建立分离罗拉驱动机构有限元模型,得到各部件在不同车速时的最大应力值分布云图及最合适的材料属性,为高速精梳机的安全性能评估及零件机构的优化设计提供参考,进而提高精梳机的使用寿命及生产运行可靠性。

1 精梳机分离罗拉连杆驱动机构

根据精梳工艺原理,在精梳机的一个工作周期内,为完成分离罗拉“倒转—顺转—基本静止”运动状态的快速转变,需通过由平面七连杆机构、差动轮系变速传动机构及定轴恒速传动机构相互配合组成的分离罗拉连杆驱动机构来实现,如图1所示。图中O为锡林轴中心,O1为偏心座中心,O2为后摇杆的摆动中心,O3为33齿齿轮转动中心。定时调节盘绕O点转动。连杆1在A点与定时调节盘铰接,在B点与偏心套铰接,并通过定时调节盘带动活套在偏心座上的偏心套转动。偏心套通过铰接点C带动活套在偏心套上的摆动臂摆动,摆动臂通过铰接点E带动连杆2在平面内运动,通过铰接点D带动摇杆在平面内做往复摆动。连杆2通过铰接点F带动摇杆结合件绕33齿齿轮旋转中心O3在平面内摆动。与33齿齿轮固定链接的摇杆结合件通过连杆2带动33齿齿轮做周期性的圆周运动。

图1 分离罗拉平面连杆驱动机构模型及其简化模型Fig. 1 Model (a) and simplified model (b) of detaching roller planar linkage

2 分离罗拉连杆驱动机构动力学仿真

2.1 分离罗拉连杆驱动机构建模

以JSFA588型精梳机分离罗拉连杆驱动机构各零件尺寸为原型,通过Solidworks软件建立精梳机分离罗拉连杆驱动机构三维模型后,将模型文件另存为中间格式文件,然后将中间格式文件加载到ADAMS软件中。考虑连杆在运动过程中的惯性力,赋予其零件实际质量属性。根据连杆机构中各零件实际运动关系创建运动副,其中在连杆机构定时调节盘与大地间建立转动副,摇杆与大地间建立转动副,连杆机构的输出部件与大地间建立转动副,偏心座与大地间建立固定副。设定连杆驱动机构的初始位置为24分度。设置完成后,对模型进行仿真分析。

2.2 连杆驱动机构各零件在铰接处的受力

当速度为400 钳次/min时,给模型添加驱动,输入驱动参数为(400×2π/60) rad/s。由于连杆机构驱动分离罗拉转动,机构受到分离牵伸产生的外力矩及本身重力作用,因此将外力矩和重力添加到模型上。设定仿真时间为0.15 s,时间步数为40,由于连杆驱动机构只在X轴与Y轴平面内运动,因此Z轴方向受力可以忽略不计,则利用ADAMS软件对分离罗拉驱动机构进行动力学仿真,每个连接副的最大受力如表1所示。精梳机在一个工作周期内的分离罗拉驱动机构各连接副在铰接处时,X轴与Y轴方向受到合力的受力变化曲线如图2所示。

表1 400 钳次/min时各零件在铰接处的最大受力值及对应的分度Tab. 1 Maximum force of each part and corresponding index at hinge at 400 nippers/min

由表1、图2可知:1)连杆3与连杆2在一个工作周期内受力变化趋势相同,由于惯性力的存在,在相同分度所受力不同,在O3、F、E3点的受力最大值都出现在16.2 分度,在铰接点处2个连杆受力大小相同、方向相反;2)摆动臂(连杆4)有3个铰接点,在铰接点C、E受力变化趋势基本相同,受力最大值不同。连杆4与摇杆(连杆5)在D点铰接,在精梳机传动机构中,连杆5由2个连杆组成,来保证传动的平稳性,因此2个摇杆在D点受力相等且等于摆动臂在D点受力的一半。连杆5只有2个铰接点,受力变化趋势相同,在相同分度受力大小不同;3)偏心套(连杆6)铰接点有3个,在点O1、C处受力曲线变化趋势基本相同。连杆1和定时调节盘(连杆7)在铰接点A处受力曲线变化趋势相同,是由于惯性力存在,不同铰接点处在相同分度时受力大小不同。

2.3 速度对连杆驱动机构受力的影响

为进一步研究精梳机速度提高后对连杆驱动机构各零部件受力的影响,通过ADAMS仿真分析得出各连杆在不同速度下最大受力值如表2所示。

由表2可知:各连杆受力的峰值随着精梳机速度提高而增加。相对于400 钳次/min时,在精梳机速度依次提高后,各连杆零部件在铰接处受力峰值增加率如表3所示。

表3 各连杆铰接点受力峰值增加率Tab. 3 Increase rate of maximum force in hinge points of each linkage

由表3可知:当精梳机速度从400 钳次/min提高到500 钳次/min时,D点受力峰值增加率最大,为90.12%,B点受力峰值增加率最小,为42.92%。当速度提高到600 钳次/min时,D点受力峰值增加率最大,为177.22%,B点受力峰值增加率最小,为105.71%。当速度提高到700 钳次/min时,D点受力峰值增加率最大,达280.13%,B点受力峰值增加率最小,为179.94%。

3 分离罗拉驱动机构有限元分析

3.1 分离罗拉连杆机构有限元建模

分离罗拉连杆机构是精梳机驱动系统的重要部件,随着精梳机速度的增高,驱动系统的负载力矩会增大,相应的零件受力也会逐渐增大,易引起相关部件发生磨损、变形等,影响配合精度、机器运转的稳定性及可靠性。因此通过对精梳机分离罗拉连杆机构进行有限元分析,得到机构内各零部件的应力云图,为高速精梳机的安全性能评估及零件机构的优化设计提供参考。

为减少计算量,使得求解结果能够更加精确,需对分离罗拉连杆机构的模型进行简化,剔除机构中不影响分析结果的圆角、倒角等,将简化后的三维模型以中间格式文件导入Ansys Workbench软件中,简化后的模型如图3所示。精梳机分离罗拉连杆机构各零件都采用45碳素结构钢,并分别对其赋予密度、弹性模量、泊松比、强度等材料属性如表4所示。

表4 连杆机构零件材料属性Tab. 4 Material properties of linkage mechanism

图3 分离罗拉连杆驱动机构有限元模型Fig. 3 Finite element model of detaching roller linkage drive mechanism

由图3、表4可知,在添加零件材料属性后需要对零件进行网格划分,网格的质量将直接影响求解的收敛性与精度,为提高划分网格质量,采用四面体实体单元的补丁适形算法进行网格划分,中等平滑网格,快速过渡,过渡比为0.272,跨度中心角范围为60°～90°,由于零件尺寸不同,综合考虑计算规模和计算精度,确定连杆1和连杆2的网格单元大小为3 mm,其余零件基础网格大小为10 mm,边界框对角线为0.646 m,平均表面积为2.16×10-3m2,最小边缘长度为6.19×10-4m。在有限元模型中,网格单元个数为64 430,节点个数为114 690。

3.2 施加约束及载荷

参照ADAMS软件中分离罗拉连杆驱动机构添加运动副对其施加全约束。分离罗拉连杆驱动机构作为分离罗拉的动力输入端,驱动分离罗拉实现周期性的“倒转—顺转—基本静止”转动,因此连杆机构对外输出负载力矩,将负载力矩添加到连杆驱动机构模型上;将连杆机构高速转动时产生的惯性力添加到连杆各零件上,并对所有零件添加重力加速度。参数设置完成后,对连杆驱动机构进行求解,即可获得分离罗拉连杆驱动机构的应力变形分布云图。

3.3 有限元应力仿真结果分析

在实际应用时,由于分离罗拉连杆机构的复杂运动,各零件通常会承受较大的冲击,且随着速度的提高受到的冲击幅度也会较高,从而导致实际的动作状况复杂化,结构性能也会受到一定程度的损坏。考虑到如冲击产生的振动、高速运动产生的惯性等多方面的影响,为保障精梳机的安全工作,需设置一定的安全系数。本文将安全系数值设置为1.5,因此零件的许用应力[σ]为抗拉强度极限σb与安全系数之比[7],即45碳素结构钢的许用应力为[σ]=400 MPa。

在精梳机速度为500 钳次/min时,对连杆驱动机构有限元模型进行求解,得到精梳机连杆机构在一个运转周期内应力分布云图如图4所示。

图4 速度为500钳次/min时连杆机构各零件应力云图Fig. 4 Cloud map of maximum stress distribution of each part under velocity of 500 nippers/min. (a)Eccentric sleeve stress cloud map; (b)Eccentric stress cloud map; (c)Timing adjustment disk stress cloud map; (d)Swing arm stress cloud map; (e)Linkage 2 stress cloud map; (f)Linkage 1 stress cloud map; (g)Lower stick stress cloud map; (h)stick stress cloud map

由图4可知:在精梳机速度为500 钳次/min时,偏心套最大应力为66.565 MPa,在小圆孔处如图4(a)所示;偏心座最大应力为2.599 2 MPa,在近圆孔端如图4(b)所示;定时调节盘在小圆孔处为295.96 MPa,应力集中如图4(c)所示;摆动臂最大应力为102.68 MPa,位于其后下端面处如图4(d)所示;连杆2的最大应力为38.667 MPa,在与定时调节盘铰接的圆孔处如图4(e)所示;连杆1的最大应力为24.187 MPa,在圆孔处如图4(f)所示;下摇杆的最大应力为4.718 7 MPa,位于与连杆1铰接的圆孔处如图4(g)所示;摇杆最大应力为101.62 MPa,在大圆孔上方如图4(h)所示。

为进一步分析速度对零件寿命的影响,分别将精梳机速度提高到600、700 钳次/min后,对连杆驱动机构有限元模型分别重新求解,并得到精梳机连杆机构在一个运转周期内最大应力如表5所示。

表5 不同速度下各零件最大应力Tab. 5 Maximum stress of each part at different velocitys

综合以上分析可知:在精梳机速度为500 钳次/min及以下时,一个运转周期内的连杆机构各零件最大应力均小于材料的许用应力;当精梳机速度增大到600 钳次/min以上后,定时调节盘的最大应力超过材料的许用应力,零件有疲劳断裂的风险,而其它零件均小于许用应力。

3.4 实验验证

为验证精梳机分离罗拉驱动机构有限元模型,并预测精梳机高速运转时零件的寿命及强度,按照设计要求各零件均采用45碳素结构钢制造,并装配到JSFA588型精梳机上,精梳工艺参数一定条件下,连续过棉生产72 h,分别在速度为500和600钳次/min时,观察棉网状况,并利用Fluke805型测振仪测定精梳机驱动机构的振动情况,结果如表6所示。现场观察在速度为500钳次/min时精梳机运行平稳,车头振动较小,棉网清晰,如图5(a)所示;将速度提高到600钳次/min后,精梳机车头振动剧烈,棉网有明显破裂现象,如图5(b)所示。停车后检查发现定时调节盘小圆孔处销轴有磨损现象,结果如图6所示。实验结果表明此位置受力较大,与仿真结果分析一致。

表6 不同速度下精梳机驱动机构振动情况Tab. 6 Vibration of comber drive mechanism at different speeds

图5 精梳机不同速度时精梳棉网状况Fig. 5 Combed cotton mesh condition at different speeds.(a) 500 nippers/min; (b) 500 nippers/min

图6 定时调节盘圆孔位置销轴受损情况Fig. 6 Damaged state of pin shaft at small hole of timing adjustment disk

4 结 论

通过对精梳机分离罗拉连杆驱动机构进行ADAMS动力学仿真,得到零件各铰接点的受力,并在此基础上将负载力矩加载到有限元模型中,对各零件应力进行有限元分析。经过仿真分析与实验验证得出在精梳机速度为500 钳次/min及以下时,1个运转周期内的连杆机构各零件最大应力均小于材料的许用应力,各零件材料使用安全;当精梳机速度增大到600 钳次/min以上后,定时调节盘的最大应力超过材料的许用应力,零件有疲劳断裂的风险,容易故障停车并造成生产事故。

目前棉纺精梳机实际运行速度在600 钳次/min以下,因此可以在满足强度和刚度的要求下,将连杆驱动机构中定时调节盘可以选用强度更高的材料,而其它各零件可以选用更轻质材料进行制造,来减轻设备质量、降低制造成本。