調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構過約束分析
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本 科 畢 業(yè) 設 計( 20 屆)題 目 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構 過約束分析 系 別 機電動力與信息工程系 專業(yè)班級 學生姓名 指導教師 教務處制20 年 5 月 12 日摘要調節(jié)閥是工業(yè)自動化過程控制中的重要執(zhí)行單元。隨著工業(yè)領域的自動化程度越來越高,以及調節(jié)閥本身具有的自動調節(jié)、耐蝕、耐溫、耐壓等特點,目前正被越來越多的應用在火力發(fā)電、核電、化工、冶金、輕紡、城市供熱、城市天然氣等工業(yè)生產領域中。而調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構作為調節(jié)閥主要的驅動機構之一,由于該執(zhí)行機構中存在過多的過約束,導致該機構安裝困難及工作過程中零件的嚴重磨損。本文在對該機構進行過約束分析和研究,然后通過增加機構自由度的方法,來改善該機構中存在的過約束。從而降低了對運動副元素的精度要求,降低了產品的制造加工成本,延長了機構的壽命。關鍵詞:調節(jié)閥氣缸活塞機構;過約束;分析;研究目錄前言1第一章 調節(jié)閥簡介21.1 調節(jié)閥的作用及組成.21.2 調節(jié)閥的分類及優(yōu)缺點.21.3 調節(jié)閥的應用及發(fā)展前景21.3.1 調節(jié)閥的應用 21.3.2 調節(jié)閥的發(fā)展前景 .3第二章 氣動調節(jié)閥5第三章 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構73.1 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構的簡介.73.2 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構的組成.73.3 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構的工作過程.8第四章 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構過約束分析94.1 自由度、約束、過約束及運動副的概念.94.2 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構的工作情況分析.124.3 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構結構簡圖分析.134.4 過約束分析計算.144.4.1 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構過約束的計算144.4.2 過約束消除 18第五章 總結20致謝21參考文獻22中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計0前言調節(jié)閥又名控制閥,是物料或能量供給系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。調節(jié)閥是自控系統(tǒng)中的執(zhí)行器,它的應用質量直接反應在系統(tǒng)的調節(jié)品質上。作為過程控制中的終端元件,人們對它的重要性較過去有了更新的認識。調節(jié)閥在機械產品中占有相當大的比重,據國外工業(yè)發(fā)達國家統(tǒng)計,調節(jié)閥的產值是壓縮機,風機和泵產值的總和,約占整個機械工業(yè)產值的5%。它現在已經廣泛應用于火力發(fā)電、核電、化工、冶金、輕紡、城市供熱、城市天然氣等工業(yè)部門中。調節(jié)閥是現在工業(yè)控制技術中不可缺少的部分。但令人遺憾的是,由于部分調節(jié)閥執(zhí)行機構存在著過約束,就造成機構磨損比較厲害。而執(zhí)行機構是調節(jié)閥的關鍵組成部件,所以本文對調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構進行研究。結果表明,該機構結構緊湊、體積小、控制簡單、反應快速、本質安全、不需另外再采取防爆措施等優(yōu)點,但是該執(zhí)行機構中存在過多的過約束。本文通過研究該機構的組成、原理、運動副中的約束、過約束等,發(fā)現里面存在的過約束,通過增加機構自由度的方法來改善機構中存在的過約束。從而降低了對運動副元素的精度要求,為降低了產品的制造加工成本和延長機構的壽命本找到了理論依據。中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計1第一章 調節(jié)閥簡介1.1 調節(jié)閥的作用及組成調節(jié)閥是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件,由于閥芯在閥體內移動,改變了閥芯與閥座之間的流通面積,即改變了閥的阻力系統(tǒng),通過介質的流量也可相應的改變,從而達到調節(jié)工藝參數的目的。這些工藝參數包括壓力、溫度、液位及流量。調節(jié)閥由閥體組件、執(zhí)行機構、調節(jié)閥附件組成。閥體組件的作用是調節(jié)流量的作用,執(zhí)行機構將控制信號轉變成相應動作,閥體附件的作用是使調節(jié)閥的使用更方便,功能更完善,性能更好。1.2 調節(jié)閥的分類及優(yōu)缺點調節(jié)閥按常用性可分為三大類:氣動調節(jié)閥、電動調節(jié)閥、液動調節(jié)閥。氣動調節(jié)閥是指以壓縮空氣為動力來源的調節(jié)閥 。電動調節(jié)閥主要以電為動力來源的調節(jié)閥 。而液動調節(jié)閥則是通過把氣動調節(jié)閥中的氣動執(zhí)行機構改為液動執(zhí)行機構,從而形成液動調節(jié)閥。(1)氣動調節(jié)閥比電動和液動要經濟實惠,且結構簡單,易與掌握校定,在現場也可以很容易實現正反左右手的互換,它最大電的優(yōu)點是安全,當使用定位器時,對于易燃易爆環(huán)境是理想的,而電訊號如果不是防爆的,或本質不安全的,則有潛在的因打火而引發(fā)火災的危險所以雖然現在電動調節(jié)閥應用范圍越來越廣,但在化工領域,氣動調節(jié)閥還是占據著絕對優(yōu)勢。氣動調節(jié)閥的主要缺點是相應較慢,控制精度差,抗偏離能力差。(2)電動調節(jié)閥,電動調節(jié)閥推力大,抗偏離能力較好,輸出的推力和力矩基本上是恒定的,可以很好的克服介質的不平衡。電動調節(jié)閥的主要缺點有:結構較復雜更容易發(fā)生故障,且由于它的復雜性,對現場維護人員的技術要求就相對要高些,電動機運行要產熱,如果調節(jié)太頻繁,容易造成電機過熱,產生熱保護,同時也會加大對減速齒輪的磨損,運行較慢。(3)液動調節(jié)閥,優(yōu)點是有較優(yōu)的抗偏離能力,運行起來非常平穩(wěn),響應快,缺點是造價昂貴,體型龐大笨重大多數用于一些諸如電廠,石化等比較特殊的場合。中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計21.3 調節(jié)閥的應用及發(fā)展前景1.3.1 調節(jié)閥的應用(1)在石化行業(yè)的應用:在石化生產中,調節(jié)閥是自動控制中起執(zhí)行作用的重要組成部分,其主要應用于煉油裝置、化纖裝置、丙烯晴裝置、合成氨裝置、乙烯裝置、空分裝置以及聚丙烯等裝置中。(2)在電力行業(yè)的應用:電站調節(jié)閥主要分布在鍋爐、汽輪機和輔機 3 大系統(tǒng)中,其次分布在許多輔助性系統(tǒng)中。對于中溫中壓蒸汽參數的發(fā)電機組,一般采用少量的國產常規(guī)調節(jié)閥,而對于高參數、大容量火電機組,一般在大于 100 MW 以上機組,就采用越來越多的引進調節(jié)閥。參數越高,機組容量越大,火電站的熱控技術,機組的安全經濟運行就作為主要的目標,而各種各樣的調節(jié)閥就作為實現安全運行的有效手段。(3)在城市供熱行業(yè)的應用:根據供熱系統(tǒng)的運行管理要求提出采用自力式流量調節(jié)閥是解決熱網水力失調和實現節(jié)能降耗的有效途徑。(4)在城市燃氣中的應用:一種燃氣熱水器調節(jié)閥總成在設計,研制過程中所遇到的問題以及解決的方法和措施。做到了使用功能、產品質量和經濟效益的統(tǒng)一,并力求一閥多用。(5)在冶金行業(yè)的應用:溫差自力式調節(jié)閥在攀鋼高爐鑄鐵冷卻壁系統(tǒng)試驗取得成功之后,被應用到攀鋼高爐銅冷卻壁系統(tǒng)中,以實現銅冷卻壁冷卻水量的l:1動調節(jié),保護冷卻壁,提高冷卻水冷卻能力的利用率。該溫差自力式調節(jié)閥在高爐銅冷卻壁運行正常,已取得初步效果。1.3.2 調節(jié)閥的發(fā)展前景調節(jié)閥的發(fā)展前景表現:智能化、標準化、精小化、旋轉化、安全化。它們具體表現在如下方面:(1)智能化表現在:調節(jié)閥的自診斷,運行狀態(tài)的遠程通信等智能功能,使調節(jié)閥的管理方便,故障診斷變得容易,也降低了對維護人員的技能要求。(2 標準化表現在:為了實現互換性,使同樣尺寸和規(guī)格的不同廠商生產的調節(jié)閥能夠互換,使用戶不必為選擇制造商而花費大量時間。為了實現互操作性,不同制造商生中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計3產的調節(jié)閥應能夠與其他制造商的產品協同工作,不會發(fā)生信號的不匹配或阻抗的不匹配等現象。(3)精小化:采用輕質材料,采用多組彈簧替代一組彈簧,降低執(zhí)行機構高度,通常,精小型氣動薄膜執(zhí)行機構組成的調節(jié)閥比同類型氣動薄膜執(zhí)行機構組成的調節(jié)閥高度要降低約 30%,重量降低約 30%,而流通能力可提高約 30%。(4)旋轉化表現在:在調節(jié)閥新品種中,旋轉閥的比重增大。特別是大口徑管道中,普遍采用球閥、蝶閥等類型調節(jié)閥,從國外近年的產品看,旋轉閥應用的比例正逐年增長。(5)安全化:對調節(jié)閥故障信息診斷和處理要求提高,不僅要對調節(jié)閥進行故障發(fā)生后的被動性維護,而且要進行故障發(fā)生前的預防性維護和預見性維護。因此,對組成調節(jié)閥的有關組件進行統(tǒng)計和分析,及時提出維護建議等變得更重要。中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計4第二章 氣動調節(jié)閥本文研究的是在化工領域中用的最多的氣動調節(jié)閥。氣動調節(jié)閥經濟實惠,且結構簡單,易與掌握校定,要比其他調節(jié)閥安全點。所以研究氣動調節(jié)閥是很有實用價值的。氣動調節(jié)閥可分為薄膜式、活塞式,它們的工作原理如下:(1)調節(jié)閥薄膜式的工作原理如圖 2-1,氣動薄膜執(zhí)行機構是最常用的氣動執(zhí)行機構工作原理如下圖所示,將 20 到 100PA 的標準氣壓信號 P 通入薄膜氣室中,在薄膜上便產生一個向下的推力,驅動閥桿部件向下移動,調節(jié)閥門打開,與此同時,彈簧被壓縮,對薄膜產生一個向上的反作用力。當彈簧的反作用力與氣壓信號在薄膜產生的推力相等時,閥桿部件停止運動。信號壓力越大,在薄膜上產生的推力就越大,彈簧壓縮量即調節(jié)閥門的開度也就越大。從而對流質流量進行控制。圖 2-1 氣動薄膜調節(jié)閥圖中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計5圖 2-2 氣動活塞調節(jié)閥圖(2)如圖 2-2,壓縮空氣從氣口 A 進入氣缸兩活塞之間中腔時,使兩活塞分離向氣缸兩端方向移動,兩端氣腔的空氣通過氣口 B 排出,同時使兩活塞的曲柄同步帶動輸出軸 ,曲柄順時針方向旋轉 90 度。反之壓縮空氣則從氣口 B 進入氣缸兩端氣腔時,使兩活塞向氣缸中間方向移動,中間氣腔的空氣通過氣口 A 排出,同時使兩活塞的曲柄同步帶動輸出軸,曲柄逆時針方向旋轉 90,從而對流質流量進行控制。中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計6第三章 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構氣動調節(jié)閥的種類有兩種,本文是對調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構進行分析研究。3.1 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構的簡介調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構是一種高性能的轉臂式調節(jié)閥執(zhí)行機構,具有結構緊湊、體積小、控制簡單、反應快速、本質安全、不需另外再采取防爆措施等優(yōu)點,缺點是該機構在制造中可能存在弊端,造成該機構磨損嚴重,實體如下:圖 3-1 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構實物圖3.2 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構的組成(1)由實物圖 3-1 可知調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構的組成是由曲柄、圓柱銷、軸、活塞、氣缸組成。(2)活塞是安裝在氣缸中,活塞通過圓柱銷把曲柄連接在一起,曲柄和軸是通過鍵連接,軸是安裝在氣缸中,軸和氣缸之間是采用密封圈來密封的。中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計7圖 3-2 氣關圖 圖 3-3 氣開圖3.3 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構的工作過程調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構的工作原理是,它分為氣開和氣關兩個過程,圖 3-2 和圖 3-3,該機構有兩個通氣孔,中間通氣活塞向兩端運動,活塞推動著曲柄做相應的轉動;曲柄和 軸是連接在一起,曲柄帶動著軸轉動,使閥門自動啟閉從而對流質流量進行控制。同理兩端通氣,活塞向兩端運動活塞推動著曲柄做相應的轉動,曲柄和軸是連接在一起,曲柄帶動著軸轉動最后對流質流量進行控制。中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計8第四章 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構過約束分析在調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構的使用過程中,發(fā)現該機構磨損嚴重,造成機構的壽命變短。下面對該機構進行研究:4.1 自由度、約束、過約束及運動副的概念(1)自由度定義:構件具有獨立運動的數目(確定構件位置的獨立參變量的數目)。①一個構件作平面運動時,具有三個獨立運動:沿x軸和y軸的移動以及繞垂直于xoy平面A軸的轉動。構件的這種獨立運動稱為構件的 自由度。②兩個構件組成運動副之后,它們之間的相對運動就受到約束,相應的自由度數也隨之減少。這種對構件獨立運動所加的限制稱為約束。自由度減少的個數等于約束的數目。所以一個作平面運動的自由構件具有三個自由度。如圖4-1:圖4-1 平面自由度圖③任何一個構件在空間自由運動時皆有六個自由度,它可表達為在空間直角坐標系內沿著三個坐標軸的移動和繞三個坐標軸的轉動如下圖4-2:中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計9圖4-2 構件在空間有六個自由度圖(2)約束定義:對構件獨立運動所加的限制稱為約束。按約束力的產生及對機械運動的限制和影響來劃分①靜力約束:靜力約束(或運動約束)。其約束力的產生是由二構件以一定幾何形體相接觸,形成約束反力限制相對運動自由度的數量、類型和方位。其約束反力,可根據靜力平衡原則求得,故稱為靜力約束。②動力約束:是指與運動有關的力。動力約束的約束力的大小、方向和性質與系統(tǒng)運動的速度、加速度及系統(tǒng)的載荷緊密相關,其約束力是在介質、力場等的運動中產生的。按約束存在和作用的區(qū)間和范圍劃分①內部約束:作用于機構及機械系統(tǒng)內部的約束,例如運動副引入的約束等,都屬于內部約束。內部約束確定構件之間的獨立相對運動。②外部約束:即指作用于系統(tǒng)運動副結構之外的“力”約束,包括所有外力、慣性力及工作環(huán)境可對機械工作性能產生影響的“作用”,如溫度、變形、電磁場等。按約束的特性劃分①常約束:不隨時間改變或者約束方程中不出現時間變量的約束都屬于常約束。②可變約束:隨時間改變或者約束方程中含有時間變量的約束,都屬于可變約束。按約束的力學性質和數量劃分①基本約束:為實現機構或可動聯接所需的基本自由度要求所加上的約束,這是機構的最基本、最重要的結構學設計問題。②過約束:為了實現機構中的某種特殊要求,而加在機構結構中的、在理想狀態(tài)下不影響機構機構基本自由度及約束,使系統(tǒng)成為超靜定結構的過多的約束,我們稱之為中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計10過約束。(3)運動副定義:兩個構件直接接觸組成的仍能產生某些相對運動的連接。目前對過約束的研究情況 ①在過約束機構的分析和綜合方面,俄國學者Ⅱ.H P eⅢ e T O B在系統(tǒng)總結前人研究成果的基礎上,提出了運動鏈中的“自由度 替代 ”概念,并據此提出了能準確分析機構中過約束的數量、類型及其所在回路、同時還可判斷局部自由度存在位置的“機構過約束的回路自由度分析法”,從而為消除或影響的機構自由度設計提供了方向和手段。此外,還論述了無過約束或少過約束機構的結構學設計和工程實用設計的基本方法,首次明確地指出“靜定”是判斷機械中有無過約束的根本標志,并將無過約束的機構稱為“自調機構”。A.C Ⅱ p e H N K O B通過對機構約束特性的研究,提出了對加工誤差不敏感的“結構最優(yōu)機構”設計原則,從而將機構結構學理論與工程實際、將機械設計與機械制造有機結合起來,為學科的發(fā)展與交叉融合作出了貢獻。李宗良等分析了虛約束(平面過約束)對機械工作能力和可靠性的影響,提出了“最優(yōu)結構的機構”的綜合準則。曲繼方等提出了應用機構自適應變換原理,通過選用自位軸承、基本構件浮動、運動副合理選配及組合等消除過約束的方法;金瓊等對于常規(guī)位置分析為一解的空間單回路,闡明了過約束機構存在條件包含過約束條件和封閉條件兩部分,檢驗了兩個已有的5桿過約束的存在條件,為發(fā)現新的過約束機構提供了理論依據:更具創(chuàng)建性的是在常規(guī)的過約束三種分析方法:幾何法(由幾何直觀或綜合推理得到的過約束機構)、螺旋理論(有直觀分析法和螺旋相關性判別法,其出發(fā)點是瞬時速度分析,即只能研究機構的瞬時可動性,而不能保證其恒可動性)以及解析法的基礎上,提出了基于單開鏈運動相容性的過約束機構分析新方法。美國學者Mavroidis C.等對機構過約束的分析計算也進行了深入研究,提出了將單閉環(huán)機構的末桿與機架斷開,采用D 一H 標記法,建立構件間的坐標轉換矩陣并求解機械手末端特征多項式的根,由此判斷單閉環(huán)機構過約束的方法。美國學者BagciC. 研究了有限元梁單元模型和靜不定次數來確定結構自由度,進而確定單環(huán)和多環(huán)機構中過約束的方法。美國學者HaugEJ在機構的結構分析中,采用了解析法和計算機輔助分析技術,提出了一種通過建立機構(運動鏈)的約束方程和約束Jacobi矩陣,識別機構中由于重復結構而引入的多余約束以及消除多余約束的數值計算方法,將過約束的定量分析方法向前推進了一步。②以上研究大多局限于對過約束的理論分析計算和識別判斷方法,以及過約束機構的設計及某些應用的研究,而對最普遍、最基礎、應用也最廣泛的平面閉鏈中的過約束中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計11的綜合適用分析,以提高機械品質、降低成本為目標的消除或減少過約束的不利影響,以及基于約束不確定的自調、自適應結構學設計、工程實用化結構設計及應用等方面的研究則涉及較少。秦偉、林軍等在分析、總結上述研究成果的基礎上,討論了機構無過約束設計的一般理論和方法。系統(tǒng)地總結和發(fā)束展了“零自由度結構組”、“平面自調結構組”以及初步采用了行星齒輪機構的“結構集”等概念,明確地提出了這些“組”、“集”的構型原理和設計準則,提出了某些結構消除過約束結構的所有可能的配置方案及評判、優(yōu)選的原則。過約束的危害具體表現在下列幾個方面:①過約束系統(tǒng)的障礙和超靜定性質,導致構件及運動副元素在運轉過程中的強制變形,使運動副中的作用力急劇增大,機械效率降低;還使運動副的磨損加快,降低了機械工作的可靠性、精度和使用壽命。②由于上述彈性變形和附加載荷一般是周期性或隨機性的,加上運動副間隙的增大,這是引起系統(tǒng)振動、沖擊和噪聲的重要根源,因此影響了機械工作的平穩(wěn)性,并造成了對環(huán)境的噪聲污染。③過約束障礙還會造成安裝拆卸的困難,影響產品的順應性要求,不利于產品的自動、快捷的裝配。④為了降低平面約束不確定性、消除或減小過約束的影響,保證平面運動約束,需要有較高的制造精度和結構剛度(特別是在一些為了保證工作可靠性與穩(wěn)定性而采用的重復運動副結構和重復對稱機構結構等,以及高精度、大功率的機械系統(tǒng)中)等,從而提高了制造的難度和成本。⑤平面約束將導致機械中力的不均衡性及實現自動調節(jié)和補償的困難,影響機械工作的靜定性和動態(tài)穩(wěn)定性以及對外部環(huán)境變化的適應性。4.2 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構的工作情況分析盡管氣缸活塞執(zhí)行機構擁有諸多的優(yōu)點,但是在此產品的實際應用過程中,與齒輪齒條式氣動執(zhí)行機構相比,其工作壽命要短,其失效形式主要有以下三種:活塞孔被拉斷、圓柱銷磨損嚴重甚至是斷裂、曲柄槽部磨損嚴重。(1)活塞磨損分析活塞作為整個氣缸活塞執(zhí)行機構的原動件,其磨損是不能忽視的,如圖 4-3 所示,活塞臂的外側磨損嚴重,顯然是與氣缸體的內壁相互摩擦所致。如圖 4-4所示,可以發(fā)現活塞臂的內側也由一定的磨損,分析氣缸活塞執(zhí)行機構的裝配圖以及零中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計12件之間的配合關系,發(fā)現在設計時,忽視了活塞臂的內側會與輸出軸上起軸向定位的導套發(fā)生碰撞,從而造成了活塞臂的內側的磨損。圖 4-3 活塞壁外側磨損情況圖 圖 4-4 活塞壁內側磨損情況圖圖 4-5 圓柱銷磨損狀況圖(2)圓柱銷磨損分析如 4-5 左圖所示,圓柱銷已經由原來的圓柱狀被磨損為近似三棱柱狀。圓柱銷是氣缸活塞執(zhí)行機構動力傳遞的關鍵零件之一,也是執(zhí)行機構發(fā)生故障最高的零件之一,一旦圓柱銷發(fā)生故障,整個執(zhí)行機構將無法正常工作,因此此處主要對圓柱銷的磨損進行了較詳細的分析。圓柱銷在工作時產生故障的原因主要是磨損嚴重,其磨損的形式主要有以下 3 種:①疲勞磨損——由氣缸活塞執(zhí)行機構的輸出轉矩可以看出,機構輸出周期性變化的載荷,故圓柱銷在機構工作過程中也將受到周期性變化的載荷,從而使其產生疲勞磨損,具體而言就是指圓柱銷連續(xù)運行了一定時間而發(fā)生的破損,體現形式為圓柱銷磨損較均勻。對外體現的現象為執(zhí)行機構的噪聲加大,效率降低。②瞬間沖擊磨損——在氣缸活塞執(zhí)行機構換向動作的瞬間,由于曲柄的瞬間沖擊,且此沖擊力較大,使得圓柱銷在整個工作行程內受力不均,最容易造成圓柱銷變形。③粘合磨損——由于設計不妥的緣故,在工作過程中圓柱銷和活塞孔會產生粘合,致使圓柱銷在工作過程中無法實現其繞自身軸向的轉動,使得圓柱銷和曲柄之間的滾動中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計13摩擦轉變?yōu)榛瑒幽Σ?,從而加速圓柱銷本身以及曲柄的磨損。圖 4-5 中右圖即屬于此種情況。由此可見,對氣缸活塞執(zhí)行機構進行研究是必須的。4.3 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構結構簡圖分析圖4-6 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構結構簡圖對圖4-6 運動副得分析如下:(1)由運動副A:活塞和氣缸體之間的聯結副;可知該活塞氣缸中只能做直線運動,兩者之間是通過面接觸,故該運動副是低幅,是V 級移動副。(2)動副B 和運動副B ’:分別為兩圓柱銷與活塞之間的聯結副;可知該,兩圓柱銷只能在活塞中轉動,兩者之間是通過面接觸,故該運動副是低幅,V 級轉動副。(3)運動副C和運動副C’:分別為輸出軸與氣缸體之間的聯結副,可知;輸出軸只能在氣缸中轉動,兩者之間是通過面接觸,故該運動副是低幅,是V 級轉動副。(4)運動副D:圓柱銷和曲柄的連接副可知圓柱銷在曲柄中既可以轉動又可以移動,兩者之間是通過線接觸,故該運動副是Ⅱ級高副。4.4 過約束分析計算由于不可避免的制造誤差,調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構中廣泛存在的過約束,造成對機械性能的一系列有害影響。機構中存在的過約束對所提出的精度要求以及機構中存在的誤差是敏感的,在誤差存在的條件下,就會出現過約束,這些過約束與原來的約束相矛盾”。故要對過約束進行計算。中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計144.4.1 調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構過約束的計算有圖4-6 可知:如果僅僅按平面圖計算自由度,該機構的 =3×3-2×3-32LHFnP??1=2,該機構有兩個自由度。依該機構整體為研究對象可知:該機構只有一種運動方式,即只有一個自由度,而求出來有兩個自由度,所以該機構還有一個局部自由度。其過約束按切貝舍公式求得Q= F + +2 -3n=2+1+2×3-3×3=0即機構不存在過約束;而調節(jié)閥HPL氣缸活塞執(zhí)行機構是空間機構;所以分析要依空間為依據分析;如圖4-6所示:A、B、 B’、 C、C’五處運動副均為V級副,圓柱銷和曲柄在 D處構成平面高副,在空間是Ⅱ級高副,以空間為依據計算氣缸活塞執(zhí)行機構中的過約束如下: (2)用公式法計算機構中存在的過約束;機構過約束的公式計算法有多種,易于理解和應用的有馬雷舍夫公式法和阿諾爾公式法兩種,在這里我們取其中的一種公式法來計算機構中的過約束也就是馬雷舍夫公式法。馬雷舍夫公式法:對于具有n個活動構件的機構,假若所有活動構件都是自由體,則構件的自由度之和為6n ,如果機構中 級運動i副數為 則引入的約束數為 ,因此,所有運動副的約束數之和為 。在所引入的約iPiP51iip??束總數中,可能包含一些過約束(虛約束或重復約束)q ,這些過約束重復其他約束,并不減少機構的自由度,只是使機構變?yōu)槌o定系統(tǒng),所以在計算機構自由度時,應從約束總數中將這些過約束減掉。因此可以得出機構的自由度F為:F=6n-( -q)51iip?由此可得:q=F-6n+ 其中:F= + : 是機構的基本自由度, 是機構中的局部51iip??0FP0 PF自由度(包括構件的局部自由度和桿組的局部自由度) ,q是過約束數,n是可動構件數,是i級運動副的數量。有公式得:q=F-6n+ 。解析:以整P51ip?3658217????體為研究對象,該機構是對稱該機構有三個自由度,一個是基本自由度再局部來看還有兩個局部自由度。機構中一共有5個可以獨立運動的構件有8個V 級的副和兩個Ⅱ的高副。由此可知該機構有17個過約束。(3)對重復運動副結構中的過約束進行計算從機構結構學和運動學角度考慮,在兩個構件之間只能有一個運動副(可動聯接),但是在許多情況下,特別是當傳遞的力很大時,為了改善構件的受力狀況、增加機構的剛中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計15度和工作可靠性,在兩構件之間常常采用重復的運動副結構。這種結構的主要結構性能可由其過約束數q來表明,q越大,其制造精度要求越高,對變形等越敏感,裝配和拆卸也越困難。重復運動副結構中的過約束數q可用下式來計算: 1kiiqSs???式中:q為重復運動副結構中的過約束數; 表示第i個運動副引入的約束數;S 該運動副所必須的基本結構約束數;K重復運動副結構中的運動副數。氣缸活塞執(zhí)行機構中的轉動副B和 B’構成重復運動副,此處提供的過約束數q=5+5—5=5;C和C’處也構成重復運動副,也提供相同的過約束即q=5+5—5=5 ;由于該機構為上下對稱的兩部分即該機構中的重復過約束5+5+5=15。(4)自由度回路法分析過約束 根據回路自由度分析法,下面對氣缸活塞執(zhí)行機構回路中存在的過約束類型加以分析:利用公式法可快速準確地得到機構中的過約束數目,但無法確定機構中過約束的類型和所在回路。另一方面在所有計算公式中都必須己知機構及機械系統(tǒng)的自由度F,包括機構的公共自由度 (也稱之基本自由度或驅動自由度)和局部自由度 (包括構件的0F PF局部自由度和桿組的局部自由度) ,然而在進行消除或減小過約束影響的自由度設計時局部性。運用前面的公式計算法還難以確定過約束所在回路,特別是對于多回路的具有空間運動副的平面機構更是如此。究其原因在于:首先公式計算法沒有將自由度(或約束)明確地進行分類,即沒有將6個自由度分為平面自由度( , 和 )與非平面自由度xSyz?( , ,和 ) ,其中S表示沿坐標軸的移動自由度, 表示繞坐標軸的轉動自由度;其x?yz次公式計算法是以運動副的自由度(或約束)為對象進行分析計算,而忽視了自由度和約束在機構回路中構件間的傳遞與衍生。鑒于此,并為了彌補公式計算法的不足,得到既可用于過約束分析、又可用于消除或減小過約束影響設計的過約束分析方法,因而提出了以自由度的分解和替代為基礎、以閉合回路為對象的回路自由度分析法。由圖可知運動副ABCD構成一個回路。按自由度回路法分析:運動副A一活塞和氣缸體之間的聯結副,只能沿著 X軸方向移動即 。xS運動副B 一圓柱銷與活塞之間的聯結副,只能繞Z軸進行轉動 。z?中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計16運動副C 一為輸出軸與氣缸體之間的聯結副,只能繞著Z 軸進行轉動 。z?運動副D一圓柱銷和曲柄的連接副,因為該鏈接是空間 Ⅱ級副,它既可以沿著Z 軸方向進行移動 ,繞著Y軸進行轉動 ,也可以繞著Z 軸進行轉動 ,沿著X軸進行移動 。zSy?z xS自由度事先常常是難以知道和確定的,因而造成了公式計算法應用的困難和局限性,特別是在進行消除或減小過約束影響的自由度設計時缺乏具體的指導作用。自由度回路法在分析、設計機構和機械系統(tǒng)時,能夠確定系統(tǒng)中任一存在的自由度和過約束,以便于評價設計的合理。列表如下圖:表4-1 回路自由度+ + xSyz?+ +xy?zSABCDD A D BC0 D D分析過程:在結構簡圖中,將運動副的自由度分為平面自由度和非平面自由度兩類,分別列在右邊兩欄中,其中左欄依ABCD為一個回路,中間的是平面自由度( , 和 ),xSyz?右欄為非平面自由度( , ,和 )。每個字母在機構簡圖中表示運動副,在結構簡x?yzS圖中則標明一個相應的自由度。字母在結構簡圖中出現的次數與該運動副的自由度相同,若為0,則表示回路中所有運動副缺少的自由度。自由度“替代”用帶箭頭的折線表示,箭頭指向相應的0,折線上的兩根小引線所指為相應的替代構件。如果箭頭向上且不指向0,則表示機構的自由度(包括基本自由度和局部自由度),這時,兩根小引線所指為輸出(或具有)該自由度的構件。由上表可以看出,該四桿機構具有兩個自由度,一個是機構的基本自由度,另一個是運動副D具有的局部自由度。(5)由表4-1可以看出:該機構具有兩個自由度,一個是機構的基本自由度,另一中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計17個是局部自由度。由于該機構缺少繞X軸轉動的自由度( =0)說明該機構存在繞X軸轉x?動的過約束( =1),由于該機構為上下對稱的兩部分,所以另一部分也存在繞X軸轉動x?的過約束( =1),所以該機構的總過約束為15+2=17。(6)綜合以上算計結果:可以知道用公式法和自由度回路加上重復運動計算過約束的公式,都得出該機構中的過約束為17。這樣對該機構中的過約束數就可以確定了。所以要對該機構中的過約束進行改善。4.4.2 過約束消除氣缸活塞執(zhí)行機構在工作過程中由于形位誤差圓柱銷和活塞孔很可能會粘合,致使圓柱銷在工作過程中無法實現其繞自身軸向的轉動,使得圓柱銷和曲柄之間的滾動摩擦轉變?yōu)榛瑒幽Σ?,從而加速圓柱銷本身以及曲柄的磨損。所以消除過約束可以從運動副配置上消除過約束,所以這里采用降低運動副級數的方法,即將運動副B和B’由原來的V—V級運動副( 圖4-7) 換為 Ⅲ 一Ⅲ級運動副( 圖4-8) ,以消除此處重復運動副帶來的過約束。因曲柄通過輸出軸與氣缸體相聯結,考慮到輸出軸的平面運動特及運動的平穩(wěn)性,所以運動副C 和C’仍為V級轉動副。經過設計后過約束還剩5+2=7;要實現改進后的結構見圖4-8,可以借助不同類型的軸承來實現。具體解析如下:為使過約束機構能夠無障礙的順暢可靠的工作,要求運動副有較小的形位誤差,因此在設計時,對這些形位誤差要有嚴格的限制。由于設計精度的提高,增加了制造難度和制造成本,增大了裝配拆卸的難度,不利于自動快捷的裝配,降低了裝配效率。過約束障礙和超靜定性質,導致構件及運動副元素在運動轉動過程中的強制變形,使運動副中的作用力急劇增大,磨損加快、機械效率、工可靠應能力降低 。因此我們應盡可能的減少或消除機構中的過約束,以降低由于運動副形位誤差帶來的上述不利影響,降低機構對各種誤差因素的敏感度。為了減少該機構中的過約束數,可以采用降低運動副級別的方法,也就是增加運動副中自由度的方法。由于原氣缸活塞執(zhí)行機構中兩圓柱銷與活塞間的聯結副(運動副B和B’)和輸出軸與箱體間的聯結副(運動副C和C’)均為V級轉動副,構成了重復運動副,而導致機構中存在過多的過約束,使得機構磨損比較厲害。 中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計18圖4-7 改進前調節(jié)閥的過約束 如圖4-8 改進后調節(jié)閥的過約束小結:通過對調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構的研究,認識到了該機構在運行的過程中,磨損比較厲害,相比齒輪齒條式氣動執(zhí)行機構壽命要短,機構存在過多的過約束,然后通過對機構運動副的研究進而通過公式計算法和自由度回路法計算該機構中存在的過約束,發(fā)現機構中一共有 17 個過約束,最后通過從運動副配置上消除過約束。最終解決了該機構中存在的過多的過約束。中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計19第五章 總結通過對調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構運動副自由度和過約束進行研究,它研究的對象是機構本身。由于過約束的存在,造成機構對制造、安裝誤差特別是運動副元素的形位誤差十分敏感,同時由于不可避免的內部和外部不確定因素的影響,常會造成機構運動的障礙及系統(tǒng)中某些構件的變形和運動副中的附加動載荷,使其動力特性較差,如不通過設計加以解決,則難以滿足高效率、高穩(wěn)定性的要求。因此,研究存在運動副形位誤差對調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構的動力學性能的影響程度,為機構的誤差控制和精度設計提供了基礎。經改善后的氣缸活塞執(zhí)行機構中運動副的過約束明顯減少,從而有效的減小了運動副的磨損及系統(tǒng)彈性振動;同時運動副形位誤差對機構性能影響的敏感度降低,從而降低了對運動副元素的精度要求,即降低了產品的制造加工成本。而尋求新的、性能良好新型機構,并在新的應用中不斷完善與創(chuàng)新,使其能夠高效率、高穩(wěn)定的可靠工作,以滿足現代科學技術發(fā)展的迫切要求,乃是當前所共同關注的問題。這些問題的解決有著重要的理論意義和工程應用價值。中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計20致謝首先,我要感謝我的導師方立霞,他嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣,給了起到了指明燈的作用;他們循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪,讓我很快就感受到了設計的快樂并融入其中。其次我要感謝同組同學對我的幫助和指點,沒有他們的幫助和提供資料,沒有他們的鼓勵和加油,這次畢業(yè)設計就不會如此的順利進行。此次畢業(yè)設計歷時二個月,是我大學學習中遇到過的時段最長、涉及內容最廣、工作量最大的一次設計。我此次的任務是改善調節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機構存在的過約束。雖說老師說的話讓此次的畢業(yè)設計看起來不是那么的可怕,但是當我真的開始著手時,還的確是困難重重。從課題的選擇到項目的最終完成,老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持,他們真正起到了“傳道授業(yè)解惑疑”的作用,讓人油然而生的敬佩。除此之外,我們組和老師還有另外兩個交流途徑:打電話和上網,為此老師還特意建立一個群,以便大家第一時間接收到畢業(yè)設計的最新消息和資料,每次大家都在群不亦樂乎的討論著畢業(yè)設計的事情。多少個日日夜夜,方老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導,同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷,除了敬佩老師們的專業(yè)水平外,他們的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣,并將積極影響我今后的學習和工作。在此謹向方麗霞老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。在論文即將完成之際,我的心情無法平靜,從開始進入課題到論文的順利完成,有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助,在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝我的母校中國礦業(yè)大學銀川學院四年來對我的栽培。中國礦業(yè)大學銀川學院畢業(yè)設計21參考文獻[1]安培文.平面連桿機構的過約束及自調結構的分析與設計研究[D],重慶,重慶大學 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