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直柄滑块机构惯性力优化均衡的新方式

更新时间: 2019-07-22

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  第25卷2006年 机械科学取手艺MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY V01.25 No.6 June 2006 文章编号:1003—8728(2006)06_0687-03曲柄滑块机构惯性力优化均衡的新方式 (上海交通大学机械取动力工程学院,上海200030)摘要:针对曲柄滑块机构的部门均衡,提出了一种新方式。这种方式考虑了最大惯性力和惯性力绝对值的平均值 两项优化目标,能愈加合理地选择最佳均衡量,而且给出了设想算例和计较成果,成果表白这种方式结果优良,具有 较强的理讲价值和适用价值。 环节词:曲柄滑块机构;惯性力部门均衡;最佳均衡量 中图分类号:THll3.2+5 文献标识码:A ANew Method fbr Inertial Force optimization Balancing aSder-crankMechanism wang Xuewu,zhang Qing,Guo weizhong (School MechanicalEngineering,Shanghai Jiaotong uniVersity,Shanghai 200030) Abstract:This paper presents anew optimization method partialbalancing aslider-crankmecha- nism. The method takes twooptimization indexes m8ximuminertial force absolutevalue inertial force,thus selecting optimalcounterwe培ht more appropriately. Adesign instance calculationresults provided.The results show newmethod has good theoretic8l practicalvalues. Key words:slider-crank mechanism;panial balancing inertialforce;optimal counter’veight 现代机械正在高速运转过程中,机械中的曲柄滑块机构、 连杆机构等构件因为本身的质心加快度及角加快度会发生 很大的惯性力和惯性力矩,这种周期性变化的力和力矩,会 形成机械的强烈振动和乐音,加剧机件的委靡失效和磨损, 降低机构的活动精度和平稳性…,其成果大大影响了机构 的活动和动力机能。特别是正在现代高速、细密、沉载机械 中,降服这种晦气的惯性感化就成为必需处理的主要问题。 丽机构的动力均衡是处理这个问题的无效方式,本文次要 会商正在冷轧钢管机、压力机等多种机械中经常利用的曲柄 滑块机构的均衡问题。 对于曲柄滑块机构来说,凡是只对其进行部门平 衡胆’,可是对于常用曲柄滑块机构的部门均衡,有它的特 殊性:一是正在曲柄恒速扭转时,只要连杆发生惯性力矩,而 且正在惯性力部门均衡之后,惯性力矩的数值也比力小,因 此,曲柄滑块机构的部门均衡次要是对惯性力的部门均衡, 凡是采用附加均衡配沉法。二是正在计较均衡配沉时,环节 是拔取最佳均衡量。本文恰是用一种新的优化均衡方式来 收稿日期:2005一06—20 基金项目:国度天然科学基金项目(50405017;50275092)和上海市 高档学校青年科学基金项目(OlQNlO)赞帮 做者简介:王学武(198l一),男(汉)。山东,硕士研究生 E-mail:leamer@sjtu.edu.cn 愈加合理无效地拔取最佳均衡量。 1曲柄滑块机构部门均衡方式的研究现状阐发 文献[4~7]阐述了平面机构、曲柄滑块机构的部门优 化均衡问题。文献[4]次要是针对惯性力、惯性力矩及输 人力矩的波动求最优,而不是间接使惯性力、惯性力矩本身 的大小最优,但现实中常常会对惯性力、惯性力矩本身的大 小有要求,并且文中的理论推导及计较略显繁复,控制起来 有必然的难度,正在必然程度上影响了它的适用性。文献 [5]会商了曲柄滑块机构程度惯性力均方根值和垂曲均方 根值随质量比变化的纪律。但文中的优化方针不明白,通 用性不强。文献[6]使用优化理论,通过解多元一次方程 组而得出优化成果。但不是间接针对惯性力或者惯性力矩 而优化,正在现实使用中可能会使所加均衡量过大,跨越所要 求的均衡结果或者所加均衡量太小而达不到要求的均衡效 果。文献[7]全面的阐述了平面机构动力优化均衡的各类 方式及进展,各优化方式取得了较好的结果,但并没有针对 曲柄滑块机构部门均衡的特殊性进行特地的切磋,构成具 体而无效的优化方式。 ’文献[1,2,8]提出了以残剩惯性力的最大值最小做为 优化方针的部门均衡方式,优化方针明白,适予计较机编程 计较,可是部门均衡后,惯性力绝对值的平均值仍然较大, 万方数据 688 机械科学取手艺 第25卷 影响了均衡结果。文献[9]对冷轧钢管机中曲柄滑块机构 部门均衡时,提出了以机构正在一个运转周期内惯性力数值 的平方和最小为优化方针的均衡方式,该方式有必然的效 果,也较为适用,但采用此法优化均衡后,残剩最大惯性力 比力大,会对机构的动力学机能形成晦气的影响。 由以上阐发可知,文献[1,2,8]中的方式和文献[9]的 方式较为适用,各有必然的结果,但这两种方式都有各自的 错误谬误,本文把文献[1,2,8]和文献[9]的方式分析起来,并 加以改良和具体化。提出了分析考虑最大惯性力和惯性力 绝对值的平均值两项优化目标的部门均衡新方式,这种新 方式兼有两者的长处,优化方针明白,过程较简单,容易掌 握,能发生较好的均衡结果。 2基于新方式的曲柄滑块机构的部门均衡 2.1部门均衡的数学模子 曲柄滑块机构的部门均衡简图图l为曲柄滑块机构部门均衡简图,正在图l中,各构件 的质量为mI、m2、m3,质心为sl、s2、s3,令Z眠=口,Zcs. =6,Ls.=c,‰=£,r=jl,I=吼,A=r/£。由广义质量 替代法将构件1、2的质量m。、m:用替代搭钮丑、c处的集中 质量来替代,则有 动弹质量 挪动质量J!lfc=m2+% 由文献[3]可知,动弹质量发生的惯性力,腊=一肘口Mi 挪动质量的惯性力中,因为第一阶惯性力较大,其余高阶惯性力较小,凡是只取前两阶,如公式(4)所示。对曲柄 滑块机构进行部门均衡,能够正在曲柄上加反转展转质量来均衡 动弹质量惯性力,。和挪动质量惯性力F,c的第一阶惯性 力。所加的均衡质量咏=(肘。+删c),此中肘。寺完全 均衡了反转展转质量肘。的惯性力,而^饼c部门均衡了挪动 质量肘。所发生的第一阶惯性力。 部门均衡后,残剩惯性力F的茗、,,分量别离为旧1 2.2最佳均衡量的拔取既然是部门均衡,就存正在均衡到何种程度为最好的问 题,丽正在上述所加的均衡质量叫中,有一个K值,称为均衡 系数,恰是K的分歧取值决定了所选均衡量的分歧,从而决 定了部门均衡的程度和结果。最佳均衡量的拔取,就是按照 必然的优化方针,选择一个最优的K值。 本文以一暗示残剩惯性力的最大值(F。=Fm。),F2 暗示残剩惯性力绝对值的平均值(兄=F)来阐发对比。新 的优化均衡方式中,用两个加权系数埘。、埘:把F。和F2两种 要素同时考虑正在内,可得新的方针函数为 F(K)=l£IIFI+埘2F2 。脚就是均衡系数,也是此方针函数的设想变 量。正在现实使用中,K E[O,1],本文采用等步长 逐渐比力寻优法。优化计 算的目标就是求出使目 标函数为最小值的K值。 操纵计较机寻优的简单 计较框图见图2。图2中, 参数K为初值、两头值, 步长,F(脚);为两头值。本文用提出的新方 法进行优化均衡时发觉, 因为F。代表残剩惯性力 的最大值要大于F:代表 的残剩惯性力的平均值, 当F1的加权系数%> O.2时,就无法表现考虑 F2时的结果,也就表现不 出新均衡方式的长处。为 图2寻优过程法式框图 了避免这种环境的发生,一般取埘。O.2,Il,:O.8,正在本 文中,曲柄滑块机构为正置。Z,=0.2 m,Z2=O.5 m,mI=1 kg,m2=3 kg,m3=5 kg。取埘I=O.1,埘2=0.9,通过编程 计较,求得脚=O.59。 3仿实成果及阐发 ’按照求出的K值,得出了最佳均衡量,进而获得了仿线]的方式 优化,得出了FI的最小值895.05和此时疋的数值649.56。采用 万方数据 王学武等:曲柄滑块机构惯性力优化均衡的新方式689 文献[9]的优化方式得出了,2的最小值630.87和此时,。的 值1053。正在图4中,别离求出了采用新方式进行部门均衡后 和未均衡时的‘和R的值,下面进行对比阐发。 3.1新方式取文献[1,2,8]和文献[9]中方式的优化结果 比力 从图3(a)中可知,用新方式优化均衡后,R的值为 638.27,取采用文献[1,2,8]的方式(即只考虑优化E)求 得的R值比拟降低了1.8%,同时相对于兄的最小值630. 87仅增大了1.1%,而利用文献[1,2,8]中方式求出的R 值相对于最小值增大3%。通过对比可知,采用新方式后, 降低了惯性力绝对值的平均值,这对于持久高速运转的机 器来说,能够削减机械的磨损,降低活动副中的反力,降低 发烧量和噪声,这对于提高机械的活动和动力机能常 有帮帮的。 从图3(b)中能够看出,采用新方式部门均衡后,Fl的 值为947.7,取采用文献[9]中的方式(即只考虑优化F2) 求得的E值比拟减小了10%,同时相对于F。的最小值 895.05仅添加了5.8%,而采用文献[9]中的方式求得的 F1值相对于其最小值增大17.7%。采用新方式后,大幅度 减小了最大惯性力的数值,从而能够减小机械的振动,添加 机构的活动精度和活动平稳性。提高机械的工做机能。 从阐发能够看出,采用新方式优化之后,相对于文 献[1,2,8]和文献[9]中的方式,^、F2均取得了较好的优 化结果,有益于机械全体机能的提高。 .只考夥1时嗍像64争56 t.\分析矗时兄的值:638.27 F2的最小值:630.87 045 90 135 180 225 270 315 360 曲柄扭转角度(。) 图3新方式取文献【l,2,8]和文献[9]中方式的优化结果对比3.2新方式优化均衡取未均衡的结果比力 从图4(c)中可看出,采用新方式优化均衡后,只的值 为947.7,相对于未均衡时所求的F1值1998,降低了53%, 可见,优化均衡后大大降低了残剩最大惯性力的最大值。图 4(d)显示,优化均衡后,F:的值为638.27,相对于未均衡时 所求的只的值1074.7降低了41%,优化均衡使得残剩惯 性力的平均值大幅度减小。别的,从惯性力大小随曲柄旋 转角度的周期变化环境来看,优化均衡后,惯性力数值较着 小于未均衡时,此时曲柄滑块机构的活动机能也优于未平 衡时的环境。 1000800 600 400 200 未均衡时F2的值:1074.7一分析优化均衡之后局的值:638 27 ,O45 90 135 180 225 270 315 360 曲柄扭转角度(。) 图4新方式优化均衡之后取未均衡时的惯性力对比通过优化均衡前后对比可知,优化均衡之后,惯性力的 最大值和平均值都大为减小,从而可以或许降低机械的振动和 乐音,减轻机械的磨损和委靡,加强机械运转的精度和平稳 性,提高机械的工做机能,机械的活动学和动力学机能也得 到较着的改善。采用新方式进行优化均衡的结果常显 综上所述,新的优化均衡方式相对于只考虑优化残剩惯性力最大值或者惯性力绝对值的平均值的方式,兼具二 者所长,避免二者的错误谬误,分析优化结果好。而相对于没有 均衡时的环境,它的均衡结果很是显著。总之,本文提出的 新优化方式全体结果好,具有较强的适用性。 (下转第711页) 鲍和云等:两级星型齿轮传动动力学系统根基构件浮动量阐发71l 及动弹惯量取各齿轮齿数、模数及齿宽有如下关系,即 所以当齿轮材料、齿数及模数确按时,核心轮的浮动位移量取齿轮齿宽的变化关系能够表白其取齿轮的质量及转 动惯量问的关系。即核心轮的浮动位移量随齿轮的质量及 动弹惯量的增大而添加。 群岛长3025 20 15 10 05 鸭第一级太阳轮齿宽(mm) 第二级星轮齿宽(mm) 图9第一级太阳轮齿宽取中 图10第二级星轮齿宽取核心 心轮浮动位移量的关系 轮浮动位移量的关系 太阳轮的浮动位移量取内齿轮的阐发成果分歧。 正在不异构件误差值的前提下,参考文献[3]顶用纯几 何阐发的方式所得成果为太阳轮和内齿轮的浮动量大小分 别为:O.044 mm和O.0294 mm。 本文计较的成果为太阳轮和内齿轮的浮动量大小别离 为:o.0603 mm和0.0057 mm。这申明系统的工况前提、构 件的弹性变形等方面均影响系统的浮动量,正在现实计较中 要予以考虑。 4结论 本文成立了星型齿轮传动动力学系统根基浮动构件位 移量阐发模子;计较了系统根基浮动构件浮动位移量;阐发 了系统次要设想参数对各构件浮动位移量的影响,对星型 齿轮传动系统浮动机构的设想供给根据。 (1)阐发表白,核心轮浮动位移量随系统输入功率的 变化不发生变化,随系统输入转速的增大而增大; (2)添加系统星轮的个数,其它参数不变,核心轮浮动 位移量随星轮个数的添加而增大; (3)核心轮浮动位移量随各误差值的增大而增大,各 构件的误差值对核心轮的浮动位移量的影响有累加感化; (4)核心轮的浮动位移量随齿轮的质量及动弹惯最的 增大而添加。 本文的计较成果取文献【2]顶用纯几何阐发的方式所 得成果比拟,计较出的根基浮动构件的浮动量大小有所不 同,这申明系统的工况前提、构件的弹性变形等方面均影响 系统的浮动量,正在现实计较中要予以考虑。 [参考文献】 Kall舢anA.Load 8h耐ng cha墙ct耐stic8 planetary8trIlctlIml8 [J].Mh.Mach。Thry,1994,29(8):儿5l—1165 P18netalygear train dynamicB[J]. Jour岫I MechaicalDesign,1994,116:713-720 宁风莲,高向群等.星形齿传动浮动均载机构浮动量简直定‘[A].中国航空学会第十一届机械动力传输学术[c], 株溯。2003,12 [4]徐永贤,何卫东.RV传动太阳轮浮动位移量的计较[J].大 连铁学报,1997,18(2):33—38 [5]袁擎宇,朱如鹏等.两级星型齿轮传动静力学均载阐发[J]. 机械科学取手艺,2004,23(7):789—792 方德,沈允文等.三功率分流恒星式减速器的动态特征[J].航空学报,1990,11(7):341—350 (上接第689页) 4竣事语 本文使用所提出的分析优化均衡新方式,对曲柄滑块 机构进行了优化均衡,而且取文献[1,2,8]和文献[9]中的 单方针优化均衡方式做了比力,给出了仿实的计较成果。 通过对比阐发可知,新方式降服了上述单方针优化均衡方 法各自的错误谬误,吸收了它们的长处,可以或许无效地降低最大惯 性力和惯性力绝对值的平均值。具有较好的分析均衡结果, 能提高机械的动力学机能。并且,正在新方式中,数学模子和 方针函数精练。没有复杂的计较,而且方针函数中加权系数 的拔取也恪守必然的法则,可操做性强,易于使用到现实 中,表白新方式具有必然的理讲价值和适用价值。 [参考文献】 [1]余雷.曲柄滑块机构惯性力优化均衡[J].安徽机电学院学 报,1999。14(1):“ 岳雄伟,杨光,冯送春.平面机构惯性力部门均衡最佳均衡量的拔取[J].机械工程取从动化。2004,6(6):19 [3】楼鸿棣。邹慧君.高档机械道理[M】.:高档教育出书 社,1990 [4】聂松辉,刘宏昭。曹帷庆.平面机构分析动力均衡新方式[J]. 机械设想,1997,(3):4—7 黄进.平面机构惯性力和惯性力矩的分析均衡[J】.湖北工学院学报。2002,17(2):119一120 刘,杨廷力.平面连杆机构摆动力取摆动力矩优化均衡研究[J】.机械科学取手艺,1997,16(4):“7—65l [7]余跃庆。李哲.现代机械动力学[M].:工业大学出 版社。1998 申屠留芳.确定机构最佳均衡量的优化方式[J】.淮海工学院学报。1997,6(2):32—35 王继荣,李军,张继忠.冷轧钢管机驱动机构部门均衡的优化[J】.青岛大学学报,1997,12(3):50一53 万方数据 曲柄滑块机构惯性力优化均衡的新方式 做者: WangXuewu, Zhang Qing, Guo Weizhong 做者单元: 上海交通大学,机械取动力工程学院,上海,200030 刊名: 机械科学取手艺 英文刊名: MECHANICAL SCIENCE 2006,25(6)被援用次数: 曲柄滑块机构惯性力优化均衡1999(01) 2.岳雄伟;杨光;冯送春 平面机构惯性力部门均衡最佳均衡量的拔取[期刊论文]-机械工程取从动化 2004(06) 高档机械道理1990 平面机构分析动力均衡新方式1997(03) 平面机构惯性力和惯性力矩的分析均衡[期刊论文]-湖北工学院学报2002(02) 6.刘;杨廷力 平面连杆机构摆动力取摆动力矩优化均衡研究 1997(04) 现代机械动力学1998 8.申屠留芳 确定机构最佳均衡量的优化方式 1997(02) 冷轧钢管机驱动机构部门均衡的优化1997(03) 本文读者也读过(10条) Lin.ZHANGChun-lin.HAN Bao-ling 曲柄滑块机构惯性力部门均衡的研究[期刊论 文]-机械设想2006,23(8) 徐文琴.孙英达曲柄滑块机构均衡的新切磋[期刊论文]-机械设想2004,21(4) 岳雄伟.杨光.冯送春平面机构惯性力部门均衡最佳均衡量的拔取[期刊论文]-机械工程取从动化2004(6) 鹿新建.周永清.盛娟.朱守安.LUXinjian.ZHOU Yongqing.SHENG Juan.ZHU Shouan 高速压力机下死点波形图研 究[期刊论文]-锻压配备取制制手艺2009,44(1) 张英.姚燕安.查建中.ZHANGYing.YAO Yan-an.ZHA Jian-zhong 机构均衡的可挪动配沉法[期刊论文]-上海交通 大学学报2006,40(12) Fu-long.ZANGYong.ZHANG Guo-ping 曲柄滑块机构振动力和力矩的附加均衡机构[期 刊论文]-机械设想2006,23(11) 刘黎阳.LIULiyang 均衡曲柄滑块机构惯性力的研究[期刊论文]-现代制制手艺取配备2008(1) 10. Xue-wu.ZHANGQing.GUO Wei-zhong 基于部门均衡的曲柄滑块机构DFC方式[期刊论 文]-上海交通大学学报2006,40(7) 文献(4条) 基于等效活动模子的高速机构转速波动前提下的动均衡研究[期刊论文]-南京理工大学学报(天然科学版) 2012(4) 高速工业平缝机机构动均衡优化设想[期刊论文]-机械科学取手艺2011(3) 结合收割机的振动筛机构均衡性研究[期刊论文]-机械研究取使用2011(1) 结合收割机振动筛机构惯性力均衡的研究[期刊论文]-机械研究取使用2012(6)