卷繞機(jī)四桿機(jī)構(gòu)連桿模糊可靠性分析與改造

1、專論產(chǎn)業(yè)用紡織品總第204期卷繞機(jī)四桿機(jī)構(gòu)連桿模糊可靠性分析與改造舒服華(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,武漢,4300700)摘要:針對鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)卷繞機(jī)連桿運(yùn)行時(shí)存在的問題,運(yùn)用模糊可靠性設(shè)計(jì)理論對連桿的疲勞強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析,找出了因連桿穩(wěn)定性可靠度不足而失效的原因,并提出了解決問題的措施,為紡織設(shè)備的定期檢查和維修提供了有力依據(jù)。關(guān)鍵詞:卷繞機(jī),連桿,模糊數(shù)學(xué),可靠性中圖分類號:TH12211;TS1031116文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號:1004-7093(2007)09-0016-06卷繞機(jī)是非織造布生產(chǎn)中不可或缺的輔助設(shè)備,其作用是將前道工序加工出來的成品布卷繞成卷,然后進(jìn)行分切、打包1

2、。11.1模糊可靠度設(shè)計(jì)原理由于具有結(jié)構(gòu)簡單、,其性能和狀態(tài)對卷布生產(chǎn)和卷布質(zhì)量有重要影響。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)卷繞機(jī)連桿在生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)搖擺、抖動(dòng)現(xiàn)象,造成連桿彎曲,甚至折斷,會(huì)給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。除了一些使用和維護(hù)不當(dāng)?shù)脑蛑?設(shè)計(jì)方面是否存在欠缺也是一個(gè)值得探討的問題。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)是將應(yīng)力、強(qiáng)度等參數(shù)都視為確定量并按一定的強(qiáng)度條件進(jìn)行設(shè)計(jì)或校核,而實(shí)際情況并非如此。由于受各種因素的影響,這些參數(shù)均存在許多不確定的因素。另外,機(jī)械零件的失效是由于損傷累積引起的性能下降而最終導(dǎo)致故障的過程,系統(tǒng)從完好狀態(tài)到故障狀態(tài)是由一系列的中間狀態(tài)相互聯(lián)系、相互滲透、相互轉(zhuǎn)化的?？梢?在機(jī)械系統(tǒng)中隨機(jī)性與模糊性是

3、密切相關(guān)和同時(shí)存在的,其主要表現(xiàn)為設(shè)計(jì)參數(shù)取值的隨機(jī)性和許用應(yīng)力邊界的模糊性。為了彌補(bǔ)常規(guī)設(shè)計(jì)方法的不足,本文運(yùn)用模糊可靠性設(shè)計(jì)理論解析鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)卷R=P(A)=模糊可靠度設(shè)計(jì)按功能函數(shù)x=r-s(r、s分別為零件的廣義強(qiáng)度和廣義應(yīng)力)的取值把機(jī)械零件劃分為3種不同的狀態(tài):安全狀態(tài)(x0);模糊狀態(tài)(x<0,且|x|較小);失效狀態(tài)(x<0,且|x|較大)2。其中,模糊狀態(tài)是描述零件從安全到失效之間的過渡過程,零件所處的安全狀態(tài)實(shí)際上是一模糊事件A,用A的隸屬度函數(shù)A(x)描述,則零件的模糊可靠度為:(x)f(x)dx-A+(1)式中:f(x)隨機(jī)變量x的概率密度函數(shù)。1.2連桿

4、模糊可靠度分析圖1為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)卷繞機(jī)示意圖。工作時(shí),當(dāng)卷繞機(jī)上的計(jì)長器顯示出卷繞布的長度到達(dá)預(yù)定要求時(shí),設(shè)備將自動(dòng)將布切斷,卷入儲(chǔ)存在準(zhǔn)備位置的卷繞軸;待原已達(dá)到長度要求的布卷推走時(shí),旋臂機(jī)構(gòu)帶著準(zhǔn)備位置的繞軸旋轉(zhuǎn)90°落下到工作位置;然后,旋臂機(jī)構(gòu)又空程返回準(zhǔn)備位置。卷軸從準(zhǔn)備位置到工作位置的這一周期性運(yùn)動(dòng)規(guī)律由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)ABCD驅(qū)動(dòng)完成。卷繞機(jī)連桿的模糊可靠度設(shè)計(jì),就是將應(yīng)力視收稿日期:2007-01-04作者簡介:舒服華,男,1964年生,在讀博士研究生。主要從事機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)研究。162007年第9期產(chǎn)業(yè)用紡織品專論連桿的疲勞可靠度為:R=a(x)f(x)dx1

5、-(1-)dx+exp(-a2S2S-A+x2xxexp+Sx)-(x-x)2Sxdx(a-x)Sx=xSx)+(1-xa)(-xSx)+S22(a-)-exp(-)exp(-22Sx2Sxa2(4)由于連桿的質(zhì)量相對于所受的壓力而言較小,圖1卷繞機(jī)旋臂四桿機(jī)構(gòu)示意忽略不計(jì),則連桿為二力桿,2。連,屬3為服從某種分布規(guī)律的隨機(jī)變量,將強(qiáng)度視為某種連續(xù)型函數(shù)的模糊變量來處理,然后根據(jù)模糊可靠缺陷,更接近實(shí)際。設(shè)卷繞機(jī)連桿的工作應(yīng)力為,連桿材料的疲勞強(qiáng)度極限為lim,且兩者都服從正態(tài)分布。令x=lim-,則x也服從正態(tài)分布,其均值x和標(biāo),。圖2連桿力學(xué)模型1.3連桿的疲勞強(qiáng)度可靠度準(zhǔn)差Sx為:x=

6、lim-Sx=lim+S連桿的壓應(yīng)力均值為:=A式中:lim,連桿的工作應(yīng)力和疲勞極限均值;S,Slim連桿工作應(yīng)力和疲勞極限標(biāo)準(zhǔn)式中:K沖擊系數(shù),K=1.02.0;F靜載荷;A連桿截面積,A=ab,其中a為截面的差。x的概率密度為:f(x)=寬度,b為截面的高度。連桿的壓應(yīng)力變異系數(shù)為:Sxexp-(x-x)C=(2)K+CF+CA2Sx式中:CKK的變異系數(shù),CK=(K-1)/3K;CFF的變異系數(shù),CF=F/3F,其中F作為連桿疲勞失效這一模糊事件,隸屬函數(shù)采用如下所示的半開梯形分布:1-xA(x)ax<a為靜載荷的波動(dòng)值;CAA的變異系數(shù),CA=(3)a+Cb,其中0<x&

7、lt;axaCa為a的變異系數(shù),Ca=a/3a,a1為a的公差;Cb為b的變異系數(shù),Cb=b/3b,b為b的公差。連桿的壓應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差為:17式中:a隸屬函數(shù)系數(shù),可用增擴(kuò)系數(shù)法確定。專論產(chǎn)業(yè)用紡織品總第204期S=C連桿的壓應(yīng)力均值、變異系數(shù)C、標(biāo)準(zhǔn)差S同上。連桿的穩(wěn)定性模糊可靠度參數(shù)為:a=cr連桿的拉伸疲勞極限均值為:lim=-1kmk式中:-1光滑試件的拉伸疲勞極限均值;尺寸系數(shù);km制造工藝系數(shù);k應(yīng)力集中系數(shù)。x=cr-Sx=cr+S22將參數(shù)代入式(4)即得到連桿的穩(wěn)定性模糊度R。2連桿的拉伸疲勞極限變異系數(shù)為:Clim=+Ckm+Ck-1+C222-1的變異系數(shù),C-1=0.05

8、式中:C-10.09;2實(shí)例分析筆者對裕大華紡織有限公司一鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)卷繞機(jī)連桿進(jìn)行了研究。已知連桿的截面為矩形,寬度a=(30±0.5)mm,(40±0.5)mm,l=(±5)F=,并經(jīng)HRC30240C,Ckm,Ck,km,k的變異系數(shù),Ci=|ki-1|/3ki。連桿的拉伸疲勞極限標(biāo)準(zhǔn)差為:Slim=Clim連桿的疲勞強(qiáng)度模糊可靠度參數(shù)為:a=lim-1=1100MPa。彈性模E=210GPa±5%。要求連桿的疲勞強(qiáng)度可靠度和穩(wěn)定性可靠度大于0.95。lixlim+S222.1卷繞機(jī)連桿可靠度分析2.1.1連桿的疲勞強(qiáng)度可靠度將參數(shù)代入式(4)即得

9、到連桿的疲勞強(qiáng)度模糊度R。1.4連桿的穩(wěn)定性可靠度連桿的壓應(yīng)力均值為:2取K=1.3,A=ab=30×40=1200(mm)連桿的臨界應(yīng)力均值為:cr=lA22=433.33(MPa)A1200連桿的壓應(yīng)力變異系數(shù)為:CK=CF=0.0773K3×113式中:E連桿材料的彈性模量;I連桿橫截面對中性軸的慣性矩,對于圓形截面I=ab/12;l連桿長度。連桿的臨界應(yīng)力變異系數(shù)為:Ccr=E+CI+2Cl+CA2222=0.06733FaCa=0.033a30Cb=CA=bb式中:CEE的變異系數(shù),CE=E/3E,E為彈性模量的變動(dòng)值;CII的變異系數(shù),CI=a2=2=0.025

10、402a+Cb2Cb;9=C=1033+01025K+CF+CA222222=0.041Cll的變異系數(shù),Cl=l/3l,l為l的公差。連桿的臨界應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差為:Scr=Ccrcr=1077+01067+0104122=0.11連桿的壓應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差為:S=C=0111×433133=47.66182007年第9期產(chǎn)業(yè)用紡織品專論連桿的拉伸疲勞極限均值為:查得.85,.83,k.2=0=0=1lim=Cl=l=0.0143l740E+CI+2Cl+CA222222-1kCcr=646.71(MPa)112=1033+01034+2×01014+0104122=01066連桿的臨界

11、應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差為:Scr=Ccrcr=0.066×504.13=33.27連桿的拉伸疲勞極限變異系數(shù)為:取C-1=0.06CC1-=0.05833×01851-=0.06833×0185k-1連桿的穩(wěn)定性模糊可靠度參數(shù)為:a=cr=504113x=cr-=504113-433133=7018Sx=cr+S=221277+4716622=58112Ck=3k2=0.0563×112222將參數(shù)代入式(4)即得到連桿的穩(wěn)定性模糊度R=0.887341。,22Clim=+C+Ck-1+C=106+01058+01068+0105622足2=01121Slim=C.

12、臨界應(yīng)力cr,可以從三個(gè)方面入手。21211改進(jìn)連桿的材料:a=lim=646171材料的彈性模量E越大,在其他條件不變的情況下,連桿的臨界應(yīng)力cr越大,若將連桿的材料更換為彈性模量較大材料,則在一定程度上可以提高連桿的穩(wěn)定性可靠度。如將連桿的材料由45鋼改為40CrNiMoA,材料的彈性模量E可從210GPa提高到220GPa,連桿穩(wěn)定性可靠度會(huì)得到一定的提高,但提高的幅度有限,相應(yīng)的成本代價(jià)也較高。21212縮短連桿的長度x=lim-=646171-433133=213138Sx=lim+S=22147+4716622=90107將參數(shù)代入式(4)即得到連桿的疲勞強(qiáng)度模糊可靠度R=0.99

13、2312。由上計(jì)算可見,連桿的疲勞強(qiáng)度模糊可靠度滿足設(shè)計(jì)要求。2.1.2連桿的穩(wěn)定性可靠度連桿的長度越短,連桿的臨界應(yīng)力cr越大,且呈平方次遞增。在滿足使用性能的前提下,適當(dāng)縮5連桿的臨界應(yīng)力均值為:I=2312lA2=1223=1.6×10(mm)5短連桿的長度,可以顯著提高連桿穩(wěn)定性可靠度,同時(shí)減小了機(jī)器的尺寸、重量和成本。對于新設(shè)計(jì)的機(jī)器這是一個(gè)理想的選擇,但對于舊設(shè)備,由于受結(jié)構(gòu)、安裝等條件的限制,若連桿的長度發(fā)生變化,其他桿件也需隨之變化,修改程度大。21213增加連桿的慣性矩cr=×210000×116×102740×1200=50

14、4112(MPa)連桿的臨界應(yīng)力變異系數(shù)為:CE=0.0333E32a+Cb92如果固定其他條件,連桿的慣性矩越大,連桿的臨界應(yīng)力cr也越大。由于卷繞機(jī)連桿設(shè)計(jì)時(shí)疲勞強(qiáng)度和穩(wěn)定性兩方面都需要兼顧,為了滿足疲勞CI=1033+22×01025=010349強(qiáng)度可靠度,連桿的截面積A應(yīng)保證一定尺寸。因?yàn)檫B桿的截面為矩形,要增大連桿的慣性矩I,19專論產(chǎn)業(yè)用紡織品總第204期就需改變連桿截面的結(jié)構(gòu),即保持連桿截面積不變,使截面的寬度減小,高度增加。綜合考慮各種因素,改進(jìn)連桿截面的結(jié)構(gòu)是一種理想的方法,既可以提高連桿穩(wěn)定性可靠度,又不增加連桿的截面積,簡單方便。如使截面的寬度減小為a=28m

15、m,高度增加為b=42mm,連桿的截面積A=28×42=1176mm,僅縮小2%,不會(huì)影響連桿的疲勞強(qiáng)度可靠度。改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)見圖3。2Scr=Ccrcr=0.084×555.81=46.69連桿的穩(wěn)定性模糊可靠度參數(shù)為:a=cr=555181x=cr-=555181-433133=144148Sx=cr+S=22169+4716622=66172將參數(shù)代入式(4)即得到連桿的穩(wěn)定性模糊度R=0.984874。由上述計(jì)算可見,改進(jìn)后卷繞機(jī)連桿穩(wěn)定性可靠度滿足設(shè)計(jì)要求。用改進(jìn)后的連桿代替原連桿進(jìn)行生產(chǎn),使用狀態(tài)一直良好,以前存在的問題全部消失。3結(jié)語,、零件尺寸和材,圖3(隨

16、機(jī)性),因而更能揭示事物的本來面貌,比常規(guī)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法更接近實(shí)際。本文利用可靠性設(shè)計(jì)理論對四桿機(jī)構(gòu)卷繞機(jī)連桿可靠性進(jìn)行分析計(jì)算,定量回答了連桿在運(yùn)行中的4。:I=121233=172872(mm)安全性與可靠性的問題,找出了連桿穩(wěn)定性可靠度不足而發(fā)生失效的原因,并提出了相應(yīng)的解決措施。提高連桿穩(wěn)定性可靠度有多種途徑,在工藝、生產(chǎn)、安裝等條件受限制的情況下,應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況從經(jīng)濟(jì)性、適用性、可行性方面綜合考慮。在諸多改進(jìn)方案中,本案例選擇了使連桿的截面積相近,改變截面結(jié)構(gòu)的方法。該方案可以大幅度提高連桿穩(wěn)定性可靠度,且節(jié)省材料,簡單方便。參考文獻(xiàn)cr=2lA2=2740×28

17、5;422=555182(MPa)連桿的臨界應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差為:Ca=0.036a28Cb=CI=bb=2=0.024422Cb92a+=CA=Ccr=1036+222×01024=0103791036+0102422221舒服華.非織造布卷繞機(jī)旋臂機(jī)構(gòu)生產(chǎn)問題與解決措施J.產(chǎn)業(yè)用紡織品,2007,25(1):20.a+Cb=22=0.0452王啟.機(jī)械零部件的可靠性設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工E+CI+2Cl+CA22業(yè)出版社,1996.3濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,22=1033+01034+2×01037+010451997.=01084202007年第9期產(chǎn)業(yè)用紡織

18、品專論VibratorymechanismconnectingrodfuzzyreliabilityanalysisofQTJtypeblockmoldingmachineShuFuhua(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,WuhanUniversityofTechnology)Abstract:Tocounterthecasewhichconnectingrodlostefficacyoftake2upmachinecantilevermechanism,relia2bilitydesigntheorywasappliedtoanalyz

19、eit.Thereasonofconnectingrodlosingefficacywasfoundthatitsstablereliabilitywasnotenough,andasolutionoftheproblemwaspresentedrelevantly.suppliedbasisforregularserviceoftextileequipment.ItKeywords:take2upmachine,connectingrod,fuzzymath,reliability歡迎訂閱2008年山東紡織科技山東紡織科技技期刊(國內(nèi)準(zhǔn)刊號ISSN100923028,2132,大16開本、雙月刊、公是面向全國各紡織、服裝企事業(yè)單位,大型紡織服裝商(市)場和大專院校及質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督與出入境檢驗(yàn)檢疫、內(nèi)外貿(mào)、軍工、輕工、消防等行業(yè)的各級主管人員和生產(chǎn)一線技術(shù)人員的科技期刊(雙月刊),是國內(nèi)紡織服裝標(biāo)準(zhǔn)測試專業(yè)的主流媒體,刊號為:ISSN100320611CN1122670/TS。開發(fā)行。、印染及相關(guān)專業(yè)的紡織新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的研究報(bào)告、學(xué)術(shù)論文、生產(chǎn)實(shí)踐及管理經(jīng)驗(yàn)等文章,并介紹國外紡織科技信息。主要欄目有“經(jīng)緯論壇”、“研究探討”、“產(chǎn)品開發(fā)”、“生產(chǎn)實(shí)踐”、