卷绕机四杆机构连杆模糊可靠性分析与改造

1、专论产业用纺织品总第204期卷绕机四杆机构连杆模糊可靠性分析与改造舒服华(武汉理工大学机电工程学院,武汉,4300700)摘要:针对铰链四杆机构卷绕机连杆运行时存在的问题,运用模糊可靠性设计理论对连杆的疲劳强度和稳定性进行分析,找出了因连杆稳定性可靠度不足而失效的原因,并提出了解决问题的措施,为纺织设备的定期检查和维修提供了有力依据。关键词:卷绕机,连杆,模糊数学,可靠性中图分类号:TH12211;TS1031116文献标识码:A文章编号:1004-7093(2007)09-0016-06卷绕机是非织造布生产中不可或缺的辅助设备,其作用是将前道工序加工出来的成品布卷绕成卷,然后进行分切、打包1

2、。11.1模糊可靠度设计原理由于具有结构简单、,其性能和状态对卷布生产和卷布质量有重要影响。铰链四杆机构卷绕机连杆在生产时出现摇摆、抖动现象,造成连杆弯曲,甚至折断,会给生产带来严重影响。除了一些使用和维护不当的原因之外,设计方面是否存在欠缺也是一个值得探讨的问题。传统的机械设计是将应力、强度等参数都视为确定量并按一定的强度条件进行设计或校核,而实际情况并非如此。由于受各种因素的影响,这些参数均存在许多不确定的因素。另外,机械零件的失效是由于损伤累积引起的性能下降而最终导致故障的过程,系统从完好状态到故障状态是由一系列的中间状态相互联系、相互渗透、相互转化的。可见,在机械系统中随机性与模糊性是

3、密切相关和同时存在的,其主要表现为设计参数取值的随机性和许用应力边界的模糊性。为了弥补常规设计方法的不足,本文运用模糊可靠性设计理论解析铰链四杆机构卷R=P(A)=模糊可靠度设计按功能函数x=r-s(r、s分别为零件的广义强度和广义应力)的取值把机械零件划分为3种不同的状态:安全状态(x0);模糊状态(x<0,且|x|较小);失效状态(x<0,且|x|较大)2。其中,模糊状态是描述零件从安全到失效之间的过渡过程,零件所处的安全状态实际上是一模糊事件A,用A的隶属度函数A(x)描述,则零件的模糊可靠度为:(x)f(x)dx-A+(1)式中:f(x)随机变量x的概率密度函数。1.2连杆

4、模糊可靠度分析图1为铰链四杆机构卷绕机示意图。工作时,当卷绕机上的计长器显示出卷绕布的长度到达预定要求时,设备将自动将布切断,卷入储存在准备位置的卷绕轴;待原已达到长度要求的布卷推走时,旋臂机构带着准备位置的绕轴旋转90°落下到工作位置;然后,旋臂机构又空程返回准备位置。卷轴从准备位置到工作位置的这一周期性运动规律由曲柄摇杆机构ABCD驱动完成。卷绕机连杆的模糊可靠度设计,就是将应力视收稿日期:2007-01-04作者简介:舒服华,男,1964年生,在读博士研究生。主要从事机械优化设计和可靠性设计研究。162007年第9期产业用纺织品专论连杆的疲劳可靠度为: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)由于连杆的质量相对于所受的压力而言较小,图1卷绕机旋臂四杆机构示意忽略不计,则连杆为二力杆,2。连,属3为服从某种分布规律的随机变量,将强度视为某种连续型函数的模糊变量来处理,然后根据模糊可靠缺陷,更接近实际。设卷绕机连杆的工作应力为,连杆材料的疲劳强度极限为lim,且两者都服从正态分布。令x=lim-,则x也服从正态分布,其均值x和标,。图2连杆力学模型1.3连杆的疲劳强度可靠度准差Sx为:x=

6、lim-Sx=lim+S连杆的压应力均值为:=A式中:lim,连杆的工作应力和疲劳极限均值;S,Slim连杆工作应力和疲劳极限标准式中:K冲击系数,K=1.02.0;F静载荷;A连杆截面积,A=ab,其中a为截面的差。x的概率密度为:f(x)=宽度,b为截面的高度。连杆的压应力变异系数为:Sxexp-(x-x)C=(2)K+CF+CA2Sx式中:CKK的变异系数,CK=(K-1)/3K;CFF的变异系数,CF=F/3F,其中F作为连杆疲劳失效这一模糊事件,隶属函数采用如下所示的半开梯形分布:1-xA(x)ax<a为静载荷的波动值;CAA的变异系数,CA=(3)a+Cb,其中0<x&

7、lt;axaCa为a的变异系数,Ca=a/3a,a1为a的公差;Cb为b的变异系数,Cb=b/3b,b为b的公差。连杆的压应力标准差为:17式中:a隶属函数系数,可用增扩系数法确定。专论产业用纺织品总第204期S=C连杆的压应力均值、变异系数C、标准差S同上。连杆的稳定性模糊可靠度参数为:a=cr连杆的拉伸疲劳极限均值为:lim=-1kmk式中:-1光滑试件的拉伸疲劳极限均值;尺寸系数;km制造工艺系数;k应力集中系数。x=cr-Sx=cr+S22将参数代入式(4)即得到连杆的稳定性模糊度R。2连杆的拉伸疲劳极限变异系数为:Clim=+Ckm+Ck-1+C222-1的变异系数,C-1=0.05

8、式中:C-10.09;2实例分析笔者对裕大华纺织有限公司一铰链四杆机构卷绕机连杆进行了研究。已知连杆的截面为矩形,宽度a=(30±0.5)mm,(40±0.5)mm,l=(±5)F=,并经HRC30240C,Ckm,Ck,km,k的变异系数,Ci=|ki-1|/3ki。连杆的拉伸疲劳极限标准差为:Slim=Clim连杆的疲劳强度模糊可靠度参数为:a=lim-1=1100MPa。弹性模E=210GPa±5%。要求连杆的疲劳强度可靠度和稳定性可靠度大于0.95。lixlim+S222.1卷绕机连杆可靠度分析2.1.1连杆的疲劳强度可靠度将参数代入式(4)即得

9、到连杆的疲劳强度模糊度R。1.4连杆的稳定性可靠度连杆的压应力均值为:2取K=1.3,A=ab=30×40=1200(mm)连杆的临界应力均值为:cr=lA22=433.33(MPa)A1200连杆的压应力变异系数为:CK=CF=0.0773K3×113式中:E连杆材料的弹性模量;I连杆横截面对中性轴的惯性矩,对于圆形截面I=ab/12;l连杆长度。连杆的临界应力变异系数为:Ccr=E+CI+2Cl+CA2222=0.06733FaCa=0.033a30Cb=CA=bb式中:CEE的变异系数,CE=E/3E,E为弹性模量的变动值;CII的变异系数,CI=a2=2=0.025

10、402a+Cb2Cb;9=C=1033+01025K+CF+CA222222=0.041Cll的变异系数,Cl=l/3l,l为l的公差。连杆的临界应力标准差为:Scr=Ccrcr=1077+01067+0104122=0.11连杆的压应力标准差为:S=C=0111×433133=47.66182007年第9期产业用纺织品专论连杆的拉伸疲劳极限均值为: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连杆的临界

11、应力标准差为:Scr=Ccrcr=0.066×504.13=33.27连杆的拉伸疲劳极限变异系数为:取C-1=0.06CC1-=0.05833×01851-=0.06833×0185k-1连杆的稳定性模糊可靠度参数为:a=cr=504113x=cr-=504113-433133=7018Sx=cr+S=221277+4716622=58112Ck=3k2=0.0563×112222将参数代入式(4)即得到连杆的稳定性模糊度R=0.887341。,22Clim=+C+Ck-1+C=106+01058+01068+0105622足2=01121Slim=C.

12、临界应力cr,可以从三个方面入手。21211改进连杆的材料:a=lim=646171材料的弹性模量E越大,在其他条件不变的情况下,连杆的临界应力cr越大,若将连杆的材料更换为弹性模量较大材料,则在一定程度上可以提高连杆的稳定性可靠度。如将连杆的材料由45钢改为40CrNiMoA,材料的弹性模量E可从210GPa提高到220GPa,连杆稳定性可靠度会得到一定的提高,但提高的幅度有限,相应的成本代价也较高。21212缩短连杆的长度x=lim-=646171-433133=213138Sx=lim+S=22147+4716622=90107将参数代入式(4)即得到连杆的疲劳强度模糊可靠度R=0.99

13、2312。由上计算可见,连杆的疲劳强度模糊可靠度满足设计要求。2.1.2连杆的稳定性可靠度连杆的长度越短,连杆的临界应力cr越大,且呈平方次递增。在满足使用性能的前提下,适当缩5连杆的临界应力均值为:I=2312lA2=1223=1.6×10(mm)5短连杆的长度,可以显著提高连杆稳定性可靠度,同时减小了机器的尺寸、重量和成本。对于新设计的机器这是一个理想的选择,但对于旧设备,由于受结构、安装等条件的限制,若连杆的长度发生变化,其他杆件也需随之变化,修改程度大。21213增加连杆的惯性矩cr=×210000×116×102740×1200=50

14、4112(MPa)连杆的临界应力变异系数为:CE=0.0333E32a+Cb92如果固定其他条件,连杆的惯性矩越大,连杆的临界应力cr也越大。由于卷绕机连杆设计时疲劳强度和稳定性两方面都需要兼顾,为了满足疲劳CI=1033+22×01025=010349强度可靠度,连杆的截面积A应保证一定尺寸。因为连杆的截面为矩形,要增大连杆的惯性矩I,19专论产业用纺织品总第204期就需改变连杆截面的结构,即保持连杆截面积不变,使截面的宽度减小,高度增加。综合考虑各种因素,改进连杆截面的结构是一种理想的方法,既可以提高连杆稳定性可靠度,又不增加连杆的截面积,简单方便。如使截面的宽度减小为a=28m

15、m,高度增加为b=42mm,连杆的截面积A=28×42=1176mm,仅缩小2%,不会影响连杆的疲劳强度可靠度。改进前后的结构见图3。2Scr=Ccrcr=0.084×555.81=46.69连杆的稳定性模糊可靠度参数为:a=cr=555181x=cr-=555181-433133=144148Sx=cr+S=22169+4716622=66172将参数代入式(4)即得到连杆的稳定性模糊度R=0.984874。由上述计算可见,改进后卷绕机连杆稳定性可靠度满足设计要求。用改进后的连杆代替原连杆进行生产,使用状态一直良好,以前存在的问题全部消失。3结语,、零件尺寸和材,图3(随

16、机性),因而更能揭示事物的本来面貌,比常规的强度设计方法更接近实际。本文利用可靠性设计理论对四杆机构卷绕机连杆可靠性进行分析计算,定量回答了连杆在运行中的4。:I=121233=172872(mm)安全性与可靠性的问题,找出了连杆稳定性可靠度不足而发生失效的原因,并提出了相应的解决措施。提高连杆稳定性可靠度有多种途径,在工艺、生产、安装等条件受限制的情况下,应该根据实际情况从经济性、适用性、可行性方面综合考虑。在诸多改进方案中,本案例选择了使连杆的截面积相近,改变截面结构的方法。该方案可以大幅度提高连杆稳定性可靠度,且节省材料,简单方便。参考文献cr=2lA2=2740×28

17、5;422=555182(MPa)连杆的临界应力标准差为:Ca=0.036a28Cb=CI=bb=2=0.024422Cb92a+=CA=Ccr=1036+222×01024=0103791036+0102422221舒服华.非织造布卷绕机旋臂机构生产问题与解决措施J.产业用纺织品,2007,25(1):20.a+Cb=22=0.0452王启.机械零部件的可靠性设计M.北京:机械工E+CI+2Cl+CA22业出版社,1996.3濮良贵.机械设计M.北京:机械工业出版社,22=1033+01034+2×01037+010451997.=01084202007年第9期产业用纺织

18、品专论VibratorymechanismconnectingrodfuzzyreliabilityanalysisofQTJtypeblockmoldingmachineShuFuhua(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,WuhanUniversityofTechnology)Abstract:Tocounterthecasewhichconnectingrodlostefficacyoftake2upmachinecantilevermechanism,relia2bilitydesigntheorywasappliedtoanalyz

19、eit.Thereasonofconnectingrodlosingefficacywasfoundthatitsstablereliabilitywasnotenough,andasolutionoftheproblemwaspresentedrelevantly.suppliedbasisforregularserviceoftextileequipment.ItKeywords:take2upmachine,connectingrod,fuzzymath,reliability欢迎订阅2008年山东纺织科技山东纺织科技技期刊(国内准刊号ISSN100923028,2132,大16开本、双月刊、公是面向全国各纺织、服装企事业单位,大型纺织服装商(市)场和大专院校及质量技术监督与出入境检验检疫、内外贸、军工、轻工、消防等行业的各级主管人员和生产一线技术人员的科技期刊(双月刊),是国内纺织服装标准测试专业的主流媒体,刊号为:ISSN100320611CN1122670/TS。开发行。、印染及相关专业的纺织新产品、新技术、新工艺、新设备的研究报告、学术论文、生产实践及管理经验等文章,并介绍国外纺织科技信息。主要栏目有“经纬论坛”、“研究探讨”、“产品开发”、“生产实践”、