多回路及自適應(yīng)機(jī)構(gòu)自調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究與工程實(shí)踐.pdf

1、平面閉鏈機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品中應(yīng)用最為廣泛的基本結(jié)構(gòu)形，該機(jī)構(gòu)是以“平面約束結(jié)構(gòu)”為基礎(chǔ)來(lái)保證其能夠?qū)崿F(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，這種人為的強(qiáng)制平面約束，使平面機(jī)械系統(tǒng)成為超靜定的過(guò)約束結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，由于機(jī)械的工作受到各種因素(尤其是形位誤差)的影響，造成了對(duì)平面約束的干擾，使其具有不確定性，因而導(dǎo)致理論上不影響機(jī)械順暢運(yùn)動(dòng)的過(guò)約束形成障礙，并對(duì)機(jī)械的工作性能造成一系列有害影響。尋求新的、性能良好的、具有自調(diào)與自適應(yīng)性的新型連桿機(jī)構(gòu)，并在新的應(yīng)用中不斷完

2、善與創(chuàng)新，使其能夠高效率、高穩(wěn)定地可靠工作并具有較低的生產(chǎn)成本，以滿(mǎn)足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，乃是當(dāng)前機(jī)構(gòu)學(xué)所共同關(guān)注的問(wèn)題。這些問(wèn)題的解決有著重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 本文以工程實(shí)際中廣泛使用的平面六桿機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，以高效、高可靠性、高穩(wěn)定性及低成本為主要目標(biāo)，對(duì)多回路機(jī)構(gòu)中的平面約束不確定性的傳遞與影響度，自調(diào)機(jī)理與自調(diào)結(jié)構(gòu)的合理配置；機(jī)械的自適應(yīng)性機(jī)理與實(shí)現(xiàn)原則，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)中力的靜定與超靜定分析與功能結(jié)構(gòu)

3、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；外部自適應(yīng)與內(nèi)部誤差的自調(diào)結(jié)構(gòu)的工程化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了分析與研究。論文的主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾部分： (1)以平面閉鏈Watt型6桿機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，首次對(duì)多回路平面閉鏈機(jī)構(gòu)無(wú)過(guò)約束結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自調(diào)的機(jī)理與自調(diào)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析研究，得到了機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自調(diào)的運(yùn)動(dòng)副軸線(xiàn)允許誤差角以及自調(diào)結(jié)構(gòu)的最適宜的運(yùn)動(dòng)副配置方式。本文對(duì)機(jī)構(gòu)自調(diào)特性分析的結(jié)果表明，具有空間運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)的平面閉鏈Watt型6桿機(jī)構(gòu)，由于其具有自調(diào)性，機(jī)

4、構(gòu)對(duì)角度誤差的敏感度減小。在進(jìn)行自調(diào)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要發(fā)揮良好的自調(diào)作用，Ⅲ、Ⅳ級(jí)副，在串聯(lián)型式的多回路機(jī)構(gòu)中一般應(yīng)配置在二元素桿上；在并聯(lián)型式的多回路機(jī)構(gòu)中要使多元素桿具有自調(diào)構(gòu)件的作用時(shí)，該構(gòu)件上的Ⅲ級(jí)副至少應(yīng)有兩個(gè)，而且Ⅳ(或Ⅴ)級(jí)副不能多于1。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)及保持機(jī)構(gòu)的平面運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，最好是使多副桿的所有運(yùn)動(dòng)副均為Ⅴ級(jí)副，而在其外接懸桿上選擇配置3個(gè)Ⅲ級(jí)副構(gòu)成“平面自調(diào)結(jié)構(gòu)組”。 (2)通過(guò)系統(tǒng)深入地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副誤差對(duì)多回路平

5、面閉鏈連桿機(jī)構(gòu)約束不確定性影響度的單因素定量分析方法及規(guī)律的研究，得到了機(jī)構(gòu)中不同運(yùn)動(dòng)副誤差、不同運(yùn)動(dòng)副元素(銷(xiāo)和孔)誤差和不同平面內(nèi)誤差對(duì)機(jī)構(gòu)約束不確定性的影響度，從而為自調(diào)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其精度設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。同時(shí)，這些結(jié)論也為今后進(jìn)一步綜合考慮運(yùn)動(dòng)副誤差研究約束不確定性影響在過(guò)約束機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中的傳遞與耦合提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。本文的分析結(jié)果表明，在多回路機(jī)構(gòu)中除整轉(zhuǎn)副外，公共副軸線(xiàn)的形位誤差的影響是較顯著的，應(yīng)特別注意它們的自調(diào)設(shè)計(jì)及

6、精度控制。由于誤差的不可避免而導(dǎo)致平面機(jī)構(gòu)的非平面約束，當(dāng)要按平面約束封閉時(shí)所造成的連桿強(qiáng)制變形中既有扭轉(zhuǎn)變形又有彎曲變形，且這種強(qiáng)制變形是周期性的，因而必然會(huì)引起系統(tǒng)的彈性振動(dòng)及運(yùn)動(dòng)副反力的周期性變化。這進(jìn)一步說(shuō)明了采用自調(diào)結(jié)構(gòu)的必要性。 (3)通過(guò)對(duì)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)這類(lèi)機(jī)構(gòu)均無(wú)一例外地具有變自由度、變結(jié)構(gòu)的特征。而機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)就是“約束與自由度”結(jié)構(gòu)，特別是其“約束”的性質(zhì)和數(shù)量就決定了機(jī)構(gòu)的運(yùn)

7、動(dòng)和工作特征。因而從廣義約束的觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為：機(jī)械就是在各種約束(包括內(nèi)部、外部約束；定約束與可變約束；幾何約束與力約束；運(yùn)動(dòng)約束與動(dòng)力約束等)的作用下工作的。自適應(yīng)機(jī)構(gòu)正是基于其結(jié)構(gòu)中的可調(diào)控約束(主要有力約束、運(yùn)動(dòng)約束與動(dòng)力約束、力流及場(chǎng)約束及可變結(jié)構(gòu)的幾何約束等)的可調(diào)控性而具有了自適應(yīng)調(diào)整的智能性特征。因而，正確地應(yīng)用、設(shè)計(jì)“約束”，為機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整提供了可能。而工作過(guò)程中力的靜、動(dòng)態(tài)平衡規(guī)律，靜定甚至超靜定的結(jié)構(gòu)理論，為實(shí)現(xiàn)

8、自適應(yīng)機(jī)械可靠地工作提供了可能。正是依據(jù)這些基本特征和理論，本文提出了自適應(yīng)結(jié)構(gòu)可按內(nèi)力封閉及變結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)進(jìn)行分類(lèi)。 (4)深入分析了高爐折疊式堵渣機(jī)的工作過(guò)程及實(shí)現(xiàn)其階段功能要求的運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)特征，該機(jī)械應(yīng)用了滾子—重錘所構(gòu)成的力封閉的可施加與釋放及其大小、方向的可調(diào)控性，實(shí)現(xiàn)了該機(jī)構(gòu)系統(tǒng)由四桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為六桿機(jī)構(gòu)以及四桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為五桿機(jī)構(gòu)，使其成為變結(jié)構(gòu)、變自由度的具有自適應(yīng)功能的機(jī)械系統(tǒng)。變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的力約束方式的設(shè)

9、計(jì)，在采用重錘杠桿—高副系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意封閉力的大小、方向、變化值以及高副系統(tǒng)的接觸應(yīng)力和重錘杠桿—高副系統(tǒng)的自振頻率等問(wèn)題，以達(dá)到在沖擊下力封閉系統(tǒng)的振動(dòng)盡可能小，同時(shí)不影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)行平穩(wěn)性。 (5)通過(guò)對(duì)高爐堵渣機(jī)這一多回路變結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的過(guò)約束分析表明，應(yīng)按不同階段所呈現(xiàn)的不同結(jié)構(gòu)形式分別對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行過(guò)約束分析，才能準(zhǔn)確分析出變結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)在不同結(jié)構(gòu)形態(tài)下的過(guò)約束數(shù)量、分布和類(lèi)型。在變結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的自調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，一般選擇參與的構(gòu)件與回路數(shù)量

10、最多的結(jié)構(gòu)形態(tài)，且為常態(tài)機(jī)構(gòu)形式的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)作為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副配置方案的基礎(chǔ)進(jìn)行。對(duì)于并聯(lián)回路，除每一回路需進(jìn)行零過(guò)約束運(yùn)動(dòng)副配置外，還應(yīng)作為整體進(jìn)行零過(guò)約束運(yùn)動(dòng)副配置，最后使兩者配置解同時(shí)滿(mǎn)足，即為最終的運(yùn)動(dòng)副配置方案。 (6)針對(duì)重鋼1200m3高爐折疊式堵渣機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及自調(diào)、自適應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿真與工程實(shí)踐表明：①對(duì)于平面機(jī)構(gòu)，在不影響其整體平面性能的前提下，適當(dāng)引入空間運(yùn)動(dòng)副

11、可消除機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的過(guò)約束，從而更好地保證機(jī)構(gòu)的順暢運(yùn)行與自調(diào)、自適應(yīng)性能的實(shí)現(xiàn)。②對(duì)于工作環(huán)境惡劣且變化較大的冶金、礦山及工程機(jī)械中，采用自調(diào)與自適應(yīng)結(jié)構(gòu)有著更加突出的必要性與可行性。引入的空間運(yùn)動(dòng)副既可采用低副，也可采用高副。當(dāng)機(jī)構(gòu)采用了高副，則自調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將含高副的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式作為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副優(yōu)化配置方案的對(duì)象進(jìn)行考慮。③機(jī)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部過(guò)約束的自調(diào)設(shè)計(jì)與機(jī)構(gòu)對(duì)外部約束變化的自適應(yīng)設(shè)計(jì)在自適應(yīng)機(jī)械中可以相互補(bǔ)充與協(xié)調(diào)。 本文所做