新型四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

袁紫運(yùn)

摘 要：由于常規(guī)的四桿機(jī)結(jié)構(gòu)存在著一些參數(shù)上的問(wèn)題，造成了其在使用性能以及使用功能上難以發(fā)揮出全力。隨著機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)要求日益變高，對(duì)于四桿結(jié)構(gòu)要求也將變得越來(lái)越高，文章針對(duì)新型四桿機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，從參數(shù)設(shè)計(jì)、模型分析實(shí)現(xiàn)對(duì)常規(guī)四桿機(jī)結(jié)構(gòu)改造與研究。

關(guān)鍵詞：四桿機(jī)結(jié)構(gòu)；參數(shù)設(shè)計(jì)；動(dòng)力學(xué)特性

隨著我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)研究不斷深入，對(duì)于四桿機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究變得更加廣泛，但是在控制參數(shù)方面卻存在著嚴(yán)重的不足。即使不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，也僅能夠確保在部分的時(shí)間內(nèi)四桿機(jī)結(jié)構(gòu)具有良好的控制特性，其他時(shí)間段內(nèi)則可能出現(xiàn)失控問(wèn)題，因此文章基于對(duì)四桿機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置控制進(jìn)行分析和研究，提出了相應(yīng)的四桿機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施。

1 四桿機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究發(fā)展現(xiàn)狀

參數(shù)設(shè)計(jì)作為四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)重要思想，其在設(shè)計(jì)中屬于一種新興的CAD設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行全生命周期計(jì)算輔助設(shè)計(jì)，可以有效的促進(jìn)產(chǎn)品的革新速度。然后通過(guò)用戶(hù)友好界面來(lái)改善結(jié)構(gòu)參數(shù)，以便完成四桿機(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)[1]。參數(shù)化設(shè)計(jì)在繪圖、機(jī)械裝配、圖庫(kù)參數(shù)生產(chǎn)等均可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，建立起相應(yīng)的參數(shù)化圖庫(kù)。隨著先進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的引進(jìn)，對(duì)于檢測(cè)設(shè)備、設(shè)計(jì)方法等要求更高，從根本上提升了機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)能力。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)還存在著計(jì)算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工程繪圖等操作，在實(shí)際的參數(shù)化的時(shí)候，必須要將幾何圖形元素精確坐標(biāo)尺寸。

實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中由于產(chǎn)品之間存在著很多相同、相似的零部件，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)修改已經(jīng)擁有的圖形來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。但是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)繪圖系統(tǒng)之中，缺乏相應(yīng)的參數(shù)設(shè)計(jì)功能，而且在進(jìn)行圖形尺寸處理的時(shí)候，往往還會(huì)引起圖形發(fā)生很大的變化。很多不同的產(chǎn)品模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和造型，都無(wú)法支持產(chǎn)品相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)費(fèi)用變得相對(duì)較高，設(shè)計(jì)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，不能夠?qū)崿F(xiàn)快速現(xiàn)代化市場(chǎng)需求。采用參數(shù)化模型，不斷調(diào)整參數(shù)使得幾何形狀、參數(shù)控制等來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精確造型，新型的四桿機(jī)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)造型進(jìn)行比較，其最大的不同之處就是在于產(chǎn)品的精確制造。參數(shù)化設(shè)計(jì)其主要使得工程設(shè)計(jì)人員在不考慮相應(yīng)的考慮細(xì)節(jié)的時(shí)候，能盡快設(shè)計(jì)出草擬零件圖[2]。

2 變參數(shù)四桿機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟

變參數(shù)四桿機(jī)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的時(shí)候常常是對(duì)四桿機(jī)結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)內(nèi)的變曲率圓弧設(shè)計(jì)。對(duì)于四桿機(jī)結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)進(jìn)行變曲率圓弧設(shè)計(jì)，主要是對(duì)四桿機(jī)結(jié)構(gòu)的角位置、初始桿長(zhǎng)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候可以將四桿機(jī)結(jié)構(gòu)變參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行分化求解設(shè)計(jì)。

2.1 確定四桿機(jī)結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)

設(shè)計(jì)四桿機(jī)結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的時(shí)候，如圖1所示就是確定圖中θA1的大小，AD與AB的桿長(zhǎng)。

圖 1 四桿機(jī)結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)

沿著連桿的初始方向的角位置為θB1進(jìn)行搜索，得出了|BC1|并且據(jù)此計(jì)算出|C1D|，搜索的時(shí)候必須要滿(mǎn)足相應(yīng)的瞬時(shí)動(dòng)力指標(biāo)，并且根據(jù)此計(jì)算出微分N多邊形上的起點(diǎn)C1。曲柄AB旋轉(zhuǎn)角度為△θA（θA+1，N-1），計(jì)算出BCi的角度位置θBi，則沿著B(niǎo)Ci方向向前搜索△bi。計(jì)算瞬時(shí)等效四桿機(jī)構(gòu)（AB，BCi+1，Ci+1，DA），根據(jù)等效四桿機(jī)構(gòu)作為研究計(jì)算對(duì)象，使得曲柄AB旋轉(zhuǎn)微小角度△θA則可以求得αi+1以及（AB，BCi+2，Ci+2，DA）。當(dāng)曲柄AB繞著B(niǎo)Ci轉(zhuǎn)動(dòng)180°時(shí)，可以求得瞬時(shí)的應(yīng)力Ci=CA。

設(shè)計(jì)參數(shù)四桿機(jī)構(gòu)的模型時(shí)，最為關(guān)鍵的是找出變曲率圓弧、撓性件的運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)切點(diǎn)變化情況。然后根據(jù)變參數(shù)機(jī)構(gòu)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，將瞬時(shí)連續(xù)與漸變瞬時(shí)等效機(jī)制聯(lián)系起來(lái)。

2.2 數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)

從第i個(gè)設(shè)計(jì)瞬時(shí)四桿機(jī)構(gòu)參數(shù)向著第i+1個(gè)瞬時(shí)四桿機(jī)構(gòu)參數(shù)過(guò)渡的時(shí)候進(jìn)行計(jì)算。例如，已知θAi、θBi、θDi、|AB|、|BCi|、|CiD|、△bi，計(jì)算得出|BCi+1|、|Ci+1D|、αi，βi。？駐bi/sin？茁=|Ci+1D|/sinαi，由此可得出：

sin？茁i=？駐bisinαi/|Ci+1D|，則：βi=arcsin{-△bisinθBicosθDi+△bisinθDi

cosθB/[△bi2+2△bi|CiD|（cosθBicosθDi+sinθBisinθDi）+|CiD|2]1/2}

通過(guò)變參設(shè)計(jì)計(jì)算出四桿機(jī)構(gòu)的變曲率圓弧，其在下半個(gè)運(yùn)動(dòng)周期僅僅根據(jù)自己設(shè)計(jì)出的變曲率來(lái)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，針對(duì)結(jié)果對(duì)原來(lái)設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)變動(dòng)。數(shù)學(xué)模型的建立，可以有效改善變參設(shè)計(jì)在四桿機(jī)構(gòu)中設(shè)置狀況。

針對(duì)四桿機(jī)構(gòu)在下半個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中根據(jù)自己設(shè)計(jì)出變曲率圓弧，并且根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)對(duì)于原來(lái)的參數(shù)進(jìn)行變動(dòng)。

例如，已知|BCi+1|、|AB|、|Ci+1D|、αi、βi，求得θAi+1。由于γi=π-（αi+βi），θB1=θDi+1-γi，則可得XCi+1=XD+|Ci+1D|cosθDi+1。可根據(jù)式子進(jìn)行瞬時(shí)等效機(jī)構(gòu)對(duì)于曲柄位移以及其他參數(shù)結(jié)構(gòu)反推。

3 變參四桿機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

在抽油機(jī)設(shè)計(jì)中常常會(huì)使用到變參四桿機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是從曲柄上來(lái)加強(qiáng)平衡使得電動(dòng)機(jī)與減速箱在運(yùn)動(dòng)變化中負(fù)載趨于一定范圍之中均衡。游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)曲柄的時(shí)候，采用的變參數(shù)法，其結(jié)構(gòu)存在著很多不同之處，主要是在連桿剛性件換成了撓性件，例如在實(shí)際應(yīng)用中多采用鋼絲繩、傳動(dòng)帶等部件。游梁式抽油機(jī)的后臂將會(huì)裝上一個(gè)供撓性件反復(fù)纏繞的變曲率圓弧，這個(gè)供撓性件的工作原理和常規(guī)的游梁式抽油機(jī)存在著很大的相同之處。如圖2所示為變參數(shù)桿機(jī)結(jié)構(gòu)抽油機(jī)工作原理圖。

圖2 變參數(shù)桿機(jī)結(jié)構(gòu)抽油機(jī)工作原理圖

游梁式抽油機(jī)載荷狀況非常特殊，其主要的設(shè)計(jì)特征為驢頭懸點(diǎn)載荷和油井液柱構(gòu)成了彈性系統(tǒng)。上下行程的載荷變化相當(dāng)大，通常抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性可以從其動(dòng)力特性中得以體現(xiàn)，那么在衡量一臺(tái)抽油機(jī)的性能好壞，就必須根據(jù)其耗能指標(biāo)和動(dòng)力指標(biāo)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。抽油機(jī)耗能的指標(biāo)代表了減速箱的有效輸出情況，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的有效輸出功率減小時(shí)，則機(jī)械的耗能降低，所以抽油機(jī)的能耗也就直接影響其使用成本。

減速箱峰值Mmax最大負(fù)扭矩的絕對(duì)值等于抽油機(jī)動(dòng)力指標(biāo)代表參數(shù)。若其減速箱峰值過(guò)大，將會(huì)造成抽油機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候，選用額定扭矩過(guò)大或者額定功率過(guò)大。若當(dāng)Mmax過(guò)大則會(huì)造成抽油機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的選用額定扭矩較大、減速箱功能較大的電機(jī)。但是|-Mmax|過(guò)大則會(huì)造成減速箱中的工作齒輪出現(xiàn)反向沖擊增大，將很大程度上影響減速箱的壽命、嚴(yán)重影響抽油機(jī)的工作可靠度。常規(guī)游梁式抽油機(jī)在設(shè)計(jì)中若減速箱的最小扭矩不為負(fù)，但是若仍然采用參數(shù)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的異形游梁式抽油機(jī)，其可以有效的避免減速箱出現(xiàn)負(fù)工作扭矩。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，機(jī)械生產(chǎn)技術(shù)逐漸得到顯著革新，傳統(tǒng)控制技術(shù)以及機(jī)械設(shè)計(jì)理念逐漸被新型創(chuàng)新理念和設(shè)計(jì)方法所替代。四桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械生產(chǎn)中尤其是在參數(shù)化控制結(jié)構(gòu)之中應(yīng)用廣泛。四桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)化、模塊化、可視化等研究通過(guò)不斷革新技術(shù)，將參數(shù)化合理的應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)制造之中效果顯著。

參考文獻(xiàn)

[1]徐春濤，廉哲滿(mǎn).基于矯正解的經(jīng)過(guò)預(yù)定三位置的四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].延邊大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，01：87-91.

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