运载装备并联减振机构设计研究毕业论文设计论文.doc
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1、河北工业大学2015届本科毕业设计说明书河 北 工 业 大 学毕业设计说明书 作 者: 曹荣康 学 号: 110306 学 院: 机械学院 系(专业): 车辆工程 题 目: 运载装备并联减振机构设计研究 指导者: 武一民 教授 (姓 名) (专业技术职务)评阅者: (姓 名) (专业技术职务)2015 年 6 月 7 日1毕业设计(论文)中文摘要运载装备并联减振机构设计研究摘要: 目前,关键物资装备如精密仪器的远程输送,既需要通过铁路车辆、运输船舶和客货飞机实施长距离运输,也需要通过各类运输车辆完成短途运输。各类载运工具的颠簸和摇摆会造成运载装备产生较大的冲击与振动,引起运载物资装备的失效或损
2、坏,造成不必要的经济损失。 针对目前关键物资运输存在的问题,展开研究设计,研究设计了一个全新的并联减振机构,满足了关键物资运输过程中对水平位移、垂直位移、水平加速度、垂直加速度等振动参数的要求。本文通过分析计算不同并联机型的耦合度,选择设计一种弱耦合度并联机构,并用UG建模导入ADAMS仿真分析,通过振动分析验证了该机构的减振特性,并通过ADAMS优化设计,设计出最优化机构。关键词: 关键物资、并联减振、耦合度、振动分析1河北工业大学2015届本科毕业设计说明书毕业设计(论文)外文摘要Title:Transportation Parallel Vibration Reduction Mecha
3、nism Design and Research Abstract:At present,the remote transmission of important materials such as precision instruments needs rail traffic, ship traffic and plane traffic. It also needs other vehicle traffic to complete short distance transmission. The bumps and swing of all kinds of transportatio
4、n will make transportation produce large impact and vibration, causing the failure or damage of important materials, and causing unnecessary economic losses.For this problem, we make studies and researches and design a new type of parallel vibration reduction mechanism. This new mechanismsatisfies t
5、he requirements of horizontal displacement, vertical displacement, horizontal acceleration, vertical acceleration and other vibration elements.This article analyses the coupling factor of different parallel vibration reduction mechanisms,choosing and designing a kind of weak coupling parallel mechan
6、ism. Using UG to make a model and import the model to ADAMS to make simulation analysis. Verify the vibration reduction characteristics of themechanism, and complete the optimization design with the help of the ADAMS software. Eventually, make the design of optimization mechanism.Keywords: important
7、 materials、parallel vibration reduction、coupling factor、vibration analysis目 录1 引言51.1 研究背景 51.2 振动控制技术分类及并联减振机构的特点51.3 并联减振机构国内外发展状况61.4并联减振机构的发展空间71.5 本课题主要研究内容92 并联减振机构设计方案确定10 2.1 并联减振机型分类102.2 并联减振机构可用的支链类型112.3 耦合度分析及计算112.3.1 耦合度分析112.3.2机构自由度计算122.3.3耦合度计算123 并联减振机构运动学分析及三维设计153.1 并联减振机构运动学分析
8、153.2 并联减振机构三维设计164 振动仿真分析204.1 三维模型导入ADAMS20 4.2 对模型施加约束204.3 对模型施加激励214.4 振动仿真234.4.1 稳态仿真结果 244.4.2 瞬态仿真结果 275 优化设计315.1 对弹簧刚度优化 335.2 对阻尼器阻尼系数优化 36结论 41参考文献42致谢441 引言1.1研究背景 关键物资装备的远程输送,既需要通过铁路车辆、运输船舶和客货飞机实施长距离运输,也需要通过各类运输车辆完成短途运输。各类载运工具的颠簸和摇摆会造成运载装备产生较大的冲击与振动,引起运载物资装备的失效或损坏。在许多行业如机械行业、电气行业,许多产品
9、如电子产品、精密仪器、医疗器械,以及一些易碎品在运输的路程中需要采取不同的减振措施,比如加入隔振绵、隔振泡沫、隔振气弹簧等,然而这些减振措施只能够减弱目标竖直方向上面的振动,对其他方向的振动基本不减弱,在一些其他特殊试验用途中,对减振方面的要求更加苛刻。目前许多精密器械运输对减振的要求及其严格,尤其对水平方向加速度、垂直方向加速度及其他方向加速度有着严格的限制。 因此,开展运载装备减振机构设计研究对于减小对运载装备,特别是精密装备和易损物资的损害具有重要的意义。1.2振动控制技术分类及并联减振机构的特点 振动控制技术的分类可以简单概述振动被动控制和振动主动控制两种类型。振动被动控制技术应用范围
10、很广,应用时间较早,它主要是由弹簧和阻尼组成,其系统特征值是定值,机构较简单,可靠性较高,减振效果良好;振动主动控制技术最初出现于上世纪五十年代,振动主动控制技术有着非常显著的特点,其线性特性明显,快速性突出,效果良好,稳定性较高,智能性控制等,但其用途相对专一化,利用率较低,制作成本很高且可靠性低。 振动被动控制技术又分为串联减振、并联减振控制。串联减振机构大致可简化为由减振弹簧和阻尼装置组成,其机构仅能够减少目标在一个方向上的振动。多维并联减振机构主要是由多个减振支链并联而成,其机构为闭环系统,多个减振运动支链一端同时与一个多自由度的动平台机构连接而成,多维并联减振机构在原理上可以同时衰减
11、多个自由度方向的振动。 并联减振机构在多维减振平台上有着十分广泛的应用,有多种机型分类,比如:三自由度三平移式、四自由度二平移二转动式、六自由度三平移三转动等机型。因为并联机构有着非常明显的有点, 被大量应用到需要的刚度、速度、精度较高的机械系统中,而且这种并联减振机构对操作空间的要求较小。与传统的串联机构相比, 并联机构由于具有刚度较大、承载能力较强、精度较高、控制相对容易等一系列的优点而得到十分广泛推广和应用。在运动学分析方面的研究内容是目前对并联机构研究工作的重中之重, 运动学分析也是误差分析、工程力学分析、空间结构分析、动力学分析等的基础。机构运动学分析在并联机构的分析中具有十分重要的
12、意义 ,并联机构在运动学分析中的研究内容有:计算并联机构的输出构件和机构的输入构件间的位置关系,输出构件和机构的输入构件的速度关系和加速度关系。1.3并联减振机构国内外发展状况 目前针对单自由度振动,国内外早已研究许多简单有效的减振设备,单自由度减振理论及其控制方法都已经十分成功应用于实践。比如橡胶金属减振技术、钢丝绳式弹簧减振技术、新型油气弹簧减振技术等。最近几年还出现了一些全新的减振技术, 比如粉体阻尼减振技术、磁流可变阻尼减振技术、电流可变减振技术,但这些都针对于单自由度减振问题,对于多维减振的研究成果目前还不是很多 。 通过对国内外论文、专利等资料的检索发现多维减振技术目前仅包括以下两
13、个方面: 一,采用特殊制造橡胶和复合塑料为主体结构,完成目标的多维减振要求,其缺点十分明显,使用年限低容易发生老化、过载时容易失去弹性、性能较不稳定、使用维护成本较高。这种技术出现于北京理工大学所研发的减振气囊在关键物资运输设备中的应用,因为其使用成本很高导致其通用性不高,仅用于一些特殊设备中;图1-1 减振气囊 二,采用机械的方法实现各个方向多自由度减振,这种机构的缺点是结构过于复杂,尺寸过大,质量大。这种基础出现于藤田悦则研究的用于救护车上的防振担架 P(中国国利:CN1251292A, 2000),其机构由多层单自由度弹性阻尼装置组成, 在不同的分层中完成各自方向上的减振要求。目前国内外
14、在多维减振方面的技术方法大都采用这种机械式多层结构,结构十分复杂,减振效果较差,制作成本也很高。图1-2 防振担架 2004年,Ren等人通过对Stewart机构的动柔度和稳定性进行研究,解决了风载对其上安装的大型望远镜造成的振动问题。2007年,布鲁塞尔大学的Preumont等人采用Stewart平台开发出一款6轴隔振系统,在失重环境的测试结果显示:该隔振系统在5400Hz范围内,隔振性能优良。在5200Hz范围内最大振动衰减量可达-40dB。该成果最终用于执行某飞行器对接任务。 图1-3 基于Stewart平台六轴隔振系统1.4并联减振机构的发展空间 目前国内外精密器械主要运输办法为气垫车
15、运输,气垫车的工作原理主要是其内部的气垫搬运系统。气垫搬运系统的主要组成部分是:空气控制模块、气囊模块、气垫模块、气管模块。气垫车工作时要压缩空气,使气囊充气,空气流经气囊进入气室,气室中由于具有很大的空气压力产生空气承载压力,通过气管与气垫连接,在汽车车厢上产生一层薄薄的空气膜,这层空气膜将车厢与运输物品隔开以此完成隔振要求。这种气垫搬运承载技术诞生于上世纪八十年代,比较适合用于搬运质量、体积较大的精密器械比如大型经纬仪,飞机、列车机体,并不适用于一般电子产品、精密仪器、精密医疗器械等易损易碎物资的运输,而且气垫搬运技术不适合用于长远距离运输,因为其使用成本很大。 我国在精密电子元件和仪器设
16、备运输时的保护措施大多还是停留在采用传统隔振包装保护的方法:主要是将运输物品用珍珠泡棉进行多层包装,用胶带将运输品和外包装层层粘住,然后用泡沫块填充满放入木箱四周,将运输整体物品放入箱中,在箱体中加入各种填充物以使运输物体固定在箱内,最后在顶部加盖泡沫板并钉装箱盖,这种传统的包装减振方法成本较低,减振效果一般,仅适用于一些对振动要求较低的物资运输。 由此看出,目前国内外的关键物资装备的远程输送方式还很单一,成本还很高,利用率很低,需要一种新型的减振机构来满足当下的运输要求,并联减振机构的出现正好解决了目前关键物资装备远程运输的问题。并联减振机构具有结构简单、稳定性好、准确度高、减振效果明显、可
17、靠性高等一系列优点。我国对并联减振技术的研究较为深入,江苏大学的马履中教授从事并联减振机构研究多年,已成功将其应用在汽车减振座椅、车辆隔震器、汽车电子元件减振等多维减振平台,在其发表的多维减振平台主体机构的分析研究论文中,可以看到并联减振机构在多维减振平台中应用的合理性和必然性。并联减振机构通常只有一层结构就可以实现多维减振,而且并联减振机构对工作环境的要求很低,所以开发研究并联减振机构在运载装备上的应用有真深远的意义和广阔的发展空间。图1-4 减振座椅1.5本课题主要研究内容 首先检索国内外并联减振机构相关文献资料,了解相关的并联减振机构的发展历程,了解并联减振机构结构特点,了解本次设计并联
18、减振机构形式。然后根据选出的机构形式和机构的实际应用情况,对机构进行运动学分析验证机构位置关系,并计算出相应的基本尺寸。利用UG9.0软件进行三维建模,并装配为一个整体,并将UG导出为Parasolid格式,并导入到ADAMS软件中。在ADAMS view环境中对模型进行仿真操作,根据仿真结果判读该并联减振机构的减振性能好坏。最后,需要对该并联减振机构进行优化设计,选出最合适的参数如弹簧弹性系数K及阻尼器的阻尼比C。2 设计方案确定2.1并联减振机型分类 并联减振机构有多种机型分类,比如:二平移一转动三自由度、一平移二转动三自由度、二平移二转动四自由度、三平移三转动六自由度等机型,本设计采用三
19、平移三转动机型。 图2-1 一平移二转动机型 图2-2 二平移二转动机型 图2-3 三平移三转动机型2.2并联减振机构可用的支链类型 并联减振机构中含有多种支链类型,各支链主要由铰接点、连杆组成,具体分类如下:表2-1 支链分类编号AB一般单开链(SOC)编号CDEF混合单开链(HSOC)(单回路)编号GH混合单开链(HSOC)(双回路) 2.3耦合度简介及计算2.3.1耦合度 耦合度是指从输入到输出运动耦合强弱的标志。对并联机构设计而言,基本要求之一就是耦合度越弱越好。耦合度低的并联机构在某一维度上使振动衰减的同时,在并联机构其他维度衍生出来的振动数量级较低。机械系统刚柔耦合性分析是在考虑机
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