Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературных источников. Постановка задачи исследования 14
1.1 Конструкции и особенности работы реечных рычажных
механизмов транспортирования ткани швейных машин 14
1.1.1 Основные сведения о реечных рычажных механизмах транспортирования ткани : 14
1.1.2 Механизмы с одной нижней зубчатой рейкой 24
1.1.3 Механизмы с двумя нижними зубчатыми рейками 35
1.1.4 Механизмы с нижней и верхней зубчатыми рейками 42
1.1.5 Классификация кинематических цепей реечных рычажных механизмов транспортирования материалов 51
1.2 Обзор конструкций узлов прижимной лапки 56
1.3 Обзор литературных источников по анализу и синтезу механизмов транспортирования ткани швейных машин 72
1.4 Постановка задачи исследований 81
2 Динамические модели узлов прижимной лапки механизмов транспортирования материалов швейных машин 84
2.1 Общие соображения 84
2.2 Динамические модели узла прижимной лапки механизмов транспортирования материалов с одной нижней зубчатой рейкой 86
2.2.1 Динамическая модель для случая нешарнирной лапки 86
2.2.2 Динамическая модель для случая шарнирной лапки 89
2.3 Динамические модели узла прижимной лапки механизмов транспортирования материалов с двумя нижними зубчатыми рейками 94
2.3.1 Динамическая модель для случая нешарнирной лапки 94
2.3.2 Динамическая модель для случая шарнирной лапки 98
2.4 Динамическая модель узла прижимной лапки и верхней зубчатой рейки механизмов транспортирования материалов с нижней и верхней зубчатыми рейками 102
3 Математические модели узлов прижимной лапки механизмов транспортирования материалов швейных машин 110
3.1 Общие соображения 110
3.2 Экспериментальное исследование упругих характеристик тканей 111
3.3 Математические модели узла прижимной лапки механизмов транспортирования материалов с одной нижней рейкой 125
3.4 Математические модели узла прижимной лапки механизмов транспортирования материалов сдвумя нижними рейками 134
3.5 Математическая модель узла прижимной лапки и верхней рейки механизма транспортирования материалов с нижней и верхней рейками на примере швейной машины 131-41 (42, 43) кл 139
4 Кинематический анализ механизмов транспортирования материалов швейных машин 149
4.1 Общие соображения 149
4.2 Структурный анализ механизмов транспортирования материалов 151
4.3 Пакет подпрограмм KINEMA для кинематического анализа рычажных механизмов 166
4.4 Алгоритмы кинематического анализа реечных рычажных механизмов транспортирования материалов 187
4.5 Кинематический анализ механизмов транспортирования материалов с использованием пакета KINEMA 194
4.6 "Требуемые" эллипсные траектории движения зубчатой рейки 206
4.7 Определение кинематического внешнего воздействия на узел прижимной лапки и верхней рейки механизмов транспортирования с нижней и верхней рейками (на примере механизма швейной машины 131-41 (42, 43) кл.) 212
5 Динамический анализ механизмов транспортирования материалов швейных машин 217
5.1 Общие соображения 217
5.2 Анализ периодических колебательных режимов "лапки" с использованием метода гармонической линеаризации 217
5.3 Математическое моделирование узла прижимной лапки механизмов транспортирования материалов
с одной нижней рейкой на ЭВМ 233
5.3.1 Моделирование динамики нешарнирной "лапки" (случай 3(x,t) = const) 233
5.3.2 Моделирование динамики нешарнирной "лапки" (случай b(x,t) Ф const) 258
5.3.3 Моделирование динамики шарнирной "лапки" (случай d(x,t) Ф const) 270
5.4 Математическое моделирование узла прижимной лапки механизмов транспортирования материалов с двумя нижними рейками на ЭВМ 283
5.5 Математическое моделирование узла прижимной лапки и верхней рейки механизмов
транспортирования материалов с нижней
и верхней рейками на ЭВМ 294
6. Проектирование реечных рычажных механизмов транспортирования материалов швейных машин 303
6.1 Общие соображения 303
6.2 Параметрическая оптимизация (синтез) геометрических размеров звеньев реечных рычажных механизмов транспортирования материалов швейных машин 303
6.3 Исследование возможности ограничения колебаний "лапки" большой амплитуды с помощью упора 319
6.4 Проектирование механизмов транспортирования материалов швейных машин с прямолинейным, параллельным игольной пластине участком траектории движения зубчатой рейки 327
6.4.1 Анализ узла зубчатой рейки 327
6.4.2 Разработка структурной схемы 338
6.4.3 Синтез реечного рычажного механизма транспортирования материалов с прямолинейным, параллельным игольной пластине участком траектории движения рейки и его
динамический анализ 344
Заключение 371
Список использованных источников
- Основные сведения о реечных рычажных механизмах транспортирования ткани
- Динамические модели узла прижимной лапки механизмов транспортирования материалов с одной нижней зубчатой рейкой
- Экспериментальное исследование упругих характеристик тканей
- Пакет подпрограмм KINEMA для кинематического анализа рычажных механизмов
Введение к работе
Актуальность работы. Проблемы качества швейных изделий, соотношения качества и цены являются одними из наиболее острых проблем на предприятиях легкой промышленности. Усиливающаяся конкуренция требует от швейных предприятий перехода на новый технологический уровень. На большинстве отечественных швейных предприятий остро стоит вопрос замены устаревшего парка швейных машин, при этом новое швейное оборудование должно отвечать современным требованиям качества, производительности, охраны труда. Важной является задача снижения уровня шума и виброактивности.
В процессе создания новых и модернизации существующих швейных машин требуется решение задач кинематического, динамического анализа и синтеза их узлов. Наиболее сложным и высоконагруженным механизмом швейных машин, оказывающим значительное влияние на производительность и качество строчки, является механизм транспортирования ткани (материалов). В большинстве швейных машин перемещение стачиваемых материалов на заданную длину стежка производится при помощи механизма транспортирования, содержащего зубчатую рейку (рейки) и прижимную лапку (реечные рычажные механизмы транспортирования). Как правило, привод зубчатой рейки (реек) осуществляется сложным многозвенным рычажным механизмом, имеющим возможность регулирования длины стежка. Стачиваемые материалы в процессе транспортирования удерживаются на зубчатой рейке (рейках) с помощью прижимной лапки. При проектировании реечных рычажных механизмов транспортирования материалов актуально решение задачи анализа и синтеза, работающих совместно механизма привода зубчатой рейки (реек) и узла прижимной лапки. В процессе проектирования необходимо учитывать множество технологических и конструктивных факторов, что весьма сложно и практически невозможно сделать без применения ЭВМ, разработки соответствующего математического, алгоритмического и про граммного обеспечения. Исходя из сказанного, тема диссертации является важной и актуальной для отрасли.
Работа над диссертацией велась в соответствии с тематическим планом госбюджетных работ по темам: «Научные основы проектирования шагово-цикловых механизмов для машин текстильной и легкой промышленности» (Лентек 1.3.01, 2001 - 2003 г.); «Моделирование и исследование фундаментальных задач нелинейной механики машин с целью совершенствования кинематических, динамических и эксплуатационных характеристик оборудования текстильной и легкой промышленности» (Лентек 1.2.04, 2004 — 2006 г.). С 2006 г. работа над диссертацией велась в плане выполнения аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006 - 2008 годы)», мероприятие №2 «Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук», подраздел №2.1.2 «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук», по теме «Развитие теории и методов оптимального структурно-кинематического и динамического синтеза механизмов технологических машин с нелинейными характеристиками» (2006 - 2008 г., РНП 2.1.2.1286). В 2004 и 2006 г. выполнение работ по теме диссертации было поддержано грантами правительства Санкт-Петербурга для молодых кандидатов наук ВУЗов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга при выполнении исследований по темам: «Анализ механизмов транспортирования швейных машин с нижней и верхней зубчатыми рейками» (2004 г., шифр гранта - PD04-2.0-134); «Исследование динамики механизмов транспортирования материалов швейных машин» (2006 г., шифр гранта - PD06-2.0-28).
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ проектирования реечных рычажных механизмов транспортирования материалов швейных машин, повышение производительности указанных механизмов, снижение уровня колебаний их узлов, а, следовательно, и уровня шума. Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи.
1. Анализ литературных и патентных источников, посвященных механизмам транспортирования материалов, швейных машин; выявление недосг татков их конструкций и задач, которые необходимо решать для совершенствования указанных механизмов.
2. Разработка динамических и математических моделей узлов прижимной-лапки; и верхней зубчатой рейки (при ее наличии) механизмов транспортирования-материалов с одной нижней, двумя нижними, нижней и верхней зубчатыми рейками; математического, алгоритмического и программного обеспечения для анализа и синтеза указанных механизмов:
3. Структурный и кинематический анализ реечных рычажных механизмов транспортирования материалов швейных машин. Разработка для этой цели необходимого математического, алгоритмического и программного обеспечений.
4. Определение с помощью натурного эксперимента упругих характеристик стачиваемых материалов, сложенных в несколько слоев как однотипных, так и разнотипных тканей.
5. Анализ периодических колебательных режимов узла прижимной лапки механизмов транспортирования материалов швейных машин с одной нижней зубчатой рейкой; исследование возможности снижения амплитуды колебаний прижимной лапки.
6. Исследование динамики узла прижимной лапки и верхней зубчатой рейки (при ее наличии) механизмов транспортирования материалов с одной нижней, двумя нижними, нижней и верхней зубчатыми рейками на ЭВМ.
7. Разработка методики параметрической оптимизации геометрических размеров звеньев реечных рычажных механизмов транспортирования материалов швейных машин, позволяющей в случае необходимости изменять траекторию движения зубчатой рейки (реек) в соответствии с требованиями к ее движению.
8. Исследование возможности совершенствования механизма привода зубчатой рейки и синтез новых реечных рычажных механизмов транспортирования материалов швейных машин, позволяющих повысить их производительность и улучшить качество строчки за счет снижения амплитуды колебаний прижимной лапки относительно зубчатой рейки (реек), при увеличении числа оборотов главного вала швейной машины.
Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием методов математики, нелинейной механики, теории колебаний, теории дифференциальных уравнений, динамики узлов и механизмов машин, математического моделирования. Практические задачи решались с помощью приближенных аналитических и численных методов, при широком использовании возможностей современных ЭВМ. Для выполнения и обработки натурного эксперимента использовались методы теории измерений и математической статистики.
Научная новизна.В диссертационной работе впервые:
1. Разработаны теоретические основы кинематического, динамического анализа и синтеза реечных рычажных механизмов транспортирования материалов швейных машин.
2. Получены динамические, математические модели узла прижимной лапки и верхней зубчатой рейки (если она есть) механизмов транспортирования материалов с одной нижней, двумя нижними, нижней и верхней зубчатыми рейками, позволяющие учитывать неудерживающии характер связи прижимной лапки и верхней зубчатой рейки (при ее наличии) со стачиваемыми материалами и нижней зубчатой рейкой (рейками), а также наличие шарнирного соединения корпуса лапки со стержнем прижимной лапки.
3. Разработано методическое, математическое, алгоритмическое и программное обеспечение с использованием системы инженерных и научных расчетов MATLAB для моделирования на ЭВМ динамики узлов прижимной лапки и верхней зубчатой рейки механизмов транспортирования материалов с одной нижней, двумя нижними, нижней и верхней зубчатыми рейками.
4. Выполнен с использованием метода гармонической линеаризации анализ периодических колебательных режимов узла прижимной лапки механизма транспортирования материалов с одной нижней зубчатой рейкой; с помощью разработанного алгоритмического и программного обеспечения построены скелетная кривая, линия максимумов и резонансная кривые; проанализировано влияние на колебания лапки ее параметров. Предложена установка нелинейного демпфера между корпусом машины и стержнем прижимной лапки, имеющего малый коэффициент сопротивления при движении лапки к стачиваемым материалам и большой коэффициент сопротивления при движении лапки со стержнем от стачиваемых материалов; при необходимости получения длинных швов предложена установка самоустанавливающегося упора между стержнем прижимной лапки и корпусом машины.
5. Разработано методическое, математическое, алгоритмическое и программное обеспечение для исследования кинематики реечных рычажных механизмов транспортирования материалов швейных машин, выполненное в виде пакета расширения KINEMA системы инженерных и научных расчетов MATLAB, позволяющее: получать кинематические внешние воздействия на прижимную лапку и верхнюю зубчатую рейку в процессе исследования динамики узлов прижимной лапки и верхней зубчатой рейки; решать задачи оптимизации траектории движения зубчатой рейки (реек).
6. Показана переменность структуры реечных рычажных механизмов транспортирования материалов с одной нижней, двумя нижними, нижней и верхней зубчатыми рейками в процессе рабочего и холостого хода, предложены структурные схемы, заменяющие высшие кинематические пары между верхней зубчатой рейкой, прижимной лапкой и нижней зубчатой рейкой в процессе рабочего хода низшими, что особенно важно для решения задач кинематического анализа механизмов транспортирования с нижней и верхней зубчатыми рейками.
7. Выполнены исследования динамики узлов прижимной лапки, верхней зубчатой рейки (при ее наличии) механизмов транспортирования материалов швейных машин на ЭВМ; показано, что увеличение площади контакта прижимной лапки зубчатой рейки (реек) приводит к уменьшению амплитуд ее колебаний; выявлена необходимость изменения траектории движения зубчатой рейки в процессе рабочего хода с целью снижения кинематического внешнего воздействия, действующего со стороны зубчатой рейки на прижимную лапку.
8. Разработана методика синтеза и синтезирован реечный рычажный механизм транспортирования материалов швейных машин с прямолинейным, параллельным игольной пластине участком движения зубчатой рейки в период транспортирования материалов на заданную и регулируемую длину стежка; показана возможность снижения уровня кинематического внешнего воздействия на прижимную лапку со стороны зубчатой рейки за счет уменьшения максимальной величины подъема зубчатой рейки над игольной пластиной при новой синтезированной траектории ее движения.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработанные теоретические основы проектирования реечных рычажных механизмов транспортирования материалов швейных машин доведены до практической реализации в виде пакетов прикладных программ, а также инженерных рекомендаций для конструкторов машиностроительных предприятий, занимающихся проектированием и модернизацией швейных машин.
Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение передано в СКТБ МХВ ООО «Машиностроительное объединение им. К. Маркса», ЗАО "Скороход-ВС".
По результатам исследований получено два патента (№2281352, №2284384) на четыре новые конструкции механизмов транспортирования материалов с прямолинейным участком движения зубчатой рейки в период транспортирования.
Разработан пакет расширения KINEMA системы MATLAB и программы кинематического анализа реечных рычажных механизмов транспортирования материалов швейных машин (получены свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ №2006610587, №2006610588, №2006610584, №2006610589, №2006610585, №2006610327, №2006610586, №2006610328, №2006610329, №2006610330).
Разработана конструкция самоустанавливающегося упора, ограничивающего движение прижимной лапки вверх от стачиваемых материалов в случае колебаний прижимной лапки большой амплитуды. Данный упор перемещается вместе с прижимной лапкой при ее позиционировании и автоматически жестко соединяется с корпусом машины при опускании прижимной лапки на стачиваемые материалы.
Материалы диссертационной работы используются на кафедре машиноведения Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна в курсе лекций: «Машины и аппараты швейной промышленности», на практических и лабораторных занятиях по курсу «Динамика механизмов и машин легкой промышленности», в курсовом и дипломном проектировании студентов направления 150400 - «Технологические машины и оборудование» специальности 150406 - «Машины и аппараты текстильной и легкой промышленности» и могут быть использованы в других высших учебных заведениях, осуществляющих подготовку специалистов по специальности 150406.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на: науч.-техн. конф. посвященной 60-летию механического факультета (СПГУТД, 1998); Межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и докторантов (СПГУТД, 1999, 2002); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной и легкой пром.-сти» (СПГУТД, 2002, 2005); Междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях (Лен - 2002)», (г. Кострома, КГТУ); Междунар.
науч.-техн. конф. «Перспективы использования компьютерных технологий в текстильной и легкой промышленности (ПИКТЕЛ - 2003)» (г. Иваново. ИГ-ТА); Всероссийской науч.-техн. конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль - 2005)», (г. Москва, 2005); «Итоговом семинаре по физике и астрономии по результатам конкурса грантов 2006 г. для молодых ученых Санкт-Петербурга», 11 декабря 2006 г. (г. Санкт-Петербург, 2006); III Междунар. науч. конф. «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин», 10-16 сентября 2007 г. (г. Астрахань, 2007 г.). Материалы диссертации обсуждались на семинаре кафедры теории механизмов и машин Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (21 ноября 2007 г.) и научном семинаре факультета информационных технологий и машиноведения «Математическое моделирование узлов и механизмов машин, систем управления» (12 декабря 2007 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 41 научных работах, в том числе 7 статей в журналах, входящих в «Перечень ...» ВАК РФ, 1 учебное пособие, 1 монография, 9 статей в других научных изданиях, 11 тезисов докладов, 2 патента, 10 свидетельств об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 249 стр. машинописного текста, 18 таблиц, 174 рисунка. Список литературы включает 138 источников.
Основные сведения о реечных рычажных механизмах транспортирования ткани
Механизм транспортирования, материалов швейной машины [1-6] предназначен для периодического дискретного перемещения стачиваемых материалов на заданную длину стежка. Длина стежка определяется расстоянием между центрами отверстий, образованных в стачиваемых материалах двумя последовательными проколами иглы.
Перемещение материалов производится периодически согласно циклограмме работы швейной машины. Все механизмы транспортирования ткани можно по способу перемещения стачиваемых материалов разделить [1] на: механизмы, в которых перемещение производится за счет воздействия на материалы зубчатой рейки либо валика; механизмы, в которых перемещение материалов осуществляется специальным устройством (каретка, кассеты, пяльцы и т. п.) с зажатыми в нем материалами.
Механизмы с рабочим органом в виде валиков [1,2], как правило, применяются в швейных машинах, предназначенных для стачивания жестких, тяжелых материалов, например, кожи, меха, ватных настилов и т. п. Механизмы транспортирования, снабженные специальным устройством с зажимаемыми в нем материалами [1, 2], применяются в швейных машинах полуавтоматического и автоматического типа. Эти механизмы в зависимости от способа задания программного движения рабочему органу можно разделить на механизмы с копирным диском, бескопирные, цифровые и следящие.
Наибольшее распространение в швейных машинах, особенно универсального типа, получили механизмы транспортирования материалов, в которых рабочим органом, осуществляющим перемещение, является зубчатая рейка (реечные рычажные механизмы транспортирования). Зубчатая рейка [2] представляет собой деталь (рисунок 1.1, о) с зубьями 1 одинаковой высоты рх. Для лучшего захвата и перемещения стачиваемых материалов зубья имеют односторонний уклон под углом а = 45 - - 60. Для предохранения стачиваемых материалов от повреждения при их транспортировании вершины зубьев притупляются. Высота /?, зубьев рейки, в зависимости от толщины и типа стачиваемых материалов, лежит в пределах 1 2 мм, причем более мелкие зубья применяются для тонких и легких материалов. Обычно зубчатая рейка содержит несколько рядов зубьев. В среднем ряду 2 зубьев предусматривается окно 3 для перемещения сквозь него в стачиваемые материалы иглы и обеспечения затягивания стежка в процессе перемещения стачиваемых материалов зубчатой рейкой.
Конструкции зубчатых реек могут различаться в зависимости от выполняемой операции. В общем случае, как правило, зубчатая рейка имеет три ряда зубьев [6] (см. рисунок 1.1, б) и обеспечивает перемещение материалов, как легкого, так и тяжелого типа. При выполнении ряда специальных операций, например, прострачивания воротничков, строчка выполняется на небольшом расстоянии (1.5 н- 2.0 мм) от правого края, и тогда правый ряд зубьев оказывается ненужным, так как мешает установке направляющей линейки. В этом случае применяется зубчатая рейка формы, указанной на рисунке 1.1, в. Для двухигольных машин, при небольшом расстоянии между иглами, применяется зубчатая рейка формы, представленной на рисунке 1.1, г, а при большом расстоянии между иглами - рейка формы, представленной на рисунке 1.2, д.
В процессе работы швейной машины, стачиваемые материалы 1 (рисунок 1.2, а) укладываются на игольную пластину 2 и прижимаются к ней прижимной лапкой 3. В момент транспортирования материалов зубчатая рейка 4 приподнимается над поверхностью Н-Н игольной пластины 2 на высоту рх, захватывает зубьями материалы 1 и перемещает их на требуемую длину стежка L. Сцепление зубчатой рейки 4 с материалами 1 обеспечивает при жимная лапка 3, создавая давление на материалы. По окончании транспортирования (см. рисунок 1.2, б) зубчатая рейка 4 уходит вниз под игольную пластину 2 и, двигаясь под игольной пластиной, возвращается в исходное положение перед началом следующего цикла транспортирования. Для большинства швейных машин (за исключением швейных машин беспосадочного шва) перемещение материалов должно начинаться только после выхода иглы из стачиваемых материалов. В противном случае движущиеся материалы могут повреждаться иглой; возможна поломка иглы движущимися материалами.
Траекторию движения зубчатой рейки, как правило, принято оценивать по движению точки, соответствующей среднему зубу зубчатой рейки. В большинстве механизмов транспортирования материалов траектория движения зубчатой рейки представляет собой замкнутую шатунную кривую эллип-сообразной формы (рисунок 1.3). При движении по такой траектории [1,2] зубчатая рейка в точке А начинает подниматься над поверхностью Н-Н игольной пластины, зацепляя материалы зубьями и одновременно прижимая их к прижимной лапке. В точке w, сцепление зубчатой рейки с материалами достигает такого значения, что рейка начинает перемещать материалы, продолжая подниматься над игольной пластиной. При этом до точки т0 сцепление зубчатой рейки с материалами возрастает. При движении зубчатой рейки по траектории от точки т0 до точки т2 сцепление зубчатой рейки с материалами уменьшается, а в точке т2 сцепление зубчатой рейки с материалами достигает такого значения, что перемещение материалов практически прекращается, хотя зубчатая рейка до точки В еще движется над игольной пластиной Н-Н.
Время движения зубчатой рейки над игольной пластиной соответствует рабочему ходу механизма транспортирования, а угол поворота главного вала швейной машины, соответствующий рабочему ходу зубчатой рейки является углом рабочего хода рр механизма транспортирования. Как правило, в большинстве швейных машин срр =(110- 120).
Динамические модели узла прижимной лапки механизмов транспортирования материалов с одной нижней зубчатой рейкой
Рассмотрим динамическую модель узла прижимной лапки механизмов транспортирования материалов с одной нижней зубчатой рейкой для случая нешарнирной лапки. На рисунке 2.1, а представлена схема нешарнирной прижимной лапки, где 1 - корпус лапки, 2 - стачиваемые материалы, 3 -нижняя зубчатая рейка, 4 - стержень, 5 - упор, 6 - пружина, 7 - направляюще стержня в корпусе машины, 8 - игольная пластина.
Перемещение стачиваемых материалов 2 на заданную длину стежка обеспечивается перемещением нижней зубчатой рейки 3, движущейся в двух направлениях: перпендикулярно игольной пластине 8 и вдоль игольной пластины 8 вместе с зажатыми между зубчатой рейкой 3 и корпусом лапки 1 стачиваемыми материалами 2. Движение зубчатой рейки 3 перпендикулярно игольной пластине 8 приводит к перемещению стержня 4 в направляющих относительно корпуса 7.
В процессе транспортирования материалов возможен поворот нижней зубчатой рейки 3 относительно игольной пластины 8. Как правило, угол поворота нижней зубчатой рейки в период транспортирования материалов изменяется мало и практически равен нулю, так как из технологических требований [1,2] необходимо, чтобы зубчатая рейка в период транспортирования стачиваемых материалов оставалась все время параллельной игольной пластине (указанное требование следует учитывать при проектировании рычажного механизма привода зубчатой рейки [1, 2]). Исходя из сказанного, ниже, для случая нешарнирной лапки примем, что нижняя зубчатая рейка в период транспортирования материалов движется параллельно игольной пластине.
Будем считать стержень и корпус лапки абсолютно твердым телом -"лапкой". При определении деформаций стачиваемых материалов, заключенных между нижней плоскостью "лапки" и нижней зубчатой рейкой, для простоты дальнейшего изложения не будем учитывать профиль зубьев рейки (далее нижней рейки), считая ее поверхность, контактирующую со стачиваемыми материалами плоской (высота зубьев рейки и ее толщина ниже не учитывается). Кроме того, будем считать, что рычажный привод рейки является жестким. Рассматривается случай, когда толщина материалов в процессе транспортирования переменна [126] (например, случай прохождения шва).
Введем (рисунок 2.1, а) неподвижную систему координат OXY, ось ОХ которой лежит на игольной пластине и направлена в сторону противоположную перемещению стачиваемых материалов, а ось OY совпадает с направлением движения "лапки" в направляющих. Обозначим: rj(0, (t) - перемещение средней точки Q нижней рейки соответственно по осям ОХ и OY; xT(t) -перемещение материалов по оси OX; 5(x,t), A(x,t) - соответственно толщина стачиваемых материалов в свободном (не сжатом) состоянии и их деформация по оси OY под "лапкой" в сечении на расстоянии х от оси OY (A(x,t) О соответствует отрыву "лапки" от стачиваемых материалов), L{, L2 - расстояние от линии, проходящей через ось стержня "лапки", до левого и правого края нижней плоскости "лапки" соответственно; Lp - длина нижней рейки; ах, аг - соответственно расстояния вдоль оси ОХ от точки О до крайних левой и правой точек нижней рейки соответственно; hmK(x) - толщина пакета стачиваемых материалов в свободном (не сжатом состоянии); hlu{x) -толщина шва (в не сжатом состоянии); Ьш - длина шва; хш - расстояние по оси ОХ до начала шва. В случае если а2 L2 (см. рисунок 2.1, а), в зоне входа под "лапку" стачиваемых материалов может иметь место участок длиной s, на котором при движении нижней рейки вместе с материалами вдоль игольной пластины они сжимаются.
Динамическая модель "лапки" представлена на рисунке 2.1, б. В качестве обобщенной координаты примем перемещение у центра тяжести С "лапки" в направляющих по оси OY. На "лапку" действуют силы (см. рису /» нок 2.1, б): Fx - сила со стороны пружины 6 (см. рисунок 2.1, a); F2 - равнодействующая распределенных сил q2(x,t) (на рисунке 2.1, б не показано) в направлении оси OY со стороны стачиваемых материалов из-за их деформации на величину A(x,t); F3 - равнодействующая распределенных сил q3(x,t), xe[L2,L2 + s] (на рисунке 2.1, б не показано) со стороны стачиваемых материалов в направлении оси OY из-за наличия участка s при перемещении нижней рейки вместе с материалами вдоль игольной пластины; G сила тяжести "лапки" (G = mg, т - масса "лапки", g = 9.81 м/с2).
Динамическая модель для случая шарнирной лапки
Рассмотрим шарнирную прижимную лапку. Как уже указывалось, шарнирная лапка состоит в основном из двух деталей - державки, жестко с помощью винтов соединенной со стержнем, и корпуса лапки. Так как державка жестко соединена со стержнем будем считать стержень и державку абсолютно твердым телом - "стержнем", корпус лапки также будем считать абсолютно твердым телом - "лапкой".
На рисунке 2.2 представлена схема узла шарнирной прижимной лапки, где 1 -"лапка", 2 - стачиваемые материалы, 3 - зубчатая рейка, 4 - "стержень", 5 - упор, 6 пружина, 7 - направляющие в корпусе машины, 8 -игольная пластина. В данном случае, из-за шарнирного соединения "лапки" 1 со "стержнем" 4, при анализе динамики следует рассматривать два движения: поступательное перемещение "стержня" вдоль направляющих 7 в корпусе машины и поворот "лапки" 1 относительно "стержня" вокруг оси Ох их шарнирного соединения.
Так как соединение "лапки" со "стержнем" шарнирное, то в процессе транспортирования материалов на повороты "лапки" могут оказывать влияние, как стачиваемые материалы, так и поворот нижней зубчатой рейки относительно плоскости игольной пластины, который может иметь место в процессе рабочего хода.
Экспериментальное исследование упругих характеристик тканей
Для проведения натурного эксперимента по определению упругих характеристик тканей были выбраны такие разнотипные ткани, как бязь, костюмная и пальтовая (драп) ткани. Из них были изготовлены образцьгв один, " два и три сложения. На первом этапе определялась толщина х каждого образца ткани под действием на образец сжимающего усилия Р. Для определения толщины тканей в зависимости от приложенной к ней нагрузки использовались приборы фирмы METRIMPEX типа 6-12-1 и ТЭМ-1.
В приборе фирмы METRIMPEX типа 6-12-1 образец тканей укладывается на специальный горизонтальный столик, над которым, на конце вертикального стержня, установлен измерительный щуп. Стержень может пере мещаться в вертикальных направляющих. Для сжатия ткани используются грузы различной массы, которые устанавливаются в специальную чашу, жестко закрепленную на верхнем конце вертикального стержня. В приборе имеется возможность устанавливать измерительные щупы с различной площадью S поверхности контакта с испытываемым образцом. Вертикальное перемещение стержня относительно специального столика регистрируется шкальным измерительным прибором. При проведении испытаний в чашу укладываются грузы, шкала измерительного прибора устанавливается на ноль, измерительный щуп опускают с помощью рычага до контакта с образцом ткани и по шкале измерительного прибора считывается величина толщины ткани.
Предварительные исследования показали [129], что на результаты измерений существенное влияние оказывают: площадь поверхности измерительного щупа; величина нагрузки (сила тяжести грузов); время, в течение которого с измерительного прибора снимаются показания (после приложения нагрузки толщина ткани при одном и том же грузе медленно изменяется с течением времени). Для исключения влияния на результаты измерений последнего фактора (времени) показания шкального измерительного прибора снимались после изменения нагрузки на вертикальный стержень с помощью грузов между 8 с и 10 с.
В комплекте прибора имеется пять грузов массой по 0.5 кг, что позволяет в процессе измерений создавать нагрузку на ткани от 5 до 25 Н. Также в комплект прибора входят три сменных измерительных щупа с площадью по-верхности, контактирующей с тканью, S равной (1.0; 2.0; 5.0) см .
Прижимная лапка швейных машин, как правило, является съемным элементом (см. пункт 1.2), при этом нижняя поверхность прижимной лапки может иметь различную площадь S1. Чаще всего в швейных машинах универсального типа, например 97, 1022М, 31 кл., Бл є[1.5;2.5] см2. Для оценки влияния на результаты измерения площади щупа S на примере пальтовой ткани выполнены измерения ее толщины щупами площадью 1.0 и 2.0 см2.
Результаты измерений толщины костюмной, пальтовой ткани, бязи, в один, два и три слоя прибором METRIMPEX типа 6-12-1, приведены в таблицах 3.1-3.3 (каждый опыт повторялся пять раз). Из таблицы 3.1 видно, что площадь щупа S существенно влияет на результаты измерений. Для исключения (или уменьшения) этого влияния площадь щупа S в процессе эксперимента следует выбирать как можно ближе к площади прижимной лапки S7, и, в случае SUI Ф Sn, результаты измерений следует умножить на коэффициент Ks = S7 /S .
Как видно из таблиц 3.1 — 3.3, костюмная ткань и бязь являются наименее податливыми тканями и при нагрузке более 5 Н мало деформируются. Для получения значений толщины х костюмной ткани и бязи при нагрузке менее 5 Н использовался прибор ТЭМ-1. Данный прибор построен по принципу крутильных весов, что устраняет силу трения при создании удельных давлений и обеспечивает соответствие номинальных и фактических удельных нагрузок на образец.
Прибор ТЭМ-1 состоит из узлов нагружения и измерения толщины. Нагружение в случае, когда нагрузка меньше 0.3 Н, осуществляется специальной рукояткой, а при нагрузке больше 0.3 Н осуществляется с помощью дополнительных грузов. К прибору прилагается десять грузов массой по 0.02 кг, а также измерительные столики площадью Sltl равной 2.0 и 5.0 см2. В процессе измерений поворотом рукоятки задается нужная нагрузка (если требуется дать нагрузку более 0.3 Н, на специальную площадку кладутся дополнительные грузы из приложенного комплекта). После проверки нулевого положения на измерительный столик укладывается испытуемый образец, и производится измерение его толщины.
Пакет подпрограмм KINEMA для кинематического анализа рычажных механизмов
Для кинематического анализа реечных рычажных механизмов транспортирования материалов швейных машин на языке программирования системы инженерных и научных расчетов MATLAB [131] разработан пакет расширения KINEMA [9, 92], использующий погруппный способ анализа [69]. Пакет KINEMA включает в себя подпрограммы: кинематического анализа структурных групп II класса 2-го порядка (рисунок 4.10) и III класса 3-го порядка (рисунок 4.11), кривошипа, звена механизма, а также, различные вспомогательные подпрограммы и подпрограммы вывода графиков (см. таблицу 4.1). Пакет KINEMA выполнен открытым, что означает, что пользователь может добавлять в него собственные разработки, например, подпрограммы кинематического анализа других структурных групп.
В процессе решения задачи кинематического анализа рычажного механизма на ЭВМ определение его кинематических параметров осуществляется для ряда дискретных значений обобщенной координаты - угла поворота ср входного звена механизма. При описании кинематических характеристик в
При описании кинематических характеристик произвольной точки ме ханизма, например К, в неподвижной системе координат OXY ее параметры: Хк, YK, Х к, Y K, Х"к, Y - координаты, первая и вторая передаточные функции координат точки К в проекциях на оси ОХ и OY по обобщенной координате записываются соответственно в полях .х, .у, .vx, .vy, .wx, .wy структурной переменной К. При описании угловых кинематических параметров подвижного звена механизма, например звена с номером п, его параметры: ц п, ф і5 ф" - угловая координата звена п, ее первая и вторая передаточные функции по обобщенной координате записываются в полях Д .vfi, .wfi структурной переменной F. Имена структурных переменных могут выбираться пользователем произвольно в соответствии с правилами, принятыми в системе MATLAB, а имена полей структурных переменных должны оставаться неизменными и соответствовать именам, приведенным в таблице 4.2.
В подпрограммах кинематического анализа пакета KINEMA все угловые величины должны быть обязательно выражены в радианах. Для перевода угловых величин, заданных в градусах в радианы и наоборот можно воспользоваться соответственно подпрограммами rad() и grad(), которые включены в состав пакета KINEMA. Для облегчения задачи построения графиков зависимостей, полученных при кинематическом анализе механизма и нанесения на график необходимых обозначений в пакет KINEMA включены вспомогательные подпрограммы вывода графиков (см. таблицу 4.1).
Рассмотрим подобнее подпрограммы кинематического анализа.
При кинематическом анализе рычажных механизмов требуется определять координаты, первую и вторую передаточные функции координат шарниров и некоторых точек звеньев механизма. Указанную задачу ниже будем называть задачей кинематического анализа звена рычажного механизма и сформулируем следующим образом.
Пусть в неподвижной системе координат OXY (рисунок 4.12, а) звено АВ совершает плоскопараллельное движение. Свяжем со звеном АВ подвижную систему координат AXnYn (п — номер звена). Будем считать заданными следующие величины: ХА, YA, ц п - функции положения, определяющие положение звена АВ в неподвижной системе координат OXY; Х А, Y A, ф 7, ХА, YA, цґп - первые и вторые передаточные функции координат ХА, YA, Фп по обобщенной координате q ; Х \ Y n)- координаты точки К, расположенной на звене АВ в подвижной системе координат AXnYn:
Требуется определить: Хк, YK, Х к, Y K, Х"к, Yjl - функции положения, первую и вторую передаточные функции координат точки К звена АВ по обобщенной координате ф в проекциях на оси системы координат OXY соответственно.
Математические выражения, связывающие входные и выходные параметры звена приведены, например, в [9]. На языке программирования системы MATLAB разработана функция zvenoQ, входящая в пакет KINEMA. А структурная переменная (см. таблицу 4.2), содержащая коорди наты, первую и вторую передаточные функции координат точки А в системе координат OXY; F структурная переменная (см. таблицу 4.2), содержащая угол по ворота звена АВ относительно оси ОХ системы координат OXY и его первую и вторую передаточные функции; XKL, YKL координаты Х }, Yj "} точки К на звене АВ в подвижной системе координат AXnYn; выходные параметры:
К структурная переменная (см. таблицу 4.2), содержащая коорди наты, первую и вторую передаточную функции координат точки К в системе координат OXY. Рассмотрим задачу кинематического анализа кривошипа. Указанную задачу сформулируем следующим образом. Известны величины (рисунок 4.12, б): R- длина кривошипа ОхА; Х0 , Y0 - координаты центра оси вращения кривошипа относительно заданной неподвижной системы координат OXY; фи - угол поворота кривошипа относительно оси ОХ неподвижной системы координат OXY, причем Ф„=(ф,г)0+Ф ГДе Ф - обобщенная координата механизма, (ф„)0 - начальное значение угла поворота кривошипа.
