基于高速运动的织物与滚筒机械系统动力学性能研究

论文摘要

本课题来源于国家自然科学基金资助项目“机械—纤维、织物耦合系统若干动力学问题的研究”(项目编号:50575039),是该资助项目的一个子项目,研究的重点是高速状态下织物与机械系统的动力学特性。在纺织和染整加工过程中,织物及其加工设备(特别是滚筒)组成了一个复杂系统。当加工速度较高时,这个系统的动态特性会影响织物的加工质量以及机械设备的加工性能,如织物的印染和后整理质量下降,产生疵布或低品质织物,大大降低了纺织产品的附加值;对于机械设备来说,加剧了关键零部件的振动,加快了设备的损坏。故对织物及滚筒系统在高速运动情况下的动态性能的研究十分重要,也越来越受到纺织界的关注。由于本研究系统中的织物与滚筒是两种性能完全不同的材料,并且存在着耦合作用,到目前为止国内外对这方面的研究很少,也没有现成的理论可以借用。本文借助于运动系统动力学的方法,对运动织物的动力学特性以及织物—滚筒系统动力学特性作了一些探索,旨在发现其中最基本的运动规律,为我国先进纺织机械的自主开发提供理论依据及实际应用参考。理论模型的建立是研究的基础,论文中分别运用弹性力学方法和Hamilton原理建立了运动织物及系统的动力学模型。纵向运动织物的振动是三维空间的,即其沿x,y,z三个方向都会产生振动。但从织物在纺织和染整加工中的状态来看,其横向振动远大于其面内振动,所以在初步研究时可将该系统简化为两维振动。在纺织和染整加工过程中,运动织物的受力有两种情况,一种是两对边受力;另一种是四边均受力。论文首先分析了织物两对边受力的情况,得到了纵向运动织物固有频率的计算公式,以及产生共振的条件。分析表明:纵向运动织物的固有频率随着运行速度的增加和滚筒间距的增加而逐步降低,而随着织物两对边所受拉力的增加逐步提高。当纵向运动织物的固有频率是滚筒角速度的整数倍时将发生共振,此时织物将出现剧烈的横向振动,这对织物的加工是非常不利的,因此在实际生产时应避免发生共振。纵向运动织物四边受力情况的动力学特性要比两对边受力时复杂得多,它除了具有两对边受力时的特性以外,还有自己独特的性质。当无量纲速度小于第一临界速度时,织物固有频率随着无量纲速度的不断增加而减小:当无量纲速度处于第一和第二临界速度之间时,织物的固有频率为复数,织物失稳;当无量纲速度大于第二临界速度时,织物固有频率随着无量纲速度的不断增加而增加。因此纵向运动织物的振动存在一个由稳定到不稳定再回到稳定的过程。搞清这一运动特性很有意义,在设计时可以选择各项参数使系统工作在稳定区。纵向运动织物与滚筒组成一个运动系统时,其动力学特性是很复杂的,运动织物和滚筒相互影响。本文采用传递矩阵法,并考虑织物和滚筒的等效刚度和等效质量,分析了织物和滚筒系统的扭转振动,分别讨论了织物对滚筒以及滚筒对织物的影响。随着织物弹性模量的增大,滚筒扭振频率增加;随着织物长度的增大,滚筒的扭振频率却减小。织物的固有频率随着滚筒转矩的增加而逐步提高;织物的固有频率随着滚筒间距的增加而逐步降低,且影响比较显著,滚筒间距越大,固有频率越低。运动织物的非线性振动十分复杂,本文采用同伦摄动法进行求解,分析表明它与线性振动有很大的不同,织物的非线性振动固有频率除与其运动速度、织物的幅宽、滚筒间距、周边张力以及织物刚度有关外,还与织物的振幅有关,其固有频率随着振幅的增加而增加。除具有一般的共振特性外,织物还存在内共振现象,其两个模态的固有频率是相互耦合的,而且当它们相等时,将会发生内共振。织物与滚筒系统在静止和运动状态下,其固有频率是不相同,发生共振的条件也不一样。针对织物与滚筒系统在静止状态下的固有频率的测试可采用已有成熟技术,但织物与滚筒系统在运动状态下的固有频率的测试,目前尚无好的方法。为此,文中采取了间接的定性测量方法。当滚筒转速达到共振条件时,匀速运动的滚筒和织物系统的振幅将会达到最大值。理论上可以计算出无阻尼共振条件时的滚筒转速,然后通过调整滚筒转速来实验验证。对于织物和滚筒的振幅分别采用不同的方法进行了测量,实验结果与理论值基本吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题的工程背景及意义
• 1.2 相关研究回顾与发展
• 1.2.1 织物的拉伸应力应变
• 1.2.2 织物变形模型
• 1.2.3 新的织物力学理论
• 1.2.4 纵向运动物体的动力学特性研究
• 1.3 本文的主要研究内容及创新点
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 主要创新点
• 1.4 本章小结
• 第二章 织物与滚筒机械系统的动力学建模
• 2.1 建模方法
• 2.1.1 分析力学方法
• 2.1.2 多刚体动力学方法
• 2.1.3 弹性力学方法
• 2.2 运动织物的动态模型建立
• 2.2.1 几何关系
• 2.2.2 弹性关系
• 2.2.3 平衡关系
• 2.2.4 边界条件
• 2.2.5 模型的简化
• 2.3 系统模型的建立
• 2.4 本章小结
• 第三章 两端受力的纵向运动织物的振动分析
• 3.1 自由振动分析
• 3.1.1 固有频率计算
• 3.1.2 固有频率分析
• 3.1.3 主振动特性分析
• 3.2 强迫振动分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 四边受力的纵向运动织物的振动分析
• 4.1 忽略哥氏加速度时织物的横向振动分析
• 4.1.1 运动方程及求解
• 4.1.2 固有频率分析
• 4.1.3 振型分析
• 4.1.4 强迫振动分析
• 4.2 考虑哥氏加速度时织物的横向振动分析
• 4.2.1 运动微分方程
• 4.2.2 无量纲固有频率因子求解
• 4.2.3 无量纲固有频率因子分析
• 4.3 特殊情况的分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 织物与滚筒系统的动力学分析
• 5.1 织物特性对滚筒扭振的影响
• 5.1.1 滚筒系统的参数转换
• 5.1.2 状态传递方程和传递矩阵
• 5.1.3 滚筒系统的扭振固有频率
• 5.1.4 织物的物理参数对滚筒系统扭振固有频率的影响
• 5.2 滚筒对织物固有频率的影响
• 5.2.1 织物固有频率的计算
• 5.2.2 织物固有频率的影响因素
• 5.3 本章小结
• 第六章 纵向运动织物的非线性振动分析
• 6.1 纵向运动织物的大挠度非线性横向振动的单模态分析
• 6.1.1 织物非线性偏微分方程
• 6.1.2 单模态分析
• 6.1.3 频率分析
• 6.2 双模态分析
• 6.3 考虑织物材料的非线性时的振动分析
• 6.3.1 织物静止时的情况
• 6.3.2 织物运动时的情况
• 6.4 本章小结
• 第七章 运动织物固有频率的实验研究
• 7.1 实验台的研制
• 7.2 实验条件及参数
• 7.3 实验方案设计
• 7.4 方法及结果
• 7.5 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 攻读学位期间参加的科研工作
• 致谢