调节阀气缸活塞执行机构过约束分析

本 科 毕 业 设 计（ 20 届）题 目 调节阀气缸活塞执行机构 过约束分析 系 别 机电动力与信息工程系 专业班级 学生姓名 指导教师 教务处制20 年 5 月 12 日摘要调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元。随着工业领域的自动化程度越来越高，以及调节阀本身具有的自动调节、耐蚀、耐温、耐压等特点，目前正被越来越多的应用在火力发电、核电、化工、冶金、轻纺、城市供热、城市天然气等工业生产领域中。而调节阀气缸活塞执行机构作为调节阀主要的驱动机构之一，由于该执行机构中存在过多的过约束，导致该机构安装困难及工作过程中零件的严重磨损。本文在对该机构进行过约束分析和研究，然后通过增加机构自由度的方法，来改善该机构中存在的过约束。从而降低了对运动副元素的精度要求，降低了产品的制造加工成本，延长了机构的寿命。关键词：调节阀气缸活塞机构；过约束；分析；研究目录前言1第一章 调节阀简介21.1 调节阀的作用及组成.21.2 调节阀的分类及优缺点.21.3 调节阀的应用及发展前景21.3.1 调节阀的应用 21.3.2 调节阀的发展前景 .3第二章 气动调节阀5第三章 调节阀气缸活塞执行机构73.1 调节阀气缸活塞执行机构的简介.73.2 调节阀气缸活塞执行机构的组成.73.3 调节阀气缸活塞执行机构的工作过程.8第四章 调节阀气缸活塞执行机构过约束分析94.1 自由度、约束、过约束及运动副的概念.94.2 调节阀气缸活塞执行机构的工作情况分析.124.3 调节阀气缸活塞执行机构结构简图分析.134.4 过约束分析计算.144.4.1 调节阀气缸活塞执行机构过约束的计算144.4.2 过约束消除 18第五章 总结20致谢21参考文献22中国矿业大学银川学院毕业设计0前言调节阀又名控制阀，是物料或能量供给系统中不可缺少的重要组成部分。调节阀是自控系统中的执行器，它的应用质量直接反应在系统的调节品质上。作为过程控制中的终端元件，人们对它的重要性较过去有了更新的认识。调节阀在机械产品中占有相当大的比重，据国外工业发达国家统计，调节阀的产值是压缩机，风机和泵产值的总和，约占整个机械工业产值的5。它现在已经广泛应用于火力发电、核电、化工、冶金、轻纺、城市供热、城市天然气等工业部门中。调节阀是现在工业控制技术中不可缺少的部分。但令人遗憾的是，由于部分调节阀执行机构存在着过约束，就造成机构磨损比较厉害。而执行机构是调节阀的关键组成部件，所以本文对调节阀气缸活塞执行机构进行研究。结果表明，该机构结构紧凑、体积小、控制简单、反应快速、本质安全、不需另外再采取防爆措施等优点，但是该执行机构中存在过多的过约束。本文通过研究该机构的组成、原理、运动副中的约束、过约束等，发现里面存在的过约束，通过增加机构自由度的方法来改善机构中存在的过约束。从而降低了对运动副元素的精度要求，为降低了产品的制造加工成本和延长机构的寿命本找到了理论依据。中国矿业大学银川学院毕业设计1第一章 调节阀简介1.1 调节阀的作用及组成调节阀是一个局部阻力可以改变的节流元件，由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系统，通过介质的流量也可相应的改变，从而达到调节工艺参数的目的。这些工艺参数包括压力、温度、液位及流量。调节阀由阀体组件、执行机构、调节阀附件组成。阀体组件的作用是调节流量的作用，执行机构将控制信号转变成相应动作，阀体附件的作用是使调节阀的使用更方便，功能更完善，性能更好。1.2 调节阀的分类及优缺点调节阀按常用性可分为三大类：气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀。气动调节阀是指以压缩空气为动力来源的调节阀 。电动调节阀主要以电为动力来源的调节阀 。而液动调节阀则是通过把气动调节阀中的气动执行机构改为液动执行机构，从而形成液动调节阀。（1）气动调节阀比电动和液动要经济实惠，且结构简单，易与掌握校定，在现场也可以很容易实现正反左右手的互换，它最大电的优点是安全，当使用定位器时，对于易燃易爆环境是理想的，而电讯号如果不是防爆的，或本质不安全的，则有潜在的因打火而引发火灾的危险所以虽然现在电动调节阀应用范围越来越广，但在化工领域，气动调节阀还是占据着绝对优势。气动调节阀的主要缺点是相应较慢，控制精度差，抗偏离能力差。（2）电动调节阀，电动调节阀推力大，抗偏离能力较好，输出的推力和力矩基本上是恒定的，可以很好的克服介质的不平衡。电动调节阀的主要缺点有：结构较复杂更容易发生故障，且由于它的复杂性，对现场维护人员的技术要求就相对要高些，电动机运行要产热，如果调节太频繁，容易造成电机过热，产生热保护，同时也会加大对减速齿轮的磨损，运行较慢。（3）液动调节阀，优点是有较优的抗偏离能力，运行起来非常平稳，响应快，缺点是造价昂贵，体型庞大笨重大多数用于一些诸如电厂，石化等比较特殊的场合。中国矿业大学银川学院毕业设计21.3 调节阀的应用及发展前景1.3.1 调节阀的应用（1）在石化行业的应用：在石化生产中，调节阀是自动控制中起执行作用的重要组成部分，其主要应用于炼油装置、化纤装置、丙烯晴装置、合成氨装置、乙烯装置、空分装置以及聚丙烯等装置中。（2）在电力行业的应用：电站调节阀主要分布在锅炉、汽轮机和辅机 3 大系统中，其次分布在许多辅助性系统中。对于中温中压蒸汽参数的发电机组，一般采用少量的国产常规调节阀，而对于高参数、大容量火电机组，一般在大于 100 MW 以上机组，就采用越来越多的引进调节阀。参数越高，机组容量越大，火电站的热控技术，机组的安全经济运行就作为主要的目标，而各种各样的调节阀就作为实现安全运行的有效手段。（3）在城市供热行业的应用：根据供热系统的运行管理要求提出采用自力式流量调节阀是解决热网水力失调和实现节能降耗的有效途径。（4）在城市燃气中的应用：一种燃气热水器调节阀总成在设计，研制过程中所遇到的问题以及解决的方法和措施。做到了使用功能、产品质量和经济效益的统一，并力求一阀多用。（5）在冶金行业的应用：温差自力式调节阀在攀钢高炉铸铁冷却壁系统试验取得成功之后，被应用到攀钢高炉铜冷却壁系统中，以实现铜冷却壁冷却水量的l：1动调节，保护冷却壁，提高冷却水冷却能力的利用率。该温差自力式调节阀在高炉铜冷却壁运行正常，已取得初步效果。1.3.2 调节阀的发展前景调节阀的发展前景表现：智能化、标准化、精小化、旋转化、安全化。它们具体表现在如下方面：（1）智能化表现在：调节阀的自诊断，运行状态的远程通信等智能功能，使调节阀的管理方便，故障诊断变得容易，也降低了对维护人员的技能要求。（2 标准化表现在：为了实现互换性，使同样尺寸和规格的不同厂商生产的调节阀能够互换，使用户不必为选择制造商而花费大量时间。为了实现互操作性，不同制造商生中国矿业大学银川学院毕业设计3产的调节阀应能够与其他制造商的产品协同工作，不会发生信号的不匹配或阻抗的不匹配等现象。（3）精小化：采用轻质材料，采用多组弹簧替代一组弹簧，降低执行机构高度，通常，精小型气动薄膜执行机构组成的调节阀比同类型气动薄膜执行机构组成的调节阀高度要降低约 30，重量降低约 30，而流通能力可提高约 30。（4）旋转化表现在：在调节阀新品种中，旋转阀的比重增大。特别是大口径管道中，普遍采用球阀、蝶阀等类型调节阀，从国外近年的产品看，旋转阀应用的比例正逐年增长。（5）安全化：对调节阀故障信息诊断和处理要求提高，不仅要对调节阀进行故障发生后的被动性维护，而且要进行故障发生前的预防性维护和预见性维护。因此，对组成调节阀的有关组件进行统计和分析，及时提出维护建议等变得更重要。中国矿业大学银川学院毕业设计4第二章 气动调节阀本文研究的是在化工领域中用的最多的气动调节阀。气动调节阀经济实惠，且结构简单，易与掌握校定，要比其他调节阀安全点。所以研究气动调节阀是很有实用价值的。气动调节阀可分为薄膜式、活塞式，它们的工作原理如下：（1）调节阀薄膜式的工作原理如图 2-1，气动薄膜执行机构是最常用的气动执行机构工作原理如下图所示，将 20 到 100PA 的标准气压信号 P 通入薄膜气室中，在薄膜上便产生一个向下的推力，驱动阀杆部件向下移动，调节阀门打开，与此同时，弹簧被压缩，对薄膜产生一个向上的反作用力。当弹簧的反作用力与气压信号在薄膜产生的推力相等时，阀杆部件停止运动。信号压力越大，在薄膜上产生的推力就越大，弹簧压缩量即调节阀门的开度也就越大。从而对流质流量进行控制。图 2-1 气动薄膜调节阀图中国矿业大学银川学院毕业设计5图 2-2 气动活塞调节阀图（2）如图 2-2，压缩空气从气口 A 进入气缸两活塞之间中腔时，使两活塞分离向气缸两端方向移动，两端气腔的空气通过气口 B 排出，同时使两活塞的曲柄同步带动输出轴 ，曲柄顺时针方向旋转 90 度。反之压缩空气则从气口 B 进入气缸两端气腔时，使两活塞向气缸中间方向移动，中间气腔的空气通过气口 A 排出，同时使两活塞的曲柄同步带动输出轴，曲柄逆时针方向旋转 90，从而对流质流量进行控制。中国矿业大学银川学院毕业设计6第三章 调节阀气缸活塞执行机构气动调节阀的种类有两种，本文是对调节阀气缸活塞执行机构进行分析研究。3.1 调节阀气缸活塞执行机构的简介调节阀气缸活塞执行机构是一种高性能的转臂式调节阀执行机构，具有结构紧凑、体积小、控制简单、反应快速、本质安全、不需另外再采取防爆措施等优点，缺点是该机构在制造中可能存在弊端，造成该机构磨损严重，实体如下：图 3-1 调节阀气缸活塞执行机构实物图3.2 调节阀气缸活塞执行机构的组成（1）由实物图 3-1 可知调节阀气缸活塞执行机构的组成是由曲柄、圆柱销、轴、活塞、气缸组成。（2）活塞是安装在气缸中，活塞通过圆柱销把曲柄连接在一起，曲柄和轴是通过键连接，轴是安装在气缸中，轴和气缸之间是采用密封圈来密封的。中国矿业大学银川学院毕业设计7图 3-2 气关图 图 3-3 气开图3.3 调节阀气缸活塞执行机构的工作过程调节阀气缸活塞执行机构的工作原理是，它分为气开和气关两个过程，图 3-2 和图 3-3，该机构有两个通气孔，中间通气活塞向两端运动，活塞推动着曲柄做相应的转动；曲柄和 轴是连接在一起，曲柄带动着轴转动，使阀门自动启闭从而对流质流量进行控制。同理两端通气，活塞向两端运动活塞推动着曲柄做相应的转动，曲柄和轴是连接在一起，曲柄带动着轴转动最后对流质流量进行控制。中国矿业大学银川学院毕业设计8第四章 调节阀气缸活塞执行机构过约束分析在调节阀气缸活塞执行机构的使用过程中，发现该机构磨损严重，造成机构的寿命变短。下面对该机构进行研究：4.1 自由度、约束、过约束及运动副的概念（1）自由度定义：构件具有独立运动的数目（确定构件位置的独立参变量的数目）。一个构件作平面运动时，具有三个独立运动：沿x轴和y轴的移动以及绕垂直于xoy平面A轴的转动。构件的这种独立运动称为构件的 自由度。两个构件组成运动副之后，它们之间的相对运动就受到约束，相应的自由度数也随之减少。这种对构件独立运动所加的限制称为约束。自由度减少的个数等于约束的数目。所以一个作平面运动的自由构件具有三个自由度。如图4-1：图4-1 平面自由度图任何一个构件在空间自由运动时皆有六个自由度，它可表达为在空间直角坐标系内沿着三个坐标轴的移动和绕三个坐标轴的转动如下图4-2：中国矿业大学银川学院毕业设计9图4-2 构件在空间有六个自由度图（2）约束定义：对构件独立运动所加的限制称为约束。按约束力的产生及对机械运动的限制和影响来划分静力约束：静力约束(或运动约束)。其约束力的产生是由二构件以一定几何形体相接触，形成约束反力限制相对运动自由度的数量、类型和方位。其约束反力，可根据静力平衡原则求得，故称为静力约束。动力约束：是指与运动有关的力。动力约束的约束力的大小、方向和性质与系统运动的速度、加速度及系统的载荷紧密相关，其约束力是在介质、力场等的运动中产生的。按约束存在和作用的区间和范围划分内部约束：作用于机构及机械系统内部的约束，例如运动副引入的约束等，都属于内部约束。内部约束确定构件之间的独立相对运动。外部约束：即指作用于系统运动副结构之外的“力”约束，包括所有外力、惯性力及工作环境可对机械工作性能产生影响的“作用”，如温度、变形、电磁场等。按约束的特性划分常约束：不随时间改变或者约束方程中不出现时间变量的约束都属于常约束。可变约束：随时间改变或者约束方程中含有时间变量的约束，都属于可变约束。按约束的力学性质和数量划分基本约束：为实现机构或可动联接所需的基本自由度要求所加上的约束，这是机构的最基本、最重要的结构学设计问题。过约束：为了实现机构中的某种特殊要求，而加在机构结构中的、在理想状态下不影响机构机构基本自由度及约束，使系统成为超静定结构的过多的约束，我们称之为中国矿业大学银川学院毕业设计10过约束。（3）运动副定义：两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的连接。目前对过约束的研究情况 在过约束机构的分析和综合方面，俄国学者.H P e e T O B在系统总结前人研究成果的基础上，提出了运动链中的“自由度 替代 ”概念，并据此提出了能准确分析机构中过约束的数量、类型及其所在回路、同时还可判断局部自由度存在位置的“机构过约束的回路自由度分析法”，从而为消除或影响的机构自由度设计提供了方向和手段。此外，还论述了无过约束或少过约束机构的结构学设计和工程实用设计的基本方法，首次明确地指出“静定”是判断机械中有无过约束的根本标志，并将无过约束的机构称为“自调机构”。A.C p e H N K O B通过对机构约束特性的研究，提出了对加工误差不敏感的“结构最优机构”设计原则，从而将机构结构学理论与工程实际、将机械设计与机械制造有机结合起来，为学科的发展与交叉融合作出了贡献。李宗良等分析了虚约束（平面过约束）对机械工作能力和可靠性的影响，提出了“最优结构的机构”的综合准则。曲继方等提出了应用机构自适应变换原理，通过选用自位轴承、基本构件浮动、运动副合理选配及组合等消除过约束的方法；金琼等对于常规位置分析为一解的空间单回路，阐明了过约束机构存在条件包含过约束条件和封闭条件两部分，检验了两个已有的5杆过约束的存在条件，为发现新的过约束机构提供了理论依据：更具创建性的是在常规的过约束三种分析方法：几何法（由几何直观或综合推理得到的过约束机构）、螺旋理论（有直观分析法和螺旋相关性判别法，其出发点是瞬时速度分析，即只能研究机构的瞬时可动性，而不能保证其恒可动性）以及解析法的基础上，提出了基于单开链运动相容性的过约束机构分析新方法。美国学者Mavroidis C.等对机构过约束的分析计算也进行了深入研究，提出了将单闭环机构的末杆与机架断开，采用D 一H 标记法，建立构件间的坐标转换矩阵并求解机械手末端特征多项式的根，由此判断单闭环机构过约束的方法。美国学者BagciC. 研究了有限元梁单元模型和静不定次数来确定结构自由度，进而确定单环和多环机构中过约束的方法。美国学者HaugEJ在机构的结构分析中，采用了解析法和计算机辅助分析技术，提出了一种通过建立机构（运动链）的约束方程和约束Jacobi矩阵，识别机构中由于重复结构而引入的多余约束以及消除多余约束的数值计算方法，将过约束的定量分析方法向前推进了一步。以上研究大多局限于对过约束的理论分析计算和识别判断方法，以及过约束机构的设计及某些应用的研究，而对最普遍、最基础、应用也最广泛的平面闭链中的过约束中国矿业大学银川学院毕业设计11的综合适用分析，以提高机械品质、降低成本为目标的消除或减少过约束的不利影响，以及基于约束不确定的自调、自适应结构学设计、工程实用化结构设计及应用等方面的研究则涉及较少。秦伟、林军等在分析、总结上述研究成果的基础上，讨论了机构无过约束设计的一般理论和方法。系统地总结和发束展了“零自由度结构组”、“平面自调结构组”以及初步采用了行星齿轮机构的“结构集”等概念，明确地提出了这些“组”、“集”的构型原理和设计准则，提出了某些结构消除过约束结构的所有可能的配置方案及评判、优选的原则。过约束的危害具体表现在下列几个方面：过约束系统的障碍和超静定性质，导致构件及运动副元素在运转过程中的强制变形，使运动副中的作用力急剧增大，机械效率降低；还使运动副的磨损加快，降低了机械工作的可靠性、精度和使用寿命。由于上述弹性变形和附加载荷一般是周期性或随机性的，加上运动副间隙的增大，这是引起系统振动、冲击和噪声的重要根源，因此影响了机械工作的平稳性，并造成了对环境的噪声污染。过约束障碍还会造成安装拆卸的困难，影响产品的顺应性要求，不利于产品的自动、快捷的装配。为了降低平面约束不确定性、消除或减小过约束的影响，保证平面运动约束，需要有较高的制造精度和结构刚度（特别是在一些为了保证工作可靠性与稳定性而采用的重复运动副结构和重复对称机构结构等，以及高精度、大功率的机械系统中）等，从而提高了制造的难度和成本。平面约束将导致机械中力的不均衡性及实现自动调节和补偿的困难，影响机械工作的静定性和动态稳定性以及对外部环境变化的适应性。4.2 调节阀气缸活塞执行机构的工作情况分析尽管气缸活塞执行机构拥有诸多的优点，但是在此产品的实际应用过程中，与齿轮齿条式气动执行机构相比，其工作寿命要短，其失效形式主要有以下三种：活塞孔被拉断、圆柱销磨损严重甚至是断裂、曲柄槽部磨损严重。（1）活塞磨损分析活塞作为整个气缸活塞执行机构的原动件，其磨损是不能忽视的，如图 4-3 所示，活塞臂的外侧磨损严重，显然是与气缸体的内壁相互摩擦所致。如图 4-4所示，可以发现活塞臂的内侧也由一定的磨损，分析气缸活塞执行机构的装配图以及零中国矿业大学银川学院毕业设计12件之间的配合关系，发现在设计时，忽视了活塞臂的内侧会与输出轴上起轴向定位的导套发生碰撞，从而造成了活塞臂的内侧的磨损。图 4-3 活塞壁外侧磨损情况图 图 4-4 活塞壁内侧磨损情况图图 4-5 圆柱销磨损状况图（2）圆柱销磨损分析如 4-5 左图所示，圆柱销已经由原来的圆柱状被磨损为近似三棱柱状。圆柱销是气缸活塞执行机构动力传递的关键零件之一，也是执行机构发生故障最高的零件之一，一旦圆柱销发生故障，整个执行机构将无法正常工作，因此此处主要对圆柱销的磨损进行了较详细的分析。圆柱销在工作时产生故障的原因主要是磨损严重，其磨损的形式主要有以下 3 种：疲劳磨损由气缸活塞执行机构的输出转矩可以看出，机构输出周期性变化的载荷，故圆柱销在机构工作过程中也将受到周期性变化的载荷，从而使其产生疲劳磨损，具体而言就是指圆柱销连续运行了一定时间而发生的破损，体现形式为圆柱销磨损较均匀。对外体现的现象为执行机构的噪声加大，效率降低。瞬间冲击磨损在气缸活塞执行机构换向动作的瞬间，由于曲柄的瞬间冲击，且此冲击力较大，使得圆柱销在整个工作行程内受力不均，最容易造成圆柱销变形。粘合磨损由于设计不妥的缘故，在工作过程中圆柱销和活塞孔会产生粘合，致使圆柱销在工作过程中无法实现其绕自身轴向的转动，使得圆柱销和曲柄之间的滚动中国矿业大学银川学院毕业设计13摩擦转变为滑动摩擦，从而加速圆柱销本身以及曲柄的磨损。图 4-5 中右图即属于此种情况。由此可见，对气缸活塞执行机构进行研究是必须的。4.3 调节阀气缸活塞执行机构结构简图分析图4-6 调节阀气缸活塞执行机构结构简图对图4-6 运动副得分析如下：（1）由运动副A：活塞和气缸体之间的联结副；可知该活塞气缸中只能做直线运动，两者之间是通过面接触，故该运动副是低幅，是V 级移动副。（2）动副B 和运动副B ：分别为两圆柱销与活塞之间的联结副；可知该，两圆柱销只能在活塞中转动，两者之间是通过面接触，故该运动副是低幅，V 级转动副。（3）运动副C和运动副C：分别为输出轴与气缸体之间的联结副，可知；输出轴只能在气缸中转动，两者之间是通过面接触，故该运动副是低幅，是V 级转动副。（4）运动副D：圆柱销和曲柄的连接副可知圆柱销在曲柄中既可以转动又可以移动，两者之间是通过线接触，故该运动副是级高副。4.4 过约束分析计算由于不可避免的制造误差，调节阀气缸活塞执行机构中广泛存在的过约束，造成对机械性能的一系列有害影响。机构中存在的过约束对所提出的精度要求以及机构中存在的误差是敏感的，在误差存在的条件下，就会出现过约束，这些过约束与原来的约束相矛盾”。故要对过约束进行计算。中国矿业大学银川学院毕业设计144.4.1 调节阀气缸活塞执行机构过约束的计算有图4-6 可知：如果仅仅按平面图计算自由度，该机构的 =33-23-32LHFnP1=2，该机构有两个自由度。依该机构整体为研究对象可知：该机构只有一种运动方式，即只有一个自由度，而求出来有两个自由度，所以该机构还有一个局部自由度。其过约束按切贝舍公式求得Q= F + +2 -3n=2+1+23-33=0即机构不存在过约束；而调节阀HPL气缸活塞执行机构是空间机构；所以分析要依空间为依据分析；如图4-6所示：A、B、 B、 C、C五处运动副均为V级副，圆柱销和曲柄在 D处构成平面高副，在空间是级高副，以空间为依据计算气缸活塞执行机构中的过约束如下： （2）用公式法计算机构中存在的过约束；机构过约束的公式计算法有多种，易于理解和应用的有马雷舍夫公式法和阿诺尔公式法两种，在这里我们取其中的一种公式法来计算机构中的过约束也就是马雷舍夫公式法。马雷舍夫公式法：对于具有n个活动构件的机构，假若所有活动构件都是自由体，则构件的自由度之和为6n ，如果机构中 级运动i副数为 则引入的约束数为 ，因此，所有运动副的约束数之和为 。在所引入的约iPiP51iip束总数中，可能包含一些过约束（虚约束或重复约束）q ，这些过约束重复其他约束，并不减少机构的自由度，只是使机构变为超静定系统，所以在计算机构自由度时，应从约束总数中将这些过约束减掉。因此可以得出机构的自由度F为：F=6n-（ -q）51iip由此可得：q=F-6n+ 其中：F= + ： 是机构的基本自由度， 是机构中的局部51iip0FP0 PF自由度（包括构件的局部自由度和杆组的局部自由度） ，q是过约束数，n是可动构件数，是i级运动副的数量。有公式得：q=F-6n+ 。解析：以整P51ip3658217体为研究对象，该机构是对称该机构有三个自由度，一个是基本自由度再局部来看还有两个局部自由度。机构中一共有5个可以独立运动的构件有8个V 级的副和两个的高副。由此可知该机构有17个过约束。（3）对重复运动副结构中的过约束进行计算从机构结构学和运动学角度考虑，在两个构件之间只能有一个运动副(可动联接)，但是在许多情况下，特别是当传递的力很大时，为了改善构件的受力状况、增加机构的刚中国矿业大学银川学院毕业设计15度和工作可靠性，在两构件之间常常采用重复的运动副结构。这种结构的主要结构性能可由其过约束数q来表明，q越大，其制造精度要求越高，对变形等越敏感，装配和拆卸也越困难。重复运动副结构中的过约束数q可用下式来计算： 1kiiqSs式中：q为重复运动副结构中的过约束数； 表示第i个运动副引入的约束数；S 该运动副所必须的基本结构约束数；K重复运动副结构中的运动副数。气缸活塞执行机构中的转动副B和 B构成重复运动副，此处提供的过约束数q=5+55=5；C和C处也构成重复运动副，也提供相同的过约束即q=5+55=5 ；由于该机构为上下对称的两部分即该机构中的重复过约束5+5+5=15。（4）自由度回路法分析过约束 根据回路自由度分析法，下面对气缸活塞执行机构回路中存在的过约束类型加以分析：利用公式法可快速准确地得到机构中的过约束数目，但无法确定机构中过约束的类型和所在回路。另一方面在所有计算公式中都必须己知机构及机械系统的自由度F，包括机构的公共自由度 （也称之基本自由度或驱动自由度）和局部自由度 （包括构件的0F PF局部自由度和杆组的局部自由度） ，然而在进行消除或减小过约束影响的自由度设计时局部性。运用前面的公式计算法还难以确定过约束所在回路，特别是对于多回路的具有空间运动副的平面机构更是如此。究其原因在于：首先公式计算法没有将自由度（或约束）明确地进行分类，即没有将6个自由度分为平面自由度（ ， 和 ）与非平面自由度xSyz（ , ，和 ) ，其中S表示沿坐标轴的移动自由度， 表示绕坐标轴的转动自由度；其xyz次公式计算法是以运动副的自由度（或约束）为对象进行分析计算，而忽视了自由度和约束在机构回路中构件间的传递与衍生。鉴于此，并为了弥补公式计算法的不足，得到既可用于过约束分析、又可用于消除或减小过约束影响设计的过约束分析方法，因而提出了以自由度的分解和替代为基础、以闭合回路为对象的回路自由度分析法。由图可知运动副ABCD构成一个回路。按自由度回路法分析：运动副A一活塞和气缸体之间的联结副，只能沿着 X轴方向移动即 。xS运动副B 一圆柱销与活塞之间的联结副，只能绕Z轴进行转动 。z中国矿业大学银川学院毕业设计16运动副C 一为输出轴与气缸体之间的联结副，只能绕着Z 轴进行转动 。z运动副D一圆柱销和曲柄的连接副，因为该链接是空间 级副，它既可以沿着Z 轴方向进行移动 ，绕着Y轴进行转动 ，也可以绕着Z 轴进行转动 ，沿着X轴进行移动 。zSyz xS自由度事先常常是难以知道和确定的，因而造成了公式计算法应用的困难和局限性，特别是在进行消除或减小过约束影响的自由度设计时缺乏具体的指导作用。自由度回路法在分析、设计机构和机械系统时，能够确定系统中任一存在的自由度和过约束，以便于评价设计的合理。列表如下图：表4-1 回路自由度+ + xSyz+ +xyzSABCDD A D BC0 D D分析过程:在结构简图中，将运动副的自由度分为平面自由度和非平面自由度两类，分别列在右边两栏中，其中左栏依ABCD为一个回路，中间的是平面自由度( ， 和 )，xSyz右栏为非平面自由度（ ， ，和 ）。每个字母在机构简图中表示运动副，在结构简xyzS图中则标明一个相应的自由度。字母在结构简图中出现的次数与该运动副的自由度相同，若为0，则表示回路中所有运动副缺少的自由度。自由度“替代”用带箭头的折线表示，箭头指向相应的0，折线上的两根小引线所指为相应的替代构件。如果箭头向上且不指向0，则表示机构的自由度（包括基本自由度和局部自由度），这时，两根小引线所指为输出（或具有）该自由度的构件。由上表可以看出，该四杆机构具有两个自由度，一个是机构的基本自由度，另一个是运动副D具有的局部自由度。（5）由表4-1可以看出：该机构具有两个自由度，一个是机构的基本自由度，另一中国矿业大学银川学院毕业设计17个是局部自由度。由于该机构缺少绕X轴转动的自由度（ =0）说明该机构存在绕X轴转x动的过约束（ =1），由于该机构为上下对称的两部分，所以另一部分也存在绕X轴转动x的过约束（ =1），所以该机构的总过约束为15+2=17。（6）综合以上算计结果：可以知道用公式法和自由度回路加上重复运动计算过约束的公式，都得出该机构中的过约束为17。这样对该机构中的过约束数就可以确定了。所以要对该机构中的过约束进行改善。4.4.2 过约束消除气缸活塞执行机构在工作过程中由于形位误差圆柱销和活塞孔很可能会粘合，致使圆柱销在工作过程中无法实现其绕自身轴向的转动，使得圆柱销和曲柄之间的滚动摩擦转变为滑动摩擦，从而加速圆柱销本身以及曲柄的磨损。所以消除过约束可以从运动副配置上消除过约束，所以这里采用降低运动副级数的方法，即将运动副B和B由原来的VV级运动副( 图4-7) 换为 一级运动副( 图4-8) ，以消除此处重复运动副带来的过约束。因曲柄通过输出轴与气缸体相联结，考虑到输出轴的平面运动特及运动的平稳性，所以运动副C 和C仍为V级转动副。经过设计后过约束还剩5+2=7；要实现改进后的结构见图4-8，可以借助不同类型的轴承来实现。具体解析如下：为使过约束机构能够无障碍的顺畅可靠的工作，要求运动副有较小的形位误差，因此在设计时，对这些形位误差要有严格的限制。由于设计精度的提高，增加了制造难度和制造成本，增大了装配拆卸的难度，不利于自动快捷的装配，降低了装配效率。过约束障碍和超静定性质，导致构件及运动副元素在运动转动过程中的强制变形，使运动副中的作用力急剧增大，磨损加快、机械效率、工可靠应能力降低 。因此我们应尽可能的减少或消除机构中的过约束，以降低由于运动副形位误差带来的上述不利影响，降低机构对各种误差因素的敏感度。为了减少该机构中的过约束数，可以采用降低运动副级别的方法，也就是增加运动副中自由度的方法。由于原气缸活塞执行机构中两圆柱销与活塞间的联结副(运动副B和B)和输出轴与箱体间的联结副(运动副C和C)均为V级转动副，构成了重复运动副，而导致机构中存在过多的过约束，使得机构磨损比较厉害。 中国矿业大学银川学院毕业设计18图4-7 改进前调节阀的过约束 如图4-8 改进后调节阀的过约束小结：通过对调节阀气缸活塞执行机构的研究，认识到了该机构在运行的过程中，磨损比较厉害，相比齿轮齿条式气动执行机构寿命要短，机构存在过多的过约束，然后通过对机构运动副的研究进而通过公式计算法和自由度回路法计算该机构中存在的过约束，发现机构中一共有 17 个过约束，最后通过从运动副配置上消除过约束。最终解决了该机构中存在的过多的过约束。中国矿业大学银川学院毕业设计19第五章 总结通过对调节阀气缸活塞执行机构运动副自由度和过约束进行研究，它研究的对象是机构本身。由于过约束的存在，造成机构对制造、安装误差特别是运动副元素的形位误差十分敏感，同时由于不可避免的内部和外部不确定因素的影响，常会造成机构运动的障碍及系统中某些构件的变形和运动副中的附加动载荷，使其动力特性较差，如不通过设计加以解决，则难以满足高效率、高稳定性的要求。因此，研究存在运动副形位误差对调节阀气缸活塞执行机构的动力学性能的影响程度，为机构的误差控制和精度设计提供了基础。经改善后的气缸活塞执行机构中运动副的过约束明显减少，从而有效的减小了运动副的磨损及系统弹性振动；同时运动副形位误差对机构性能影响的敏感度降低，从而降低了对运动副元素的精度要求，即降低了产品的制造加工成本。而寻求新的、性能良好新型机构，并在新的应用中不断完善与创新，使其能够高效率、高稳定的可靠工作，以满足现代科学技术发展的迫切要求，乃是当前所共同关注的问题。这些问题的解决有着重要的理论意义和工程应用价值。中国矿业大学银川学院毕业设计20致谢首先，我要感谢我的导师方立霞，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，给了起到了指明灯的作用；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中。其次我要感谢同组同学对我的帮助和指点，没有他们的帮助和提供资料，没有他们的鼓励和加油，这次毕业设计就不会如此的顺利进行。此次毕业设计历时二个月，是我大学学习中遇到过的时段最长、涉及内容最广、工作量最大的一次设计。我此次的任务是改善调节阀气缸活塞执行机构存在的过约束。虽说老师说的话让此次的毕业设计看起来不是那么的可怕，但是当我真的开始着手时，还的确是困难重重。从课题的选择到项目的最终完成，老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，他们真正起到了“传道授业解惑疑”的作用，让人油然而生的敬佩。除此之外，我们组和老师还有另外两个交流途径：打电话和上网，为此老师还特意建立一个群，以便大家第一时间接收到毕业设计的最新消息和资料，每次大家都在群不亦乐乎的讨论着毕业设计的事情。多少个日日夜夜，方老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，除了敬佩老师们的专业水平外，他们的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。在此谨向方丽霞老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后我还要感谢我的母校中国矿业大学银川学院四年来对我的栽培。中国矿业大学银川学院毕业设计21参考文献1安培文.平面连杆机构的过约束及自调结构的分析与设计研究D,重庆,重庆大学 2003.2林秋鸿. 气动调节阀(上)J.化工自动化及仪表,1980,8.3黄勇刚.平面 3-RRR 并联机构过约束分析及自调结构设计,2006.4李文辉.由度分析几何约束求解方法中过约束和欠约束的处理,2003.5赵鹏云.平面连杆机构自调结构分析与综合,重庆大学,2006,4,1.6孙恒.机械原理教育指南北京高等教育出版社,1998.7解怀仁.国外调节阀的发与动向.化工自动化及仪表,1981,5,31.8赵鹏云.平面连杆机构自调结构分析与综合,2006,4.9安培文.具有重复结构的平面连杆机构的过约束分析,2006,6.10郭贯之.平面连杆机构自由度的简单环路计算法. 1994,6.11李曼林.平面连杆机构设计实验的开发与实践,2010,2.12谢玉东.调节阀执行机构研究,山东大学,机械工程学院 , 2008.13浦铭祥.调节阀J.化工自动化及仪表 ,1981(07).