調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)約束分析

《調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)約束分析》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)約束分析（25頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 20 屆）題 目 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu) 過(guò)約束分析 系 別 機(jī)電動(dòng)力與信息工程系 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 教務(wù)處制20 年 5 月 12 日摘要調(diào)節(jié)閥是工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程控制中的重要執(zhí)行單元。隨著工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，以及調(diào)節(jié)閥本身具有的自動(dòng)調(diào)節(jié)、耐蝕、耐溫、耐壓等特點(diǎn)，目前正被越來(lái)越多的應(yīng)用在火力發(fā)電、核電、化工、冶金、輕紡、城市供熱、城市天然氣等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。而調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為調(diào)節(jié)閥主要的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之一，由于該執(zhí)行機(jī)構(gòu)中存在過(guò)多的過(guò)約束，導(dǎo)致該機(jī)構(gòu)安裝困難及工作過(guò)程中零件的嚴(yán)重磨損。本文在對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行過(guò)約束分析和研究，然后通過(guò)增加機(jī)構(gòu)自由度的方法，來(lái)改善該機(jī)構(gòu)中存在的過(guò)約束。從而降低了對(duì)運(yùn)動(dòng)副元素的精度要求，降低了產(chǎn)品的制造加工成本，延長(zhǎng)了機(jī)構(gòu)的壽命。關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)閥氣缸活塞機(jī)構(gòu)；過(guò)約束；分析；研究目錄前言1第一章 調(diào)節(jié)閥簡(jiǎn)介21.1 調(diào)節(jié)閥的作用及組成.21.2 調(diào)節(jié)閥的分類(lèi)及優(yōu)缺點(diǎn).21.3 調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用及發(fā)展前景21.3.1 調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用 21.3.2 調(diào)節(jié)閥的發(fā)展前景 .3第二章 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥5第三章 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)73.1 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)介.73.2 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成.73.3 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程.8第四章 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)約束分析94.1 自由度、約束、過(guò)約束及運(yùn)動(dòng)副的概念.94.2 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作情況分析.124.3 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖分析.134.4 過(guò)約束分析計(jì)算.144.4.1 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)約束的計(jì)算144.4.2 過(guò)約束消除 18第五章 總結(jié)20致謝21參考文獻(xiàn)22中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)0前言調(diào)節(jié)閥又名控制閥，是物料或能量供給系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。調(diào)節(jié)閥是自控系統(tǒng)中的執(zhí)行器，它的應(yīng)用質(zhì)量直接反應(yīng)在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)上。作為過(guò)程控制中的終端元件，人們對(duì)它的重要性較過(guò)去有了更新的認(rèn)識(shí)。調(diào)節(jié)閥在機(jī)械產(chǎn)品中占有相當(dāng)大的比重，據(jù)國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家統(tǒng)計(jì)，調(diào)節(jié)閥的產(chǎn)值是壓縮機(jī)，風(fēng)機(jī)和泵產(chǎn)值的總和，約占整個(gè)機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值的5％。它現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電、核電、化工、冶金、輕紡、城市供熱、城市天然氣等工業(yè)部門(mén)中。調(diào)節(jié)閥是現(xiàn)在工業(yè)控制技術(shù)中不可缺少的部分。但令人遺憾的是，由于部分調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在著過(guò)約束，就造成機(jī)構(gòu)磨損比較厲害。而執(zhí)行機(jī)構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵組成部件，所以本文對(duì)調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、控制簡(jiǎn)單、反應(yīng)快速、本質(zhì)安全、不需另外再采取防爆措施等優(yōu)點(diǎn)，但是該執(zhí)行機(jī)構(gòu)中存在過(guò)多的過(guò)約束。本文通過(guò)研究該機(jī)構(gòu)的組成、原理、運(yùn)動(dòng)副中的約束、過(guò)約束等，發(fā)現(xiàn)里面存在的過(guò)約束，通過(guò)增加機(jī)構(gòu)自由度的方法來(lái)改善機(jī)構(gòu)中存在的過(guò)約束。從而降低了對(duì)運(yùn)動(dòng)副元素的精度要求，為降低了產(chǎn)品的制造加工成本和延長(zhǎng)機(jī)構(gòu)的壽命本找到了理論依據(jù)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)1第一章 調(diào)節(jié)閥簡(jiǎn)介1.1 調(diào)節(jié)閥的作用及組成調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件，由于閥芯在閥體內(nèi)移動(dòng)，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，即改變了閥的阻力系統(tǒng)，通過(guò)介質(zhì)的流量也可相應(yīng)的改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的目的。這些工藝參數(shù)包括壓力、溫度、液位及流量。調(diào)節(jié)閥由閥體組件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥附件組成。閥體組件的作用是調(diào)節(jié)流量的作用，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將控制信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)動(dòng)作，閥體附件的作用是使調(diào)節(jié)閥的使用更方便，功能更完善，性能更好。1.2 調(diào)節(jié)閥的分類(lèi)及優(yōu)缺點(diǎn)調(diào)節(jié)閥按常用性可分為三大類(lèi)：氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液動(dòng)調(diào)節(jié)閥。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是指以壓縮空氣為動(dòng)力來(lái)源的調(diào)節(jié)閥 。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥主要以電為動(dòng)力來(lái)源的調(diào)節(jié)閥 。而液動(dòng)調(diào)節(jié)閥則是通過(guò)把氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥中的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改為液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而形成液動(dòng)調(diào)節(jié)閥。（1）氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥比電動(dòng)和液動(dòng)要經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易與掌握校定，在現(xiàn)場(chǎng)也可以很容易實(shí)現(xiàn)正反左右手的互換，它最大電的優(yōu)點(diǎn)是安全，當(dāng)使用定位器時(shí)，對(duì)于易燃易爆環(huán)境是理想的，而電訊號(hào)如果不是防爆的，或本質(zhì)不安全的，則有潛在的因打火而引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)所以雖然現(xiàn)在電動(dòng)調(diào)節(jié)閥應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，但在化工領(lǐng)域，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥還是占據(jù)著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的主要缺點(diǎn)是相應(yīng)較慢，控制精度差，抗偏離能力差。（2）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥推力大，抗偏離能力較好，輸出的推力和力矩基本上是恒定的，可以很好的克服介質(zhì)的不平衡。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的主要缺點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜更容易發(fā)生故障，且由于它的復(fù)雜性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的技術(shù)要求就相對(duì)要高些，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行要產(chǎn)熱，如果調(diào)節(jié)太頻繁，容易造成電機(jī)過(guò)熱，產(chǎn)生熱保護(hù)，同時(shí)也會(huì)加大對(duì)減速齒輪的磨損，運(yùn)行較慢。（3）液動(dòng)調(diào)節(jié)閥，優(yōu)點(diǎn)是有較優(yōu)的抗偏離能力，運(yùn)行起來(lái)非常平穩(wěn)，響應(yīng)快，缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴，體型龐大笨重大多數(shù)用于一些諸如電廠，石化等比較特殊的場(chǎng)合。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)21.3 調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用及發(fā)展前景1.3.1 調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用（1）在石化行業(yè)的應(yīng)用：在石化生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)控制中起執(zhí)行作用的重要組成部分，其主要應(yīng)用于煉油裝置、化纖裝置、丙烯晴裝置、合成氨裝置、乙烯裝置、空分裝置以及聚丙烯等裝置中。（2）在電力行業(yè)的應(yīng)用：電站調(diào)節(jié)閥主要分布在鍋爐、汽輪機(jī)和輔機(jī) 3 大系統(tǒng)中，其次分布在許多輔助性系統(tǒng)中。對(duì)于中溫中壓蒸汽參數(shù)的發(fā)電機(jī)組，一般采用少量的國(guó)產(chǎn)常規(guī)調(diào)節(jié)閥，而對(duì)于高參數(shù)、大容量火電機(jī)組，一般在大于 100 MW 以上機(jī)組，就采用越來(lái)越多的引進(jìn)調(diào)節(jié)閥。參數(shù)越高，機(jī)組容量越大，火電站的熱控技術(shù)，機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行就作為主要的目標(biāo)，而各種各樣的調(diào)節(jié)閥就作為實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行的有效手段。（3）在城市供熱行業(yè)的應(yīng)用：根據(jù)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行管理要求提出采用自力式流量調(diào)節(jié)閥是解決熱網(wǎng)水力失調(diào)和實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的有效途徑。（4）在城市燃?xì)庵械膽?yīng)用：一種燃?xì)鉄崴髡{(diào)節(jié)閥總成在設(shè)計(jì)，研制過(guò)程中所遇到的問(wèn)題以及解決的方法和措施。做到了使用功能、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一，并力求一閥多用。（5）在冶金行業(yè)的應(yīng)用：溫差自力式調(diào)節(jié)閥在攀鋼高爐鑄鐵冷卻壁系統(tǒng)試驗(yàn)取得成功之后，被應(yīng)用到攀鋼高爐銅冷卻壁系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)銅冷卻壁冷卻水量的l：1動(dòng)調(diào)節(jié)，保護(hù)冷卻壁，提高冷卻水冷卻能力的利用率。該溫差自力式調(diào)節(jié)閥在高爐銅冷卻壁運(yùn)行正常，已取得初步效果。1.3.2 調(diào)節(jié)閥的發(fā)展前景調(diào)節(jié)閥的發(fā)展前景表現(xiàn)：智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、精小化、旋轉(zhuǎn)化、安全化。它們具體表現(xiàn)在如下方面：（1）智能化表現(xiàn)在：調(diào)節(jié)閥的自診斷，運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程通信等智能功能，使調(diào)節(jié)閥的管理方便，故障診斷變得容易，也降低了對(duì)維護(hù)人員的技能要求。（2 標(biāo)準(zhǔn)化表現(xiàn)在：為了實(shí)現(xiàn)互換性，使同樣尺寸和規(guī)格的不同廠商生產(chǎn)的調(diào)節(jié)閥能夠互換，使用戶(hù)不必為選擇制造商而花費(fèi)大量時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)互操作性，不同制造商生中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)3產(chǎn)的調(diào)節(jié)閥應(yīng)能夠與其他制造商的產(chǎn)品協(xié)同工作，不會(huì)發(fā)生信號(hào)的不匹配或阻抗的不匹配等現(xiàn)象。（3）精小化：采用輕質(zhì)材料，采用多組彈簧替代一組彈簧，降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)高度，通常，精小型氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的調(diào)節(jié)閥比同類(lèi)型氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的調(diào)節(jié)閥高度要降低約 30％，重量降低約 30％，而流通能力可提高約 30％。（4）旋轉(zhuǎn)化表現(xiàn)在：在調(diào)節(jié)閥新品種中，旋轉(zhuǎn)閥的比重增大。特別是大口徑管道中，普遍采用球閥、蝶閥等類(lèi)型調(diào)節(jié)閥，從國(guó)外近年的產(chǎn)品看，旋轉(zhuǎn)閥應(yīng)用的比例正逐年增長(zhǎng)。（5）安全化：對(duì)調(diào)節(jié)閥故障信息診斷和處理要求提高，不僅要對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行故障發(fā)生后的被動(dòng)性維護(hù)，而且要進(jìn)行故障發(fā)生前的預(yù)防性維護(hù)和預(yù)見(jiàn)性維護(hù)。因此，對(duì)組成調(diào)節(jié)閥的有關(guān)組件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，及時(shí)提出維護(hù)建議等變得更重要。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)4第二章 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥本文研究的是在化工領(lǐng)域中用的最多的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易與掌握校定，要比其他調(diào)節(jié)閥安全點(diǎn)。所以研究氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是很有實(shí)用價(jià)值的。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥可分為薄膜式、活塞式，它們的工作原理如下：（1）調(diào)節(jié)閥薄膜式的工作原理如圖 2-1，氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)是最常用的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理如下圖所示，將 20 到 100PA 的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào) P 通入薄膜氣室中，在薄膜上便產(chǎn)生一個(gè)向下的推力，驅(qū)動(dòng)閥桿部件向下移動(dòng)，調(diào)節(jié)閥門(mén)打開(kāi)，與此同時(shí)，彈簧被壓縮，對(duì)薄膜產(chǎn)生一個(gè)向上的反作用力。當(dāng)彈簧的反作用力與氣壓信號(hào)在薄膜產(chǎn)生的推力相等時(shí)，閥桿部件停止運(yùn)動(dòng)。信號(hào)壓力越大，在薄膜上產(chǎn)生的推力就越大，彈簧壓縮量即調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度也就越大。從而對(duì)流質(zhì)流量進(jìn)行控制。圖 2-1 氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥圖中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)5圖 2-2 氣動(dòng)活塞調(diào)節(jié)閥圖（2）如圖 2-2，壓縮空氣從氣口 A 進(jìn)入氣缸兩活塞之間中腔時(shí)，使兩活塞分離向氣缸兩端方向移動(dòng)，兩端氣腔的空氣通過(guò)氣口 B 排出，同時(shí)使兩活塞的曲柄同步帶動(dòng)輸出軸 ，曲柄順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn) 90 度。反之壓縮空氣則從氣口 B 進(jìn)入氣缸兩端氣腔時(shí)，使兩活塞向氣缸中間方向移動(dòng)，中間氣腔的空氣通過(guò)氣口 A 排出，同時(shí)使兩活塞的曲柄同步帶動(dòng)輸出軸，曲柄逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn) 90，從而對(duì)流質(zhì)流量進(jìn)行控制。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)6第三章 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的種類(lèi)有兩種，本文是對(duì)調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析研究。3.1 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)介調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種高性能的轉(zhuǎn)臂式調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、控制簡(jiǎn)單、反應(yīng)快速、本質(zhì)安全、不需另外再采取防爆措施等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是該機(jī)構(gòu)在制造中可能存在弊端，造成該機(jī)構(gòu)磨損嚴(yán)重，實(shí)體如下：圖 3-1 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)物圖3.2 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成（1）由實(shí)物圖 3-1 可知調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成是由曲柄、圓柱銷(xiāo)、軸、活塞、氣缸組成。（2）活塞是安裝在氣缸中，活塞通過(guò)圓柱銷(xiāo)把曲柄連接在一起，曲柄和軸是通過(guò)鍵連接，軸是安裝在氣缸中，軸和氣缸之間是采用密封圈來(lái)密封的。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)7圖 3-2 氣關(guān)圖 圖 3-3 氣開(kāi)圖3.3 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理是，它分為氣開(kāi)和氣關(guān)兩個(gè)過(guò)程，圖 3-2 和圖 3-3，該機(jī)構(gòu)有兩個(gè)通氣孔，中間通氣活塞向兩端運(yùn)動(dòng)，活塞推動(dòng)著曲柄做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)；曲柄和 軸是連接在一起，曲柄帶動(dòng)著軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使閥門(mén)自動(dòng)啟閉從而對(duì)流質(zhì)流量進(jìn)行控制。同理兩端通氣，活塞向兩端運(yùn)動(dòng)活塞推動(dòng)著曲柄做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄和軸是連接在一起，曲柄帶動(dòng)著軸轉(zhuǎn)動(dòng)最后對(duì)流質(zhì)流量進(jìn)行控制。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)8第四章 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)約束分析在調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)磨損嚴(yán)重，造成機(jī)構(gòu)的壽命變短。下面對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究：4.1 自由度、約束、過(guò)約束及運(yùn)動(dòng)副的概念（1）自由度定義：構(gòu)件具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目（確定構(gòu)件位置的獨(dú)立參變量的數(shù)目）。①一個(gè)構(gòu)件作平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，具有三個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)：沿x軸和y軸的移動(dòng)以及繞垂直于xoy平面A軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。構(gòu)件的這種獨(dú)立運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為構(gòu)件的 自由度。②兩個(gè)構(gòu)件組成運(yùn)動(dòng)副之后，它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就受到約束，相應(yīng)的自由度數(shù)也隨之減少。這種對(duì)構(gòu)件獨(dú)立運(yùn)動(dòng)所加的限制稱(chēng)為約束。自由度減少的個(gè)數(shù)等于約束的數(shù)目。所以一個(gè)作平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件具有三個(gè)自由度。如圖4-1：圖4-1 平面自由度圖③任何一個(gè)構(gòu)件在空間自由運(yùn)動(dòng)時(shí)皆有六個(gè)自由度，它可表達(dá)為在空間直角坐標(biāo)系內(nèi)沿著三個(gè)坐標(biāo)軸的移動(dòng)和繞三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)如下圖4-2：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)9圖4-2 構(gòu)件在空間有六個(gè)自由度圖（2）約束定義：對(duì)構(gòu)件獨(dú)立運(yùn)動(dòng)所加的限制稱(chēng)為約束。按約束力的產(chǎn)生及對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的限制和影響來(lái)劃分①靜力約束：靜力約束(或運(yùn)動(dòng)約束)。其約束力的產(chǎn)生是由二構(gòu)件以一定幾何形體相接觸，形成約束反力限制相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度的數(shù)量、類(lèi)型和方位。其約束反力，可根據(jù)靜力平衡原則求得，故稱(chēng)為靜力約束。②動(dòng)力約束：是指與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的力。動(dòng)力約束的約束力的大小、方向和性質(zhì)與系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的速度、加速度及系統(tǒng)的載荷緊密相關(guān)，其約束力是在介質(zhì)、力場(chǎng)等的運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的。按約束存在和作用的區(qū)間和范圍劃分①內(nèi)部約束：作用于機(jī)構(gòu)及機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部的約束，例如運(yùn)動(dòng)副引入的約束等，都屬于內(nèi)部約束。內(nèi)部約束確定構(gòu)件之間的獨(dú)立相對(duì)運(yùn)動(dòng)。②外部約束：即指作用于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)之外的“力”約束，包括所有外力、慣性力及工作環(huán)境可對(duì)機(jī)械工作性能產(chǎn)生影響的“作用”，如溫度、變形、電磁場(chǎng)等。按約束的特性劃分①常約束：不隨時(shí)間改變或者約束方程中不出現(xiàn)時(shí)間變量的約束都屬于常約束。②可變約束：隨時(shí)間改變或者約束方程中含有時(shí)間變量的約束，都屬于可變約束。按約束的力學(xué)性質(zhì)和數(shù)量劃分①基本約束：為實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)或可動(dòng)聯(lián)接所需的基本自由度要求所加上的約束，這是機(jī)構(gòu)的最基本、最重要的結(jié)構(gòu)學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題。②過(guò)約束：為了實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中的某種特殊要求，而加在機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)中的、在理想狀態(tài)下不影響機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)基本自由度及約束，使系統(tǒng)成為超靜定結(jié)構(gòu)的過(guò)多的約束，我們稱(chēng)之為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)10過(guò)約束。（3）運(yùn)動(dòng)副定義：兩個(gè)構(gòu)件直接接觸組成的仍能產(chǎn)生某些相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接。目前對(duì)過(guò)約束的研究情況 ①在過(guò)約束機(jī)構(gòu)的分析和綜合方面，俄國(guó)學(xué)者Ⅱ.H P eⅢ e T O B在系統(tǒng)總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了運(yùn)動(dòng)鏈中的“自由度 替代 ”概念，并據(jù)此提出了能準(zhǔn)確分析機(jī)構(gòu)中過(guò)約束的數(shù)量、類(lèi)型及其所在回路、同時(shí)還可判斷局部自由度存在位置的“機(jī)構(gòu)過(guò)約束的回路自由度分析法”，從而為消除或影響的機(jī)構(gòu)自由度設(shè)計(jì)提供了方向和手段。此外，還論述了無(wú)過(guò)約束或少過(guò)約束機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)學(xué)設(shè)計(jì)和工程實(shí)用設(shè)計(jì)的基本方法，首次明確地指出“靜定”是判斷機(jī)械中有無(wú)過(guò)約束的根本標(biāo)志，并將無(wú)過(guò)約束的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為“自調(diào)機(jī)構(gòu)”。A.C Ⅱ p e H N K O B通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)約束特性的研究，提出了對(duì)加工誤差不敏感的“結(jié)構(gòu)最優(yōu)機(jī)構(gòu)”設(shè)計(jì)原則，從而將機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)理論與工程實(shí)際、將機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械制造有機(jī)結(jié)合起來(lái)，為學(xué)科的發(fā)展與交叉融合作出了貢獻(xiàn)。李宗良等分析了虛約束（平面過(guò)約束）對(duì)機(jī)械工作能力和可靠性的影響，提出了“最優(yōu)結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)”的綜合準(zhǔn)則。曲繼方等提出了應(yīng)用機(jī)構(gòu)自適應(yīng)變換原理，通過(guò)選用自位軸承、基本構(gòu)件浮動(dòng)、運(yùn)動(dòng)副合理選配及組合等消除過(guò)約束的方法；金瓊等對(duì)于常規(guī)位置分析為一解的空間單回路，闡明了過(guò)約束機(jī)構(gòu)存在條件包含過(guò)約束條件和封閉條件兩部分，檢驗(yàn)了兩個(gè)已有的5桿過(guò)約束的存在條件，為發(fā)現(xiàn)新的過(guò)約束機(jī)構(gòu)提供了理論依據(jù)：更具創(chuàng)建性的是在常規(guī)的過(guò)約束三種分析方法：幾何法（由幾何直觀或綜合推理得到的過(guò)約束機(jī)構(gòu)）、螺旋理論（有直觀分析法和螺旋相關(guān)性判別法，其出發(fā)點(diǎn)是瞬時(shí)速度分析，即只能研究機(jī)構(gòu)的瞬時(shí)可動(dòng)性，而不能保證其恒可動(dòng)性）以及解析法的基礎(chǔ)上，提出了基于單開(kāi)鏈運(yùn)動(dòng)相容性的過(guò)約束機(jī)構(gòu)分析新方法。美國(guó)學(xué)者M(jìn)avroidis C.等對(duì)機(jī)構(gòu)過(guò)約束的分析計(jì)算也進(jìn)行了深入研究，提出了將單閉環(huán)機(jī)構(gòu)的末桿與機(jī)架斷開(kāi)，采用D 一H 標(biāo)記法，建立構(gòu)件間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣并求解機(jī)械手末端特征多項(xiàng)式的根，由此判斷單閉環(huán)機(jī)構(gòu)過(guò)約束的方法。美國(guó)學(xué)者BagciC. 研究了有限元梁?jiǎn)卧Ｐ秃挽o不定次數(shù)來(lái)確定結(jié)構(gòu)自由度，進(jìn)而確定單環(huán)和多環(huán)機(jī)構(gòu)中過(guò)約束的方法。美國(guó)學(xué)者HaugEJ在機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析中，采用了解析法和計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)，提出了一種通過(guò)建立機(jī)構(gòu)（運(yùn)動(dòng)鏈）的約束方程和約束Jacobi矩陣，識(shí)別機(jī)構(gòu)中由于重復(fù)結(jié)構(gòu)而引入的多余約束以及消除多余約束的數(shù)值計(jì)算方法，將過(guò)約束的定量分析方法向前推進(jìn)了一步。②以上研究大多局限于對(duì)過(guò)約束的理論分析計(jì)算和識(shí)別判斷方法，以及過(guò)約束機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及某些應(yīng)用的研究，而對(duì)最普遍、最基礎(chǔ)、應(yīng)用也最廣泛的平面閉鏈中的過(guò)約束中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)11的綜合適用分析，以提高機(jī)械品質(zhì)、降低成本為目標(biāo)的消除或減少過(guò)約束的不利影響，以及基于約束不確定的自調(diào)、自適應(yīng)結(jié)構(gòu)學(xué)設(shè)計(jì)、工程實(shí)用化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用等方面的研究則涉及較少。秦偉、林軍等在分析、總結(jié)上述研究成果的基礎(chǔ)上，討論了機(jī)構(gòu)無(wú)過(guò)約束設(shè)計(jì)的一般理論和方法。系統(tǒng)地總結(jié)和發(fā)束展了“零自由度結(jié)構(gòu)組”、“平面自調(diào)結(jié)構(gòu)組”以及初步采用了行星齒輪機(jī)構(gòu)的“結(jié)構(gòu)集”等概念，明確地提出了這些“組”、“集”的構(gòu)型原理和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提出了某些結(jié)構(gòu)消除過(guò)約束結(jié)構(gòu)的所有可能的配置方案及評(píng)判、優(yōu)選的原則。過(guò)約束的危害具體表現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：①過(guò)約束系統(tǒng)的障礙和超靜定性質(zhì)，導(dǎo)致構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)副元素在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的強(qiáng)制變形，使運(yùn)動(dòng)副中的作用力急劇增大，機(jī)械效率降低；還使運(yùn)動(dòng)副的磨損加快，降低了機(jī)械工作的可靠性、精度和使用壽命。②由于上述彈性變形和附加載荷一般是周期性或隨機(jī)性的，加上運(yùn)動(dòng)副間隙的增大，這是引起系統(tǒng)振動(dòng)、沖擊和噪聲的重要根源，因此影響了機(jī)械工作的平穩(wěn)性，并造成了對(duì)環(huán)境的噪聲污染。③過(guò)約束障礙還會(huì)造成安裝拆卸的困難，影響產(chǎn)品的順應(yīng)性要求，不利于產(chǎn)品的自動(dòng)、快捷的裝配。④為了降低平面約束不確定性、消除或減小過(guò)約束的影響，保證平面運(yùn)動(dòng)約束，需要有較高的制造精度和結(jié)構(gòu)剛度（特別是在一些為了保證工作可靠性與穩(wěn)定性而采用的重復(fù)運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)和重復(fù)對(duì)稱(chēng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)等，以及高精度、大功率的機(jī)械系統(tǒng)中）等，從而提高了制造的難度和成本。⑤平面約束將導(dǎo)致機(jī)械中力的不均衡性及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和補(bǔ)償?shù)睦щy，影響機(jī)械工作的靜定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性以及對(duì)外部環(huán)境變化的適應(yīng)性。4.2 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作情況分析盡管氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)擁有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是在此產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，與齒輪齒條式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，其工作壽命要短，其失效形式主要有以下三種：活塞孔被拉斷、圓柱銷(xiāo)磨損嚴(yán)重甚至是斷裂、曲柄槽部磨損嚴(yán)重。（1）活塞磨損分析活塞作為整個(gè)氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件，其磨損是不能忽視的，如圖 4-3 所示，活塞臂的外側(cè)磨損嚴(yán)重，顯然是與氣缸體的內(nèi)壁相互摩擦所致。如圖 4-4所示，可以發(fā)現(xiàn)活塞臂的內(nèi)側(cè)也由一定的磨損，分析氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝配圖以及零中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)12件之間的配合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)時(shí)，忽視了活塞臂的內(nèi)側(cè)會(huì)與輸出軸上起軸向定位的導(dǎo)套發(fā)生碰撞，從而造成了活塞臂的內(nèi)側(cè)的磨損。圖 4-3 活塞壁外側(cè)磨損情況圖 圖 4-4 活塞壁內(nèi)側(cè)磨損情況圖圖 4-5 圓柱銷(xiāo)磨損狀況圖（2）圓柱銷(xiāo)磨損分析如 4-5 左圖所示，圓柱銷(xiāo)已經(jīng)由原來(lái)的圓柱狀被磨損為近似三棱柱狀。圓柱銷(xiāo)是氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵零件之一，也是執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障最高的零件之一，一旦圓柱銷(xiāo)發(fā)生故障，整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將無(wú)法正常工作，因此此處主要對(duì)圓柱銷(xiāo)的磨損進(jìn)行了較詳細(xì)的分析。圓柱銷(xiāo)在工作時(shí)產(chǎn)生故障的原因主要是磨損嚴(yán)重，其磨損的形式主要有以下 3 種：①疲勞磨損——由氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩可以看出，機(jī)構(gòu)輸出周期性變化的載荷，故圓柱銷(xiāo)在機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中也將受到周期性變化的載荷，從而使其產(chǎn)生疲勞磨損，具體而言就是指圓柱銷(xiāo)連續(xù)運(yùn)行了一定時(shí)間而發(fā)生的破損，體現(xiàn)形式為圓柱銷(xiāo)磨損較均勻。對(duì)外體現(xiàn)的現(xiàn)象為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的噪聲加大，效率降低。②瞬間沖擊磨損——在氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)換向動(dòng)作的瞬間，由于曲柄的瞬間沖擊，且此沖擊力較大，使得圓柱銷(xiāo)在整個(gè)工作行程內(nèi)受力不均，最容易造成圓柱銷(xiāo)變形。③粘合磨損——由于設(shè)計(jì)不妥的緣故，在工作過(guò)程中圓柱銷(xiāo)和活塞孔會(huì)產(chǎn)生粘合，致使圓柱銷(xiāo)在工作過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)其繞自身軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得圓柱銷(xiāo)和曲柄之間的滾動(dòng)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)13摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，從而加速圓柱銷(xiāo)本身以及曲柄的磨損。圖 4-5 中右圖即屬于此種情況。由此可見(jiàn)，對(duì)氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究是必須的。4.3 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖分析圖4-6 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖對(duì)圖4-6 運(yùn)動(dòng)副得分析如下：（1）由運(yùn)動(dòng)副A：活塞和氣缸體之間的聯(lián)結(jié)副；可知該活塞氣缸中只能做直線運(yùn)動(dòng)，兩者之間是通過(guò)面接觸，故該運(yùn)動(dòng)副是低幅，是V 級(jí)移動(dòng)副。（2）動(dòng)副B 和運(yùn)動(dòng)副B ’：分別為兩圓柱銷(xiāo)與活塞之間的聯(lián)結(jié)副；可知該，兩圓柱銷(xiāo)只能在活塞中轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者之間是通過(guò)面接觸，故該運(yùn)動(dòng)副是低幅，V 級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)副。（3）運(yùn)動(dòng)副C和運(yùn)動(dòng)副C’：分別為輸出軸與氣缸體之間的聯(lián)結(jié)副，可知；輸出軸只能在氣缸中轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者之間是通過(guò)面接觸，故該運(yùn)動(dòng)副是低幅，是V 級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)副。（4）運(yùn)動(dòng)副D：圓柱銷(xiāo)和曲柄的連接副可知圓柱銷(xiāo)在曲柄中既可以轉(zhuǎn)動(dòng)又可以移動(dòng)，兩者之間是通過(guò)線接觸，故該運(yùn)動(dòng)副是Ⅱ級(jí)高副。4.4 過(guò)約束分析計(jì)算由于不可避免的制造誤差，調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)中廣泛存在的過(guò)約束，造成對(duì)機(jī)械性能的一系列有害影響。機(jī)構(gòu)中存在的過(guò)約束對(duì)所提出的精度要求以及機(jī)構(gòu)中存在的誤差是敏感的，在誤差存在的條件下，就會(huì)出現(xiàn)過(guò)約束，這些過(guò)約束與原來(lái)的約束相矛盾”。故要對(duì)過(guò)約束進(jìn)行計(jì)算。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)144.4.1 調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)約束的計(jì)算有圖4-6 可知：如果僅僅按平面圖計(jì)算自由度，該機(jī)構(gòu)的 =3×3-2×3-32LHFnP??1=2，該機(jī)構(gòu)有兩個(gè)自由度。依該機(jī)構(gòu)整體為研究對(duì)象可知：該機(jī)構(gòu)只有一種運(yùn)動(dòng)方式，即只有一個(gè)自由度，而求出來(lái)有兩個(gè)自由度，所以該機(jī)構(gòu)還有一個(gè)局部自由度。其過(guò)約束按切貝舍公式求得Q= F + +2 -3n=2+1+2×3-3×3=0即機(jī)構(gòu)不存在過(guò)約束；而調(diào)節(jié)閥HPL氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)是空間機(jī)構(gòu)；所以分析要依空間為依據(jù)分析；如圖4-6所示：A、B、 B’、 C、C’五處運(yùn)動(dòng)副均為V級(jí)副，圓柱銷(xiāo)和曲柄在 D處構(gòu)成平面高副，在空間是Ⅱ級(jí)高副，以空間為依據(jù)計(jì)算氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的過(guò)約束如下： （2）用公式法計(jì)算機(jī)構(gòu)中存在的過(guò)約束；機(jī)構(gòu)過(guò)約束的公式計(jì)算法有多種，易于理解和應(yīng)用的有馬雷舍夫公式法和阿諾爾公式法兩種，在這里我們?nèi)∑渲械囊环N公式法來(lái)計(jì)算機(jī)構(gòu)中的過(guò)約束也就是馬雷舍夫公式法。馬雷舍夫公式法：對(duì)于具有n個(gè)活動(dòng)構(gòu)件的機(jī)構(gòu)，假若所有活動(dòng)構(gòu)件都是自由體，則構(gòu)件的自由度之和為6n ，如果機(jī)構(gòu)中 級(jí)運(yùn)動(dòng)i副數(shù)為 則引入的約束數(shù)為 ，因此，所有運(yùn)動(dòng)副的約束數(shù)之和為 。在所引入的約iPiP51iip??束總數(shù)中，可能包含一些過(guò)約束（虛約束或重復(fù)約束）q ，這些過(guò)約束重復(fù)其他約束，并不減少機(jī)構(gòu)的自由度，只是使機(jī)構(gòu)變?yōu)槌o定系統(tǒng)，所以在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)從約束總數(shù)中將這些過(guò)約束減掉。因此可以得出機(jī)構(gòu)的自由度F為：F=6n-（ -q）51iip?由此可得：q=F-6n+ 其中：F= + ： 是機(jī)構(gòu)的基本自由度， 是機(jī)構(gòu)中的局部51iip??0FP0 PF自由度（包括構(gòu)件的局部自由度和桿組的局部自由度） ，q是過(guò)約束數(shù)，n是可動(dòng)構(gòu)件數(shù)，是i級(jí)運(yùn)動(dòng)副的數(shù)量。有公式得：q=F-6n+ 。解析：以整P51ip?3658217????體為研究對(duì)象，該機(jī)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)該機(jī)構(gòu)有三個(gè)自由度，一個(gè)是基本自由度再局部來(lái)看還有兩個(gè)局部自由度。機(jī)構(gòu)中一共有5個(gè)可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件有8個(gè)V 級(jí)的副和兩個(gè)Ⅱ的高副。由此可知該機(jī)構(gòu)有17個(gè)過(guò)約束。（3）對(duì)重復(fù)運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)中的過(guò)約束進(jìn)行計(jì)算從機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)角度考慮，在兩個(gè)構(gòu)件之間只能有一個(gè)運(yùn)動(dòng)副(可動(dòng)聯(lián)接)，但是在許多情況下，特別是當(dāng)傳遞的力很大時(shí)，為了改善構(gòu)件的受力狀況、增加機(jī)構(gòu)的剛中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)15度和工作可靠性，在兩構(gòu)件之間常常采用重復(fù)的運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)性能可由其過(guò)約束數(shù)q來(lái)表明，q越大，其制造精度要求越高，對(duì)變形等越敏感，裝配和拆卸也越困難。重復(fù)運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)中的過(guò)約束數(shù)q可用下式來(lái)計(jì)算： 1kiiqSs???式中：q為重復(fù)運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)中的過(guò)約束數(shù)； 表示第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副引入的約束數(shù)；S 該運(yùn)動(dòng)副所必須的基本結(jié)構(gòu)約束數(shù)；K重復(fù)運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副數(shù)。氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動(dòng)副B和 B’構(gòu)成重復(fù)運(yùn)動(dòng)副，此處提供的過(guò)約束數(shù)q=5+5—5=5；C和C’處也構(gòu)成重復(fù)運(yùn)動(dòng)副，也提供相同的過(guò)約束即q=5+5—5=5 ；由于該機(jī)構(gòu)為上下對(duì)稱(chēng)的兩部分即該機(jī)構(gòu)中的重復(fù)過(guò)約束5+5+5=15。（4）自由度回路法分析過(guò)約束 根據(jù)回路自由度分析法，下面對(duì)氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路中存在的過(guò)約束類(lèi)型加以分析：利用公式法可快速準(zhǔn)確地得到機(jī)構(gòu)中的過(guò)約束數(shù)目，但無(wú)法確定機(jī)構(gòu)中過(guò)約束的類(lèi)型和所在回路。另一方面在所有計(jì)算公式中都必須己知機(jī)構(gòu)及機(jī)械系統(tǒng)的自由度F，包括機(jī)構(gòu)的公共自由度 （也稱(chēng)之基本自由度或驅(qū)動(dòng)自由度）和局部自由度 （包括構(gòu)件的0F PF局部自由度和桿組的局部自由度） ，然而在進(jìn)行消除或減小過(guò)約束影響的自由度設(shè)計(jì)時(shí)局部性。運(yùn)用前面的公式計(jì)算法還難以確定過(guò)約束所在回路，特別是對(duì)于多回路的具有空間運(yùn)動(dòng)副的平面機(jī)構(gòu)更是如此。究其原因在于：首先公式計(jì)算法沒(méi)有將自由度（或約束）明確地進(jìn)行分類(lèi)，即沒(méi)有將6個(gè)自由度分為平面自由度（ ， 和 ）與非平面自由度xSyz?（ , ，和 ) ，其中S表示沿坐標(biāo)軸的移動(dòng)自由度， 表示繞坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；其x?yz次公式計(jì)算法是以運(yùn)動(dòng)副的自由度（或約束）為對(duì)象進(jìn)行分析計(jì)算，而忽視了自由度和約束在機(jī)構(gòu)回路中構(gòu)件間的傳遞與衍生。鑒于此，并為了彌補(bǔ)公式計(jì)算法的不足，得到既可用于過(guò)約束分析、又可用于消除或減小過(guò)約束影響設(shè)計(jì)的過(guò)約束分析方法，因而提出了以自由度的分解和替代為基礎(chǔ)、以閉合回路為對(duì)象的回路自由度分析法。由圖可知運(yùn)動(dòng)副ABCD構(gòu)成一個(gè)回路。按自由度回路法分析：運(yùn)動(dòng)副A一活塞和氣缸體之間的聯(lián)結(jié)副，只能沿著 X軸方向移動(dòng)即 。xS運(yùn)動(dòng)副B 一圓柱銷(xiāo)與活塞之間的聯(lián)結(jié)副，只能繞Z軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng) 。z?中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)16運(yùn)動(dòng)副C 一為輸出軸與氣缸體之間的聯(lián)結(jié)副，只能繞著Z 軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng) 。z?運(yùn)動(dòng)副D一圓柱銷(xiāo)和曲柄的連接副，因?yàn)樵撴溄邮强臻g Ⅱ級(jí)副，它既可以沿著Z 軸方向進(jìn)行移動(dòng) ，繞著Y軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng) ，也可以繞著Z 軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng) ，沿著X軸進(jìn)行移動(dòng) 。zSy?z xS自由度事先常常是難以知道和確定的，因而造成了公式計(jì)算法應(yīng)用的困難和局限性，特別是在進(jìn)行消除或減小過(guò)約束影響的自由度設(shè)計(jì)時(shí)缺乏具體的指導(dǎo)作用。自由度回路法在分析、設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)和機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，能夠確定系統(tǒng)中任一存在的自由度和過(guò)約束，以便于評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的合理。列表如下圖：表4-1 回路自由度+ + xSyz?+ +xy?zSABCDD A D BC0 D D分析過(guò)程:在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖中，將運(yùn)動(dòng)副的自由度分為平面自由度和非平面自由度兩類(lèi)，分別列在右邊兩欄中，其中左欄依ABCD為一個(gè)回路，中間的是平面自由度( ， 和 )，xSyz?右欄為非平面自由度（ ， ，和 ）。每個(gè)字母在機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖中表示運(yùn)動(dòng)副，在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)x?yzS圖中則標(biāo)明一個(gè)相應(yīng)的自由度。字母在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖中出現(xiàn)的次數(shù)與該運(yùn)動(dòng)副的自由度相同，若為0，則表示回路中所有運(yùn)動(dòng)副缺少的自由度。自由度“替代”用帶箭頭的折線表示，箭頭指向相應(yīng)的0，折線上的兩根小引線所指為相應(yīng)的替代構(gòu)件。如果箭頭向上且不指向0，則表示機(jī)構(gòu)的自由度（包括基本自由度和局部自由度），這時(shí)，兩根小引線所指為輸出（或具有）該自由度的構(gòu)件。由上表可以看出，該四桿機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)自由度，一個(gè)是機(jī)構(gòu)的基本自由度，另一個(gè)是運(yùn)動(dòng)副D具有的局部自由度。（5）由表4-1可以看出：該機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)自由度，一個(gè)是機(jī)構(gòu)的基本自由度，另一中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)17個(gè)是局部自由度。由于該機(jī)構(gòu)缺少繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度（ =0）說(shuō)明該機(jī)構(gòu)存在繞X軸轉(zhuǎn)x?動(dòng)的過(guò)約束（ =1），由于該機(jī)構(gòu)為上下對(duì)稱(chēng)的兩部分，所以另一部分也存在繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)x?的過(guò)約束（ =1），所以該機(jī)構(gòu)的總過(guò)約束為15+2=17。（6）綜合以上算計(jì)結(jié)果：可以知道用公式法和自由度回路加上重復(fù)運(yùn)動(dòng)計(jì)算過(guò)約束的公式，都得出該機(jī)構(gòu)中的過(guò)約束為17。這樣對(duì)該機(jī)構(gòu)中的過(guò)約束數(shù)就可以確定了。所以要對(duì)該機(jī)構(gòu)中的過(guò)約束進(jìn)行改善。4.4.2 過(guò)約束消除氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中由于形位誤差圓柱銷(xiāo)和活塞孔很可能會(huì)粘合，致使圓柱銷(xiāo)在工作過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)其繞自身軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得圓柱銷(xiāo)和曲柄之間的滾動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，從而加速圓柱銷(xiāo)本身以及曲柄的磨損。所以消除過(guò)約束可以從運(yùn)動(dòng)副配置上消除過(guò)約束，所以這里采用降低運(yùn)動(dòng)副級(jí)數(shù)的方法，即將運(yùn)動(dòng)副B和B’由原來(lái)的V—V級(jí)運(yùn)動(dòng)副( 圖4-7) 換為 Ⅲ 一Ⅲ級(jí)運(yùn)動(dòng)副( 圖4-8) ，以消除此處重復(fù)運(yùn)動(dòng)副帶來(lái)的過(guò)約束。因曲柄通過(guò)輸出軸與氣缸體相聯(lián)結(jié)，考慮到輸出軸的平面運(yùn)動(dòng)特及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，所以運(yùn)動(dòng)副C 和C’仍為V級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)副。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)后過(guò)約束還剩5+2=7；要實(shí)現(xiàn)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4-8，可以借助不同類(lèi)型的軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體解析如下：為使過(guò)約束機(jī)構(gòu)能夠無(wú)障礙的順暢可靠的工作，要求運(yùn)動(dòng)副有較小的形位誤差，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)這些形位誤差要有嚴(yán)格的限制。由于設(shè)計(jì)精度的提高，增加了制造難度和制造成本，增大了裝配拆卸的難度，不利于自動(dòng)快捷的裝配，降低了裝配效率。過(guò)約束障礙和超靜定性質(zhì)，導(dǎo)致構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)副元素在運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的強(qiáng)制變形，使運(yùn)動(dòng)副中的作用力急劇增大，磨損加快、機(jī)械效率、工可靠應(yīng)能力降低 。因此我們應(yīng)盡可能的減少或消除機(jī)構(gòu)中的過(guò)約束，以降低由于運(yùn)動(dòng)副形位誤差帶來(lái)的上述不利影響，降低機(jī)構(gòu)對(duì)各種誤差因素的敏感度。為了減少該機(jī)構(gòu)中的過(guò)約束數(shù)，可以采用降低運(yùn)動(dòng)副級(jí)別的方法，也就是增加運(yùn)動(dòng)副中自由度的方法。由于原氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)中兩圓柱銷(xiāo)與活塞間的聯(lián)結(jié)副(運(yùn)動(dòng)副B和B’)和輸出軸與箱體間的聯(lián)結(jié)副(運(yùn)動(dòng)副C和C’)均為V級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)副，構(gòu)成了重復(fù)運(yùn)動(dòng)副，而導(dǎo)致機(jī)構(gòu)中存在過(guò)多的過(guò)約束，使得機(jī)構(gòu)磨損比較厲害。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)18圖4-7 改進(jìn)前調(diào)節(jié)閥的過(guò)約束 如圖4-8 改進(jìn)后調(diào)節(jié)閥的過(guò)約束小結(jié)：通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究，認(rèn)識(shí)到了該機(jī)構(gòu)在運(yùn)行的過(guò)程中，磨損比較厲害，相比齒輪齒條式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)壽命要短，機(jī)構(gòu)存在過(guò)多的過(guò)約束，然后通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的研究進(jìn)而通過(guò)公式計(jì)算法和自由度回路法計(jì)算該機(jī)構(gòu)中存在的過(guò)約束，發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中一共有 17 個(gè)過(guò)約束，最后通過(guò)從運(yùn)動(dòng)副配置上消除過(guò)約束。最終解決了該機(jī)構(gòu)中存在的過(guò)多的過(guò)約束。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)19第五章 總結(jié)通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副自由度和過(guò)約束進(jìn)行研究，它研究的對(duì)象是機(jī)構(gòu)本身。由于過(guò)約束的存在，造成機(jī)構(gòu)對(duì)制造、安裝誤差特別是運(yùn)動(dòng)副元素的形位誤差十分敏感，同時(shí)由于不可避免的內(nèi)部和外部不確定因素的影響，常會(huì)造成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的障礙及系統(tǒng)中某些構(gòu)件的變形和運(yùn)動(dòng)副中的附加動(dòng)載荷，使其動(dòng)力特性較差，如不通過(guò)設(shè)計(jì)加以解決，則難以滿(mǎn)足高效率、高穩(wěn)定性的要求。因此，研究存在運(yùn)動(dòng)副形位誤差對(duì)調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能的影響程度，為機(jī)構(gòu)的誤差控制和精度設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。經(jīng)改善后的氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)副的過(guò)約束明顯減少，從而有效的減小了運(yùn)動(dòng)副的磨損及系統(tǒng)彈性振動(dòng)；同時(shí)運(yùn)動(dòng)副形位誤差對(duì)機(jī)構(gòu)性能影響的敏感度降低，從而降低了對(duì)運(yùn)動(dòng)副元素的精度要求，即降低了產(chǎn)品的制造加工成本。而尋求新的、性能良好新型機(jī)構(gòu)，并在新的應(yīng)用中不斷完善與創(chuàng)新，使其能夠高效率、高穩(wěn)定的可靠工作，以滿(mǎn)足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的迫切要求，乃是當(dāng)前所共同關(guān)注的問(wèn)題。這些問(wèn)題的解決有著重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)20致謝首先，我要感謝我的導(dǎo)師方立霞，他嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣，給了起到了指明燈的作用；他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪，讓我很快就感受到了設(shè)計(jì)的快樂(lè)并融入其中。其次我要感謝同組同學(xué)對(duì)我的幫助和指點(diǎn)，沒(méi)有他們的幫助和提供資料，沒(méi)有他們的鼓勵(lì)和加油，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)就不會(huì)如此的順利進(jìn)行。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)歷時(shí)二個(gè)月，是我大學(xué)學(xué)習(xí)中遇到過(guò)的時(shí)段最長(zhǎng)、涉及內(nèi)容最廣、工作量最大的一次設(shè)計(jì)。我此次的任務(wù)是改善調(diào)節(jié)閥氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在的過(guò)約束。雖說(shuō)老師說(shuō)的話讓此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)看起來(lái)不是那么的可怕，但是當(dāng)我真的開(kāi)始著手時(shí)，還的確是困難重重。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持，他們真正起到了“傳道授業(yè)解惑疑”的作用，讓人油然而生的敬佩。除此之外，我們組和老師還有另外兩個(gè)交流途徑：打電話和上網(wǎng)，為此老師還特意建立一個(gè)群，以便大家第一時(shí)間接收到畢業(yè)設(shè)計(jì)的最新消息和資料，每次大家都在群不亦樂(lè)乎的討論著畢業(yè)設(shè)計(jì)的事情。多少個(gè)日日夜夜，方老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、生活上給我以無(wú)微不至的關(guān)懷，除了敬佩老師們的專(zhuān)業(yè)水平外，他們的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。在此謹(jǐn)向方麗霞老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意！最后我還要感謝我的母校中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院四年來(lái)對(duì)我的栽培。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)21參考文獻(xiàn)[1]安培文.平面連桿機(jī)構(gòu)的過(guò)約束及自調(diào)結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)研究[D],重慶,重慶大學(xué) 2003.[2]林秋鴻. 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥(上)[J].化工自動(dòng)化及儀表,1980,8.[3]黃勇剛.平面 3-RRR 并聯(lián)機(jī)構(gòu)過(guò)約束分析及自調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),2006.[4]李文輝.由度分析幾何約束求解方法中過(guò)約束和欠約束的處理,2003.[5]趙鵬云.平面連桿機(jī)構(gòu)自調(diào)結(jié)構(gòu)分析與綜合,重慶大學(xué),2006,4,1.[6]孫恒.機(jī)械原理教育指南北京高等教育出版社,1998.[7]解懷仁.國(guó)外調(diào)節(jié)閥的發(fā)與動(dòng)向.化工自動(dòng)化及儀表,1981,5,31.[8]趙鵬云.平面連桿機(jī)構(gòu)自調(diào)結(jié)構(gòu)分析與綜合,2006,4.[9]安培文.具有重復(fù)結(jié)構(gòu)的平面連桿機(jī)構(gòu)的過(guò)約束分析,2006,6.[10]郭貫之.平面連桿機(jī)構(gòu)自由度的簡(jiǎn)單環(huán)路計(jì)算法. 1994,6.[11]李曼林.平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐,2010,2.[12]謝玉東.調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)研究,山東大學(xué),機(jī)械工程學(xué)院 , 2008.[13]浦銘祥.調(diào)節(jié)閥[J].化工自動(dòng)化及儀表 ,1981(07).