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复印机纸张进给系统的动态特性分析与试验研究

作　者: 王冰
导　师: 王兆伍
学　校: 南京林业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 复印机纸张进给滚动接触无网格方法
分类号: TS951.47
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着中国综合实力的不断提高，经济的快速发展，办公自动化系统变得越来越普及和重要，作为办公自动化系统中的基础设备，复印机已经成为日常工作不可缺少的工具。复印机纸张的进给和传送是否平稳和准确，决定着扫描原稿和转印的成败。同时，复印机的纸张进给系统都不同程度的存在着“卡纸”的现象，极大地影响复印机的工作效率。本论文采用理论分析、仿真和试验相结合的研究方法，分析研究纸张进给过程中的动态特性，并分析“卡纸”现象发生的原因，提出解决方案，为结构的合理设计提供可靠依据，使纸张在复印机进纸机构中更准确地传送到预定位置。为提高纸张进给的可靠性，对复印机送纸单元利用摩擦力实现纸张进给过程进行研究，由纸张进给的特点和任务，提出纸张成功进给的判断标准，建立纸张利用摩擦力进行分离的数学模型，并基于该模型进行数值分析，得到结论：纸张成功进给的成功率与送纸辊轮的转速在一定范围内成正比，与送纸辊轮对纸张的法向正压力在一定范围内成反比，并与纸张之间的摩擦系数平均值无关，而与纸张之间摩擦系数分布的标准偏差成反比。为解决复印机送纸单元“双张”现象的问题，对复印机纸张分离的方法和原理进行研究，建立了反向辊式纸张分离方法模型，得到纸张分离过程中双层纸张的运动轨迹和影响因素，为纸张分离机构的合理设计提供理论依据。对纸张在两个纸道过渡阶段的无约束运动进行理论研究、仿真研究和试验研究。使用数值分析方法对纸张在两个纸道过渡阶段的无约束运动进行分析，得到结论：纸张的弯曲变形量随着进给速度的增加而减小；通过调整纸道的出口角度和纸张进给的加速度改变纸张端部的运动位置，保证纸张的准确传送。同时，在多体动力学软件RecurDyn中进行仿真验证，并对纸张在不同速度下的进给动态变形进行试验分析，验证理论分析得到结论的正确性。对纸张进给系统辊轮对滚动接触区域的力学特性进行研究。通过几何分析方法得到纸张进给辊轮对接触区域接触宽度和平均接触压力随法向压力的平方根而增加。进一步利用弹性固体的法相接触理论对辊轮对接触区域的接触宽度和接触压力进行定量分析，得到接触区域接触宽度和载荷法向压力的量化关系，并将其结果应用于纸张与辊轮的速度分析。提出了基于应变能梯度的自适应无网格方法，并对方法中权函数以及自适应方法的节点加密技术进行讨论。首次利用级数形式的应力函数在圆柱坐标系下，对辊轮对的接触问题进行分析。应用基于应变能梯度的自适应无网格方法对问题进行求解，得到接触区域的应力分布，以及辊轮弹性层厚度、法向正压力同接触区域应力分布的关系，同时分析弹性层厚度和法向正压力与弹性胶辊变形量的关系。在分析辊轮对接触问题的基础上，进一步指出纸张在辊轮对夹持下运动的平稳性和速度与辊轮接触区域的力学特性相关。纸张的运动速度主要取决于辊轮接触区域的表面速度，通过对纸张在弹性辊轮对夹持下的运动问题进行建模、分析、求解，得到弹性辊轮与纸张的表面速度比，以及影响辊轮与纸张速度比的因素。得到结论：在法向正压力一定的条件下，上辊轮与纸张接触区域表面的速度比随着下辊轮弹性层厚度的增加而增加；在胶辊弹性层厚度一定的情况下，上辊轮与纸张接触区域表面的速度比随着法向正压力的增加而增加。首次提出了辊轮弹性层厚度应作为复印机纸张进给设计中的考虑因素。提出利用图像处理技术对高速摄影机拍摄的纸张运动过程进行处理，得到纸张的进给速度。对纸张以一定速度通过水平通道在出口处动态变形进行测量分析，验证第二章中理论分析的正确性。

全文目录

致谢  3-4
摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第一章绪论  11-22
  1.1 课题研究的背景与意义  11-13
  1.2 国内外相关技术研究的发展状况  13-20
    1.2.1 复印机工作原理与结构简介  13-15
    1.2.2 纸张进给系统研究现状  15-18
    1.2.3 无网格法研究现状  18-20
  1.3 本文的研究内容  20-22
第二章送纸单元纸张分离和纸张动态变形研究  22-44
  2.1 送纸单元简介  22
  2.2 送纸辊摩擦力送纸研究  22-28
    2.2.1 送纸辊摩擦分离送纸模型及受力分析  23-24
    2.2.2 送纸辊摩擦分离送纸数值仿真  24-26
    2.2.3 送纸辊摩擦分离送纸的影响因素  26-28
      2.2.3.1 送纸辊轮正压力对纸张成功分离的影响  26
      2.2.3.2 送纸辊轮转速对纸张成功分离的影响  26-27
      2.2.3.3 纸张摩擦系数对纸张成功分离的影响  27-28
  2.3 纸张单张分离方法研究  28-34
    2.3.1 纸张分离方法  29-31
    2.3.2 纸张分离模型及受力分析  31-32
    2.3.3 纸张分离数值模拟  32-33
    2.3.4 双张进纸在分离辊下的运动  33-34
  2.4 纸张在纸道出口的无约束动态变形  34-42
    2.4.1 纸张运动的控制方程  34-36
    2.4.2 纸张运动的数值求解  36-38
    2.4.3 纸张在纸道出口动态变形分析  38-42
  2.5 本章小结  42-44
第三章纸张进给系统辊轮对接触区域的应力分析  44-55
  3.1 进纸辊轮对的几何学分析  44-48
  3.2 基于弹性固体接触理论的进纸辊轮对应力分析  48-51
  3.3 进纸辊轮滚动接触分析  51-53
  3.4 本章小结  53-55
第四章自适应无网格方法  55-72
  4.1 无网格方法概述  55-58
    4.1.1 无网格方法的产生  55-56
    4.1.2 无网格方法的定义  56
    4.1.3 无网格方法的求解流程  56-58
  4.2 配点型无网格方法原理  58-66
    4.2.1 配点型无网格法基本原理  58-60
    4.2.2 无网格法中权函数的特点  60-63
    4.2.3 基于最小二乘法的配点法  63-66
  4.3 误差估计理论和自适应优化技术  66-67
  4.4 基于应变能梯度的自适应优化技术  67-71
    4.4.1 基于应变能梯度的自适应方法  67-69
    4.4.2 节点加密技术  69-71
  4.5 本章小结  71-72
第五章传送单元纸张在辊轮对夹持下的运动研究  72-95
  5.1 传送单元简介  72-73
  5.2 胶辊与刚性辊轮的接触  73-85
    5.2.1 胶辊与刚性辊轮接触模型  73-74
    5.2.2 胶辊与刚性辊轮接触区域的力学特性  74-80
    5.2.3 自适应无网格方法求解  80-82
    5.2.4 接触区域力学特性的影响因素分析与计算  82-85
      5.2.4.1 辊轮弹性层厚度对接触区域应力分布影响  82-83
      5.2.4.2 辊轮正压力对接触区域应力分布影响  83-84
      5.2.4.3 辊轮弹性层厚度和正压力对胶辊变形的影响  84-85
  5.3 纸张在胶辊夹持下的运动  85-94
    5.3.1 纸张在胶辊夹持下的运动模型  86
    5.3.2 纸张与辊轮接触区域的运动特性  86-92
    5.3.3 纸张与辊轮运动特性的影响因素分析与计算  92-94
      5.3.3.1 辊轮弹性层厚度对纸张与辊轮速度影响  92
      5.3.3.2 辊轮正压力对纸张与辊轮速度影响  92-94
  5.4 本章小结  94-95
第六章纸张进给系统在 RecurDyn 中的仿真研究  95-107
  6.1 RecurDyn 软件仿真环境  95-96
  6.2 纸张基本特性参数仿真与试验  96-98
    6.2.1 纸张模型参数初始化  96
    6.2.2 纸张弯曲变形的仿真模型和试验研究  96-97
    6.2.3 纸张基本特性参数  97-98
  6.3 纸张无约束动态变形的仿真研究  98-103
    6.3.1 纸张进给模型组成  98-99
    6.3.2 纸张在无约束条件下的动态进给  99-100
    6.3.3 进给速度对纸张动态变形的影响  100-103
  6.4 纸张进给系统的仿真研究  103-106
    6.4.1 复印机纸路进给仿真模型  103-104
    6.4.2 纸张进给平稳性的影响因素  104-106
  6.5 本章小结  106-107
第七章复印机纸张进给系统的试验研究  107-118
  7.1 纸张进给系统试验设计  107-112
    7.1.1 纸张进给试验系统规划  107-108
    7.1.2 纸张进给试验设备  108-112
  7.2 纸张进给系统试验过程  112-113
    7.2.1 复印机纸张进给速度测量  112-113
    7.2.2 复印机纸张进给动态变形  113
  7.3 纸张进给系统试验数据处理  113-115
  7.4 试验结果分析  115-117
  7.5 本章小结  117-118
第八章总结与展望  118-120
  8.1 总结  118-119
  8.2 展望  119-120
攻读学位期间发表的学术论文  120-121
参考文献  121-126

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