地毯簇绒机簇绒针传动机构动力学分析

2012-01-25程杭杭

制造业自动化 2012年12期

程杭杭

（东华大学机械工程学院，上海 201620 ）

0 引言

地毯簇绒机是一种应用广泛的地毯织造装备，而主轴系统是其核心系统。地毯簇绒机的主轴系统一般采用两端电机驱动，以多组多套连杆机构为执行机构，且机构的传动与执行机构中包含多根细长轴。这样的机械系统存在惯性不平衡、交变载荷和振动问题。其中，振动问题正是妨碍纺织机械高速运动的主要因素。本文以簇绒机传动机构为研究对象，建立动力学仿真分析模型。其中，长轴作为柔性体考虑，利用动力学分析软件对其进行运动仿真和动力学、模态分析，为改进簇绒机提供重要的理论依据。

1 簇绒运动的基本原理

簇绒机的运动分为两部分，一部分为簇绒织造运动过程，另一部分为簇绒针的驱动机构，即本文研究的簇绒机传动机构。

簇绒织造运动的成圈工艺如图1 所示。在簇绒织造运动过程中，簇绒针带着纱线穿透底基布做往复直线运动，成圈钩绕着摇轴作往复摆动，通过两者之间具有一定规律关系的运动合成，以送纱、钩纱、脱纱的循环动作使绒纱在底基布背面形成绒圈[1]。

图1 簇绒织造运动的成圈工艺

带动簇绒针织造过程的驱动机构如图2 所示，它由两部分组成：1) 由 Le， L1， L2组成的曲柄摇杆机构，通过这个机构把主轴O1的旋转运动转化为传动轴O2的往复运动。2) 由L3， L4组成的偏置曲柄滑块机构，在往复运动的传动轴驱动下，滑块做往复直线运动，而在机械装配上，簇绒针和滑块固连在一起[2]。

簇绒针带着纱线刺入底布时，底布与纱线的张力在簇绒运动过程中是变化的。而传动机构驱动带着纱线的针排，在一定张力的底布上作往复穿刺运动。这样的系统实际上是具有多点交变载荷作用的细长轴、多连杆复杂系统[3]。因此，有必要对长轴系统进行动力学分析。

图2 簇绒机的传动机构

2 簇绒机传动机构动力学模型

根据簇绒机运动原理，建立传动机构模型。簇绒机主轴传动机构是由主轴、摆轴、轴承、连杆、连杆盖、偏心轮、滑杆和簇绒针等组成，其中摆轴长度达到1420mm，而直径仅为40mm，具有细长轴和多组多套连杆机构的特性。由电机带动主轴，通过偏心机构、摆轴、连杆、滑杆，最终达到簇绒针上下运动的目的。运用solid works，建立如图3所示的主轴传动机构模型。各构件的几何位置参数、质量参数是以实体簇绒机为基准。

图3 簇绒机三维模型

以模型为基础，进行长轴系统的动力学分析。模态分析是其中必不可少的一个步骤，主要用于确定传动机构中长轴的振动特性，即结构固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。

对于柔性构件，将其变形视为模态的线性叠加，构件的模态振型可通过有限元分析得到。以长轴为柔性体，选取连接点为主自由度，在连接点以及两端点处约束UX,UY,UZ,RX,RY，利用主自由度来定义长轴的质量矩阵及刚度矩阵，求得其频率及振动模态。

在机构有限元分析中，刚度矩阵和质量矩阵都是实对称矩阵。消除刚体以后的刚度矩阵是正定的；采用一致质量矩阵时，质量矩阵也是正定的。所有特征值为非负的实数。

Wi称为结构的第I 阶固有频率。对应的有I阶固有振型。它们满足方程

这是广义特征值问题。它是一个关于未知向量φ的齐次线性代数方程组，结构发生自由振动，有非零解。当有

上式是关于W2高次代数方程，通常叫做多自由度体系自由振动频率方程。它的次数与K，M的阶数相等，及等于机构的自由度数n。其中，（i=1，2，…，n）为特征值。对应于每个特征值，所确定的一组对应的振幅值φ（ii＝1，2，…，n），称为特征向量，即为机构的振型[4]。

表1给出了簇绒机传动机构长轴前5阶的模态分析结果。

表1 长轴的五阶模态

对应的振型如图4所示。

图4 长轴前五阶振型图

3 传动机构动力学仿真分析

采用上述建立的主轴传动机构多体动力学分析模型，根据现有的簇绒速度650～1500个簇绒循环每分钟，设定主轴转速为1000r/min。在Adams中，约束构件自由度，设定时间为1s，步数为500。进行动力学仿真，得到各个连杆对应不同时刻加在摆轴上的载荷。在ANSYS分析中，先进行几何模型的离散化、材料特性定义等有限元模型处理，再通过APDL命令，将各个时间节点的载荷加载到相应的节点区域，并进行多个周期的响应分析。为了分析完整性，采用完全法，计算瞬态响应。

结构在动载荷作用下，分析节点位移、速度和加速度的变化规律。本文采用直接积分法求解二阶常微分方程组。

其中，{q}为所有节点位移分量组成的n阶列阵，n为结构总自由度；( i为节点数)，称为节点载荷列阵；[K]、[M]、[C]分别为结构的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。

把1秒离散为501个离散度，每两个离散点之间具有相同的时间间隔0.002s，由初始状态t=0开始，逐步求出每个时间离散点上的状态向量，最后求出的状态向量就是机构的动态响应解[5]。

分析完毕后，图5是长轴的应力云图，其受力分布直观地显示出来。图中以不同的颜色来代表不同应力值区间。与图6进行比较，清楚地看到，跨在两摆杆与轴连接之间，没有轴承支撑的地方是最为变形严重的，最大的变形量为0.20997×10-1m。长轴的受力变形是簇绒机存在的一个重要问题,这将直接影响到机器的稳定运行、效率、振动、寿命等方面。根据分析，为解决现有簇绒机这方面问题，有必要对其优化设计。单就长轴来看，可以改变长轴的整体尺寸或者对长轴在变形最严重的局部重新设计，但一定要考虑到长轴动平衡，整个机构协调问题。所以，单单改变轴的形状还达不到优化的目的。另一方面，还要从整个簇绒机传动机构来看，可以重新调整长轴与三个摆杆连接点以及轴承支撑点的位置，或者在两摆杆连接点之间的区域，即最大变形位置加一个轴承支撑点。长轴的重新设计，结合支撑点位置间距的改变，才能达到簇绒机真正意义上优化的目的。所以，簇绒机传动机构的优化设计一定要，能够在最大程度上缩小长轴应力变形量的同时，至少不会带来其他问题或致使其他问题加重。

簇绒机结构仍存在多种问题，如长轴的动平衡，轴系弯扭耦合等。簇绒机长轴的动力学分析，对缩小国内外技术差距，进行地毯装备的创新设计，形成大型纺织机械的设计理论和方法有重要的指导作用。