地毯簇絨機簇絨針傳動機構動力學分析

程杭杭

（東華大學 機械工程學院，上海 201620 ）

0 引言

地毯簇絨機是一種應用廣泛的地毯織造裝備，而主軸系統是其核心系統。地毯簇絨機的主軸系統一般采用兩端電機驅動，以多組多套連桿機構為執行機構，且機構的傳動與執行機構中包含多根細長軸。這樣的機械系統存在慣性不平衡、交變載荷和振動問題。其中，振動問題正是妨礙紡織機械高速運動的主要因素。本文以簇絨機傳動機構為研究對象，建立動力學仿真分析模型。其中，長軸作為柔性體考慮，利用動力學分析軟件對其進行運動仿真和動力學、模態分析，為改進簇絨機提供重要的理論依據。

1 簇絨運動的基本原理

簇絨機的運動分為兩部分，一部分為簇絨織造運動過程，另一部分為簇絨針的驅動機構，即本文研究的簇絨機傳動機構。

簇絨織造運動的成圈工藝如圖1 所示。在簇絨織造運動過程中， 簇絨針帶著紗線穿透底基布做往復直線運動， 成圈鉤繞著搖軸作往復擺動， 通過兩者之間具有一定規律關系的運動合成， 以送紗、鉤紗、脫紗的循環動作使絨紗在底基布背面形成絨圈[1]。

圖1 簇絨織造運動的成圈工藝

帶動簇絨針織造過程的驅動機構如圖2 所示，它由兩部分組成：1) 由 Le， L1， L2組成的曲柄搖桿機構， 通過這個機構把主軸O1的旋轉運動轉化為傳動軸O2的往復運動。2) 由L3， L4組成的偏置曲柄滑塊機構， 在往復運動的傳動軸驅動下， 滑塊做往復直線運動， 而在機械裝配上， 簇絨針和滑塊固連在一起[2]。

簇絨針帶著紗線刺入底布時，底布與紗線的張力在簇絨運動過程中是變化的。而傳動機構驅動帶著紗線的針排，在一定張力的底布上作往復穿刺運動。這樣的系統實際上是具有多點交變載荷作用的細長軸、多連桿復雜系統[3]。因此，有必要對長軸系統進行動力學分析。

圖2 簇絨機的傳動機構

2 簇絨機傳動機構動力學模型

根據簇絨機運動原理，建立傳動機構模型。簇絨機主軸傳動機構是由主軸、擺軸、軸承、連桿、連桿蓋、偏心輪、滑桿和簇絨針等組成，其中擺軸長度達到1420mm，而直徑僅為40mm，具有細長軸和多組多套連桿機構的特性。由電機帶動主軸，通過偏心機構、擺軸、連桿、滑桿，最終達到簇絨針上下運動的目的。運用solid works，建立如圖3所示的主軸傳動機構模型。各構件的幾何位置參數、質量參數是以實體簇絨機為基準。

圖3 簇絨機三維模型

以模型為基礎，進行長軸系統的動力學分析。模態分析是其中必不可少的一個步驟，主要用于確定傳動機構中長軸的振動特性，即結構固有頻率和振型，它們是承受動態載荷結構設計中的重要參數。

對于柔性構件，將其變形視為模態的線性疊加，構件的模態振型可通過有限元分析得到。以長軸為柔性體，選取連接點為主自由度，在連接點以及兩端點處約束UX,UY,UZ,RX,RY，利用主自由度來定義長軸的質量矩陣及剛度矩陣，求得其頻率及振動模態。

在機構有限元分析中，剛度矩陣和質量矩陣都是實對稱矩陣。消除剛體以后的剛度矩陣是正定的；采用一致質量矩陣時，質量矩陣也是正定的。所有特征值為非負的實數。

Wi稱為結構的第I 階固有頻率。對應的有I階固有振型。它們滿足方程

這是廣義特征值問題。它是一個關于未知向量φ的齊次線性代數方程組，結構發生自由振動，有非零解。當有

上式是關于W2高次代數方程，通常叫做多自由度體系自由振動頻率方程。它的次數與K，M的階數相等，及等于機構的自由度數n。其中，（i=1，2，…，n）為特征值。對應于每個特征值，所確定的一組對應的振幅值φ（ii＝1，2，…，n），稱為特征向量，即為機構的振型[4]。

表1給出了簇絨機傳動機構長軸前5階的模態分析結果。

表1 長軸的五階模態

對應的振型如圖4所示。

圖4 長軸前五階振型圖

3 傳動機構動力學仿真分析

采用上述建立的主軸傳動機構多體動力學分析模型，根據現有的簇絨速度650～1500個簇絨循環每分鐘，設定主軸轉速為1000r/min。在Adams中，約束構件自由度，設定時間為1s，步數為500。進行動力學仿真，得到各個連桿對應不同時刻加在擺軸上的載荷。在ANSYS分析中，先進行幾何模型的離散化、材料特性定義等有限元模型處理，再通過APDL命令，將各個時間節點的載荷加載到相應的節點區域，并進行多個周期的響應分析。為了分析完整性，采用完全法，計算瞬態響應。

結構在動載荷作用下，分析節點位移、速度和加速度的變化規律。本文采用直接積分法求解二階常微分方程組。

其中，{q}為所有節點位移分量組成的n階列陣，n為結構總自由度；( i為節點數)，稱為節點載荷列陣；[K]、[M]、[C]分別為結構的剛度矩陣、質量矩陣和阻尼矩陣。

把1秒離散為501個離散度，每兩個離散點之間具有相同的時間間隔0.002s，由初始狀態t=0開始，逐步求出每個時間離散點上的狀態向量，最后求出的狀態向量就是機構的動態響應解[5]。

分析完畢后，圖5是長軸的應力云圖，其受力分布直觀地顯示出來。圖中以不同的顏色來代表不同應力值區間。與圖6進行比較，清楚地看到，跨在兩擺桿與軸連接之間，沒有軸承支撐的地方是最為變形嚴重的，最大的變形量為0.20997×10-1m。長軸的受力變形是簇絨機存在的一個重要問題,這將直接影響到機器的穩定運行、效率、振動、壽命等方面。根據分析，為解決現有簇絨機這方面問題，有必要對其優化設計。單就長軸來看，可以改變長軸的整體尺寸或者對長軸在變形最嚴重的局部重新設計，但一定要考慮到長軸動平衡，整個機構協調問題。所以，單單改變軸的形狀還達不到優化的目的。另一方面，還要從整個簇絨機傳動機構來看，可以重新調整長軸與三個擺桿連接點以及軸承支撐點的位置，或者在兩擺桿連接點之間的區域，即最大變形位置加一個軸承支撐點。長軸的重新設計，結合支撐點位置間距的改變，才能達到簇絨機真正意義上優化的目的。所以，簇絨機傳動機構的優化設計一定要，能夠在最大程度上縮小長軸應力變形量的同時，至少不會帶來其他問題或致使其他問題加重。

簇絨機結構仍存在多種問題，如長軸的動平衡，軸系彎扭耦合等。簇絨機長軸的動力學分析，對縮小國內外技術差距，進行地毯裝備的創新設計，形成大型紡織機械的設計理論和方法有重要的指導作用。

圖5 長軸的應力云圖

圖6 長軸的機構圖

4 結論

1）利用多體動力學分析軟件對簇絨主軸傳動機構進行了動力學特性仿真分析。

2）通過仿真，可得到長擺軸最大載荷位置，對合理設計長軸，優化簇絨機結構具有重要的指導意義。

3）仿真得到的載荷變化特性，為優化主軸傳動機構，降低細長軸的慣性不平衡和交變載荷所帶來的振動問題，提供了可靠的設計依據。

[1]薛士鑫.機制地毯[M].北京: 化學工業出版社,2004.

[2]丁彩紅,張少平,孫以澤.地毯簇絨機簇絨針傳動機構運動分析[J].紡織學報,2006,(5): 1-2.

[3]丁彩紅,楊延竹,孫以澤.地毯簇絨機軸系動力學問題研究的現狀與展望[J].紡織學報,2007: 1-2.

[4]薛守義.有限單元法[M].北京: 中國建材工業出版社,2005.

[5]杜平安,甘娥忠,于亞婷.有限元法—原理建筑及應用[M].北京: 國防工業出版社,2004.