對針刺機針刺機構中關鍵零件的優化設計

尹耀康

（惠州市技師學院、惠州市高級技工學校，廣東 惠州 516003）

引言

提升針刺機性能最直接、有效的辦法是提高針刺震動頻率，而影響針刺頻率的主要原因是針刺機構的振動，其次是運動部件的慣性力。產生振動和慣性力的主要原因是針刺機構的水平方向上的不平衡力。

1 改進機構的優化設計

將單軸驅動偏心機構，改成雙軸反驅動偏心機構，運動時兩個偏心機構反向運動，兩曲柄的端部通過連桿剛性聯接，同步帶動針板做上下往復運動[1]。當兩偏心輪反向轉動時，從理論上講，可以相互抵消在水平方向上產生的不平衡力，大大降低機器的振動。

2 針刺機構中各零件的尺寸計算和強度校核

針刺機構的主要原理是雙軸反驅動偏心機構。本機構的主要傳動件是兩個主軸、兩個偏心輪、兩個曲柄、帶孔的長板、帶動針板的直桿。

主軸的直徑由主軸材料和所承受的最大載荷決定。而最大載荷由所帶動的部件的質量及針板向上運動過程中的加速度的最大絕對值決定。

2.1 主軸的設計

主軸的設計原則是，在滿足結構要求和強度、剛度等要求的條件下，設計出尺寸小、質量小、安全可靠、工藝上合理經濟、又便于維修的軸。

2.1.1 主軸的設計程序

1）根據針刺機構的整體布局，確定軸上、偏心輪的裝配方案。

2）選擇軸的材料。

3）在力的作用點及支點間跨距尚不能精確確定的情況下，按純扭工況初步估算軸的直徑。

4）根據軸的受載情況及使用狀況，進行軸的強度、剛度計算。

5）如果計算結果不能滿足強度、剛度等求時，必須修改軸的設計。

2.1.2 軸的材料選擇

1）主軸毛胚的選擇。

針刺機構中主軸至關重要，且受載較大，因此選用鍛柸。

2）根據使用條件選擇軸的材料。

主軸的材料選擇，本機構中的主軸既承受轉矩又承受彎矩，在變應力條件下工作，因此軸的材料應具有較好的強度和韌性。此處選擇優質碳素結構鋼，以45鋼為例，它調制后具有優良的綜合力學性能。

3）然后用熱處理和表面處理工藝提高材料的力學性能。

2.1.3 軸的直徑的計算

2.1.3.1 軸在計算截面所受彎矩

m為針刺機構的質量，kg；L為主軸的受力點與支撐點的距離，m；d為軸的直徑，mm；M為軸在計算截面所受彎矩，N·m；σP為軸的許用彎曲應力，MPa；ψ=0.3或 ψ=0.6；T 為軸在計算截面所受扭矩，N·m；P為主軸的功率；n為主軸的轉速；a為針板向上運動的最大加速度。

初步計算截面所受扭矩，初步估算軸截面所受的彎矩

2.1.3.2 軸的直徑

主軸與偏心輪通過焊接連接在一起。偏心輪與曲柄之間通過軸承連接在一起。軸承的內徑與外徑分別與偏心輪和曲柄之間通過過盈配合裝配在一起。曲柄質量直接關系到整個針刺機構的能量損耗問題，因此曲柄不宜取得過長。

主針刺機的往復動程小，在25～70 mm之間。在滿足刺針加固的前提下，往復動程應盡量小，這樣往復部件的運動慣量小、有利于高速[2]。偏心輪的偏心距曲柄與偏心輪和階梯軸的配合位置和曲柄兩孔中心線的距離直接影響到針刺機構的針刺行程。

2.2 偏心輪的設計

2.2.1 偏心輪的設計程序

1）根據針刺機構的整體布局，確定偏心輪的裝配方案。

2）選擇偏心輪的材料。

3）根據所受載荷來計算偏心輪的直徑。

2.2.2 偏心輪的裝配方案

偏心輪，在這里與主軸可以選擇焊接，也可以選擇過盈配合。

2.2.3 偏心輪的材料選擇

偏心輪的材料選擇，本機構中的偏心輪主要受壓應力。在滿足性能的前提下應盡可能選擇密度小的材料。

2.2.4 偏心輪尺寸的計算

偏心輪厚度L1的計算。

找出偏心輪的受壓應力時的最小截面。

R為偏心輪的直徑；r為主軸的直徑；d為偏心輪的偏心距，一般取50～100 mm；S1為偏心輪所受擠壓應力的最小截面的面積。

所受擠壓應力的最小截面的面積S1=πrL1，針刺機構除了主軸以外的零件的質量為m1。

a為針板向上運動的最大加速度。

初步估算偏心輪所受的最大擠壓應力假設這個力作用在一個長（d-r），截面面積為S1的幾何體上，偏心輪材料的擠壓許用應力為[σds]，而σds=，由[σds]≥σds，求偏心輪厚度 L1的取值范圍

2.2.5 軸承的選擇

根據偏心輪的直徑來選擇軸承的內徑，查內徑等于偏心輪直徑的幾種標準軸承的外徑大小。選擇一個合適的軸承。

2.3 曲柄的設計

2.3.1 曲柄的設計程序

1）根據針刺機構的整體布局，確定曲柄的裝配方案。

2）選擇曲柄的材料。

3）根據所受載荷來計算曲柄中大圓環的外徑。

2.3.2 曲柄的裝配方案

曲柄與軸承之間采用過盈配合。

2.3.3 曲柄的材料選擇

1）曲柄毛胚的選擇：針刺機構中偏心輪受載較大，因此選用鍛柸。

2）根據使用條件選擇曲柄的材料：曲柄的材料選擇，本機構中的曲柄受到較大的拉應力。此處選擇優質碳素結構鋼，以45鋼為例，它調制后具有優良的綜合力學性能。

3）然后用熱處理和表面處理工藝提高材料的力學性能。

3 曲柄中大圓環的外徑R2的計算

針刺機構除了主軸與偏心輪以外的零件的質量為m2。

曲柄危險截面受到的拉應力F2的大?。?/p>

R1為曲柄中大圓環的內徑，既軸承的外徑。

危險截面的面積 S2=（R2-R1）L1，材料的許用拉應力[σts]，而，又[σts]≥σts，求的曲柄中大圓環的外徑的取值范圍。

4 結語

通過改進后的針刺機構關鍵零件的尺寸計算發現，針刺機構尺寸得以減小，質量降低，從而減小水平方向上的不平衡力和慣性力，為下一步的有限元分析奠定基礎。

[1]王帆.針刺機針刺機構設計[J].裝備制造技術，2010（4）：82-83；86.

[2]王淑貞，藺軍.針刺機機構設計的改進[J].紡織機械，2011（2）：46-48.