針刺機曲柄滑塊機構振動問題的優化分析

劉志強 王連慶

（合肥工業大學 機械工程學院，合肥 230009）

1 針刺機的介紹

針刺機針刺過程中產生劇烈振動將會直接影響無紡布的生產效率及質量，還會危及工人的健康[1]。針刺機工作過程中曲軸、連桿的工作頻率有可能會改變，此時機架會有強烈的振動，曲軸和連桿在受到很大的振動和沖擊力時會產生很大的形變[2-3]。為了解決上述問題，本文針對某紡織機械公司的ZW-2361-370型針刺機進行曲軸、連桿的靜力學分析及模態分析。通過模態分析了解結構在某一頻率范圍內固有頻率的振動特性，這樣就可以知道結構在這段振源作用下產生的實際振動響應[4]。通過理論模態分析，掌握機床主軸工作時的形變情況，提出相應的措施減小機床的振動變形和噪聲，進而提高無紡布的生產質量和效率，改善工人的工作環境，增加企業的綜合競爭力和效益。

針刺機的關鍵機構是針刺機構，由傳動軸、曲軸、針板、針梁、連接架、滑套導向裝置等組成，其中剝網板和托網板固定在上下機架中不參加針刺主運動。偏心輪安裝在曲軸上，曲軸由法蘭連接在主傳動軸上，連桿的一端連接在偏心輪上，另一端連接針梁和針板，由此便構成了一個曲柄滑塊機構，如圖1所示。

傳動軸轉動帶動偏心輪和連桿，針梁和針板在搖臂導向裝置的作用下做豎直方向的往復運動。均勻纖網經過開清后，輸送到剝網板和托網板之間，針刺機上的刺針高頻率穿刺對其加固。機架頂端的主電機經過V帶，帶動齒輪箱內齒輪進而使針刺機傳動。齒輪的輸出端連接主傳動軸，帶動兩個傳動軸運轉，輸出端連接安裝在下安裝板的齒輪箱內。同理，底部的齒輪箱輸出端也帶動兩個傳動軸運轉。

圖1 針刺機傳動機構

2 針刺機構關鍵零部件連桿的有限元分析與校核

用ANSYS軟件對連桿進行受力分析，連桿上有很多螺栓孔、螺柱孔、小倒角以及小凸臺，這些因素會影響ANSYS軟件對連桿的分析結果[5]。為減小不必要的麻煩，在不影響分析精度的前提下必須去掉螺栓孔、螺柱孔、小倒角以及小凸臺。利用ANSYS軟件打開建立好的模型，根據模型的物理屬性確定其密度、剛度和泊松比的參數。利用ANSYS軟件求解連桿受力變形情況，多次對比后取最符合實際的解，如圖2所示。連桿模態分析如圖3所示。

圖2 連桿總體變形

圖3 連桿前四階振型

如表1所示，連桿前6階固有頻率均大于20Hz，不會產生共振。同理，對曲軸進行有限元分析與校核，計算出曲軸端面的最大變形量為1.41×10-4rad，并得出扭轉應力遠小于其扭轉許用應力。曲軸前6階的固有頻率均大于曲軸的工作頻率（20Hz），不會發生共振。

表1 連桿固有頻率與振型描述

3 結語

針刺機在進行針刺運動時，機床的振幅會隨著主軸轉速的增大而增大，當主軸轉速達到某一轉速時，機床的振幅達到最大值，產生共振現象。基于以上研究結果，進一步提高針刺頻率，則要避免共振現象的發生。防止共振現象的發生需要提高曲軸右側的剛度（如加粗與調質），或增加加固架，減小針梁、連桿和搖臂導向裝置的重量，采用強度高、密度小的新型復合材料，如硬質鋁鎂合金。在不影響無紡布生產質量的前提下，減小連桿長度或者減小針刺運動的沖程。