針刺機振動及噪音測試分析與探討

許 濤

(鄭州紡機工程技術有限公司,河南 鄭州 450001)

隨著我國裝備制造業水平的逐步提高，振動和噪音也在機械行業內得到越來越多的關注。針刺法非織造布是近幾年來市場上需求量增幅較大的產品，針刺機作為針刺生產線的主要單元機，用于對纖維網進行針刺，使之加固成具有一定強力的非織造布，生產加工皮革基布、過濾材料和土工布等非織造布品種。雖然國內針刺設備近幾年工藝、性能方面取得了長足進步，但其穩定性及可靠性仍需不斷提高。對于作往復運動的機械產品，機械機構設計時要充分考慮動態狀況下各運動部件的受力情況及配合精度要求，才能最大程度降低運行時的振動和噪音，滿足實際工作需求[1]。

1 結構簡介

針刺機主要由機架、主傳動、針板針梁、托剝網板、進布出布、夾持液壓系統、氣路系統、風冷系統、定量供油系統和電氣控制等部分組成。針刺機中往復運動的傳動部件則是由針板、針梁、齒輪搖臂、連桿座、連桿、曲軸和主軸等組成[2]。

2 振動及噪音測試

以現有某型號雙板對刺針刺機進行測試分析，利用專用檢測設備便攜式測振議(北京時代之峰TIME7212)，噪音儀(臺灣泰仕TES1350A)進行檢測。

2.1 振幅及噪音

數據記錄見表1。

2.2 振幅數據分析

根據行業標準(表2 FZ/T 93047-2011)，空車運轉時機器的最大振幅，用測振儀在下機架中部位置檢測，根據測試結果看，低速、中速、高速3種速度狀態下Y向(前后)，Z向(上下，關鍵振動檢測方向)，X向(左右)振幅沒有超過行業標準B級，部分超過行業標準A級。

根據表1測試記錄情況可知，針刺機振幅最大值并不在最高速狀態，速度在400 r/min附近時，針刺機機架振幅主要檢測值最大。該速度之后，隨著速度的提高，振幅值在逐漸減小。

針刺機曲軸傳動部件有平衡機構，但任何不平衡量只能盡可能減小，不可能完全消除，針刺機機架的振動主要是由于針梁部件的往復運動慣性力帶動引起。速度較低時，由于針刺機自重很大(28 t左右)，針梁的往復慣性力較小，不足以帶動機架振動或大幅振動，在一定的低速范圍內，機架振幅隨著針刺速度的提高逐漸增大。超過一定速度以后，針刺速度越高，機架振幅有減小趨勢，此情況下行業標準關于速度、振幅的要求需要認真分析與研究。

2.3 噪音數據分析

低速、中速、高速3種速度狀態下噪音均已超過行業標準FZ/T 93047-2011 90 dB(A級)，部分超過行業標準94 dB(B級)。

檢測過程中，速度達到一定值(約500 r/min)后，明顯可以聽到“咔嗒”聲，實際產生“咔嗒”聲可能在此速度之前，只是靠聽覺感知不明顯，并且隨著速度的提高，該聲音越來越大。

表1 試驗針刺機振動噪音測試數據

X為左右端面，Y為進出布方向，Z為豎直方向；檢測位置為下機架中部上平面；噪聲檢測位置為：高度1.5 m,距離設備中部1 m。

表2 針刺機行業標準FZ/T 93047-2011

3 影響噪音因素

3.1 機械噪音

機械噪音按照其產生的根源可分為3種，空氣動力性噪音、機械振動性噪音、電磁性噪音等。空氣動力性噪聲是由氣體振動產生，如風機、壓縮機、噴氣式飛機等產生的噪音；電磁性噪聲由電磁振動產生，如電機、變壓器等產生的噪音；機械性噪音由設備零部件之間的摩擦和碰撞沖擊產生振動而引起的噪音，振動則主要產生于加工精度不夠或零部件之間的組裝精度差造成。如平衡精度不夠，結合面連接不牢固，局部配合有間隙等。根據分步排除法試驗測試得知，該針刺機散熱風機及各傳動電機、齒輪箱、電氣件等產生的噪音遠低于整機運轉時的噪音，由于噪音基本不存在疊加情況，可以確認針刺機的主要噪音來源是由振動或機械碰撞產生。

3.2 降低機械噪音的方法

降低噪音的基本方法首先是控制噪聲源的產生，其次是采取密封措施，控制噪音傳播。由于針刺機根據生產工藝要求需要進布和出布，通過增加密封罩來降低噪音難度很大，控制噪音源的振動則是降低噪音成本最低、最直接、有效、科學的方法。

4 針梁運動分析

將針梁、針板和連桿支座一起看作滑塊，就可以按照曲柄連桿機構，利用平面運動原理對其運動狀態進行推算分析，找出其與振動及噪音的關聯因素[3]。

4.1 位移分析

圖1 位移分析

圖1中：設r為曲軸偏心半徑，L為連桿長度，X為針梁部件位移，φ為曲軸轉角，β為連桿擺動的角度，ω為曲軸旋轉角速度，n為曲軸轉數(針刺頻次)，O為主軸圓心，A為曲軸中心，B為連桿與連桿支座連接銷軸圓心。其中曲軸OA作定軸轉動，針梁部件B平動,連桿AB是平面運動。OA和AB的連接點A的速度和加速度為已知,而B點的位移、速度和加速度就是針梁的位移、速度和加速度。因此，可以通過A點的運動分析B點的運動[4]。

針梁的位移由下止點開始記錄，針梁位移x即為B點位移xB,見圖1。

因：L·sinβ=r·sinφ(三角形正弦定律)

故：sinβ=λ·sinφ

在實際計算中取前兩項已足夠精確，則針梁部件位移的近似式為：

圖2 位移曲線

設x=xⅠ+xⅡ，則針板的位移量可以認為是兩個位移分量xⅠ和xⅡ的簡諧部分組成，如圖2所示。

針板的最大位移量為:xmax=2r，曲軸轉角在0°到90°區間較90°到180°區間針板的位移值要小。采用較大的連桿比，可使設備高度減少，重量減輕，但同時也使針梁部件加速度和連桿擺角有所增大，也相應地使針梁部件傳動負荷增加。

4.2 速度分析

B點速度vB即為針梁部件速度v，如圖3所示。

圖3 速度分析

采用速度瞬心法：

過B點做垂線與OA延長線交于C點，則C點為連桿AB速度瞬心，過C做輔助線CD垂直于AB。

由CD=BC·cosβ=AC·sin(φ+β)(三角形正弦、余弦定律)

連桿AB的角速度為：

也可由速度投影法求解:

以A為基點,作出B點的速度矢量圖

vB·cosβ=vA·cos[90o-(φ+β)]

vA=r·ω

通過對位移的近似計算式微分得到針板的速度近似計算式：

設v=vⅠ+vⅡ

則針板的速度可以認為是兩個速度分量vⅠ和vⅡ的簡諧部分組成，如圖4所示。

圖4 速度曲線

由圖4可知，針板的最大速度出現在90°之前或270°之后。

圖5 加速度分析

4.3 加速度分析

如圖5所示，以A為基點,作B點的加速度矢量圖，針梁部件加速度j等于B點加速度jB,則根據平面運動加速度合成定理，B點加速度為A點加速度與AB的法向加速與切向加速度之和：

因A點作圓周運動，則

B點相對于基點A的法向加速度為：

取如圖5投影軸，將各矢量投影到投影軸上，投影到η軸得：

j=rω2·(cosφ+λcos2φ)=rω2·cosφ+rω2λ·cos2φ(近似式)

設j=jⅠ+jⅡ，則針板的加速度可以認為是兩個加速度分量jⅠ和jⅡ的簡諧部分組成，如圖6所示。

圖6 加速度曲線

由圖6可近似認為，當針梁到達上止點時，針梁換向，針梁速度為0，曲柄轉角等于180°，針梁加速度達到負的最大值。

jmax1=r·ω2·(cosφ+λcos2φ)

當橫梁到達下止點時，橫梁換向，橫梁速度為0，曲柄轉角等于0°，橫梁加速度達到正的最大值。將φ=0°代入得：

由此可以看出，針梁部件加速度與連桿比λ及曲軸轉速n相關，與針梁部件本身質量大小無關。

5 橫梁部件豎直方向受力分析

力和加速度都是矢量，物體的加速度方向和物體所受合外力的方向是一致的，當其所受合外力發生瞬間變化時，加速度也必然隨之發生瞬間變化[6]。

現有雙板對刺針刺機，橫梁與連桿支座螺栓剛性連接，連桿與連桿銷軸螺栓固定剛性連接，連桿銷軸通過軸承與連桿支座配合連接，銷軸與軸承內圈過盈配合連接，連桿支座與軸承外圈過盈配合連接，即橫梁最終與軸承外圈剛性相連接，連桿最終與軸承內圈剛性相連接，可以通過軸承內外圈受力情況對軸承游隙影響來具體分析噪音可能產生的原因，如圖7所示。

齒輪搖臂導向機構與連桿銷軸配合連接，保證連桿銷軸作豎直方向往復運動，該軸承理論上橫向不受作用力。

5.1 豎直方向合加速度方向向上狀態(0≤φ≤900，2700≤φ≤3600)

圖7 軸承受力分析

針梁部件合加速度為正時，合加速度方向向上，由于針梁部件重力加速度方向向下，豎直方向連桿作用于軸承內圈的作用力F一定向上，且大小大于針梁部件重量，否則合加速度方向不可能向上，此情況軸承內圈在軸承外圈內靠上端運行。

5.2 豎直方向合加速度方向向下狀態(900≤φ≤2700)

5.2.1針梁部件合加速度大小小于重力加速度g時

針梁部件合加速度為負值，合加速度方向向下，由于針梁部件重力加速度向下，如果F方向向下，不論大小多少，合加速度大小一定會大于重力加速度g。此時，F方向只能是向上，并且豎直方向連桿作用于軸承內圈的作用力F的一定小于針梁部件重量，否則合加速度方向不可能向下。所以，此情況軸承內圈在軸承外圈內靠上端運行。

5.2.2針梁部件合加速度大小大于重力加速度g時

針梁部件合加速度為負，合加速度方向向下，由于針梁部件重力加速度向下，豎直方向連桿作用于軸承內圈的作用力F不論大小如何，方向一定是向下的，否則針梁部件合加速度大小不可能大于重力加速度g，且方向向下，此情況軸承內圈在軸承外圈內靠下端運行。

通過以上分析可知，針梁部件在運轉過程中，當其加速度最大負值jmax1大于重力加速度g時，軸承內圈在外圈內運行情況會發生變化，由靠上到靠下之間發生轉換，即：

這一過程中軸承會產生振動噪音，形成所謂“咔嗒”聲，軸承游隙越大，轉速越高，振動噪音會隨之增加。

5.3 連桿銷軸受力分析

當針梁部件運行至下止點時，合加速度達到最大值jmax2，方向向上，豎直方向連桿作用于軸承內圈的作用力F也到最大值，設針梁部件質量為m，此時

由上式可以看出，針刺機高速運轉過程中，與連桿銷軸配合的軸承在豎直方向瞬時最大受力要遠大于針梁部件本身的自重。

5.4 應用分析

在實際工作過程中，我們通常把軸承游隙分為原始游隙、安裝游隙、工作游隙。正常狀況下，工作游隙大于安裝游隙，安裝游隙小于原始游隙。合適的工作游隙有助于軸承的正常工作。游隙過小，軸承溫度升高太多，無法正常工作，以至滾動體卡死；游隙過大，設備振動大，滾動軸承噪聲大[7]。

對于針刺機曲軸連桿機構軸承的選配，由于其瞬間負載在不斷變化，且針梁部件在上下兩端時相關傳動部件的軸承受力較大，不僅要考慮安裝前軸承的原始游隙，同時要考慮其在額定轉速狀態下軸承的工作游隙，工作游隙才是真正影響該軸承使用壽命、溫升、振動、噪音的重要因素。為使軸承游隙測量準確、可靠，可以考慮根據額定轉速狀態下，計算軸承的極限受力情況，依據該受力的大小給軸承增加一定的負載進行測量，從而為選配合適的軸承種類及游隙提供理論數據。

因此,為最大限度地減小噪音的產生，作高速、高負載往復運動的部件選擇軸承的游隙時,應考慮使工作游隙為零或略為負為宜。當然，其原始游隙需要比工作游隙更小，具體需要根據使用壽命、溫升、振動、噪音等情況反復測試后再選用。

6 結語

對于既有旋轉運動，同時又做往復運動的針刺機設備，在機械設計時需要考慮的因素要比單作旋轉運動的機械設備復雜很多，不僅要考慮平衡對于針刺機振動和噪音的影響，機械結構設計時科學、合理、公差、配合及傳動部件的選配上滿足機械性能需要，采用先進生產技術，使得加工、裝配工藝能夠達到設計目標，保證產品質量。同時，其在動態狀況下的受力情況，相關零部件之間的配合精度要求都要進行全方位考慮、核算，既要設計得出，加工得到，同時要裝得上，拆得下，便于加工、裝配及維修。保證分段式曲軸動作一致性，調整好平衡等，也是從根源上降低設備噪音的有效方法[8]。