預制體縫合針穩定性分析及插刺機構改進設計

董九志， 宋宗建， 陳云軍， 蔣秀明

(天津工業大學 天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387)

縫合技術是針對傳統預制體成型方法不足而開發的一種全新技術，其原理是通過縫合手段，使復合材料在垂直于鋪層平面方向得到增強，從而提高材料層間損傷容限[1]。縫合技術起源于20世紀70年代，Mingenery等[2]在環氧樹脂/碳纖維體系固化前將碳纖維縫入層合板的厚度方向起承力作用，顯著提高了層間強度，之后縫合技術得到了世界各國的重視和研究。近年來，我國在縫合復合材料研究與應用方面已取得長足進步，北京航空制造工程研究已在縫合復合材料計算機模擬仿真、復雜構件預制體成型等方面取得了突破性進展[3-4]。由于縫合復合材料應用范圍的不斷擴大，我國相應的縫合設備得到了迅猛發展，從最原始的工業縫紉機發展到了由計算機控制的大型縫合設備[5-6]。

縫合針作為縫合設備的主要器材，其功能為穿透縫料、引導縫合線、形成線環進而完成縫合鎖扣工作，是影響縫合設備穩定工作的關鍵部件[7]。國內外關于縫合針的研究主要集中在對縫合針的選擇及結構改進，涉及縫合針在使用過程中容易產生的針洞、疵點、針溫、縫合針穿透力變弱及其表面粗糙度差導致紗線起毛等問題，且已有縫合設備一般縫合厚度為20～30 mm，而關于較厚預制體用超長縫合針穩定性研究卻鮮有報道[8-10]。然而，應用于航空航天領域的樹脂基碳纖維復合材料機匣、渦扇發動機碳陶復合材料噴口調節片、空天飛行器機翼前緣等器件在生產時均需以70 mm厚炭/炭縫合復合材料預制體為加工基材，對此大厚度復合材料預制體進行縫合時，縫合設備所用縫合針長度過大，且隨著針尖刺入縫料深度的不斷增加，縫合針所受工作阻力也越來越大，易導致針桿失穩；為使縫合針順利引導縫合線完成縫合工作，需在針桿處加工線槽，此結構會嚴重降低縫合針工作穩定性，尤其對大厚度縫料縫合時易出現壓桿失穩現象。

為保證縫合針工作穩定性，本文對其進行穩定性分析，并結合70 mm厚正交疊層機織碳布縫合裝置特點，設計適用于增大縫合針失穩臨界力的改進單針插刺機構以提高縫合針工作穩定性。

1 縫合針失穩分析

本文所用縫合針直徑為2 mm，工作長度為 120 mm，為大柔度壓桿且針桿處開有超長過線槽。

傳統縫合裝置工作時縫合針一直處于一端固定、一端鉸支的單一約束狀態，如圖1所示。由歐拉公式可知，此時縫合針失穩臨界力為

(1)

式中：l為縫合針工作總長度，mm；E為縫合針彈性模量,E=210 GPa；I為縫合針針截面慣性矩，I=7×10-13；μ1為縫合針長度因數，μ1=0.7。

圖1 插刺機構簡圖

縫合針插刺70 mm厚正交疊層機織碳布過程中所受最大工作阻力由實驗測得。實驗采用艾普SF-300 N數顯高精度拉力推力計，該設備具有工作跟蹤模式和峰值保持模式，通過對縫料表面不同位置進行5次豎直方向單針插刺推力測量，測得縫合針在插刺過程中工作阻力F分別為61.1、60.9、61.0、61.2、60.7 N，其中最大工作阻力為61.2 N，故縫合針在未被抱持時工作安全因數為

(2)

式中，nst為穩定安全因數。

由式(2)可知，縫合針未被抱持時工作安全因數n1小于規定穩定安全因數nst,即此狀態下縫合針進行碳布縫合時易出現壓桿失穩現象，須通過改進以增大縫合針失穩臨界力，確保其工作可靠性。

2 單針插刺機構改進設計

2.1 單針插刺機構改進方案

設計基本要求:增大縫合針失穩臨界力，使縫合裝置縫合70 mm厚疊層碳布時，其縫合針不會出現失穩現象，工作可靠。

為滿足設計要求提出以下方案：以正交疊層機織碳布縫合裝置為基礎，改進方案由抱針凸輪、抱針桿以及抱針塊等組成，三維模型如圖2所示。其中抱針凸輪安裝在插刺機構主軸上，抱針凸輪面與抱針桿頂部的滾輪始終接觸，抱針桿下部安裝抱針塊，抱針塊上抱針孔直徑略大于縫合針直徑，實現對縫合針的固支約束。工作時，抱針凸輪隨插刺機構主軸同步轉動，抱針桿在凸輪軌跡的控制下實現上下方向復雜軌跡運動，保證抱針塊始終處于理想位置。該方案通過抱針塊增加縫合針中段約束點，減小縫合針懸臂長度，同時利用抱針凸輪控制抱針塊在縫合針刺入疊層碳布后的位置，確保抱針塊始終處于使縫合針失穩臨界力最大時的位置。

1—抱針凸輪；2—主軸；3—滾輪；4—滾輪座；5—抱針桿；6—針桿；7—縫合針；8—抱針塊；9—曲柄；10—同步帶輪；11—連桿。

2.2 抱針塊運動規律確定

在改進單針插刺機構中，抱針塊的運動就是抱針凸輪的輸出運動，其規律與特性影響整個插刺機構的工作情況，凸輪的輪廓曲線也取決于抱針塊的運動規律，因此，確定抱針塊運動規律十分關鍵。由設計方案可知，抱針塊的運動規律應結合插刺機構各部件尺寸及運動情況確定，抱針塊與插刺機構配合關系如圖3所示，其變化規律即為所求抱針塊運動規律。

在與船員管理者溝通的基礎上，設計有關船員疲勞及其影響因素的調查問卷，包含所有可能影響海員疲勞的影響因素，并進一步分析這些因素如何影響海員的疲勞。

由圖中幾何關系可得

(3)

式中：s1為插刺機構曲柄長度，mm；s2為連桿長度，mm。

當縫合針刺入疊層碳布時，鉸鏈支座處于縫合針刺入碳布部分的中間，其與碳布頂面距離為

(4)

式中：lz為針桿與縫合針總長度，mm；xt為縫料到主軸的距離，mm。

注：s1=55 mm，s2=220 mm， d=10 mm， xt=481 mm，lz=301 mm。

根據歐拉公式，抱針塊上部縫合針約束條件為兩端固定，其失穩臨界力為

(5)

抱針塊下部縫合針約束條件為一端固定、一端鉸支，其失穩臨界力為

(6)

式中：l1為抱針塊至縫合針頂端距離，mm；l2為抱針塊至虛擬鉸鏈距離，mm；μ1、μ2為縫合針長度因數，μ1=0.7、μ2=0.5。

根據F1、F2的變化規律可知，縫合針失穩臨界力為最大時，有

F=F1=F2

(7)

l1=1.96×l2

(8)

則主軸至抱針塊中心距離為

(9)

式中：d為抱針塊厚度，mm；xk為主軸至抱針塊中心的距離，mm。

由于抱針塊不能與碳布發生干涉，因此要求抱針塊到達最底端時，其剛好與碳布接觸，故有

xk≤xt-0.5d

(10)

由以上各式可得抱針塊在不同主軸轉角φ區間內的關系式

利用MatLab軟件做出其運動曲線、速度曲線及加速度曲線，如圖4～6所示。

圖4 抱針塊運動曲線

圖5 抱針塊速度曲線

圖6 抱針塊加速度曲線

由圖5可知，抱針塊在A、B、C、D4個點產生速度突變，即凸輪機構將在這4個點處產生剛性沖擊。為消除這種沖擊，現使用三次項方程對其運動軌跡G-E，B-C，F-H段進行修正，得到修正后的抱針塊運動曲線、速度及加速度曲線，如圖7～9所示。修正后的曲線在保持與原曲線相差較小的情況下光滑過渡，機構無剛性沖擊。

圖7 修正后從動件(抱針塊)運動曲線

圖8 修正后從動件(抱針塊)速度曲線

圖9 修正后從動件(抱針塊)加速度曲線

2.3 抱針凸輪廓線設計

抱針凸輪輪廓曲線根據修正后的抱針塊運動曲線確定，其理論廓線公式為[11]

(11)

式中：

式中：θB凸輪理論廓線的極角，rad；ρB分別為凸輪理論廓線的極徑，mm；η為偏置方向符號系數；a為偏置距，mm,a=0;Rb為基圓半徑，mm。

抱針凸輪實際廓線公式[11]為

(12)

式中：θk為凸輪實際廓線的極角，rad；ρk為凸輪實際廓線的極徑，mm；λ為凸輪輪廓類型系數，λ=1；Rr為滾子半徑；Rr=7 mm；α為壓力角，rad。

為使凸輪機構正常運轉，壓力角不可過大，取許用壓力角[α]=35o。由于基圓半徑Rb值越大，α越小，取初始值Rb=10 mm，步長為0.5 mm，利用MatLab軟件進行迭代計算，得到最小可用基圓半徑Rb=29 mm。

根據以上參數，利用MatLab軟件繪制出凸輪實際廓線，如圖10所示，據此加工出的凸輪實物圖如圖11所示。

圖10 抱針凸輪實際廓線

圖11 抱針凸輪

3 改進單針插刺機構功能驗證

根據修整后的抱針塊運動曲線及公式(6)，利用MatLab軟件繪制出力F2的變化曲線，如圖12所示，由公式(7)可知，此曲線亦為縫合針失穩臨界力F的變化曲線。

圖12 F2的變化曲線

由圖12可知，改進單針插刺機構縫合針的失穩臨界力最小值Fmin=1 526.5 N，故其最小工作安全因數為

(13)

由式(13)可知，此狀態下縫合針工作安全因數n2遠大于規定穩定安全因數nst，即改進單針插刺機構能夠避免縫合針在工作過程中出現失穩現象，保證生產可靠，滿足設計要求。

4 實驗驗證

改進單針插刺機構整體裝配圖如圖13所示。為驗證改進機構功能可靠性與穩定性，進行了縫合插刺實驗。該實驗選用碳布厚度為0.25 mm，呈正交疊層放置壓實，層間距為0.25 mm，縫料總厚度為70 mm。縫合針在縫料幅面四角及中間5個位置點分別進行50次不間斷插刺實驗，實驗過程如圖14所示，實驗結果見表1。

圖13 插刺機構裝配圖

在縫合針插刺實驗中，250次不間斷插刺動作順利刺穿縫料，縫合針始終工作穩定，完成實驗后縫合針依舊垂直，未發生形變。表明改進單針插刺機構工作原理正確，工作穩定可靠，能夠滿足縫合針穩定性要求。

圖14 插刺實驗過程

表1 實驗結果統計表

5 結束論

針對70 mm厚預制體正交疊層機織碳布縫合裝置在縫合碳布過程中易出現縫合針壓桿失穩問題，設計了增大其失穩臨界力的改進單針插刺機構。該機構通過抱針塊增加縫合針中段約束點，減小縫合針懸臂長度，同時利用抱針凸輪控制抱針塊在縫合針刺入疊層碳布后的位置，同步性好，控制精準，能保證抱針塊始終處于最佳位置，增加了縫合針進行插刺時的失穩臨界力。對改進單針插刺機構作用下縫合針失穩臨界力進行計算分析，結果表明其原理可行，滿足設計要求。為驗證改進后的單針插刺機構可行性，進行了正交疊層機織碳布插刺實驗，結果表明其原理可行，工作可靠。