高速工業縫紉機振動分析與減振設計

摘要：社會發展迅速，我國的工業化建設的發展也有了提高。縫紉機主要由刺料機構、挑線機構、鉤線機構和送線機構組成。根據縫紉機的工作原理，特別是現代工業高速高效的要求下，對挑線桿、機針的運動有嚴格的協調要求。此外在高質量要求的大環境下，縫紉材料和縫紉線質量越來越好，特別是尼龍縫紉線的使用，使縫紉時挑線作用力對挑線桿軸承端的反作用力存在破壞機構的可能性增加。本文運用虛擬樣機技術，對一種結構相對簡單且易于使用的縫紉機進行建模以及對機構進行運動學和動力學仿真，獲得機構的運動參數和動力參數，驗證了其合理性及可靠性，為此類機構的進一步研究和改進提供理論參考依據。

關鍵詞：高速工業縫紉機;振動分析;減振設計

引言

工業縫紉機是包裝工程的基礎，縫紉機的工作速度決定了生產包裝的效率。追求高效益、低成本是生產制造行業的共同目標，實現生產包裝模式向工業化、大規模化轉變，促使工業縫紉機的高速化發展。但隨著轉速的提高，高速工業縫紉機的各運動機構磨損急劇惡化，工業縫紉機是典型的剛柔耦合系統，在高速縫紉過程中，剛性的機構零件（如機針、壓腳）與柔性的布料、面線作相對運動，其所受力的大小和方向隨著連續的縫紉過程周期性變化，加劇各構件間的磨損和沖擊振動，導致縫紉機動態性能不穩定、各機構的構件及運動副受力增大、縫紉機振動加劇、縫紉機噪聲增大等問題，嚴重影響包裝質量。

1重要性

縫紉機產生振動的根源，主要是縫紉機構件自身的質量在高速運轉的情況下所產生的慣性力引起的。當構件質量一定時，構件慣性力的大小是由它的運動加速度決定的，與它質心的加速度成正比。因此，振動加速度的大小從另一個方面反映縫紉機的慣性力—縫紉機振動力的大小，通過對縫紉機整機振動加速度的測量可以從本質上考察縫紉機中各個子傳動機構對整機振動的影響。

2高速工業縫紉機的振動分析

由縫紉機的機構組成可知，曲軸產生的振動向機身傳遞的路徑包含兩條，1）從曲軸出發，沿著曲軸連桿大頭→連桿體→連桿小頭→針桿機構/彎針機構，傳遍整個機殼;（2）該振動也從曲軸傳遞到滑動軸承，然后通過軸承座傳遞到機殼。彼此相互作用和影響的各種類型的振動，通過振動的疊加效應反映在殼體的表面上，這些振動的頻率較低，能量主要集中在頻率轉換及其倍頻上。高速工業縫紉機的運動副多為轉動副，連桿大頭和曲軸、曲軸和主軸承、針桿和滑動軸承等零部件不僅在縫紉機工作過程中因相互運動產生摩擦，而且還會在運動極位產生沖擊效果，引起縫紉機機身振動，同時減少零件的工作壽命。其中，沖擊和摩擦所引起的振動的頻率處于高頻段，而且分布頻帶很寬。因此，高速工業縫紉機的振動十分復雜，包含了從低頻至高頻且分布頻帶很寬的諧波分量。此外，由于針桿在曲柄的帶動下作往復周期運動，高速工業縫紉機的阻力矩也隨時間周期變化。然而機器工作時電機通常保持著較為穩定的驅動力矩，盡管在機器的每一次轉動周期內，阻抗功等于驅動功，但在轉動周期的某一時刻，瞬時阻抗功和瞬時驅動功卻不相等。在縫紉機設計過程中可以通過增加機構的轉動慣量來降低角加速度以實現減輕振動的目的，但因縫紉機本身結構的限制導致機構尺寸不能太大，減振效果并不理想。因此，需要從高速工業縫紉機結構設計出發，研究新的減振方法。

3工業縫紉機中減振降噪的方法

3.1改進曲軸結構

工業縫紉機的曲軸結構在運行時會產生噪聲和振動，積極改進曲軸結構，實現減振降噪。縫紉機曲軸工作時最容易引起噪聲與振動問題，尤其是主軸結構，曲軸不平衡、質量偏重等都是誘發噪聲與振動的因素，高速運轉下曲軸結構的噪聲和振動更為明顯。工業縫紉機減振降噪中改進了縫紉機結構，優化縫紉機的工作過程。分析曲軸結構減振降噪的改進方法，如：（1）剛性轉子的平衡精度設計，減震降噪設計中，剛性轉子需要滿足一個條件，也就是轉子剩余不平衡量<許用剩余不平衡量，剛性轉子達到這個條件，就可以降低振動并減小噪聲，剛性轉子需用剩余不平衡量會附加曲軸運動時的動壓力，轉子動平衡狀態下需要平衡校正轉子結構，促使平衡校正面可以和轉子軸承的平面重合，加強剛性轉子的平衡控制，實現有效的減震降噪;（2）曲軸平衡改進，曲軸不平衡不僅會引起振動和噪音，更是增加了工業縫紉機的運行風險，當曲軸發生不平衡問題時就要利用建模的方式改進曲軸平衡，校正原有曲軸中的平衡度，預防振動噪音;（3）多面平衡設計，此類設計是工業縫紉機曲軸結構降噪減震的發展方向，多面平衡設計圍繞動平衡設計展開，因為曲軸結構小、質量輕，所以多面平衡設計中重點研究去重對曲軸平衡量的影響，動平衡設計期間可以重新設計曲柄臂重，滿足減震降噪的需求。

3.2平衡運動機構

工業縫紉機減震降噪時平衡運動機構，消除縫紉機運動過程中的風險，維持運動平衡，進而提高縫紉機的工作效率。平衡運動機構時一定要注意慣性力平衡，降低慣性對工業縫紉機的影響，解決縫紉機的偏心問題。工業縫紉機高速轉動下會引起較強的慣性作用力，增大噪聲與振動的現象，容易在工業縫紉機中產生附加動力，引起摩擦和內應力破壞，采用平衡運動機構的方法，起到有效的減震降噪的作用。例如：工業縫紉機振動與噪聲的源頭分析中，發現上軸結構有明顯的問題，上軸為中空結構不會有質量偏心的問題，實際在上軸的針桿曲柄位置處有質量偏心問題，導致針桿機構出現了不平衡的運動，當上軸高速轉動時針桿就會產生不平衡的激振作用，研究針桿機構的運動狀態和慣性力，平衡整個運動機構，促使其達到減振降噪的目的。平衡運動機構中常用的方法是修改零件的結構，選擇配重、去重的方法平衡機構運動時的質量，杜絕發生質量偏心的問題。

3.3完善機殼設計

機殼是工業縫紉機的主要結構，屬于非運動部件，機殼體積較大，在運動的作用下也會產生振動或噪音。工業縫紉機減震降噪的過程中完善機殼設計，實現整體的減振降噪。根據工業縫紉機的使用針對機殼構建有限元模型，機殼自身含有一定的振動特征，有限元模型中模擬機殼的振動特性，掌握基坑固有頻率、阻尼等信息，實現模態分析，在此基礎上完善機殼設計。機殼有限元的模態分析是研究振動與噪音的有效途徑，有限元模態分析配合三維繪圖軟件，模擬出具有減振降噪作用的縫紉機殼體，同時分析機殼上各項零件的特征，致力于提高減震降噪的水平。

結語

本文從高速工業縫紉機實際工作狀態出發，圍繞高速工業縫紉機振動分析與減振開展研究。分析了高速工業縫紉機的振動機理，設計了振動測試實驗，對振動測試實驗的數據進行了時域分析和頻域分析，獲得了不同的電機轉速下高速工業縫紉的峰值頻率。對高速工業縫紉機的機殼和機殼與底座整機進行了模態仿真，高速工業縫紉整機的一階固有頻率約為100Hz，當電機的振動峰值頻率或倍頻處在100Hz左右時，會導致電機與機殼產生共振，加大高速工業縫紉的振動，與振動測試實驗分析一致。通過增加橡膠墊可以實現改善機體固有頻率，且隨橡膠厚度的增加機體固有頻率隨之降低。同時，通過對機殼端部部位進行減重設計也可以實現對高速工業縫紉機機殼固有頻率的改善。

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作者簡介：陳磊，陜西省西安市，身份證號：61012319830426****。