多劍桿織機鎖邊機構設計及送紗叉優化

楊建成，王慧勇，何浩浩，劉家辰

（1.天津工業大學機械工程學院，天津 300387；2.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；3.天津工業大學天津市機械基礎及紡織裝備設計虛擬仿真實驗教學中心，天津 300387）

由三維機織物形成的復合材料因其增強體結構中存在貫穿厚度方向的紗線，具有優異的整體性，克服了傳統二維機織復合材料層間強度低、易分層等缺點[1-2]，被廣泛應用于航空航天、交通運輸、礦山機械等重要領域[3-4]。

帶芯劍桿織機是專門織造用于制作輸送帶骨架的多層立體織物的新型設備。國外的先進設備大多采用絞邊原理來鎖邊，Promatex公司的天馬織機，使用直線電機驅動電子絞邊裝置，所形成的布邊抗拉強度小，且有一定的毛邊[5]。天津工業大學成功研制了能夠織造30層的立體織機[6]]，但是其復合材料對于布邊沒有要求，故對鎖邊機構沒有研究；劉健等[7]根據鉤針鎖邊的原理，設計了多劍桿織機的針織邊紗套圈鎖邊機構，但沒有對鎖邊機構進行可靠性分析；董紅坤等[8]利用攜紗器上下移動穿過緯紗三角區來對多層織物進行鎖邊，其鎖邊線的長度受到一定的限制。

本文主要針對五劍桿織機的鎖邊機構進行研究，針對五劍桿同時引緯，設計了五鉤針緯紗圈嵌套互鎖工藝，以形成光整堅固且具有一定抗拉強度的布邊。創新設計了新型鎖邊機構，并利用ANSYS Workbench對其關鍵部件送紗叉的剛度及強度進行有限元分析[9-11]，基于響應面法[12-18]對送紗叉的結構參數進行優化設計，并對各參數進行敏感性分析，基于六西格瑪分析法對送紗叉進行可靠性分析[19-20]，使送紗叉達到增強剛度的優化目的，使鎖邊機構具有一定的可靠性，以解決現有帶芯織機的缺陷，為五劍桿織機等多劍桿織機鎖邊機構的創新設計及可靠性分析提供借鑒與參考。

1 新型鎖邊工藝設計

針對五劍桿織機所織造的五層織物，設計了新型五鉤針緯紗圈嵌套互鎖工藝，如圖1所示。

圖1 五鉤針緯紗圈嵌套互鎖工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of nested interlocking process of five crochet weft loops

五鉤針緯紗圈嵌套互鎖工藝是在織造過程中，由5根劍桿1次引5根緯紗，在每次引緯后利用5根鎖邊鉤針，分別將同一層的緯紗圈嵌套形成互鎖，每引緯一次完成一個循環。該工藝每一層的緯紗圈都進行互鎖，在長度方向上有較大的抗拉強度；層與層之間通過經紗交織來進行連接，可以保證織物的強度。此鎖邊工藝所形成的布邊堅固光整，與織物的厚度一致，且提高了織造效率。

對于五劍桿織機來說，其引緯時5根劍桿同時引緯，在布邊的一側就有5個緯紗圈需要鎖緊，且需要保證緯紗圈在織物織口鎖緊時與形成的織物厚度一致，緯紗圈在引緯時與在織口鎖緊時的高度差就成為鎖邊的一大難點，以及將緯紗圈傳送到織口處也是一個難點。具體布邊截面示意圖如圖2所示。其中：m為劍桿與織口之間的距離；n為五劍桿的最大高度差；s為織物厚度。

圖2 布邊截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of selvage section

針對五鉤針緯紗圈嵌套互鎖工藝，制定鎖邊方案的原理，如圖3所示。

圖3 鎖邊方案的原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of locking scheme

整個鎖邊過程由5個送紗叉將緯紗傳遞至織口，并將5根緯紗圈的高度差降低，由5鉤針將緯紗圈進行嵌套互鎖，完成鎖邊。

2 鎖邊機構設計

根據上述鎖邊原理對鎖邊機構進行創新設計，圖4為鎖邊機構簡圖。該鎖邊機構一共由3部分組成：傳遞機構、鉤針機構、脫紗機構。這3部分分別實現不同的功能，相互配合共同完成鎖邊。

圖4 鎖邊機構簡圖Fig.4 Schematic diagram of locking mechanism

傳遞機構主要解決五劍桿引緯過后5個緯紗圈之間的高度差從大變小，并且將緯紗圈向織口方向傳遞的問題。該機構也是整個鎖邊機構中最大的創新之處，本研究利用傳遞氣缸以及直線滑軌來實現緯紗傳送；利用伺服電機、具有雙旋向的絲杠及一個移動方套來完成緯紗合攏。

鉤針機構將5個緯紗圈分別在同一層織口處進行圈套圈互鎖。該機構主要利用四連桿的原理，利用氣缸使鉤針進行往復運動，從而使緯紗圈進行圈套圈的鎖緊。

脫紗機構將緯紗圈從送紗叉脫落到鉤針上，繼而完成鎖邊，該機構主要由一個“L”形桿和氣缸組成。

整個鎖邊機構先利用傳遞機構將緯紗圈從送緯劍桿上脫下，并縮小緯紗之間的高度差，同時向織口方向傳送，到達一定位置后，由脫紗桿將緯紗圈從送紗叉上脫到鉤針內，最后由鉤針往復運動完成鎖邊。整個系統由PLC控制，配合精準。

3 鎖邊機構的優化及可靠性分析

3.1 基于響應面法的送紗叉優化設計

本鎖邊機構通過3個機構相互配合來完成鎖邊，關鍵機構是傳遞機構與鉤針機構。傳遞機構中，送紗叉是其可靠完成鎖邊的關鍵部件，在高速運行過程中，相鄰2個鉤針之間的距離為3 mm，為了能夠交接準確，須使得送紗叉的最大變形不超過0.5 mm。

基于響應面分析法對關鍵部件送紗叉進行參數優化，以送紗叉桿長度L1、固定部分長度L2及固定部分直徑D1為變量，以質量及最大變形為優化目標，優化變量的取值如表1所示，送紗叉的結構如圖5所示。

表1 優化變量取值范圍Tab.1 Optimize range of variable values

圖5 送紗叉結構示意圖Fig.5 Structure diagram of yarn feeding fork

先對送紗叉進行靜應力分析，在實際工作中，送紗叉頭部受到緯紗施加的壓力約為2 N。故在ANSYS Workbench中，在進行靜力學分析時，對送紗叉尾部固定約束，在頭部施加緯紗對叉頭的壓力，方向在水平方向且與送紗叉桿成45°。送紗叉材料為軸承鋼，材料屬性如表2所示。

表2 送紗叉材料屬性Tab.2 Material properties of yarn feeding fork

通過ANSYS分析得到送紗叉應力與變形的分布云圖，如圖6所示。由圖6可以看出，送紗叉的最大應力為34.423 MPa，位于送紗叉的固定部分與桿連接處。此送紗叉采用軸承鋼制造，軸承鋼的許用應力為700 MPa，遠遠大于送紗叉所受應力的最大值。最大變形為0.510 2 mm，位于送紗叉頭部，故需優化此最大變形量。

圖6 送紗叉的應力與位移分布Fig.6 Distribution of stress and displacement of yarn feeding fork

在ANSYS Workbench軟件中基于響應面法進行分析，得出的全局敏感性分析結果如圖7所示。由圖7可以得出，各個參數對于目標的影響各不相同。送紗叉最大變形對于各個參數的敏感性程度從大到小可以排列為P3（L1）＞P2（D1）＞P1（L2）；最大應力對于各個參數的敏感性程度從大到小可以排列為P2（D1）＞P3（L1）＞P1（L2）；送紗叉質量對于各個參數的敏感性程度，從大到小可以排列為P3（L1）＞P2（D1）＞P1（L2）。為判斷擬合出的響應面結果的可信度，進行擬合度分析，圖8為擬合度符合性分布圖。

圖7 全局敏感性分析Fig.7 Global sensitivity analysis

圖8 擬合度符合性分布Fig.8 Distribution of conformity of fit

表3為擬合度評價值。由圖8及表3可以看出，擬合出的響應面結果是可信的。

表3 擬合度評價結果Tab.3 Evaluation results of fitting degree

結合敏感性分析結果看，重點關注L1和D1對送紗叉最大變形、最大應力及質量的響應曲面，如圖9—圖11所示。

圖9 最大變形量的響應曲面Fig.9 Response surface of maximum deformation

圖11 質量的響應曲面Fig.11 Response surface of mass

由圖9可以看出，L1、D1和送紗叉的最大變形為線性正相關，隨著L1和D1的增大，送紗叉的最大變形量也相應增大。由圖10可以看出，隨著L1的增大，送紗叉所受最大應力增大；隨著D1的增大，送紗叉所受最大應力值減小。由圖11可以看出，L1、D1和送紗叉的質量為線性負相關。

圖10 最大應力的響應曲面Fig.10 Response surface of maximum stress

送紗叉優化前后的變量對比如表4所示。

表4 送紗叉優化前后的變量對比Tab.4 Comparison of variables before and after optimization of yarn feeding fork

由表4可以看出，設計變量以及目標函數值都有了相應的變化。優化后送紗叉的最大變形為0.453 1 mm，減小了11.2%；最大應力為31.722 MPa，減小了7.8%；質量為0.001 633 9 kg，減小了0.08%。

3.2 基于六西格瑪法的送紗叉可靠性分析

分析送紗叉最大變形在小于0.5 mm情況下的可靠性，根據分析結果，該送紗叉最大變形的累積分布函數如圖12所示，其中的曲線為送紗叉最大變形的累積分布函數曲線。

圖12 送紗叉最大變形的累積分布函數Fig.12 Cumulative distribution function of maximum deformation of yarn feeding fork

由圖12可以看出，進行1 000次抽樣后，輸出變量的分布柱狀圖沒有出現較大的間隙和跳躍，符合累積函數抽樣條件。在上述分析中，送紗叉的最大變形在0.5 mm以內，在參數概率表中插入0.5 mm，分析結果如表5所示。由表5可以看出，抽樣分析得出的送紗叉最大變形小于0.5 mm的樣本數為96.1%，即送紗叉的最大變形小于0.5 mm的可靠度為96.1%，安全可靠。

表5 參數概率列表Tab.5 List of parameter probability

4 結論

（1）本文設計了新型五鉤針緯紗圈嵌套互鎖的新型鎖邊工藝，織物每層上的緯紗圈都進行了互鎖，使得布邊光整且具有較大的抗拉強度；同時，針對此鎖邊工藝設計了新型鎖邊機構，攻克了5個緯紗圈從五劍桿所在位置的高度距離縮小至織物厚度的距離，并傳送至織口進行鎖邊的難點。

（2）通過響應面法及敏感性分析發現，送紗叉桿長L1對送紗叉最大變形的敏感度最高，且與送紗叉最大變形成線性正相關；送紗叉桿長L1和固定部分直徑D1對送紗叉的最大應力的敏感度最高，隨著L1的增大，所受最大應力增大，隨著D1的增大，所受最大應力值減小。

（3）與原方案相比較，優化方案的最大變形減小了11.2%，最大應力減小了7.8%，質量也減輕了0.08%，達到了增強送紗叉剛度、強度及減輕質量的目的。

（4）基于六西格瑪法的可靠性分析得出，送紗叉最大變形小于0.5 mm的可靠度達到96.1%，可以保證劍桿與送紗叉的交接配合及送紗叉在后續動作中的可靠性，完成對多層立體織物的鎖邊。