增大間隔織物間距的拖紗機構設計與優化

楊建成，楊超群，岳三旺，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）

以間隔織物為預制體的三維紡織復合材料，具有結構多元化、整體成形、質量輕、能克服分層等優點[1-3]，廣泛應用于建筑、交通、航空航天等領域[4-6]。隨著紡織復合材料的應用領域越來越廣，對其預制體間隔機織物有了更高的要求，小間距間隔機織物在一些領域已經不能滿足應用要求，所以織造能滿足更多方面要求的大間距間隔機織物成為了未來發展的必要[7]。國外織造較大厚度間隔機織物的織機（VSI22 型范德維爾雙劍桿織機）也只能織造最大間距為80 mm 的間隔機織物，且需要人工參與，產品類型單一。國內的間隔織物織機多是通過改造二維無梭織機而制成的，一般只能織造最大間距為40 mm 的間隔織物。因此，對二維無梭織機進行改造，使其達到織造大間距間隔織物的要求具有重要意義。

目前，機織大間距間隔織物的設計和織造設備受到了重視，提出了多種設計和織造方法。其中，最典型的2種方法為：①白燕[8]提出一種利用伴織技術設計超厚間隔織物的方法，利用水溶性維綸作為伴織緯紗，織造完成后，在水中加溫溶解掉伴織緯紗，得到較大間距的間隔織物；②文獻[9-10]提出一種采用手工輔助插入鋼條（定寬工具）控制連接紗線的高度以織造大間距間隔織物的方法，該方法在間隔層織造完成后手動將鋼條插入織物中將織物間距撐大，待織物間距固定后，再將鋼條抽出，便可以形成較大厚度的間隔織物。然而，上述2種方法自動化程度低，不適合大規模生產大間距間隔織物。

本文設計了一種能夠增大間隔織物間距的拖紗機構，并對核心部件拖紗桿在不同運動階段的受力情況進行研究，利用ANSYS Workbench 對拖紗桿進行有限元分析[11-13]，根據分析結果，基于響應面法[14-15]對其結構參數進行優化，使其達到減小變形量的優化目的，為進一步研究提供參考。

1 大間距間隔織物織造技術

本文對定距法進行改進，提出了一種織造大間距間隔織物的新型織造技術，通過控制插入織物間隔層的執行機構拖拉絨經紗線來增大上下兩面層的間距。大間距間隔織物的織造工藝流程如圖1 所示。

圖1 大間距間隔織物織造工藝流程Fig.1 Process flow of weaving large-space spacer fabric

將執行機構快速插入織物，拖拉間隔層的絨經紗增大織物間距（圖1（a）），然后將絨經紗固定；經過整理后，將織物展開就是我們想要的矩形大間距間隔機織物（圖1（b））。

其織造原理如圖2 所示。首先織造間隔織物上下層表面，然后開始織造間隔層，在織造間隔層時執行機構插入織口，拖拉連接上下層表面的絨經紗線，同時經軸快速放出絨經紗，使絨經紗伸長，從而使間隔層高度增大，最后織造出大間距間隔織物。

圖2 大間距間隔織物織造原理Fig.2 Weaving principle of large-space spacer fabric

2 機構設計與工作原理

根據大間距間隔織物的織造工藝過程和織機的織造原理設計了拖紗機構，其主要由送入機構、拖拉機構及執行機構組成，機構的結構簡圖如圖3 所示。送入機構是實現執行機構儲存和進出織口的機構；拖拉機構是形成大間距間隔織物的動力機構，驅動執行機構移動；執行機構是實現間隔織物間距增大的直接機構，在拖拉機構驅動下拖動絨經紗線形成大間距間隔織物。

圖3 拖紗機構結構簡圖Fig.3 Structure diagram of dragging mechanism

2.1 工作原理

上下層表面織造完成后，拖紗機構開始工作，拖紗機構工作過程如圖4 所示。

圖4 拖紗機構工作過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of working process of dragging mechanism

根據執行機構的不同運動狀態，工作過程可細分為3 個階段：

（1）T0為送入階段。此時經紗形成織口，送入機構將執行機構快速送入織口中，并被拖拉機構交接固定。

（2）T1為拖紗階段。拖拉機構驅動執行機構從織口初始位置沿x 軸方向朝設定位置移動，隨著執行機構位移增大，被拖拉出的絨經紗變長。

（3）T2為退回階段。拖拉機構驅動執行機構與被織物固定的絨經紗脫離接觸，從設定位置返回織口初始位置，最后送入機構牽引執行機構退出織口。

2.2 拖拉機構設計

拖拉機構主要由伺服電機、滾珠絲杠傳動部件、橫梁、滑軌和電磁抓手等部件組成，如圖5 所示。拖拉機構通過螺栓固定在織機兩側墻壁上，滾珠絲杠通過調節絲杠回轉速度，控制執行機構的位移量。電磁抓手上固定有2 個電磁鐵模塊，用于吸附固定執行機構。采用滾珠絲杠作為傳動機構，是因為其響應速度快，傳動精度高，可以適應織物織造過程中行程和載荷多變的工況。

圖5 拖拉機構模型Fig.5 Model of dragging mechanism

2.3 執行機構設計

執行機構主要由拖紗桿和銷軸固定裝置組成，其簡化縮放模型如圖6 所示。執行機構整體形狀狹長，對長度、幾何形體和質量都有一定要求。為確保執行機構能拖拉所有絨經紗線，拖紗桿的長度要大于織物的幅寬；拖紗桿兩端設置光滑斜面，避免紗線向兩端滑移。為了減小執行機構在送入織口和拖拉紗線時的變形量，保證拖紗機構運動的可靠性和穩定性，設計桿件形狀為橢圓形，桿件表面光滑，以減小對絨經紗線的摩擦損傷。兩軸端裝有與拖拉機構連接固定的銷軸固定裝置，銷軸由導向孔固定且底部安裝彈簧，可以使銷軸快速回彈。

圖6 執行機構縮放簡化模型Fig.6 Diagram of actuator model simplified and scaled

2.4 間隔織物間距的模型預測與驗算

在織造過程中，執行機構的運動位移量決定著間隔織物間距的大小，拖紗過程中絨經紗路徑變化如圖7 所示。

圖7 拖紗過程中絨經紗路徑變化Fig.7 Variation of warp yarn path during dragging process

為了確定間隔織物間距的取值范圍，對執行機構的位移量x 進行分析，由拖紗階段執行機構的運動狀態可得：

式中：x1為執行機構撞線前位移量；x2為執行機構撞線后位移量。

當織機開口參數確定后，執行機構在織口的初始位置是確定的，為不影響打緯運動和卷曲運動的進行，執行機構撞線后位移量x2應滿足如下條件：

式中：a 為拖紗桿的橢圓長軸半徑。

由圖6 可知，絨經紗總伸長量λ 為：

可得織物間隔距離為：

式中：λ 為絨經紗總伸長量；λ1為上側絨經紗伸長量；λ2為下側絨經紗伸長量；H 為織物間距；l0為表面層織物的厚度，取1 mm；l2為織物間隔層的高度。由式（8）可知，大間距間隔織物的間距取值范圍與織物上下層表面的距離、拖紗桿位移及綜框開口大小相關。

為驗證織機織造的間隔織物的間距模型，參考文獻[16]中間隔織物織機的開口參數[16]，設定綜框開口量l1為70 mm，織物兩面層的間距2l2為80 mm，綜框到壓布板的距離h1為260 mm，壓布板的長度h2為150 mm，綜框到執行機構側面頂點的距離ha為116 mm，代入式（1）—式（8），得到執行機構的位移量x 的取值范圍為130～234 mm，從而得到該織機織造的大間距間隔織物的間距取值范圍為110～322 mm，說明拖紗機構滿足設計要求。

3 拖紗桿結構優化

拖紗桿作為拖紗機構的核心部件，其結構強度和結構尺寸影響整個機構的性能和織物間距。在機構工作中，要保證執行機構順利進行交接固定，要求拖紗桿T0階段的最大變形量不應超過6 mm；要保證織物間距的精度達到使用要求，要求拖紗桿在T1階段的最大變形量應小于Hmin×1%[17]，即應小于1.1 mm。因此，需對拖紗桿進行結構優化。

3.1 拖紗桿有限元分析

將拖紗桿模型導入ANSYS Workbench 中進行靜應力分析，在保證分析精度的條件下，忽略一些無關緊要的結構，如倒角、圓角等細小特征。網格類型選用四面體網格，節點數49 168 個，單元格數26 193 個，網格平均質量系數為0.8，網格質量較高。拖紗桿材料為合金鋼，材料屬性如表1 所示。

表1 拖紗桿材料屬性Tab.1 Material properties of dragging rod

各運動階段下拖紗桿的靜力學分析如下。

（1）T0階段：對拖紗桿桿件夾持固定端兩側面固定約束，對桿件另一端施加集中載荷，大小為4 N，方向豎直向下。

（2）T1階段：對拖紗桿兩端連接孔固定約束，對拖紗桿與紗線接觸的橢圓表面施加900 N 的均布載荷，方向在X 軸水平方向。

通過ANSYS 分析得到拖紗桿在2 個運動階段的等效應力與變形的云圖，如圖8 和圖9 所示。

圖8 T0 階段拖紗桿等效應力與變形云圖Fig.8 Cloud diagram of equivalent stress and deformation of dragging rod in T0 stage

圖9 T1 階段拖紗桿等效應力與變形云圖Fig.9 Cloud diagram of equivalent stress and deformation of dragging rod in T1 stage

由圖8 可以看出，在T0階段拖紗桿的最大應力為43.78 MPa，位于拖紗桿夾持固定端與空心桿連接處，遠小于許用應力295.60 MPa。最大變形量為4.92 mm，位于拖紗桿桿件固定端，小于允許的最大變形量。

由圖9 可以看出，在T1階段拖紗桿的最大應力為221.12 MPa，應力較大，這是由于拖紗桿簡化處理導致，位于拖紗桿兩端與空心桿連接處，小于允許的最大許用應力，最大變形量為1.18 mm，位于空心桿中間位置，大于允許的最大變形量，故需選取此處截面形狀作為優化目標函數進行優化。

3.2 基于響應面法的優化設計

3.2.1 優化設計數學模型的建立

以橢圓長軸半徑a、壁厚d、擋紗板厚度n 為優化變量，以質量和T0階段拖紗桿的最大變形量為約束條件，以T1階段的最大變形量作為優化目標，進行優化。截面結構如圖10 所示。

圖10 截面結構示意圖Fig.10 Diagram of sectional structure

建立拖紗桿的優化數學模型[18]如式（9）所示。

3.2.2 響應面法優化過程

本文采用響應面優化方法對拖紗桿進行優化。響應面方法是一種構建近似模型的方法，該方法通過對指定設計空間進行試驗設計，擬合輸出變量的全局逼近來代替真實響應面[19]。利用響應面法構造近似模型時，首先利用函數表達式構建響應面模型，通常構建2 階響應面模型。響應面模型的二階多項式表達式為：

式中：y（x）為目標值；zi、zj分別為第i、j 個設計變量，i、j=1，2，…；β0、βi、βij、βii均為待定系數；ε 為誤差項。

為了驗證模型的準確性，要通過回歸分析來判斷二次響應面模型的擬合程度[20]。表2 給出了擬合度評價值。

表2 擬合度評價結果Tab.2 Evaluation results of fitting degree

由表2 可知，均方差根σRMSE遠小于0.05，表明擬合所得回歸模型具有良好的適應度。除對模型進行顯著性檢驗以外，還需通過決定系數R2進行誤差分析，進一步檢驗模型的擬合優度。由表2 可知，R2值接近1，說明模型擬合合理，響應面模型的總體精度滿足要求。

在進行30 次試驗設計計算后，得到圖11—圖13所示的響應曲面圖。

圖11 模型質量響應曲面Fig.11 Response surface of model quality

圖12 T0 階段最大變形響應曲面Fig.12 Response surface of maximum deformation in T0 stage

圖13 T1 階段最大變形響應曲面Fig.13 Response surface of maximum deformation in T1 stage

由圖11 可以看出，隨著a 和d 的增大，模型質量增大；由圖12 可以看出，隨著a 減小T0階段最大變形增大；由圖13 可以看出，隨著a 增大T1階段最大變形減小。

3.2.3 優化結果分析

本文采用多目標遺傳算法（MOGA）對變量進行優化，設置樣本數為1 000 個，最大迭代次數為20 次，每次迭代樣本數為100 個，優化圓整后結果如表3 所示。

表3 優化結果Tab.3 Optimization results

由表3 可知，與優化前相比，優化圓整后拖紗桿T0階段最大變形減少了0.70%，T1階段最大變形減少了18.92%，模型質量增加了11.11%。優化調整后拖紗桿變形明顯減小，表明結構優化是有效的，滿足設計要求。

4 結論

本文基于現有的定距法間隔織物織造技術，提出了一種大間距間隔織物織造技術，創新設計了增大間隔織物間距的拖紗機構，并對拖紗桿進行了優化設計。結果表明：

（1）根據本文建立的間隔織物間距模型，代入織機參數可知，該機構能夠織造間距為110～322 mm的間隔織物，達到了拖紗機構的設計目的。

（2）對拖紗桿的2 個運動階段分別進行有限元分析，并利用響應面法進行結構優化，得到的優化方案與原方案相比，T0階段最大變形減小0.70%，T1階段最大變形減小了18.92%，模型質量增加了11.11%，達到了增強拖紗桿剛度和強度、減小變形的優化目的。