針刺機設計過程中偏心主軸振動與強度計算分析

馬民生

（恒天重工股份有限公司技術開發(fā)中心，鄭州450001）

針刺機設計過程中偏心主軸振動與強度計算分析

馬民生

（恒天重工股份有限公司技術開發(fā)中心，鄭州450001）

針對恒天重工股份有限公司技術開發(fā)中心開發(fā)的單字頭和雙字頭針刺機在試驗過程中存在的針刺頻率和針刺密度低的問題，分析了針刺機的針刺頻率、針刺密度與設備偏心主軸振動和強度的關系，認為可以通過運動分析、測量及計算使針刺機的振動、強度量化，從而為提高針刺頻率和針刺密度提供依據(jù).

非織造布；針刺機；振動

非織造布是一種不需要紡紗織布而形成的織物，它是將紡織短纖維或者長絲進行定向或隨機排列，形成纖網結構，然后經過水刺、針刺或熱軋加固，最后經過后整理形成的無編織的布料.針刺是眾多非織造布生產工藝中開發(fā)最早、最成熟的一種傳統(tǒng)工藝.針刺機是非織造布生產過程中最關鍵的設備.隨著針刺產品的應用領域越來越廣泛、市場需求越來越大，許多設備生產制造商紛紛投入到針刺機及其生產線的開發(fā)與研制中，目前國內市場已形成明顯的高中低檔格局.從現(xiàn)階段情況來看，不同檔次的針刺機都存在一個共同的問題：設備的振動和主軸強度影響到針刺頻率和針刺密度的提高.本文就恒天重工股份有限公司開發(fā)的單字頭和雙字頭針刺機在試驗過程中存在的問題，給出了針對性的解決方法，定量分析了針刺機的針刺頻率、設備振動與強度，為上述問題的解決提供了數(shù)據(jù)支撐.

1 針刺機運動部件的力學分析

針刺機運動部件主要是偏心主軸、連桿、推桿、針板.偏心主軸作旋轉運動，推桿、針板作往復運動，連桿作平移和擺動運動，其工作原理類似于曲柄—連桿—活塞系統(tǒng).

1.1 單字頭針刺機動力分析

單字頭針刺機工作原理如圖1所示.其中，偏心主軸偏心量為r，連桿長度為l，往復運動部件在x方向的位移為x.若偏心主軸以角速度ω穩(wěn)定旋轉，偏心主軸的旋轉角度θ＝ωt，則往復運動組件B在x方向的往復慣性力Q為：

圖1 單字頭針刺機工作原理

其中：Q1為一階慣性力；Q2為二階慣性力；M往復為往復組件的總質量，等于針板質量m1、推桿質量m2、連桿往復運動的一部分質量mc1之和，即

連桿可簡化為雙質量系統(tǒng)，如圖2所示.連桿質量mc可分作往復運動質量mc1和旋轉運動質量mc2，用公式（3）表示：

圖2 連桿質量換算圖

1.2 旋轉慣性力分析

旋轉慣性力Fr由主軸偏心量r、偏心主軸角速度ω和連桿質量mc2產生，即：

式中，mA為主軸偏心量為r時的偏心質量.

Fr也會引起機器振動，但在動平衡機上可被較準確地消除掉.

1.3 針刺作用力分析

針刺作用力F針的計算公式如下：

其中：ΔF針為每根針的針刺力；n為針板上的針數(shù).對于機架來說，F(xiàn)針是內力，作用力與反作用力抵消，不會引起x、y方向的振動，但將產生繞z軸的力矩.

1.4 重力和摩擦力分析

各零件的重力和摩擦副的摩擦力影響較小，在設計時一般可忽略不計，但應適當潤滑，避免卡死及因配合間隙過大引起的沖擊振動.

1.5 側向力和對z 軸的側向傾倒力矩

由于連桿的傾斜，往復運動的慣性力Q和針刺力F針的合力可分解為沿連桿的作用力PC和垂直于推桿軸線的水平分力PN，即

由

可得

則

另外，由于連桿簡化為雙質量系統(tǒng)，其對重心的轉動慣量大于實際連桿的轉動慣量.若實際連桿對重心的轉動慣量為Jr，連桿簡化為雙質量系統(tǒng)后對連桿重心的轉動慣量為mc1h2＋mc2（1－h(huán)）2（見圖2），則雙質量系統(tǒng)中連桿對重心的轉動慣量與實際連桿的轉動慣量的差Jr′為：

它對z軸的力矩為：

因此，對z軸的側向傾倒力矩傳至機架：

1.6 作用在主軸上的扭矩

作用在主軸上的扭矩MT的計算公式為：

2 雙頭針刺機動力學分析

2.1 雙頭針刺機的結構特點

雙頭針刺機由并列的2個主軸連桿系統(tǒng)組成，2個主軸連桿系統(tǒng)對稱布置，結構和尺寸相同，但主軸的旋轉方向相反.其結構的簡化模型如圖3所示.

如果2個主軸連桿系統(tǒng)的結構、尺寸、重量、重心位置及轉速完全相同，則對于整個系統(tǒng)，側向力及對z軸的側向傾倒力矩為零，而往復慣性力及作用在主軸上的扭矩等于單個主軸連桿往復系統(tǒng)慣性力及扭矩的2倍，旋轉慣性力為2個主軸偏心質量與連桿大端質量旋轉產生的慣性力之矢量和.

2.2 雙頭針刺機的平衡

為減少針刺機的振動和噪聲，使其在較高轉速下仍能平穩(wěn)工作，必須細心地考慮平衡問題.

圖3 雙頭針刺機力學模型

2.2.1 旋轉慣性力的平衡

主軸、偏心輪、飛輪、聯(lián)軸器等旋轉零部件組裝后（不帶連桿、推桿等往復運動部件）在平衡機上進行動平衡，平衡精度可按G2.5要求計算.通過計算或實驗，得到連桿的旋轉運動質量mc2，在飛輪處去重或加重以平衡mc2.

2.2.2 往復慣性力的平衡

飛輪截面如圖4所示.

圖4 飛輪截面

由于雙頭針刺機結構對稱，主軸旋轉方向一正一反，故可在飛輪上去重，以平衡一階往復慣性力.由公式（1）可得，一階往復慣性力Q1＝M往復rω2cosωt.在飛輪上削去的重量（圖4中陰影線部分）可由陰影部分的面積A或高度h來計算，A和h可用下面的公式計算：

式中，θ0的量綱為弧度.若飛輪軸向長度為l，密度為ρ，則在飛輪上削去的質量為：

下面計算M′產生旋轉慣性力的當量半徑rc.

扇形部分單位厚度慣性力為：

三角形部分單位厚度的旋轉慣性力為：

故

由M′產生的旋轉慣性力與一階往復慣性力平衡：

即

因此，需要先求出 M往復，由式（23）計算 M′rc，然后由式（18）、（19）、（22）進行計算，以確定飛輪應削去的h.應該指出，二階往復慣性力并沒有平衡.當針刺機轉速高時，應考慮二階往復慣性力的平衡問題.另外，為保證針板上下移動時不晃動，針板在裝配前應配重，以使針板質心至兩推桿中心線的距離相等，并且針板質心應位于兩推桿中心的連線上（如圖5所示）.

圖5 針板的平衡圖

3 計算結果

設計如下參數(shù)：偏心r＝2cm，連桿長度l＝25cm，連桿比在n＝800、1200、1 500r／min時，往復運動的速度幅值XO－P、加速度幅值X′O－P見表1.

表1 不同轉速下往復運動的速度、加速度幅值

每套偏心輪、連桿、推桿、針板的往復質量M往復＝34539.24g＝3.524 4kgf·sec2／m，由此產生的一階和二階往復慣性力Q1、Q2見表2.

表2 往復慣性力

［1］ 王延熹.非織造布生產技術［M］.上海：中國紡織大學出版社，1998.

［2］ 郭秉臣.非織造材料與工程學［M］.北京：中國紡織出版社，2010.

4 結論及建議

針刺機的平衡是減小振動的重要手段.按照本文提出的往復慣性力和旋轉慣性力的平衡方法、步驟和要求，經計算，飛輪削去部分重量，可以滿足平衡旋轉質量和往復旋轉質量的要求.

（1）在本設計中，考慮了一階往復慣性力的平衡，但沒考慮二階往復慣性力的平衡.經分析，二階往復慣性力為一階往復慣性力的8%，而慣性力的大小與主軸轉速平方成正比.因此，建議現(xiàn)階段不考慮二階往復慣性力的平衡.

（2）在保證往復運動零件強度、剛度和可靠性的前提下，可通過減輕質量以減少動載荷.

（3）因沖擊力大，需要考慮固緊螺釘?shù)姆浪蓡栴}.

The Eccentric Spindle Vibration and Intensity Calculation in Acupuncture Machine Design Process

MA Min－sheng
（Technology Development Center，Hengtian Heavy Industry Co.，Ltd.，Zhengzhou 450001，China）

For the lower needle frequency and needle density problems of the single word head and dual prefix acupuncture machine developed by Technology Development Center of Hengtian heavy industry，the relations between the needle frequency，needle density and the equipment vibration are analyzed，the results have shown that the acupuncture machine vibration and the intensity data can be quantified by the motion analysis measurement，by which the needle frequency and needle density of the acupuncture machine can be improved

non－woven fabric；acupuncture machine；vibration

TH112

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2012.02.017

1671－6906（2012）02－0075－04

2012－03－05

馬民生（1978－），男 河南焦作人，工程師.