高速繡花機(jī)不同工況振動(dòng)特性研究

崔衛(wèi)國(guó)，周俊榮，李志飛

(五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東江門529020)

0 前言

高速繡花機(jī)是一個(gè)多機(jī)構(gòu)、多激勵(lì)、多響應(yīng)的動(dòng)態(tài)力學(xué)系統(tǒng)。它具有高速度、高效率的特點(diǎn)，但是，隨著機(jī)器工作轉(zhuǎn)速的提高，繡花機(jī)的振動(dòng)也在迅速的增大，由工作轉(zhuǎn)速和震動(dòng)引起的斷線率問(wèn)起也會(huì)不斷的增多，產(chǎn)品質(zhì)量受到嚴(yán)重的影響［1－3］。為了提出解決問(wèn)題的方向，本文作者通過(guò)對(duì)某公司生產(chǎn)的高速ZY-EMSD-A920 型繡花機(jī)的研究、結(jié)構(gòu)采點(diǎn)及測(cè)試、數(shù)據(jù)處理分析、計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證，探討了不同工況引起的振動(dòng)位移變化和振動(dòng)變化程度。為今后繡花機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和新機(jī)型的開(kāi)發(fā)提供了新的參考依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)采點(diǎn)及測(cè)試

1.1 結(jié)構(gòu)采點(diǎn)布置

為了研究橫梁振動(dòng)幅值與工作轉(zhuǎn)速的關(guān)系以及這些運(yùn)動(dòng)對(duì)橫梁振動(dòng)的大小程度，分別測(cè)試上轉(zhuǎn)軸單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)、下轉(zhuǎn)軸單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)、上下轉(zhuǎn)軸同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)、繡框單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)、上下轉(zhuǎn)軸和繡框運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)、整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在600、650 、700、750、800、850 r/min 6 種不同工況轉(zhuǎn)速下橫梁的振動(dòng)情況。并在橫梁上布置了16個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中1、2、3、4、5、6、7、8 為橫梁垂直彎曲振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)，9、10、11、12、13、14、15、16為橫梁水平彎曲振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)。采用雙壓電加速度傳感器對(duì)不同工況下的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。橫梁模型布點(diǎn)如圖1所示。

圖1 橫梁模型布點(diǎn)圖

1.2 程序設(shè)計(jì)

采用Labview 2011 版采集3 s 內(nèi)的信號(hào)，激振頻率為1 次/s，采樣頻率為5 000 Hz，每通道采樣點(diǎn)數(shù)為15 000。橫梁測(cè)試程序如圖2所示。

圖2 橫梁測(cè)試程序圖

2 數(shù)據(jù)處理分析

為了便于分析，將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，如圖3所示為850 r/min 時(shí)各測(cè)點(diǎn)在不同工況下的振動(dòng)位移，由圖可知，繡框單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)橫梁的振動(dòng)幅值最小，隨著繡花機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)部件的增多，對(duì)橫梁振動(dòng)影響也不斷增大，所以在整機(jī)工況下橫梁的振動(dòng)幅值最大，同時(shí)也可看出各工況都在橫梁中部附近的振動(dòng)位移響應(yīng)最大，兩端最小。

圖3 850 r/min 時(shí)各測(cè)點(diǎn)在不同工況下的振動(dòng)位移

圖4所示的是整機(jī)工況下各測(cè)點(diǎn)在不同轉(zhuǎn)速下的水平振動(dòng)位移和豎直振動(dòng)位移，其他工況下各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)位移圖類似。從圖中可以看出，在整機(jī)工況下，橫梁在中部附近的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)位移響應(yīng)最大，且隨著工作轉(zhuǎn)速的升高，振幅位移響應(yīng)也隨著增大，當(dāng)工作轉(zhuǎn)速達(dá)到850 r/min 時(shí)，增加的幅度更加明顯。另外，從兩圖中還可以看出，橫梁水平方向的振動(dòng)幅值響應(yīng)明顯大于豎直方向。

圖4 整機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)位移

圖5所示為第4 測(cè)點(diǎn)在不同工況不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)位移，其表示的為上轉(zhuǎn)軸單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)、下轉(zhuǎn)軸單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)、上下轉(zhuǎn)軸同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)、繡框單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)、上下轉(zhuǎn)軸和繡框運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)、整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在600、650、700、750、800、850 r/min 6 種轉(zhuǎn)速下橫梁的位移振幅隨工作轉(zhuǎn)速的變化。

圖5 第4 測(cè)點(diǎn)在不同工況不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)位移

3 計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證

3.1 有限元分析［4－5］

為了驗(yàn)證6 種情況下哪種情況對(duì)振動(dòng)影響最大，可將高速繡花機(jī)的橫梁看作是一個(gè)有限個(gè)自由度的彈性系統(tǒng)，其目標(biāo)函數(shù)運(yùn)動(dòng)方程可用虛功原理來(lái)驗(yàn)證如下:

為了獲得高速繡花機(jī)的固有頻率，取載荷列陣{R(t)}= 0;則式(1)就成為無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程:

設(shè)方程(2)的解為:

令ω2= λ 將式(3)代入(2)，則可得到廣義特征方程:

其中，特征值λ 對(duì)應(yīng)橫梁的固有頻率，振型向量{δ}M對(duì)應(yīng)橫梁的不同固有頻率下的振型。

3.2 模態(tài)分析

圖6 為橫梁結(jié)構(gòu)前四階振型。從圖中可以看出，橫梁的1 階振型表現(xiàn)為沿水平方向中間彎曲，2 階振型為沿豎直方向中間彎曲，3 階振型為沿水平方向兩端彎曲，四階振型為沿豎直方向兩端彎曲，當(dāng)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速在850 r/min 左右時(shí)，接近橫梁的1 階固有頻率，此時(shí)會(huì)造成橫梁中部沿水平方向的劇烈振動(dòng)，從而影響繡花質(zhì)量和斷線率問(wèn)題。由此可以看出計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果呈現(xiàn)的遞增規(guī)律一致，隨著工作轉(zhuǎn)速的增加，橫梁中部的振動(dòng)位移急劇增加，其他測(cè)點(diǎn)在各方向上的振動(dòng)位移規(guī)律也是如此。

圖6 橫梁結(jié)構(gòu)前4 階振型圖

4 結(jié)論

(1)對(duì)振動(dòng)特性分析可知:橫梁豎直方向的振動(dòng)位移最大不足0.9 mm，而水平方向的振動(dòng)位移最大達(dá)2 mm，對(duì)比可知，橫梁水平方向各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)位移比豎直方向各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)位移大，對(duì)繡花機(jī)斷線率影響較大，故可著重對(duì)橫梁水平方向的振動(dòng)進(jìn)行后續(xù)研究。

(2)當(dāng)工作轉(zhuǎn)速由800 r/min 提高到850 r/min左右時(shí)，可以看到直線斜率增大，說(shuō)明橫梁的振動(dòng)有所加強(qiáng)，其振幅加劇;從6 條曲線對(duì)比來(lái)看，繡框?qū)M梁的振動(dòng)影響最小，整機(jī)對(duì)橫梁振動(dòng)影響最大，但從繡花機(jī)各部件如上轉(zhuǎn)軸、下轉(zhuǎn)軸、繡框?qū)M梁振動(dòng)影響來(lái)說(shuō)，上轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的影響最大，因此從機(jī)構(gòu)方面來(lái)改進(jìn)的話，上轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)部件設(shè)計(jì)應(yīng)作為重點(diǎn)來(lái)研究。

［1］周俊榮，鄭為東.電腦繡花機(jī)刺布機(jī)構(gòu)與挑線機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析［J］.上海工程技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，22(2):136－128.

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