基布橫動式Z 字型織草裝置的研制及擺幅分析*

游東東 劉鵬

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

近年來，隨著人造草坪的快速發(fā)展，有關(guān)人造草坪的研究逐步得到重視［1-3］.人造草坪的主要生產(chǎn)設(shè)備是人造草坪織機(jī)(簡稱織草機(jī))，屬于地毯簇絨機(jī)［4］.傳統(tǒng)織草方式對應(yīng)的草簇在基布上的橫縱向分布不均勻，導(dǎo)致基布上針孔的分布不均勻，使得人造草坪基布橫向拉斷力較低.為此，國內(nèi)外一些企業(yè)推出了Z 字型的草型產(chǎn)品，但目前的Z 字型織草技術(shù)仍處于起步階段，Z 字型擺幅及設(shè)備實現(xiàn)形式等對草坪質(zhì)量、成本及效率的綜合影響并沒有得到系統(tǒng)深入的研究.因此，相關(guān)工藝及設(shè)備的設(shè)計缺乏理論依據(jù).在設(shè)備方面，Z 字形織草技術(shù)的實現(xiàn)可借鑒地毯簇絨機(jī)橫動提花技術(shù)的原理，有橫動基布式和橫動針床式［5-7］兩種.目前國內(nèi)在橫動針床式地毯提花技術(shù)方面已有一些研究，張少平等［8］研究了地毯簇絨花型與橫動凸輪設(shè)計之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，為凸輪的分析和數(shù)控制造提供數(shù)據(jù).阮岑等［9］對機(jī)械凸輪提花和電子凸輪橫動系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，對針床橫動技術(shù)做了細(xì)致研究.而國外進(jìn)口設(shè)備中，Z 字型人造草坪的成形原理采用的是橫動基布式［10］.

為實現(xiàn)擺幅可調(diào)的Z 字型織草，文中提出了一種偏心輪式基布橫動裝置，并結(jié)合虛擬樣機(jī)［11-13］及運動仿真技術(shù)［14-15］進(jìn)行建模仿真，驗證機(jī)構(gòu)的可靠性和有效性，最后通過基布拉伸試驗研究了Z 字型擺幅對人造草坪基布承載能力的影響.

1 基布橫動裝置方案

在傳統(tǒng)直線型織草機(jī)中，基布沿圖1 所示的Y軸方向進(jìn)給.為實現(xiàn)Z 字型織草技術(shù)，文中綜合考慮方案的可行性、經(jīng)濟(jì)性，在傳統(tǒng)織草機(jī)上增加一套基布橫動裝置，采用無偏心距的對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(主要由橫動光軸、直線帯座軸承、轉(zhuǎn)臂、偏心圓盤組成)來實現(xiàn)主要動作，其主要功能是使基布在沿Y軸方向進(jìn)給的同時，還能沿X 軸方向(橫向)做往復(fù)擺動，且在擺動周期上與原主軸系統(tǒng)精確配合，以生產(chǎn)出規(guī)則大小統(tǒng)一的Z 字型人造草坪.該裝置的動力由主軸通過同步帶傳入圓錐齒輪轉(zhuǎn)向箱(簡稱轉(zhuǎn)向箱)，驅(qū)動偏心圓盤轉(zhuǎn)動，通過轉(zhuǎn)臂驅(qū)動橫動光軸和橫動針輥，沿直線帯座軸承的軸線做往復(fù)移動.同步帶輪與轉(zhuǎn)向箱的傳動比分別為2∶1 和1∶1，即當(dāng)橫動針輥完成半個周期的橫向擺動時，鉤、刀、針完成一個運動周期的配合.橫動針輥調(diào)高部件和偏心部件為此傳動裝置的關(guān)鍵部件.圖2 為圖1 中關(guān)鍵部件的詳圖.橫動針輥調(diào)高部件可通過連接螺栓在長孔位置的調(diào)整來達(dá)到調(diào)節(jié)橫動針輥高度的目的.偏心圓盤為偏心部件的主要零件，內(nèi)設(shè)T 型槽，通過內(nèi)六角螺釘調(diào)整T 型滑塊在T 型槽內(nèi)的位置可實現(xiàn)傳動裝置偏心距的調(diào)整.

圖1 整機(jī)中的基布橫動裝置Fig.1 Base fabric traverse device in the machine

圖2 關(guān)鍵部件詳圖Fig.2 Detail view of key components

此外，橫動針輥一端裝有一對向心軸承，使其在往復(fù)移動的同時能跟隨底布不斷自轉(zhuǎn)，通過針輥表面均勻分布的鋼針(直徑為1.6 mm)不斷地扎入基布來帶動基布在進(jìn)給時隨針輥橫向運動.

2 Z 字型擺幅的調(diào)整

目前市場上Z 字型草坪的擺幅大小不一，且擺幅均小于行距的1/2.為研究Z 字形擺幅大小對草坪質(zhì)量的影響，文中設(shè)計了如下兩種方案來實現(xiàn)Z字型擺幅的調(diào)整:

(1)利用曲柄滑塊傳動原理調(diào)整偏心部件的偏心距，進(jìn)而調(diào)整橫動針輥在X 軸方向的最大擺幅，增加基布的整體擺動幅度.

(2)在最大擺幅不變的情況下，即偏心距固定時，通過調(diào)整同步帶調(diào)節(jié)主軸系統(tǒng)與基布橫動裝置時間上的配合關(guān)系(即調(diào)整針扎入基布時，針與橫動針輥的相對位置關(guān)系)，調(diào)節(jié)Z 字型擺幅大小.其原理如圖3 所示，分析中假設(shè)基布長度為同一偏心距下Z 字型的最大擺幅，且基布相對于機(jī)臺靜止，針沿X 軸方向擺動.圖3 中針有兩個運動周期，從針尖下行剛剛接觸基布時開始計時，實線區(qū)域為第1個周期，虛線區(qū)域為第2 個周期，箭頭為針在X軸方向的擺動方向.由圖3 分析可知，兩針之間X 軸方向的距離即為Z 字型對應(yīng)的橫向擺幅.當(dāng)針下行針尖剛剛接觸到基布時，若針處于其擺幅的中間位置，則Z 字型擺幅為0(第1 針的位置與第2 針的位置在水平方向上重合)，見圖3(a)，此情況表明配合關(guān)系調(diào)整不當(dāng)可直接使擺幅為0;若針處于其擺幅兩端的極限位置，則Z 字型擺幅達(dá)到最大，見圖3(b);若針處于除以上情況之外的非特殊位置時，也將出現(xiàn)Z 字型擺幅，但其擺幅要小于最大擺幅，如圖3(c)所示.

圖3 同偏心距下的配合分析Fig.3 Coordination analysis under the same eccentric distance

3 運動仿真及實驗驗證

織草機(jī)的織草過程要求刀、鉤在整個成形過程均保持貼合狀態(tài)，針向下運動到最低點返程時，鉤嘴必須能勾住針孔上的草線，這三者的相對運動方式固定，故為了研究Z 字型織草傳動系統(tǒng)與原主軸系統(tǒng)的相對運動關(guān)系，只需研究針與橫動針輥之間的相對運動關(guān)系.

運動仿真模型如圖4(a)所示，其機(jī)構(gòu)運動簡圖如圖4(b)所示.其中，針軸轉(zhuǎn)臂與主軸的偏心距為40.5 mm，工作尺寸為250.0 mm，針軸轉(zhuǎn)臂的工作尺寸為153.5 mm，針梁轉(zhuǎn)臂的工作尺寸為125.0 mm，針梁連桿的工作尺寸為128.5 mm.采用Solidworks中的Motion 模塊對虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行運動仿真.主要運動參數(shù)設(shè)定如下:主軸到偏心圓盤的傳動比為2∶1，主軸轉(zhuǎn)速為60 r/min，偏心圓盤的偏心距為33 mm，并在運動算例中檢驗部件的動態(tài)干涉.

以支撐架上表面為基準(zhǔn)面并假定其與托布叉共面，取針床上針尖一點，提取針尖在Z 軸方向上的位移(S1)數(shù)據(jù)，同時在針輥上任取一點，以轉(zhuǎn)向箱端面為基準(zhǔn)，提取針輥在X 軸方向上的位移(S2)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5 所示.測得橫動針輥行程為66mm，并且其周期是針床周期的2 倍，滿足設(shè)計要求.在時間t=1 s時，針的位移為0 mm(此時針自上向下運動，針尖剛到達(dá)托布叉)，針輥位移為536 mm，處于兩邊的極限位置，即擺幅達(dá)到最大效果.

圖4 運動仿真模型及機(jī)構(gòu)運動簡圖Fig.4 Motion simulation model and kinematic diagram of mechanism

圖5 運動仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of motion

針對上述提出的基布橫動裝置，文中研制相應(yīng)設(shè)備并進(jìn)行空機(jī)運行實驗.實驗測量橫動針輥擺幅之前，首先降低織草機(jī)的工作頻率，以降低主軸的運轉(zhuǎn)速度和橫動針輥的擺動頻率，便于實驗結(jié)果的測量;實驗時，將鉛筆筆身一直緊貼橫動針輥端面，通過鉛筆筆尖下的記錄紙，記錄橫動針輥來回運動的擺幅.實驗測得擺幅結(jié)果為70 mm，與仿真結(jié)果基本吻合，擺幅值略偏大，主要是由于鉛筆筆尖與記錄紙之間存在摩擦力，運動時的橫動針輥端面貼合出現(xiàn)夾角間隙以及偏心輪偏心距存在誤差.

4 Z 字型的基布拉伸試驗

基布拉伸試驗采用的草線規(guī)格為8000D，橄欖型截面，草簇行距為19 mm(3/4 英寸)，試驗試樣中包括兩層基布，如圖6(a)所示.試驗在恒宇儀器－電腦伺服力能材料試驗機(jī)(見圖6(b))上進(jìn)行.

圖6 基布拉伸試驗簡介Fig.6 Test introduction of tensile base fabric

為研究不同擺幅對基布拉斷失效力的影響，將試驗基布根據(jù)其所屬基布層數(shù)和擺幅大小按編號分為8 塊，具體分類指標(biāo)如表1 所示，其中擺幅大小的公差為0.2 mm，無擺幅(擺幅為0)基布即為傳統(tǒng)直線型人造草型對應(yīng)的基布.

表1 試驗用基布編號1)Table 1 Base fabric number used in test

表1 中的試驗基布均為長18.0 mm、寬7.5 mm的長方形邊緣無針孔的樣品，夾具對其拉伸方向與單針走針方向一致，且拉伸中夾持兩個針孔的長度，并保證夾具邊緣避開基布的孔，以免基布在被夾持的根部斷裂.設(shè)定測試前的預(yù)緊速度為30 mm/min，預(yù)緊力為0.1 N.控制模式為定速度(250 mm/min)拉伸，斷點判定參數(shù)采用絕對荷重衰減.試驗前后直線型與Z 字型的基布形態(tài)比較如圖7 所示.

圖7 拉伸試驗前后直線型與Z 字型的基布形態(tài)比較Fig.7 Comparison of base fabric shape between line-shaped and Z-shaped before and after tensile test

從圖7(a)可知，Z 字型基布能顯著改善基布針孔分布的均勻程度.當(dāng)直線型基布受拉失效時，基布上留下了顯著的斷裂痕跡(見圖7(b));而Z 字型基布受拉失效后，樣品整體起褶皺，受破壞情況均勻，無斷裂破壞現(xiàn)象(見圖7(c)).

圖8 基布的變形失效對比Fig.8 Comparison of base fabric deformation

8 塊基布試樣的變形失效(拉伸力F 與時間的關(guān)系)對比如圖8 所示.由圖可知，Z 字型樣品基布的最大拉伸力均大于無擺幅的直線型基布，基布3、7 的承載能力相對最好.在第1 層基布中，基布3 的最大拉伸力為891N，與基布1 的629N 相比，提升了41.7%;在第2 層基布中，基布7 的最大拉伸力為1009 N，與基布5 的637 N 相比，提升了58.4%.從圖8 還可以得出:過大的Z 字型擺幅(基布4、8)并不能提高基布的最大拉伸力，且擺幅越大，對應(yīng)的基布背草面用草線越多，成本越高，因此對于行距為19 mm(3/4 英寸)的人造草坪，當(dāng)Z 字型擺幅約為6.3mm，即為人造草坪行距的一半時，基布的承載能力最好，且成本合理.

5 結(jié)論

文中研制了一種基布橫動裝置，即在傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的基礎(chǔ)上，添加新動作，以實現(xiàn)Z 字型人造草坪成形技術(shù);然后基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，用Solidworks軟件建立了織草機(jī)的三維模型，并針對主要研究對象對虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行運動仿真，通過空機(jī)運行實驗驗證了運動仿真結(jié)果.

文中提出了兩種調(diào)整Z 字型擺幅的方案，并對橫動針輥固定擺幅下基布橫動機(jī)構(gòu)與原主軸系統(tǒng)的運動配合關(guān)系進(jìn)行研究，考察Z 字型技術(shù)對基布抗拉性能的影響.結(jié)果表明:運動配合關(guān)系對Z 字型擺幅大小起決定性作用;Z 字型技術(shù)可提升基布的橫向抗拉能力，且Z 字型擺幅大小對基布承載能力的影響較大，擺幅一般不應(yīng)大于行距的一半，當(dāng)擺幅約為行距的一半時，基布的承載能力最好.

［1］包永霞，滿達(dá)，李聰，等.天然草與人造草混合系統(tǒng)草坪運動質(zhì)量性狀研究［J］.草地學(xué)報，2012，20(1):37-41.Bao Yong-xia，Man Da，Li Cong，et al.Researches on the sport quality of natural-artificial turf ［J］.Acta Agrestia Sinica，2012，20(1):37-41.

［2］Ball Kevin，Hrysomallis Con.Synthetic grass cricket pitches and ball bounce characteristics［J］.Journal of Science and Medicine in Sport，2012，15(3):272-276.

［3］Kolgjini B，Schoukens G，Kiekens P.Influence of stretching on the resilience of LLDPE monofilaments for application in artificial turf ［J］.Journal of Applied Polymer Science，2012，124(5):4081-4089.

［4］Toshiyasu Kinari.Weaving machinery and its relatedtechnologies ［J］.Journal of Textile Engineering，2007，53(2):43-52.

［5］Jr Hyatt Richard G，Trent Douglas E.Electronic cam assembly:United States，US6209367 B1［P］.2001-04-03.

［6］Omron Corporation.Method of controlling electronic cam and servo motor control system:Japan，EP20050024936［P］.2006-05-24.

［7］Christman W M，Jr Hall W.System and method for forming tufted patterns:United States，US7634326 B2 ［P］.2009-12-15.

［8］張少平，丁彩紅，孫以澤.基于Matlab 的地毯簇絨機(jī)橫動等徑凸輪設(shè)計［J］.東華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，33(5):629-632.Zhang Shao-ping，Ding Cai-hong，Sun Yi-ze.Design of transverse movable conjugate yoke radial cam of tufting carpet machine based on Matlab［J］.Journal of Donghua University:Natural Science，2007，33(5):629-632.

［9］阮岑，孟婥，楊延竹.地毯簇絨裝備橫動提花方法的研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2008(12):124-126.Ruan Cen，Meng Chuo，Yang Yan-zhu.Study on pattern transverse motion controlling system of tufting machine［J］.Machinery Design ＆ Manufacture，2008(12):124-126.

［10］Cobble International Corporation.Cobble tufting machine service manual ［M］.California:Cobble International Corporation，2011:31-33.

［11］程杭杭.地毯簇絨機(jī)簇絨針傳動機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析［J］.制造業(yè)自動化，2012，34(6):117-119.Cheng Hang-hang.Dynamical analysis of drive mechanism within a carpet tufting machine［J］.Manufacturing Automation，2012，34(6):117-119.

［12］Ji Liang，Chen Degui，Liu Yingyi，et al.Analysis and improvement of linkage transfer position for the operating mechanism of MCCB［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(1):222-227.

［13］Son Hungsun，Choi Hae-Jin，Park Hyung Wook.Design and dynamic analysis of an arch-type desktop reconfigurable machine ［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2010，50(6):575-584.

［14］田志祥，吳洪濤.閉環(huán)雙臂空間機(jī)器人的動力學(xué)建模與仿真［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，39(8):42-47.Tian Zhi-xiang，Wu Hong-tao.Dynamic modeling and simulation of closed-loop dual-arm space robots ［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2011，39(8):42-47.

［15］Chang Kuang-hua.Computer-aided modeling and simulation for recreational waterslides ［J］.Mechanics Based Design of Structures and Machines，2007，35(3):229-243.