基于計算機仿真技術的織機打緯機構設計

田建學，張 玨，屈曉淵，張俊霞

(1.榆林學院 信息工程學院，陜西 榆林 719000;2.榆林學院能源工程學院，陜西榆林 719000)

隨著計算機與信息技術的飛速發(fā)展，計算機仿真技術在智能交通、航空航天、生物、通信等領域得到了廣泛的應用和研究。利用計算機仿真技術設計機械機構，提高了產(chǎn)品設計的精度并且縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。計算機仿真技術就是利用計算機上的一些仿真軟件來幫助設計者進行機械設計。相對于傳統(tǒng)的實驗、測繪，計算機仿真技術節(jié)省了設計者大量精力的同時，也提高了工作效率。利用計算機設計時，便于設計者隨時修改一些部件的尺寸，同時還可以對整個機構或者機器進行仿真，這樣獲得的產(chǎn)品質量更高，產(chǎn)品的設計更加合理［1］。

在機械行業(yè)中，計算機仿真技術主要是通過利用二維繪圖軟件(AutoCAD)和三維繪圖軟件(Pro/E，UG，SolidWorks等)建立虛擬樣機模型，通過數(shù)據(jù)轉換接口將模型導入到動力學仿真分析軟件(ADAMS)和有限元分析軟件(ANSYS)進行仿真分析和優(yōu)化設計虛擬樣機模型，使最后得到的虛擬樣機能夠達到生產(chǎn)的要求［2］。

本文主要是利用計算機仿真技術設計噴氣織機中打緯機構，使得打緯機構能夠滿足織機織造時的生產(chǎn)要求。織機中打緯機構的主要作用就是將紗線推至織口，使得織物的織造過程有序地進行［3］。首先在動力學分析軟件ADAMS中建立了參數(shù)化的打緯機構功能型模型，通過優(yōu)化設計最后得到符合織造要求的四連桿打緯機構。根據(jù)優(yōu)化得到的數(shù)據(jù)，再在Pro/E中建立織機打緯機構的虛擬樣機模型。最后通過數(shù)據(jù)轉換接口將虛擬樣機模型導入到ADAMS中進行動力學仿真分析，并對機架進行了有限元分析。利用計算機仿真技術設計的織機打緯機構，為設計者設計機械機構或機器提供了參考。

1 打緯機構的設計

1.1 打緯機構的工作原理

目前來說，打緯機構主要有凸輪打緯機構和四連桿打緯機構這兩種，四連桿打緯機構的應用較為廣泛。四連桿打緯機構實際上就是曲柄搖桿機構。本文設計的噴氣織機上的打緯機構就采用了四連桿打緯機構，并且采用兩套四連桿機構分為左右軸在兩側對稱布置。下面介紹一側的打緯機構的設計，另一側的打緯機構與其完全相同。

在ADAMS中建立了四連桿打緯機構的功能型模型，如圖1所示，曲柄作整周運轉，帶動連桿作擺動，驅動搖桿擺動，由搖桿帶動鋼筘作往復運動，這樣就實現(xiàn)了織造過程中的打緯運動。在建立四連桿打緯機構的功能型模型時，通過利用ADAMS中參數(shù)化點坐標的方法，進行四連桿打緯機構的參數(shù)化建模。通過優(yōu)化設計實現(xiàn)了噴氣織機打緯機構的較好運動規(guī)律，從而得到優(yōu)化后各桿件的尺寸［4］。

1.2 打緯機構的三維模型

根據(jù)上述優(yōu)化后的結構尺寸，利用Pro/E強大的三維建模功能建立了打緯機構。在Pro/E中先建立各個部件的三維模型，最后將這些零件裝配起來。在模型裝配時，對零件裝配的先后順序要作周密的考慮，并且要保證兩側連桿和搖桿的初始相位一致，同時要將鋼筘裝配到極限位置，這樣便于仿真。

圖1 四連桿打緯機構的參數(shù)化模型Fig.1 Parameter model of four-bar beating up mechanism

圖2是在pro/E中建立的四連桿打緯機構的三維模型，曲軸和搖軸的兩端通過軸承與左右墻板聯(lián)接。整個打緯機構的動力源由曲軸1輸入，然后分開兩條路線傳輸:一是1-2-3-4;二是通過主軸8穿到機構對稱的另一側。最后將動力傳到搖軸上，再由搖軸帶動鋼筘實現(xiàn)往復擺動，使得鋼筘將緯紗推至織口，這就完成了打緯動作［5］。

圖2 四連桿打緯機構Fig.2 Four-bar beating-up mechanism

2 打緯機構的仿真分析

2.1 運動學仿真分析

本次設計的打緯機構工況轉速為600r/min，其中所有部件都可以看作是剛性的，左右兩側對稱的四連桿打緯機構的運動是同步的，所以這里只對一側的打緯機構進行分析。為分析方便，建立了簡化示意圖，如圖3所示。

圖3中線段AB，BC和CD為簡化后的曲軸、牽手和搖桿。設定曲軸沿逆時針方向轉動，以曲軸軸承中心為坐標原點建立坐標系。由圖4可得機構的矢量方程分別在X軸和Y軸上投影，得到位移方程

圖3 打緯機構簡化示意圖Fig.3 Simplified diagram of beating-up mechanism

將式(1)對時間求一階導數(shù)，得到速度和加速度的方程組如下:

上述方程組中，θ1，θ2，θ3分別表示曲柄、牽手、搖桿與 X 軸正向的夾角，ω1，ω2，ω3分別表示曲柄、牽手、搖桿的角速度，α1，α2，α3分別表示曲柄、牽手、搖桿的角加速度［5］。下面就利用ADAMS對打緯機構筘座的位移、速度、加速度進行仿真分析。將在Pro/E中建立的三維模型通過數(shù)據(jù)轉換接口導入ADAMS中，添加約束和參數(shù)設置后進行仿真［6］。

在ADAMS軟件中對筘座仿真時將織機主軸速度設為600r/min，仿真時間設置為2s，正好打緯運動完兩個周期。筘座的位移、速度和加速度仿真結果如圖4所示。

由圖4可以看出，所設計的四連桿打緯機構具有良好的運動規(guī)律和動力學特性，在打緯運動開始時，筘座的速度為零，正加速度為2000 mm/s2，符合噴氣織機打緯的要求。通過在Adams/PostProcessor中對其位移曲線的測量計算得到了該織機的打緯動程為70 mm，符合織物織造的要求。從圖中看到速度和加速度曲線呈波浪形變化，且起伏較為平穩(wěn)，這樣可以減小筘座的振動。打緯時，當鋼筘擺至后死心位置時，在梭口中間開始引緯;當鋼筘擺至前死心位置時，筘槽把緯紗推至織口［7］。

圖4 筘座的運動規(guī)律曲線Fig.4 The motion curve of the sley

2.2 運動學仿真分析

噴氣織機打緯機構在運轉過程中會產(chǎn)生慣性載荷，主要包括慣性力和慣性力矩。這樣會對織機的機架產(chǎn)生沖擊力，同時機架還承受著偏心力，這就使得機器在運作時會產(chǎn)生振動和噪聲，通過改善墻板上的沖擊載荷來提高織機的抗振性。為研究高速織機的振動問題，下面就對墻板上受到的沖擊載荷和主軸電機的輸入力矩進行仿真分析，結果如圖5和6所示。

圖5 不同主軸轉速對墻板的沖擊力Fig.5 Impact force of different spindle speeds on wall panels

從圖5中可以清楚地看出，隨著主軸轉速增高，對左右墻板的沖擊力也在不斷地增加，其中當轉速達到1 200 r/min時，左墻板受到的沖擊力高達1.241 1×105N。這樣當沖擊力達到一定程度，整個機架就會發(fā)生強烈的振動，同時隨著主軸轉速的提高，電機的輸入力矩也在增大，使得傳動系統(tǒng)的負載在逐漸地增加，嚴重影響了織機的正常工作，甚至會破壞整個織機的整體性［8］。

圖6 不同主軸轉速下伺服電機輸入力矩Fig.6 Input torque of servo motor with different spindle speeds

3 墻板的有限元分析

鑒于墻板受到一定程度的沖擊力，對其進行有限元分析是很有必要的。ANSYS/Workbench是一款分析功能強大的軟件，它可將在Pro/E中建立的墻板無縫連接模型加載至該軟件中進行分析計算。

首先在Engineering Data中選用墻板的材料為灰鑄鐵，其參數(shù)設置為:密度7 200 kg/m3;彈性模量為110GPa;PR泊松比為0.28。接下來進行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響計算結果，劃分網(wǎng)格的數(shù)量增加，計算精度會有所提高，但同時計算量也增大。墻板的實體模型簡單而且沒有較多的限制，在此采用了自由劃分網(wǎng)格的方法對其進行劃分，劃分結果如圖7所示。

從圖7中可以看出，網(wǎng)格劃分后得到的單元全部為三角形。這樣的單元便于后面的計算并且計算精度也較高。

由于打緯機構在運動過程中，左墻板承受的沖擊載荷較大，因此，本文只對左墻板進行有限元分析，將墻板的底座與地面固定，選取在ADAMS中仿真時運動平穩(wěn)后的沖擊力數(shù)據(jù)，當轉速為600，800和1 200 r/min時，機構運動平穩(wěn)后測得曲軸對墻板的沖擊力分別為1.053 2×105N，1.165 9×105N和1.241 1×105N，搖軸對墻板的沖擊力分別為8.291 8×104N，9.002 5×104N和1.200 0×105N。將這些沖擊力數(shù)據(jù)加載到曲軸與墻板連接的孔上以及搖軸與墻板連接的孔上，同時選取等效應力、等效應變和總變形來查看墻板的變形情況，如圖8所示。

圖7 墻板的有限元模型Fig.7 Finite element model of wall panels

由圖6中的振型可以看出，在主軸轉速較低時，噴氣織機具有較好的動力學特性。但隨著織機主軸轉速的提高，墻板受到的沖擊力也越來越大，墻板的變形也越來越嚴重。當主軸的轉速為600，800和1 200 r/min時，總變形為1.028 8mm，2.838 8mm和5.702 3mm。當轉速達到1 200 r/min時，墻板已發(fā)生了明顯的變形。

噴氣織機的轉速還可以提高，甚至可以達到2 000r/min，這樣打緯慣性力對整個機架將會產(chǎn)生強烈的沖擊力。為了適應織機高速低振的要求，設計者在設計時必須考慮到織機在高速運作時的動平衡問題。

4 結語

本文利用計算機仿真技術設計的噴氣織機的打緯機構，能夠滿足織機織造的要求，同時也為織機的其他機構的設計提出了一種新的設計方法?；谟嬎銠C仿真技術設計的噴氣織機的打緯機構具有較好的運動規(guī)律和動力學特性，并且能夠達到織造的要求。該設計方法不僅可以用在紡織行業(yè)，也可用在航天航空行業(yè)、汽車行業(yè)和船舶行業(yè)等，特別是一些尖端科學領域。

圖8 不同主軸轉速條件下墻板的等效應力、等效應變及總變形Fig.8 Equivalent stress and strain and total deformation of wall under different spindle speeds

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