基于虛擬樣機(jī)的提花機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析

胡朝斌，丁逸飛，章泳健，黃 鵬

HU Chao-bin1, DING Yi-fei1, ZHANG Yong-jian1, HUANG Peng2

（1.常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，常熟 215500；2.東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 211189）

0 引言

我國(guó)是紡織品生產(chǎn)和出口大國(guó)，特別是長(zhǎng)三角地區(qū)和珠三角地區(qū)，是我國(guó)紡織工業(yè)最發(fā)達(dá)的兩大區(qū)域，紡織工業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)了該兩大地區(qū)的紡織機(jī)械產(chǎn)品的需求和發(fā)展。然而，我國(guó)的紡織機(jī)械產(chǎn)品的自動(dòng)化程度還相對(duì)落后，特別是提花機(jī)等高檔機(jī)器，還存在生產(chǎn)效率低，工序多，打樣周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)[1]。針對(duì)某廠提花機(jī)使用過(guò)程中提刀梁軸承使用周期短、傳動(dòng)軸容易斷裂的缺點(diǎn)，對(duì)提花機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，在掌握其現(xiàn)有結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的基礎(chǔ)上為結(jié)構(gòu)改造提供依據(jù)。

1 提花機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

電子提花機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器的重要組成部分。此次分析的提花機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為兩組共軛凸輪，分別將凸輪軸的運(yùn)動(dòng)傳遞到與內(nèi)、外兩個(gè)軸相連的擺臂上，通過(guò)擺臂帶動(dòng)提刀架上下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)提刀升降帶動(dòng)與之相連的選針器上的提針按照預(yù)定要求作升降運(yùn)動(dòng)，從而形成開(kāi)口運(yùn)動(dòng)，提針下方由彈簧拉住[2]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中從動(dòng)提刀架6和提刀架7原本有對(duì)稱兩個(gè)，圖中簡(jiǎn)化一個(gè)。

該設(shè)備運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主動(dòng)軸容易斷裂。為提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，要對(duì)提花機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。

2 提花機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析

在Pro/E中建立提花機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，并根據(jù)零件的本身特性進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，在零件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上按照零件間實(shí)際的配合關(guān)系在裝配環(huán)境中定義零件的連接運(yùn)動(dòng)副關(guān)系。電子提花機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是以凸輪、連桿機(jī)構(gòu)為主要研究對(duì)象。擺臂與連桿間的連接定義為轉(zhuǎn)動(dòng)副，連桿與提刀臂的連接一側(cè)用轉(zhuǎn)動(dòng)副、一側(cè)用圓柱副。拉桿與固定座之間用轉(zhuǎn)動(dòng)副，與擺臂之間用圓柱副。組成如圖2所示的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，運(yùn)動(dòng)輸入為凸輪軸的恒定轉(zhuǎn)速500r/min。

圖1 提花機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖2 提花機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

提花機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的主要任務(wù)是根據(jù)確定的機(jī)構(gòu)尺寸及原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得出構(gòu)件的角位移、角速度和角加速度及機(jī)構(gòu)上主要點(diǎn)的位移、速度、加速度以了解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能。圖3是在Pro/E中對(duì)提花機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析所得的部分運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。其中提刀臂Y向位移對(duì)提花機(jī)動(dòng)力學(xué)分析的負(fù)載有影響，因?yàn)樨?fù)載是由拉刀彈簧施加，彈簧位移與提刀臂位移相同。

提刀臂沿Y向的位移分量如圖3所示，峰值位移為103.216mm。

圖3 提花機(jī)Y向位移曲線（位移單位mm）

從分析情況看提刀Y方向位移在許可范圍內(nèi)。

由于NX采用業(yè)界權(quán)威的ADAMS內(nèi)核來(lái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，并采用接觸來(lái)模擬凸輪副之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系及動(dòng)力學(xué)性能，故提花機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析采用NX完成。在NX中，接觸有3D接觸和2D接觸兩種，理論上均可用于凸輪的模擬。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，采用3D接觸來(lái)模擬凸輪副，會(huì)出現(xiàn)很?chē)?yán)重的沖擊，并有明顯的運(yùn)動(dòng)變形。所以采用2D接觸來(lái)定義凸輪副，如圖4所示。定義2D接觸的曲線使用Pro/E定義，并插入到NX的裝配環(huán)境下。

在NX中，運(yùn)動(dòng)構(gòu)件均稱為連桿，將凸輪實(shí)體與定義2D接觸的曲線一起定義為連桿，可實(shí)現(xiàn)由曲線定義運(yùn)動(dòng)，由實(shí)體應(yīng)用運(yùn)動(dòng)慣量的目的。

圖4 提花機(jī)在NX中的模型

接觸參數(shù)的定義對(duì)動(dòng)力學(xué)分析的正確性影響非常大，目前采用的參數(shù)參考了ADAMS中推薦使用的經(jīng)典設(shè)置，具體參數(shù)可如表1所示。

表1 提花機(jī)ADAMS模型的接觸參數(shù)

動(dòng)力學(xué)計(jì)算分簡(jiǎn)化模型、詳細(xì)模型兩種情況進(jìn)行計(jì)算，簡(jiǎn)化模型相對(duì)詳細(xì)模型忽略了提刀部分的建模，這樣就忽略了提刀的慣量所引起的動(dòng)載荷。加載通過(guò)在模型中設(shè)置等效彈簧來(lái)進(jìn)行，通過(guò)調(diào)整彈簧的定義參數(shù)，來(lái)模擬提刀上所收的實(shí)際載荷。

1）簡(jiǎn)化模型

提刀梁上的載荷通過(guò)一系列彈簧等效，彈簧力峰值接近2T，當(dāng)轉(zhuǎn)速非常小，接近5r/min時(shí)，即基本上忽略由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生的動(dòng)載荷后所得到的扭矩曲線如圖5所示，其穩(wěn)定峰值為710NM。

圖5 簡(jiǎn)化模型凸輪軸扭矩特性

2）詳細(xì)模型

當(dāng)轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)，扭矩曲線如圖11所示，穩(wěn)定峰值為2374NM，啟動(dòng)時(shí)最大扭矩為4194NM，當(dāng)加載后，扭矩曲線可如圖6所示。

圖6 詳細(xì)扭矩曲線

3 實(shí)驗(yàn)

通過(guò)TS20軸式全數(shù)字化動(dòng)態(tài)扭矩傳感器實(shí)測(cè)輸出軸的扭矩。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，使用兩組聯(lián)軸器，將傳感器安裝在動(dòng)力設(shè)備與負(fù)載之間。分別調(diào)整動(dòng)力設(shè)備、負(fù)載、傳感器的中心高和同軸度，要求小于0.05mm，然后將其固定，并緊固可靠。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）的通信采用RS485，下位機(jī)是從機(jī)（轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器），完成測(cè)量后不間斷的向上位機(jī)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7 扭矩測(cè)試原理圖

數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MATLAB擬合曲線如圖8所示。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看與NX的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析數(shù)據(jù)基本吻合。

4 結(jié)論

通過(guò)基于虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析和扭矩測(cè)試儀的測(cè)量，可以看出分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。分析的扭矩和測(cè)量的扭矩最大值均在主軸承受能力范圍以內(nèi)，造成主軸斷裂的主要原因應(yīng)該是該軸承受的扭矩是一個(gè)交變的載荷，容易造成主軸疲勞斷裂?？梢钥紤]在動(dòng)力源與主軸之間連接一個(gè)膜片聯(lián)軸器。

圖8 轉(zhuǎn)矩測(cè)試擬合曲線

[1] 金濟(jì)民,金柏正,郁元正,張柏春.提花機(jī)電子花筒的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].輕工機(jī)械,2011(5)：41-43.

[2] 周建軍.一種電子提花機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與研究[J].機(jī)械工程師,2014(4)：266-277.

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[4] 郭靖.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸系扭矩測(cè)試系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].烏魯木齊：新疆大學(xué),2007.