高速針刺機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 梁銘 天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院、天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 魯喜 李浩 姜海濤 楊建成/文

1 引言

在各種各樣的針刺設(shè)備中，機(jī)械原理是相同的（除圓形針刺機(jī)以外），它們的共同特點(diǎn)是都采用偏心（曲柄）連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)針梁。當(dāng)主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，針板和刺針作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刺針穿越針刺區(qū)（即穿過(guò)剝網(wǎng)板、纖網(wǎng)層、托網(wǎng)板），通過(guò)完成針刺原理而形成非織造布。同時(shí)，在針刺工序過(guò)程中喂入與輸出速度相配合，以間歇步進(jìn)或連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

針刺機(jī)構(gòu)是針刺機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，對(duì)纖網(wǎng)的針刺固結(jié)主要由其完成。它由曲柄箱、針梁、針板、刺針等組成。針刺頻率的高低對(duì)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都有影響，所以提高針刺頻率是設(shè)計(jì)針刺機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵。但目前針刺生產(chǎn)線的運(yùn)行速度還不到10m/min,其中直接影響生產(chǎn)效率和成本的是針刺機(jī)的針刺速度。

本文主要分析了針刺機(jī)構(gòu)中曲柄和連桿尺寸對(duì)針刺速度和針刺機(jī)的影響，對(duì)針刺機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使針刺機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，提高生產(chǎn)效率。

圖1 雙軸雙曲柄原理示意圖

2 針刺機(jī)構(gòu)工作原理

針刺機(jī)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)采用偏心連桿機(jī)構(gòu)，由于偏心連桿機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不平衡量，影響針刺的頻率和效率，所以針刺機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)平衡機(jī)構(gòu)的要求十分高。

該機(jī)構(gòu)的工作原理是利用主軸帶動(dòng)偏心輪和平衡輪旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)連桿帶動(dòng)針粱和針板作上下重復(fù)運(yùn)動(dòng)使針板上的刺針?lè)磸?fù)穿刺棉網(wǎng)。

用橫桿連接于一端輸出。其原理圖如圖1所示。

機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 針刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

如圖2所示，針刺機(jī)構(gòu)由雙曲柄—擺桿機(jī)構(gòu)組成，兩個(gè)偏心輪（曲柄）為動(dòng)力源，兩輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，且相位差為180°。采用這種對(duì)稱機(jī)構(gòu)的形式除能滿足機(jī)構(gòu)自由度的要求外，還能在機(jī)構(gòu)水平方向起到平衡慣性力矩的作用，有效減小機(jī)械振動(dòng)。

在針刺機(jī)構(gòu)對(duì)纖網(wǎng)進(jìn)行針刺加工時(shí)，針刺機(jī)構(gòu)做平面運(yùn)動(dòng)，因此針刺機(jī)構(gòu)可以看為平面機(jī)構(gòu)，并且在作運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析時(shí)，將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件看成剛形體，這樣就可以在針刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。此外，模型建立的前提條件是：曲柄做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)且不考慮運(yùn)動(dòng)副中摩擦力。圖3為針刺機(jī)構(gòu)平面示意圖。

圖3針刺機(jī)平面機(jī)構(gòu)矢量圖

對(duì)平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析法主要有：圖解法、解析法和試驗(yàn)法。圖解法的特點(diǎn)是形象直觀，但對(duì)于機(jī)構(gòu)的一系列位置進(jìn)行分析時(shí)，需要反復(fù)作圖，步驟相當(dāng)繁瑣。實(shí)驗(yàn)法有賴于試驗(yàn)樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立。解析法的特點(diǎn)是用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示各運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系，然后求解，可得到較高的精度。對(duì)針刺機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析一般采用解析法中的復(fù)數(shù)矢量法或封閉矢量多邊形投影法。本文采用封閉矢量多邊形投影法對(duì)針刺機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

圖3中，AB為曲柄，BC為連桿?，F(xiàn)以主軸中心A為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向?yàn)閄軸建立右手坐標(biāo)系。按圖3標(biāo)出的各構(gòu)件矢量方向及其位置角，建立矢量方程及其投影方程：

將矢量方程分別向X、Y軸投影，可得位移方程組如下：

將式（2）對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)可得速度方程組如下：

將式（3）對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)可得加速度方程組如下：

由于產(chǎn)品的加工是通過(guò)針板上的刺針?lè)磸?fù)針刺來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此針板的運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)產(chǎn)品的加工至關(guān)重要，需對(duì)針板進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。上述方程組的求解可在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，根據(jù)針刺機(jī)的工藝要求，偏心距為25mm，針刺動(dòng)程定為1200次/min，分別對(duì)針板的位移、速度和加速度進(jìn)行分析。

3.1 針板的位移分析

圖4 針板的位移曲線

如圖4所示，在主軸旋轉(zhuǎn)360°的過(guò)程中針板的位移曲線。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)連桿的長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，所得到的位移曲線沒(méi)有發(fā)生任何變化，所以連桿的長(zhǎng)度對(duì)針板的位移規(guī)律沒(méi)有影響。

3.2 針板的速度分析

首先研究連桿的長(zhǎng)度對(duì)針板速度的影響，如圖5所示，偏心距e=25mm，曲線1為連桿長(zhǎng)度為285mm時(shí)針板的速度曲線；曲線2為連桿長(zhǎng)度為185mm時(shí)針板的速度曲線；曲線3為連桿長(zhǎng)度為85mm時(shí)針板的速度曲線。

圖5在偏心距相同連桿長(zhǎng)度發(fā)生變化的針板速度曲線

由圖可以清晰地表明：當(dāng)機(jī)構(gòu)的偏心距不發(fā)生變化時(shí)，即使連桿的長(zhǎng)度發(fā)生明顯的改變，對(duì)針板運(yùn)動(dòng)速度的影響也是比較微弱的。

然后研究偏心距對(duì)針板速度的影響，如圖6所示，在主軸旋轉(zhuǎn)360°的過(guò)程中針板的速度曲線。連桿長(zhǎng)度均為285mm。曲線1為偏心距為20mm時(shí)針板的速度曲線；曲線2為偏心距為23mm時(shí)針板的速度曲線；曲線3為偏心距為25mm時(shí)針板的速度曲線。

圖6 在連桿長(zhǎng)度相同偏心距發(fā)生變化的針板速度曲線

由圖可以清晰地表明：當(dāng)機(jī)構(gòu)的連桿不發(fā)生變化時(shí)，改變機(jī)構(gòu)的曲柄長(zhǎng)度，也就是偏心距發(fā)生變化時(shí)，對(duì)針板的運(yùn)動(dòng)速度規(guī)律的影響是很大的。偏心距越大，針板在極限位置的速度就會(huì)越大。

3.3 針板的加速度分析

主要研究連桿長(zhǎng)度對(duì)針板運(yùn)動(dòng)加速度的影響。如圖7所示，在主軸旋轉(zhuǎn)360°的過(guò)程中針板的加速度曲線。偏心距為e=25mm，曲線1為連桿長(zhǎng)度為285mm時(shí)針板的加速度曲線；曲線2為連桿長(zhǎng)度為185mm時(shí)針板的加速度曲線；曲線3為連桿長(zhǎng)度為85mm時(shí)針板的加速度曲線。

圖7 在偏心距相同連桿發(fā)生變化的針板加速度曲線

由圖7可以清晰地表明：當(dāng)機(jī)構(gòu)的偏心距不變時(shí)，較大程度的改變連桿的尺寸，對(duì)針板的加速度曲線是有一定的影響的。連桿的長(zhǎng)度越短，針板在高位時(shí)的加速度就越小，反而在低位時(shí)的加速度會(huì)變大，這是該機(jī)構(gòu)比較有特點(diǎn)的地方。這樣一來(lái)，對(duì)針刺工藝的影響就是巨大的，可以提高生產(chǎn)效率并且能夠一定程度改善產(chǎn)品的質(zhì)量，但是加速度的增加使得針刺機(jī)構(gòu)的慣性力和慣性力矩都會(huì)相應(yīng)的增大，從而引起很大的震動(dòng)和噪聲，這就要求在設(shè)計(jì)的過(guò)程中權(quán)衡利弊，達(dá)到最理想的效果。

4 針刺機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型建立與仿真

4.1 構(gòu)件的慣性力和慣性力矩

如圖8所示，一般在作平面運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)中，運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件（勻速運(yùn)動(dòng)的除外）會(huì)產(chǎn)生一個(gè)慣性力）和一個(gè)慣性力矩其中分別是運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，和分別是運(yùn)動(dòng)構(gòu)件質(zhì)心的加速度和角加速度。負(fù)號(hào)說(shuō)明慣性力的方向與構(gòu)件加速度方向相反，慣性力矩與質(zhì)心角加速度的方向相反。但存在以下兩種特殊運(yùn)動(dòng)狀況：當(dāng)構(gòu)件繞質(zhì)心回轉(zhuǎn)時(shí)，慣性力為零；直線運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件，不產(chǎn)生慣性力矩。

圖8構(gòu)件的慣性力與慣性力矩

3.2 針刺機(jī)構(gòu)動(dòng)力方程的建立

在本文的動(dòng)態(tài)靜力分析中忽略了運(yùn)動(dòng)副的摩擦，如圖9為針刺機(jī)構(gòu)的直角坐標(biāo)系，分別為構(gòu)件1、構(gòu)件2的質(zhì)心。將該機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件分離并加上各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)副的約束反力、慣性力、輸入力矩等。根據(jù)求解得出的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，先計(jì)算出各構(gòu)件的慣性力和慣性力矩，再根據(jù)達(dá)朗伯原理對(duì)針刺機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)靜力分析。

圖9 針刺機(jī)構(gòu)的平面簡(jiǎn)化圖

各構(gòu)件受力情況如圖10、圖11、圖12所示，假設(shè)各構(gòu)件所受外力、力矩、運(yùn)動(dòng)副反力均為正方向。列出各構(gòu)件和力矩的平衡方程：

圖10 AB桿受力分析圖 圖11 BC桿受力分析圖 圖12 滑塊C桿受力分析圖

構(gòu)件1（如圖10所示）的力和力矩的平衡方程：

構(gòu)件2（如圖11所示）的力和力矩的平衡方程：

構(gòu)件3（如圖12所示）的力和力矩的平衡方程：

在這三個(gè)構(gòu)件的力和力矩方程中，在構(gòu)件1上作用平衡力矩Md。平衡力矩的定義：為維持機(jī)構(gòu)原動(dòng)件按理想的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)（對(duì)原動(dòng)件做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)通常是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)）而需要施加在原動(dòng)件上的驅(qū)動(dòng)力矩。

在上面的力和力矩平衡方程中，F(xiàn)Ax、FBx、Fcx、FDx分別為構(gòu)件分離后在運(yùn)動(dòng)副A、B、C、D在x方向的約束反力。FAy、FBy、FCy、FDy分別為構(gòu)件分離后在運(yùn)動(dòng)副A、B、C、D在y方向的約束反力。F1x、F2x、F3x分別為構(gòu)件所受外力在x方向的分力。F1y、F2y、F3y分別為構(gòu)件所受外力在y方→向的分→力。(LS1A→)x、(LS1B→)x、(LS2B) x、(LS2C) x分別為矢量S1A、LS1B、LS2B、LS2C在→x方向的→分量。(L→S1A)y、(LS1→B)y、(LS2B)y、(LS2C)y分別為矢量 LS1A、LS1B、LS2B、LS2C在y方向的分量。m1、m2、m3分別為構(gòu)件1、構(gòu)件2、滑塊 3 的質(zhì) 心的質(zhì)量。S1x、 a˙˙S2x、 a˙˙S3x分 別為構(gòu)件1、構(gòu)件2、滑塊3的質(zhì)心加速度在x方向的分量。a˙˙S1y、 a˙˙S2y、 a˙˙S3y分別為構(gòu)件 1、構(gòu)件 2、滑塊 3 的質(zhì)心加速度在y方向的分量。J1、J2分別為構(gòu)件1、構(gòu)件2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。ε1、ε2分別為構(gòu)件1、構(gòu)件2的角加速度。Md為作用于曲柄上的平衡力矩。

將以上8個(gè)方程組成一個(gè)8元線性方程組：

式中：

為未知量，包含了機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)副中的反力和作用于原動(dòng)件的平衡力矩。

為一8x1的已知列陣，包含了機(jī)構(gòu)所受外力、慣性力和慣性力矩。

為一8x8已知方陣，其元素與構(gòu)件的質(zhì)心位置有關(guān)。

式（8）就是針刺機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析方程。在完成了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析之后，就可以求出機(jī)構(gòu)的位置參數(shù)、各構(gòu)件的角加速度和質(zhì)心加速度。即可確定列陣B和方陣A。求解這一線性方程組，即可求得列陣X，得到機(jī)構(gòu)的各運(yùn)動(dòng)副中的反力和作用于原動(dòng)件上的平衡力矩。

方陣中的(Ls1A)x、(Ls1B)x、(Ls2B)x、(Ls2C)x、(Ls1A)y、(Ls1B)y、(Ls2B)y、(Ls2c)y是各矢量在坐標(biāo)軸上的投影，是隨著機(jī)構(gòu)位置的不同而變化的；列陣B中除去構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量外，其余各量也都是或可能是隨著機(jī)構(gòu)位置不同而不變化的量。因此，求解線性方程組（8），只能求解機(jī)構(gòu)在某一位置時(shí)的平衡力矩和各運(yùn)動(dòng)副中的反力。如果需要求得在機(jī)構(gòu)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中平衡力矩和運(yùn)動(dòng)副反力的變化情況，則需要將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)周期離散化，得到機(jī)構(gòu)不同位置，再對(duì)多個(gè)不同位置分別進(jìn)行一次運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)靜力分析。

4.3 針刺機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

為了求出X，必須知道A和B中的已知量，其中包括各構(gòu)件的長(zhǎng)度、質(zhì)心位置、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。初定所有構(gòu)件的材料為45號(hào)鋼，ρ=7.85g/cm2。

曲柄（AB桿） 體積：7.989×105mm3

質(zhì)量：6.272×10-1kg

長(zhǎng)度：25mm

質(zhì)心位置：1.815×10mm轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.005N·m2

連桿（BC桿） 體積：8.425×105mm3

質(zhì)量：6.613×10-1kg

長(zhǎng)度：260mm、220mm、180mm

質(zhì)心位置：1.019×102mm

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.068N·m2

滑塊（C） 體積 ：1.853×105mm3

質(zhì)量：1.846×10-1kg

在工況轉(zhuǎn)速下，主軸轉(zhuǎn)角從0°開(kāi)始轉(zhuǎn)過(guò)360°，求解（3-9），即可得到FAx、FAy和Md。利用下式可以求得A處運(yùn)動(dòng)副的約束反力。

當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速 =1200r/min時(shí)，A處約束反力FA隨主軸轉(zhuǎn)角θ的變化曲線如圖13所示。

圖13 A點(diǎn)約束反力曲線

圖13中曲線1、2、3分別為連桿長(zhǎng)度為260、220、180mm時(shí)A處約束反力FA；由圖3可知，偏心距為一定情況下，連桿的長(zhǎng)度越短，其機(jī)構(gòu)所受的約束反力就越大；因此，連桿的長(zhǎng)度不能太短，一般連桿長(zhǎng)度在200～250mm之間為最佳，國(guó)外一般取25mm。

由圖可以看出，A點(diǎn)的支反力是比較大的。這也表明在主軸和偏心機(jī)構(gòu)上承受著很大的針刺力，因此如果采用兩對(duì)雙曲柄的針刺結(jié)構(gòu)可以有效地改善機(jī)械的平衡并且能分擔(dān)巨大的針刺力，可以有效地保護(hù)零部件。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)機(jī)構(gòu)的偏心距不變時(shí)，較大程度的改變連桿的尺寸，對(duì)針板的加速度曲線是有一定的影響的。連桿的長(zhǎng)度越短，針板在高位時(shí)的加速度就越小，反而在低位時(shí)的加速度會(huì)變大，這是該機(jī)構(gòu)比較有特點(diǎn)的地方。這樣一來(lái)，對(duì)針刺工藝的影響就是巨大的，可以提高生產(chǎn)效率并且能夠一定程度改善產(chǎn)品的質(zhì)量，但是加速度的增加使得針刺機(jī)構(gòu)的慣性力和慣性力矩都會(huì)相應(yīng)的增大，從而引起很大的震動(dòng)和噪聲，這就要求在設(shè)計(jì)的過(guò)程中權(quán)衡利弊，達(dá)到最理想的效果。

（2）當(dāng)偏心距為一定情況下，連桿的長(zhǎng)度越短，其機(jī)構(gòu)所受的約束反力就越大；因此，連桿的長(zhǎng)度不能太短，一般連桿長(zhǎng)度在200～250mm之間為最佳。

[1] 趙寧濤，孫榮祿, 針刺機(jī)震動(dòng)問(wèn)題研究［J］,非織造布，2009,17(6):43-44.

[2] 鞠永農(nóng), 淺談國(guó)產(chǎn)針刺機(jī)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J], 產(chǎn)業(yè)用紡織品，2010,28(1):19-23.

[3] 郭秉臣.非織造布學(xué)[M].北京：中國(guó)紡織出版社,2002.

[4] 張策.機(jī)械動(dòng)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5] 同濟(jì)大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系.線性代數(shù)[M].北京：高等教育出版社，2001.