電磁驅(qū)動(dòng)磁懸浮式片梭引緯模式的建立與實(shí)驗(yàn)

吳曉光， 袁 博， 雷小龍， 張 馳， 孔令學(xué)

(1. 武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 湖北 武漢 430073； 2. 迪肯大學(xué) 國(guó)家創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 澳大利亞 吉朗 3217)

電磁驅(qū)動(dòng)磁懸浮式片梭引緯模式的建立與實(shí)驗(yàn)

吳曉光1， 袁 博1， 雷小龍1， 張 馳1， 孔令學(xué)2

(1. 武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 湖北 武漢 430073； 2. 迪肯大學(xué) 國(guó)家創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 澳大利亞 吉朗 3217)

針對(duì)片梭織機(jī)在采用扭軸式投梭方式時(shí)存在的沖擊大、效率低、能耗高等問(wèn)題，提出一種多級(jí)式電磁投梭原理。根據(jù)電磁投射理論，建立了電磁投梭引緯的基本方案及片梭的投射/制動(dòng)模型。通過(guò)理論模型、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及仿真分析，得出多級(jí)電磁投梭的效率優(yōu)于機(jī)械式投梭的結(jié)論；為使片梭在高速引緯時(shí)保持運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，提出了片梭磁懸浮筘座陣列系統(tǒng)。建立了電磁投梭與懸浮筘座的理論模型，分析了片梭的速度、加速度及其電磁場(chǎng)耦合特性。同時(shí)進(jìn)行了電磁驅(qū)動(dòng)加速試驗(yàn)、ANSYS有限元分析，驗(yàn)證了電磁驅(qū)動(dòng)投梭引緯的可行性，實(shí)現(xiàn)以電代機(jī)“零傳動(dòng)”片梭引緯模式。

電磁投梭； 引緯； 磁懸浮筘座陣列； 片梭織機(jī)

片梭織機(jī)是一種用于高端織物的紡織機(jī)械，可適用紗線范圍廣，可織造復(fù)雜的提花織物、服飾和工業(yè)用寬幅織物。迄今為止，國(guó)內(nèi)外片梭織機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)——片梭投梭原理主要是由機(jī)械式扭軸投梭機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)(瑞士Sulzer公司)[1]。它利用機(jī)械機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能，通過(guò)扭軸將梭體高速投射，以滿足片梭織機(jī)的編織工藝要求。由于機(jī)構(gòu)原理的限制，扭軸投梭機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)沖擊力大，噪聲大，摩擦能耗高，因此，扭軸式投梭機(jī)構(gòu)機(jī)速及投梭效率低。由文獻(xiàn)[2]可知，其最大機(jī)械效率僅為18.3%。由此可見，若要在現(xiàn)有投梭機(jī)構(gòu)上進(jìn)一步提升投梭效率，則必然會(huì)受到機(jī)構(gòu)原理及材料性能上的限制。

電磁投射的最大特點(diǎn)在于利用電磁力瞬間將物體加速投射(如：澳大利亞國(guó)立大學(xué)以軌道炮的方式將質(zhì)量為3.3 g的彈丸以5.9 km/s的速度投射[3]；美國(guó)Sandia Lab以電線圈加速的方式將18 kg的彈丸加速至420 m/s[4])，且具備在加速過(guò)程中彈丸的加速度可控、無(wú)機(jī)械傳動(dòng)、噪聲小、投射效率高等特點(diǎn)，因此，本文提出一種將電磁投射與磁懸浮原理相結(jié)合的引緯模式。該模式基于電磁投射的基本原理，通過(guò)電磁線圈將片梭高速投射，并在片梭經(jīng)過(guò)筘座磁懸浮陣列系統(tǒng)時(shí)將梭體懸浮，實(shí)現(xiàn)引緯過(guò)程。通過(guò)以電代機(jī)的“零傳動(dòng)”模式，取代機(jī)械式投梭引緯，提出一種新的織機(jī)引緯編織理論及方法。

1 電磁驅(qū)動(dòng)投梭/制梭原理與結(jié)構(gòu)

1.1電磁驅(qū)動(dòng)投梭基本模式

現(xiàn)有的片梭織機(jī)是利用梭體作為引緯器，由若干片梭依次從供緯側(cè)將緯紗引入梭口。圖1(a)所示結(jié)構(gòu)為片梭織機(jī)的扭軸式投梭機(jī)構(gòu)，投梭動(dòng)力來(lái)自扭軸加扭時(shí)儲(chǔ)存的彈性位能，投梭棒釋放后擺回，將片梭擊出。片梭完成一次引緯過(guò)程后，通過(guò)油壓緩沖器對(duì)片梭進(jìn)行制動(dòng)，完成編織動(dòng)作循環(huán)[5]。在片梭擊出后，一系列筘座將片梭約束在前進(jìn)方向上。上下層紗線呈一定角度交錯(cuò)布置，筘座布置在上下層紗線中間，如圖1(b)所示。

圖1 現(xiàn)有的片梭織機(jī)原理與紗線布置Fig.1 Present projectile loom and yarn arrangement.(a) Torsion bar weft insertion principle; (b) Position relation between yarn and sley

本文擬采用多級(jí)電磁驅(qū)動(dòng)的磁懸浮式片梭雙向引緯方案，如圖2所示。圖中多級(jí)電磁驅(qū)動(dòng)線圈分級(jí)提供瞬時(shí)電磁推力，滿足片梭在投梭過(guò)程中的加速要求，以及制動(dòng)過(guò)程中的減速要求。由于投射后的引緯距離較長(zhǎng)，片梭在引緯過(guò)程中會(huì)受到重力等外界因素的影響，使片梭偏離預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，影響到另一端的接梭、制動(dòng)片梭的過(guò)程，因此，需要磁懸浮筘座陣列以無(wú)摩擦的方式使片梭的運(yùn)動(dòng)軌跡穩(wěn)定在如圖2所示的軸向中心處，其波動(dòng)量通過(guò)反饋控制系統(tǒng)控制在誤差范圍內(nèi)。

圖2 電磁驅(qū)動(dòng)磁懸浮式投梭原理圖Fig.2 Principle of electromagnetic drive magnetic suspension projectile

根據(jù)上述電磁驅(qū)動(dòng)與懸浮片梭引緯原理的結(jié)構(gòu)關(guān)系，當(dāng)紗線被送入片梭后，片梭經(jīng)由多級(jí)電磁線圈組同步加速發(fā)射，在通過(guò)多級(jí)磁懸浮筘座陣列時(shí)，筘座與片梭相互的電磁力使片梭保持平衡，以高速狀態(tài)通過(guò)筘座系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦方式投梭及引緯；當(dāng)片梭到達(dá)制動(dòng)位置時(shí)，系統(tǒng)以減速模式完成片梭制動(dòng)，并剪斷紗線，完成一次電磁驅(qū)動(dòng)懸浮式引緯過(guò)程。下一引緯過(guò)程中，投梭線圈組與制動(dòng)線圈組在功能上互換，實(shí)現(xiàn)雙向引緯。經(jīng)紗的排布與普通片梭織機(jī)中經(jīng)紗的排布方式有所區(qū)別，上下層經(jīng)紗之間呈一定夾角交錯(cuò)排布在磁懸浮筘座內(nèi)部，如圖3所示。當(dāng)引緯過(guò)程結(jié)束后，在打緯過(guò)程中，緯紗從筘座的右側(cè)開口脫出，筘座則保持靜止，通過(guò)獨(dú)立的、打緯片陣列移動(dòng)、前擺代替普通片梭織機(jī)中的筘座前擺。打緯片采用非磁性金屬或非金屬材料制作，避免干擾到片梭或筘座的磁場(chǎng)。

圖3 電磁驅(qū)動(dòng)懸浮式引緯方式與磁懸浮筘座及紗線間位置關(guān)系模型Fig.3 Electromagnetic drive suspension weft insertion method (a) and position relation model between magnetic suspension sley and yarn (b)

由以上電磁驅(qū)動(dòng)懸浮式引緯模式可見，與機(jī)械式扭軸儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)投/制系統(tǒng)相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投制效率高，且可以去除扭軸式投/制時(shí)復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

1.2電磁驅(qū)動(dòng)投梭原理

本文采用電磁驅(qū)動(dòng)的磁阻式投梭原理[6]，片梭在線圈內(nèi)部的位置與電磁力方向之間的關(guān)系如圖4所示。片梭材料選用鐵磁性材料，鐵磁性材料受電磁力方向與正向磁場(chǎng)梯度方向相同，當(dāng)片梭處于線圈左側(cè)時(shí)(投梭起始位置)，電磁力正向做功，片梭向右投射；反之，電磁力反向做功，對(duì)片梭進(jìn)行減速，實(shí)現(xiàn)片梭的制動(dòng)。

圖4 電磁驅(qū)動(dòng)原理Fig.4 Electromagnetic driving principle

由電磁學(xué)理論[7]可知，當(dāng)通電瞬間，線圈內(nèi)產(chǎn)生的磁通密度B沿軸向的分量為

(1)

式中：n為單位長(zhǎng)度內(nèi)的匝數(shù)，n=N/L，N為線圈的總匝數(shù)，L為線圈的長(zhǎng)度,m；I為線圈電流，A；μ0為空氣的磁導(dǎo)率；β1和β2為線圈內(nèi)部軸線上片梭所在位置與線圈兩端構(gòu)成的夾角。

式(1)中線圈每匝的磁通量Φ為

(2)

式中：R為線圈的半徑，m；S為線圈內(nèi)部橫截面積，m2。在線圈內(nèi)部，總磁通匝鏈數(shù)Ψ為

(3)

通電線圈產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為

Fm=Ni=ΦRm

(4)

式中，Rm為磁阻，H。Rm=lm/μA，μ為片梭材料的磁導(dǎo)率；lm為片梭磁路長(zhǎng)度，m；A為片梭磁路橫截面積，m2。對(duì)于線圈，磁通量Φ是常量，Φ與Ni的關(guān)系式是線性的，則線圈中儲(chǔ)存的磁能Wm為

(5)

由式(5)可知，磁場(chǎng)儲(chǔ)存的磁能Wm是關(guān)于磁通Φ和磁阻Rm的函數(shù)，即Wm=fΦ,Rm。根據(jù)虛功原理可推導(dǎo)出片梭在線圈中受力的表達(dá)式，即對(duì)式(1)沿運(yùn)動(dòng)軸線的x方向進(jìn)行微分，即可獲得驅(qū)動(dòng)線圈對(duì)片梭產(chǎn)生的推力：

(6)

式中，dΦ/dx為磁通量隨位移的變化率。

同時(shí)，對(duì)于處在磁場(chǎng)中的片梭，其內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

B=μH-μ0μrH

(7)

式中：μr為片梭材料的磁導(dǎo)率；μ為相對(duì)磁導(dǎo)率；H為線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度，B。

根據(jù)式(7)可知，片梭內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度與材料的磁導(dǎo)率有關(guān)，又根據(jù)式(2)、(6)可知，材料的磁導(dǎo)率與材料在磁場(chǎng)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，而材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度和片梭受到的推力成正相關(guān)，因此，提高材料的導(dǎo)磁率，可以顯著增大片梭所受推力，提高片梭投射過(guò)程的效率，提高發(fā)射初速度。通過(guò)分析，初步將片梭材料選擇為具有較高磁導(dǎo)率、飽和磁通密度的1008低碳鋼。

2 磁懸浮片梭引緯原理與結(jié)構(gòu)

由于多級(jí)電磁式投梭比機(jī)械式扭軸投梭機(jī)構(gòu)的投梭速度(小于35 m/s[8])大，因此，需要設(shè)計(jì)新的筘座，以減小片梭與筘座間的摩擦力。磁懸浮筘座是由電磁-永磁結(jié)構(gòu)混合組成的電磁懸浮裝置。當(dāng)片梭被投射進(jìn)入筘座陣列系統(tǒng)后,梭體在磁場(chǎng)力的作用下克服重力，在筘座內(nèi)部的中心位置保持懸浮狀態(tài)[9]。通過(guò)梭體與筘座之間的非接觸式的引緯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)梭體與筘座間運(yùn)動(dòng)無(wú)摩擦。據(jù)此，片梭通過(guò)多級(jí)磁懸浮筘座系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定的引緯工作模式，實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”引緯。

2.1磁懸浮筘座及片梭基本結(jié)構(gòu)

磁懸浮筘座系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。由圖可知，多級(jí)磁懸浮筘座陣列系統(tǒng)由多個(gè)筘座與線性霍爾感應(yīng)器組成，其中每對(duì)筘座與梭體間均由電磁-永磁結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)。圖5還示出筘座與經(jīng)紗之間的位置關(guān)系。

圖5 磁懸浮筘座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of magnetic suspension sley system.(a) Left view; (b) Main view

為防止梭體在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生磁阻干擾片梭的移動(dòng)，以及減小片梭在飛行過(guò)程中產(chǎn)生的偏移，磁懸浮筘座的控制系統(tǒng)采用線性霍爾感應(yīng)器對(duì)片梭在垂直方向與水平方向上的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并以此為反饋系統(tǒng)的輸入量，控制各個(gè)筘座線圈的通電時(shí)間及電流大小，進(jìn)而調(diào)整片梭上每個(gè)永磁鐵所受的電磁力，使片梭在高速磁懸浮狀態(tài)通過(guò)筘座時(shí)處于所要求的運(yùn)動(dòng)軌跡。在考慮滿足雙向引緯與磁懸浮結(jié)構(gòu)的要求后，片梭與筘座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 梭夾、磁懸浮片梭結(jié)構(gòu)及磁懸浮筘座模型Fig.6 Model of gripper, projectile shuttle and magnetic suspension sley

梭夾的結(jié)構(gòu)和尺寸與傳統(tǒng)片梭織機(jī)上使用的梭夾相似，但為前后對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。片梭長(zhǎng)度為89 mm，前后各布置了4個(gè)截面為等腰直角三角形的永磁鐵，永磁鐵與片梭間通過(guò)鋁質(zhì)連接架連接。

2.2磁懸浮筘座的基本結(jié)構(gòu)

為了確定片梭在筘座中的受力情況，首先建立筘座中單塊永磁鐵與線圈磁極之間的作用力

(8)

式中：q1和q2分別為兩磁極的磁極強(qiáng)度，A·m；r為兩磁極間的距離；μ0為空氣的導(dǎo)磁率。由此可推導(dǎo)出兩磁極間的作用力Fa1、Fa2以及永磁鐵對(duì)銜鐵的作用力Fb。

Fa1=mg+Fa2

(9)

式中：m為片梭的質(zhì)量；g為重力加速度；Fa1為下端電磁線圈磁極對(duì)下端永磁鐵磁極的作用力，N；Fa2為上端電磁線圈磁極對(duì)上端永磁鐵磁極的作用力，N。

(10)

式中：r1為線圈與底部永磁鐵磁極間的距離；r2為線圈與頂部永磁鐵磁極間的距離。

永磁體對(duì)鐵芯的作用力為

Fb=HSJ

(11)

式中：H為片梭端面處永磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度，B；S為片梭端面處永磁鐵的面積，m2；J為鐵芯被永磁鐵磁化的磁化強(qiáng)度。

(12)

為了使片梭懸浮，需要滿足以下條件：

Fa1+Fb2=mg+Fa2+Fb1

(13)

式中：Fb1為永磁鐵與下端鐵芯間的作用力；Fb2為永磁鐵與上端鐵芯間的作用力。通過(guò)上述方程，可以確定實(shí)現(xiàn)片梭穩(wěn)定懸浮所需要的參數(shù)，據(jù)此完成片梭懸浮控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 電磁投/制仿真分析及實(shí)驗(yàn)

3.1仿真分析及初始參數(shù)設(shè)置

根據(jù)上述電磁投射原理，使用電磁場(chǎng)有限元分析軟件Ansoft Maxwell對(duì)磁懸浮筘座模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)電磁力及運(yùn)動(dòng)仿真分析[10]，創(chuàng)建了電磁投射片梭/制動(dòng)裝置的仿真模型。線圈外徑為31.2 mm，內(nèi)徑為20 mm，長(zhǎng)度為50 mm，匝數(shù)為600。電容值為1 000 μF，發(fā)射電壓為200 V，片梭質(zhì)量為24.26 g，長(zhǎng)度為 89 mm，材料為1008鋼，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。并設(shè)置為當(dāng)片梭中心移動(dòng)至線圈中點(diǎn)時(shí)片梭所在級(jí)線圈斷電。由于在引緯過(guò)程中紗線的實(shí)時(shí)張力會(huì)隨初始張力、片梭的加速度、速度等因素改變，因此，在此仿真模型中，并未涉及到紗線張力對(duì)片梭運(yùn)動(dòng)的影響。

3.2片梭加速仿真及分析

從片梭多級(jí)加速仿真的結(jié)果看，其參數(shù)設(shè)置成電壓為200 V，電容為1 000 μF的情況下，經(jīng)過(guò)5級(jí)電磁線圈加速后，總共耗時(shí)約30 ms，片梭的速度從0升至41.77 m/s，片梭在加速過(guò)程中的最大加速度為3 714 m/s2。各級(jí)的速度變化與最大加速度如表1所示。

表1 多級(jí)加速過(guò)程仿真速度及最大加速度變化Tab.1 Simulation speed and maximum acceleration of multi-stage acceleration process

片梭多級(jí)減速仿真結(jié)果如表2所示，在電壓為200 V的情況下，經(jīng)過(guò)4級(jí)電磁線圈加速后，總共耗時(shí)約20 ms，片梭的速度從40 m/s降至0。各級(jí)的速度變化與最大加速度如表2所示。在整個(gè)加速過(guò)程中，線圈最大瞬時(shí)電流為27.8 A。

表2 多級(jí)減速過(guò)程仿真速度及最大減速度變化Tab.2 Simulation speed and maximum reduction speed changeTable of multi-stage deceleration process

根據(jù)式(14)計(jì)算得出電磁投射的效率η為27.9%。高于扭軸式投梭機(jī)構(gòu)的18.3%，且通過(guò)優(yōu)化線圈參數(shù)及片梭的外形，具有進(jìn)一步提高效率的空間。

(14)

式中：v為片梭的速度，m/s；m為片梭的質(zhì)量，kg；C為電容組的電容值，F(xiàn)；U為發(fā)射時(shí)電容的電壓值，V。

如表1所示，電磁投射片梭的最大加速度為3.714 km/s2，遠(yuǎn)小于扭軸式投梭機(jī)構(gòu)。以Sulzer PT7 100片梭織機(jī)為例，在紗線靜態(tài)張力(static tension)為7.5 cN時(shí)，引緯過(guò)程中片梭的最大加速度約為18 km/s2，峰值的動(dòng)態(tài)張力(dynamic tension)約為210 cN，平均動(dòng)態(tài)張力約為76 cN[11]，由于電磁投射片梭的最大加速度較小(3.714 km/s2，遠(yuǎn)小于18 km/s2)，因此，與扭軸式投梭機(jī)構(gòu)相比，在引緯過(guò)程中紗線的最大動(dòng)態(tài)張力會(huì)顯著降低，加載到片梭上的瞬時(shí)沖擊也較小，能夠使片梭具有更長(zhǎng)的使用壽命。

3.3片梭磁場(chǎng)的有限元分析

由于鐵磁性材料的片梭相對(duì)磁導(dǎo)率(μ=7 000～10 000)遠(yuǎn)大于空氣(μ0=1)，因此，絕大多數(shù)磁場(chǎng)強(qiáng)度H都集中在片梭周圍，最大處為10.018 kA/m；磁感應(yīng)強(qiáng)度B最大值出現(xiàn)在片梭表面，最大處為1.51 T，如圖7所示。由于片梭外形不規(guī)則，所以片梭周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度及內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度都無(wú)法通過(guò)公式推導(dǎo)得到一個(gè)解析解，只能通過(guò)有限元的方式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。同時(shí)注意到，在通電線圈中的片梭，其內(nèi)部部分區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎已達(dá)到片梭材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此，調(diào)整片梭的結(jié)構(gòu)外形以及繼續(xù)選擇更適合的片梭材料將是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

圖7 梭夾在線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)分布Fig.7 Distribution of magnetic field. (a) External magnetic field intensity distribution; (b) Internal magnetic induction intensity distribution

3.4電磁投射系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

片梭電磁投射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與測(cè)速系統(tǒng)如圖8所示。測(cè)速系統(tǒng)是通過(guò)測(cè)出加速完成后的片梭到達(dá)2個(gè)間距固定的光電傳感器的時(shí)間差，計(jì)算出片梭在這段距離內(nèi)的平均速度以完成測(cè)速過(guò)程。電磁投射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中各元件的參數(shù)與有限元仿真的參數(shù)相同。目前實(shí)驗(yàn)平臺(tái)只完成了2級(jí)發(fā)射線圈的搭建，因此，以2級(jí)發(fā)射線圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)理論模型進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)所獲得的片梭出口速度結(jié)果如表3所示。

圖8 電磁投射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Electromagnetic projection experiment platform.(a) Experimental platform; (b) Speed measuring system

發(fā)射電壓/V所用級(jí)數(shù)出口速度/(m·s-1)200112.4200221.7

從表3可看出，有限元仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，相差較小(仿真結(jié)果為1級(jí)速度13.98 m/s，2級(jí)速度為23.69 m/s)，驗(yàn)證了模型的正確性。

4 磁懸浮片梭引緯原理與結(jié)構(gòu)

根據(jù)單個(gè)磁懸浮筘座的原理及結(jié)構(gòu)，使用電磁場(chǎng)有限元分析軟件Ansoft Maxwell對(duì)磁懸浮筘座模型進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)力仿真分析。通過(guò)電磁有限元仿真，分析片梭在不同位置時(shí)受到筘座對(duì)片梭的最大電磁力，驗(yàn)證磁懸浮筘座系統(tǒng)的可行性。

4.1磁懸浮筘座的基本結(jié)構(gòu)

磁懸浮筘座與片梭一樣，都是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。其仿真模型模型結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：磁懸浮筘座鐵芯的直徑為4 mm，長(zhǎng)度為10 mm。纏繞鐵芯的線圈外徑為9 mm，內(nèi)徑為4 mm，線圈長(zhǎng)度為12 mm，匝數(shù)為1 008匝。磁懸浮筘座中的同側(cè)2個(gè)線圈夾角均為53.14°，2個(gè)線圈之間的距離為29.38 mm，如圖9所示。永磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度為890 kA/m。

圖9 磁懸浮筘座模型Fig.9 Magnetic suspension sley model. (a) Main view; (b) Three-dimentional model

4.2仿真結(jié)果與分析

由筘座尺寸可以看出，片梭在Z軸方向上偏移超過(guò)3 mm就有可能與筘座發(fā)生碰撞，因此，對(duì)片梭在初始位置處于0、-1、-2、-3 mm時(shí)分別進(jìn)行靜磁場(chǎng)力的仿真計(jì)算，得到了在不同線圈電流時(shí)片梭在Z軸方向上的受力情況，結(jié)果如表4所示。由于片梭質(zhì)量約為24.26 g，可知在Z軸方向上需要約242.6 mN的力使片梭在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持受力平衡。從表4可看出，當(dāng)片梭偏移中心位置時(shí)，通電線圈能夠產(chǎn)生足夠的電磁力，使片梭在飛行過(guò)程中克服重力保持穩(wěn)定，按照預(yù)定軌跡移動(dòng)到電磁投梭系統(tǒng)的另一端，完成引緯過(guò)程。

表4 片梭在不同位置受力表Tab.4 Stress at Shuttle in different positions

5 結(jié) 論

1)針對(duì)片梭織機(jī)上使用的機(jī)械式扭軸儲(chǔ)能投梭原理，本文提出一種基于電磁投射原理的高速磁懸浮式引緯模式。通過(guò)電磁投梭理論模型的論證、實(shí)驗(yàn)及仿真，證明其投射效率遠(yuǎn)高于機(jī)械式扭軸儲(chǔ)能投梭原理，論證了以電代機(jī)“零傳動(dòng)”投梭的可行性，從而為該原理進(jìn)入片梭引緯，提升織機(jī)的織造效率奠定了理論基礎(chǔ)。

2)針對(duì)處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的片梭，本文設(shè)計(jì)了磁懸浮筘座及多級(jí)筘座陣列系統(tǒng)，能夠通過(guò)片梭上永磁體與筘座線圈間磁場(chǎng)的相互作用，產(chǎn)生電磁力對(duì)片梭進(jìn)行支撐懸浮，使投射后的片梭能夠在引緯過(guò)程中保持穩(wěn)定，與筘座不接觸，實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦引緯。它能夠消除引緯過(guò)程中片梭與筘座間的摩擦阻力，提高引緯效率。

3)本文通過(guò)對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)磁懸浮式片梭引緯模式的研究與實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了電磁投梭與懸浮式引緯相結(jié)合的這一新的片梭織機(jī)的引緯原理，為后續(xù)該模式實(shí)用化奠定理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

FZXB

[1] 夏金國(guó)，李金海. 織造機(jī)械[M].北京:中國(guó)紡織出版社，1999:145-148. XIA Jinguo, LI Jinhai. Weaving Machinery[M]. Beijing: China Textile & Apparel Press, 1999:145-148.

[2] 徐浩貽. 片梭織機(jī)的技術(shù)進(jìn)步[J]. 北京紡織,2003(4):43-46. XU Haoyi. Technical progress of projectile loom[J]. Beijing Textile Journal, 2003(4):43-46.

[3] DEIS D W, MCNAB I R. A laboratory demonstration electromagnetic launchers[J]. IEEE Transactions on Magnetic, 1981, 18(1): 16-21.

[4] 鄒本貴，曹延杰. 美軍電磁線圈發(fā)射技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 微電機(jī),2011，44(1):84-89. ZOU Bengui，CAO yanjie. Summary of electromagnetic coil launching technology development in American army [J]. Micromotors, 2011,44(1):84-89.

[5] 陳明. 扭軸投梭機(jī)構(gòu)[J]. 華東紡織工學(xué)院學(xué)報(bào),1981(4):48-55. CHEN Ming. Torsion bar weft insertion mecha-nism [J]. Journal of East China Institute of Textile Technology,1981(4):48-55.

[6] 王瑩,肖峰.電炮原理[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1994：5-60. WANG Ying, XIAO Feng. Principle of Electric Gun [M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1994：5-60.

[7] 劉戰(zhàn)偉，陳喜民，董杰，等. 小型霍普金森桿多級(jí)電磁發(fā)射系統(tǒng)的優(yōu)化[J]. 實(shí)驗(yàn)力學(xué),2015(1):9-16. LIU Zhanwei, CHEN Ximin, DONG Jie, et al. The optimization of multistage electromagnetic launching system of mini-SHB [J]. Journal of Experimental Mechanics, 2015(1):9-16.

[8] 段俊瑞. 片梭織機(jī)緯紗飛行速度分析 [J]. 西安工程大學(xué)學(xué)報(bào),2013(6):711-718. DUAN Junrui. Analysis of weft yarn velocity on the projectile weaving machine [J]. Journal of Xi′an Polytechnic University, 2013(6):711-718.

[9] 張赫，寇寶泉，金銀錫，等. 圓筒型Halbach次級(jí)結(jié)構(gòu)磁懸浮重力補(bǔ)償器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016(6):30-37. ZHANG He, KOU Baoquan, JIN Yinxi, et al. A cylindrical magnetic levitation gravity compensator with Halbach secondary structure [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016(6):30-37.

[10] 辛朝軍，蔡遠(yuǎn)文，任元，等. 磁懸浮敏感陀螺動(dòng)力學(xué)建模與關(guān)鍵誤差源分析[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2016(10):2048-2058. XIN Chaojun,CAI Yuanwen,REN Yuan, et al. Dynamic modeling and key error sources analysis of magnetically suspended sensitive gyroscopes [J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2016(10):2048-2058.

Establishmentofelectromagneticdrivingmagneticlevitationprojectileweftinsertionprinciples

WU Xiaoguang1， YUAN Bo1， LEI Xiaolong1， ZHANG Chi1， KONG Lingxue2

(1.SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation，WuhanTextileUniversity,Wuhan,Hubei430073,China；2.KeyLaboratoryofInnovation,DeakinUniversity,Geelong3217,Australia)

For projectile Loom, torsion bar weft insertion mechanism, exists problems like large impact, low efficiency, high energy consumption, etc. A multi-stage electromagnetic picking principle was proposed. According to the theory of electromagnetic projection, the basic scheme of wefting insertion project/braking and the weft insertion models were established. By the theoretical model, experimental tests and simulation analysis, the conclusion that multistage electromagnetic casting efficiency is better than that of the torsion bar mechanism is obtained; for the projectile motion stability in high speed, the projectile magnetic suspension sley array system was proposed. The theoretical model of electromagnetic casting and magnetic suspension sley was established, and the velocity, acceleration and electromagnetic field coupling characteristics of projectile were analyzed. The feasibility of the electromagnetic drive was verified by the electromagnetic driving accelerated test and ANSYS finite element analysis, and ″zero transmission″ projectile wefting insertion mode was achieved.

electromagnetic driving projectile； weft insertion； magnetic suspension sley array； projectile loom

TS 131.9

：A

10.13475/j.fzxb.20160804907

2016-08-23

：2017-05-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175384)；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、省數(shù)字化紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(武漢紡織大學(xué))項(xiàng)目(2014CFA099/DTL2017003/ 002)

吳曉光(1954—)，男，教授。主要研究方向?yàn)樾滦图徔椦b備。E-mail：2006wist@163.com。