低慣量后梁的創(chuàng)新設計

金亮， 周巧燕

（1.浙江理工大學 現(xiàn)代紡織設備重點實驗室，杭州 310018；2.萬利紡織機械研究院，杭州 311243）

0 引言

后梁結構是織機送經(jīng)系統(tǒng)中重要組成部分，目前多采用雙后梁結構，即一根固定后梁和一根活動后梁。其中，固定后梁可用于支持經(jīng)紗并改變經(jīng)紗方向，活動后梁可緩解由于織機開口、打緯等運動造成的經(jīng)紗張力波動，同時可感知經(jīng)紗張力的改變并對其作出響應，該響應特點會影響織造效率及織物品質(zhì)。但當織機主軸轉(zhuǎn)速較高時，活動后梁擺臂擺動頻率加快，由于活動后梁自身重量較大，將產(chǎn)生較大慣性力，不能對經(jīng)紗張力的變化做出及時響應，經(jīng)紗張力瞬時波動無法得到有效的緩解。目前，研究劍桿織機后梁的學者比較多，涉及到后梁系統(tǒng)的結構參數(shù)與經(jīng)紗路徑關系的研究[1]，后梁機構的調(diào)整與改進[2-3]，積極式活動后梁機構的研究，后梁機構動靜態(tài)載荷特性的分析[5-6]，松經(jīng)裝置的研究[7-9]，活動后梁力學模型的建立以及經(jīng)紗張力分布特點的研究[10-14]，但很少涉及到低慣量后梁以及變剛度后梁結構創(chuàng)新設計方面的研究。

針對傳統(tǒng)后梁所存在的問題，提出一種新型后梁結構，說明其結構組成以及工作原理，對關鍵零部件進行詳細的設計并說明設計意圖。分析其性能特點及該結構的優(yōu)勢，為低慣量后梁結構的優(yōu)化設計和后續(xù)深入研究提供依據(jù)。

1 傳統(tǒng)后梁

1.1 傳統(tǒng)后梁結構

以浙江萬利紡織機械有限公司生產(chǎn)的WL450型劍桿織織機為例，機構簡圖見圖1，經(jīng)紗2從經(jīng)軸1上退繞出來，經(jīng)過固定后梁3、活動后梁4、停經(jīng)架7、綜框8到達織口O，再進入卷取系統(tǒng)。固定后梁3鉸接于機架O1點處，后梁擺臂5一端鉸接于機架O2點處，另一端與彈簧6鉸接于E點，中部與活動后梁4鉸接于O3點，彈簧6借助滑塊鉸接于機架O4點。

圖1 傳統(tǒng)后梁結構經(jīng)紗和織物走向圖

1.2 后梁系統(tǒng)功能特點

織機中的后梁結構具有檢測并緩解經(jīng)紗張力的作用。后梁結構對于經(jīng)紗張力變化的響應能力與自身結構相關，且該響應能力對經(jīng)紗張力的緩解有重要意義。

傳統(tǒng)后梁結構主要由固定后梁、活動后梁、活動后梁擺臂、彈簧所組成。固定后梁3可穩(wěn)定經(jīng)紗在活動后梁上的包角，以減少經(jīng)軸直徑的變化對活動后梁的影響?；顒雍罅簲[臂可以O1為圓心擺動，當經(jīng)紗張力因開口等運動發(fā)生改變時，活動后梁擺臂可帶動活動后梁相應旋轉(zhuǎn)，同時彈簧6壓縮或者回彈。經(jīng)紗路徑隨之改變，從而達到緩解經(jīng)紗張力的作用。彈簧6用來平衡經(jīng)紗張力、活動后梁自身重力以及活動后梁的慣性力。這種后梁可利用活動后梁擺臂的旋轉(zhuǎn)改變經(jīng)紗路徑，進而緩解經(jīng)紗張力變化，使經(jīng)紗張力變化趨于平緩[1]。

但是這種后梁有一定缺點：當織機門幅較寬時，活動后梁為了滿足剛度要求，一般情況下重量都較重，當織機轉(zhuǎn)速相對較高時，活動后梁往復擺動頻率高，慣性力大，活動后梁來不及對經(jīng)紗張力的改變做出及時響應，不能很好地緩解經(jīng)紗張力波動，影響織物的品質(zhì)和效率。為了寬幅或高速織機活動后梁能快速及時響應開口或打緯等高頻動作引起的經(jīng)紗張力瞬間波動，設計一種低慣量后梁結構，減少高速織造過程中經(jīng)紗張力的瞬時波動。

2 低慣量后梁

2.1 低慣量后梁結構組成

如圖2所示，由板簧活動后梁1，彎形板簧2，直形板簧3，彈性介質(zhì)4，墊塊5，支撐架6，固定后梁7組成低慣量后梁系統(tǒng)。固定后梁7與支撐架6固連，且固定后梁7與6連接處設有長槽；板簧活動后梁1作為一個整體橫跨于整個織機門幅；若干個彎形板簧2和直形板簧3以一定間距固定在支撐架6上，支撐架6是一個整體；彎形板簧2、板簧活動后梁1、直形板簧3，三者于a點固定連接；彈性介質(zhì)4與支撐架6上的墊塊5固連，彈性介質(zhì)4數(shù)量與彎形板簧2數(shù)量相等，其位置與彎形板簧2（直形板簧3）位置對應。

圖2 低慣量后梁織機經(jīng)紗與織物走向圖

2.2 工作原理

經(jīng)紗從經(jīng)軸9退解后經(jīng)過固定后梁7、板簧活動后梁1到達綜框，參與織造。當經(jīng)紗張力由于開口等原因發(fā)生變化時，板簧活動后梁1受到經(jīng)紗張力的作用并迫使彎形板簧后梁2（3）發(fā)生彎曲形變。彎形板簧2的形變使板簧活動后梁1位置改變，進而改變經(jīng)紗路徑，從而緩解經(jīng)紗張力的變化。

經(jīng)紗張力變化的緩解主要靠彎形板簧2，直形板簧3的自身彈性變形進而改變經(jīng)紗路徑來實現(xiàn)的，固定后梁7可穩(wěn)定經(jīng)紗在活動后梁上的包角。當織造需要經(jīng)紗張力較大時，可調(diào)節(jié)彈性介質(zhì)4的位置，與彎形板簧（直形板簧）接觸，增大其剛度，減小板簧活動后梁的位置變化量。

2.3 主要零部件設計

2.3.1 板簧活動后梁

板簧活動后梁主要作用是讓經(jīng)紗在其上表面經(jīng)過，支持經(jīng)紗并且承受經(jīng)紗張力。如圖3所示，板簧活動后梁上部為類圓弧狀，下部有螺釘孔可與彎形板簧，直形板簧連接。由于其上表面與經(jīng)紗接觸，表面光潔度要求較高，且需要耐磨。

2.3.2 彎形板簧

圖3 板簧活動后梁結構

在新型后梁結構中，彎形板簧的彈性變形對于改變經(jīng)紗路徑，緩解經(jīng)紗張力意義重大。如圖4所示，彎形板簧為變截面梁，且分為上下兩部分。下部形為等腰梯形，上部為彎曲結構。上部的彎曲結構端部可頂靠在板簧活動后梁內(nèi)側(cè)，因此可增大板簧活動后梁剛度。使得后梁的變形主要依靠彎形板簧而不是板簧活動后梁。變截面梁的設計可使梁的抗彎剛度從下至上逐漸遞減，使得在經(jīng)紗張力作用下，下部可牢固連接而且有利于增大上部的變形量。

2.3.3 直形板簧

對于改變經(jīng)紗路徑，緩解經(jīng)紗張力，直形板簧的彈性變形也同樣重要。如圖5所示，直形板簧結構與彎形板簧結構類似。直形板簧可疊放于彎形板簧一側(cè)從而增加彎形板簧的剛度，可以增加或者減少直形板簧的數(shù)量以調(diào)節(jié)彎形板簧的剛度。

圖4 彎形板簧結構

2.4 性能討論

以WL450型門幅為540 cm劍桿織機為例，表1所示為傳統(tǒng)活動后梁和板簧活動后梁結構參數(shù)。

圖5 直形板簧結構

織機工作過程中，活動后梁受到自身重力以及經(jīng)紗張力作用會產(chǎn)生彎曲變形，后梁各處變形的均勻程度會影響各處經(jīng)紗路徑，進而影響織物品質(zhì)。由于傳統(tǒng)活動后梁只有兩端鉸支，而板簧活動后梁以一定間距分段鉸支，固將兩種活動后梁可簡化如圖6所示。

表1 原始參數(shù)表

其中：q1為傳統(tǒng)活動后梁重力集度；q2為經(jīng)紗合力集度；q3為板簧活動后梁重力集度。

圖6 兩種活動后梁載荷簡圖

圖7 紗線包繞活動后梁圖

重力集度為

經(jīng)紗合力集度為

利用撓曲線方程[15]可求得傳統(tǒng)活動后梁在重力作用下的最大撓度（梁中點處撓度）為

同理，傳統(tǒng)活動后梁在經(jīng)紗張力作用下的最大撓度（梁中點處撓度）為

將傳統(tǒng)活動后梁的參數(shù)帶入式（1）、式（2）中，得到f1=2.308 mm，f2=4.215 mm。

由于板簧活動后梁各段載荷相同，故只分析其中一段即可。板簧活動后梁在重力作用下的最大撓度（梁中點處撓度）為

板簧活動后梁在經(jīng)紗張力作用下的最大撓度（梁中點處撓度）為

將板簧活動后梁的參數(shù)帶入式（3）、式（4）中，得到f3=2.14×10-5mm，f4=0.0696 mm。

由于f3、f4遠遠小于f1、f2，可知同樣載荷條件下，與傳統(tǒng)活動后梁相比，板簧活動后梁變形量更小且更均勻。而且板簧活動后梁體積小，更加節(jié)省空間。

3 結論

針對傳統(tǒng)后梁結構存在的問題，設計出一種新型的后梁結構。板簧活動后梁、彎形板簧、直形板簧三種構件相互拼合而成以及彈性介質(zhì)的使用，可方便調(diào)整后梁系統(tǒng)剛度，從而適應更多織物種類。而傳統(tǒng)后梁的彈性元件只有彈簧，故其適應的織物種類范圍與新型后梁相比必定較小。

當織機門幅較寬時，同樣載荷情況下，板簧活動后梁直線度遠遠好于傳統(tǒng)活動后梁，經(jīng)紗路徑變化同步性更好，該特性對織物品質(zhì)有重要意義。

板簧重量遠比傳統(tǒng)活動后梁重量輕，即使織速較高，彎形板簧后梁（直形板簧后梁）彈性變形頻率較快時，其慣性力遠小于傳統(tǒng)活動后梁的慣性力。所以相對傳統(tǒng)后梁而言，沒有了過大慣性力的影響，該后梁能夠?qū)?jīng)紗張力的改變做出更及時的響應，能更好地緩解經(jīng)紗張力的瞬時波動，提高織造效率以及改善織物品質(zhì)。

［參考文獻］

[1] 周香琴,劉宜勝.織機開口引起的經(jīng)紗張力變化規(guī)律[J].紡織學報,2014,35(5)：153-158.

[2] 陳革,孫志宏,陳明.織機后梁系統(tǒng)的研究[J].東華大學學報(自然科學版),2001,27(1)：41-43.

[3] 賀斌,姚景宏.G1820型噴氣織機后梁的設計[J].機械工程與自動化,2003(4)：33-34.

[4] 周駿彥.伺服驅(qū)動技術在織機電子送經(jīng)與卷取的應用[J].上海紡織科技,2008,36(9)：13-16.

[5] 丁辛.織機后梁動態(tài)性能分析[J].中國紡織大學學報,1993,19(2)：58-62.

[6] 王斯勇,馮志華,孫浪,等.噴氣織機單雙后梁系統(tǒng)動態(tài)分析與比較[J].蘇州大學學報(工科版),2010,30(1)：56-59.

[7] 董敬宇.ZA200系列噴氣織機松經(jīng)機構對經(jīng)紗張力的影響分析[J].紡織器材,1996,26(5)：24-27.

[8] 劉憂華.噴氣織機松經(jīng)機構與后梁配合的應用探討[J],化纖與紡織技術,2015,44(1)：40-44.

[9] 楊曄,馮志華.噴氣織機松經(jīng)裝置改進與經(jīng)紗張力控制[D].上海：東華大學,2011.

[10] 楊文強,陳家新.髙速噴氣織機經(jīng)紗動張力特性及控制技術[D].上海：東華大學,2013.

[11] CHEN Ge,MAO Liming,ZHOU Yaqin,et al.Study on the back rest system of looms[J].Journal of Donghua University,2004,14(1)：109-111.

[12] 來震.織機經(jīng)紗張力模型的建立和分析[J].絲綢,2004(8)：34-37.

[13] 陳家新,宋楠,白洋,等.織機經(jīng)紗動態(tài)張力分布特征研究[J].紡織機械,2013(1)：40-45.

[14] 吳飛青,馬修水,關宏偉,等.基于模糊專家控制的織機經(jīng)紗恒張力控制研究[J].中國機械工程,2008,19(4)：384-387.

[15] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社,2008.