對(duì)針刺機(jī)針刺機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

尹耀康

（惠州市技師學(xué)院、惠州市高級(jí)技工學(xué)校，廣東 惠州 516003）

引言

提升針刺機(jī)性能最直接、有效的辦法是提高針刺震動(dòng)頻率，而影響針刺頻率的主要原因是針刺機(jī)構(gòu)的振動(dòng)，其次是運(yùn)動(dòng)部件的慣性力。產(chǎn)生振動(dòng)和慣性力的主要原因是針刺機(jī)構(gòu)的水平方向上的不平衡力。

1 改進(jìn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

將單軸驅(qū)動(dòng)偏心機(jī)構(gòu)，改成雙軸反驅(qū)動(dòng)偏心機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)時(shí)兩個(gè)偏心機(jī)構(gòu)反向運(yùn)動(dòng)，兩曲柄的端部通過連桿剛性聯(lián)接，同步帶動(dòng)針板做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)[1]。當(dāng)兩偏心輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從理論上講，可以相互抵消在水平方向上產(chǎn)生的不平衡力，大大降低機(jī)器的振動(dòng)。

2 針刺機(jī)構(gòu)中各零件的尺寸計(jì)算和強(qiáng)度校核

針刺機(jī)構(gòu)的主要原理是雙軸反驅(qū)動(dòng)偏心機(jī)構(gòu)。本機(jī)構(gòu)的主要傳動(dòng)件是兩個(gè)主軸、兩個(gè)偏心輪、兩個(gè)曲柄、帶孔的長(zhǎng)板、帶動(dòng)針板的直桿。

主軸的直徑由主軸材料和所承受的最大載荷決定。而最大載荷由所帶動(dòng)的部件的質(zhì)量及針板向上運(yùn)動(dòng)過程中的加速度的最大絕對(duì)值決定。

2.1 主軸的設(shè)計(jì)

主軸的設(shè)計(jì)原則是，在滿足結(jié)構(gòu)要求和強(qiáng)度、剛度等要求的條件下，設(shè)計(jì)出尺寸小、質(zhì)量小、安全可靠、工藝上合理經(jīng)濟(jì)、又便于維修的軸。

2.1.1 主軸的設(shè)計(jì)程序

1）根據(jù)針刺機(jī)構(gòu)的整體布局，確定軸上、偏心輪的裝配方案。

2）選擇軸的材料。

3）在力的作用點(diǎn)及支點(diǎn)間跨距尚不能精確確定的情況下，按純扭工況初步估算軸的直徑。

4）根據(jù)軸的受載情況及使用狀況，進(jìn)行軸的強(qiáng)度、剛度計(jì)算。

5）如果計(jì)算結(jié)果不能滿足強(qiáng)度、剛度等求時(shí)，必須修改軸的設(shè)計(jì)。

2.1.2 軸的材料選擇

1）主軸毛胚的選擇。

針刺機(jī)構(gòu)中主軸至關(guān)重要，且受載較大，因此選用鍛柸。

2）根據(jù)使用條件選擇軸的材料。

主軸的材料選擇，本機(jī)構(gòu)中的主軸既承受轉(zhuǎn)矩又承受彎矩，在變應(yīng)力條件下工作，因此軸的材料應(yīng)具有較好的強(qiáng)度和韌性。此處選擇優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，以45鋼為例，它調(diào)制后具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

3）然后用熱處理和表面處理工藝提高材料的力學(xué)性能。

2.1.3 軸的直徑的計(jì)算

2.1.3.1 軸在計(jì)算截面所受彎矩

m為針刺機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，kg；L為主軸的受力點(diǎn)與支撐點(diǎn)的距離，m；d為軸的直徑，mm；M為軸在計(jì)算截面所受彎矩，N·m；σP為軸的許用彎曲應(yīng)力，MPa；ψ=0.3或 ψ=0.6；T 為軸在計(jì)算截面所受扭矩，N·m；P為主軸的功率；n為主軸的轉(zhuǎn)速；a為針板向上運(yùn)動(dòng)的最大加速度。

初步計(jì)算截面所受扭矩，初步估算軸截面所受的彎矩

2.1.3.2 軸的直徑

主軸與偏心輪通過焊接連接在一起。偏心輪與曲柄之間通過軸承連接在一起。軸承的內(nèi)徑與外徑分別與偏心輪和曲柄之間通過過盈配合裝配在一起。曲柄質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)針刺機(jī)構(gòu)的能量損耗問題，因此曲柄不宜取得過長(zhǎng)。

主針刺機(jī)的往復(fù)動(dòng)程小，在25～70 mm之間。在滿足刺針加固的前提下，往復(fù)動(dòng)程應(yīng)盡量小，這樣往復(fù)部件的運(yùn)動(dòng)慣量小、有利于高速[2]。偏心輪的偏心距曲柄與偏心輪和階梯軸的配合位置和曲柄兩孔中心線的距離直接影響到針刺機(jī)構(gòu)的針刺行程。

2.2 偏心輪的設(shè)計(jì)

2.2.1 偏心輪的設(shè)計(jì)程序

1）根據(jù)針刺機(jī)構(gòu)的整體布局，確定偏心輪的裝配方案。

2）選擇偏心輪的材料。

3）根據(jù)所受載荷來計(jì)算偏心輪的直徑。

2.2.2 偏心輪的裝配方案

偏心輪，在這里與主軸可以選擇焊接，也可以選擇過盈配合。

2.2.3 偏心輪的材料選擇

偏心輪的材料選擇，本機(jī)構(gòu)中的偏心輪主要受壓應(yīng)力。在滿足性能的前提下應(yīng)盡可能選擇密度小的材料。

2.2.4 偏心輪尺寸的計(jì)算

偏心輪厚度L1的計(jì)算。

找出偏心輪的受壓應(yīng)力時(shí)的最小截面。

R為偏心輪的直徑；r為主軸的直徑；d為偏心輪的偏心距，一般取50～100 mm；S1為偏心輪所受擠壓應(yīng)力的最小截面的面積。

所受擠壓應(yīng)力的最小截面的面積S1=πrL1，針刺機(jī)構(gòu)除了主軸以外的零件的質(zhì)量為m1。

a為針板向上運(yùn)動(dòng)的最大加速度。

初步估算偏心輪所受的最大擠壓應(yīng)力假設(shè)這個(gè)力作用在一個(gè)長(zhǎng)（d-r），截面面積為S1的幾何體上，偏心輪材料的擠壓許用應(yīng)力為[σds]，而σds=，由[σds]≥σds，求偏心輪厚度 L1的取值范圍

2.2.5 軸承的選擇

根據(jù)偏心輪的直徑來選擇軸承的內(nèi)徑，查內(nèi)徑等于偏心輪直徑的幾種標(biāo)準(zhǔn)軸承的外徑大小。選擇一個(gè)合適的軸承。

2.3 曲柄的設(shè)計(jì)

2.3.1 曲柄的設(shè)計(jì)程序

1）根據(jù)針刺機(jī)構(gòu)的整體布局，確定曲柄的裝配方案。

2）選擇曲柄的材料。

3）根據(jù)所受載荷來計(jì)算曲柄中大圓環(huán)的外徑。

2.3.2 曲柄的裝配方案

曲柄與軸承之間采用過盈配合。

2.3.3 曲柄的材料選擇

1）曲柄毛胚的選擇：針刺機(jī)構(gòu)中偏心輪受載較大，因此選用鍛柸。

2）根據(jù)使用條件選擇曲柄的材料：曲柄的材料選擇，本機(jī)構(gòu)中的曲柄受到較大的拉應(yīng)力。此處選擇優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，以45鋼為例，它調(diào)制后具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

3）然后用熱處理和表面處理工藝提高材料的力學(xué)性能。

3 曲柄中大圓環(huán)的外徑R2的計(jì)算

針刺機(jī)構(gòu)除了主軸與偏心輪以外的零件的質(zhì)量為m2。

曲柄危險(xiǎn)截面受到的拉應(yīng)力F2的大?。?/p>

R1為曲柄中大圓環(huán)的內(nèi)徑，既軸承的外徑。

危險(xiǎn)截面的面積 S2=（R2-R1）L1，材料的許用拉應(yīng)力[σts]，而，又[σts]≥σts，求的曲柄中大圓環(huán)的外徑的取值范圍。

4 結(jié)語

通過改進(jìn)后的針刺機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零件的尺寸計(jì)算發(fā)現(xiàn)，針刺機(jī)構(gòu)尺寸得以減小，質(zhì)量降低，從而減小水平方向上的不平衡力和慣性力，為下一步的有限元分析奠定基礎(chǔ)。

[1]王帆.針刺機(jī)針刺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2010（4）：82-83；86.

[2]王淑貞，藺軍.針刺機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)[J].紡織機(jī)械，2011（2）：46-48.