基于電磁發(fā)射的超寬門幅自動織機引緯機構(gòu)設(shè)計方法

徐 巧， 閆文軍， 梅順齊， 張智明

(1. 武漢紡織大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院， 湖北 武漢 430073； 2. 湖北省數(shù)字化紡織裝備重點實驗室， 湖北 武漢 430073)

引緯機構(gòu)是自動織造裝備的核心。針對不同的需求，研究者已研究出許多種引緯機構(gòu)。如：針對立體織機的采用計算機控制伺服電動缸驅(qū)動的變動程引緯[1]；針對機織小樣機的繩牽引磁梭引緯，采用磁力驅(qū)動技術(shù)，用鋼絲繩牽引磁梭吸附著裝有緯紗管的引緯梭往復(fù)運動，完成引緯[2]；針對有梭織機投梭方式的缺陷，依據(jù)磁電引緯推進器的原理，設(shè)計的磁電式引緯裝置[3]。這些引緯方法及其機構(gòu)實質(zhì)上仍然是基于有梭引緯原理，只是改變了梭子的推進方式。此外，氣動驅(qū)動劍桿引緯，微小型梭子引緯和利用緯紗慣性引緯等方法還處于探索階段[4]。

隨著航空航天、新型建筑材料等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)用紡織品的需求持續(xù)增長，以超寬門幅自動織機為典型代表的高端產(chǎn)業(yè)用紡織品自動織造裝備的需求日益迫切。對于超寬門幅紡織品的織造來說，這些引緯方式在原理上存在局限性，導(dǎo)致引緯飛行長度即織機門幅寬度受到限制，難以達到超寬門幅(如12 m及以上)的要求，因此，對于主要用于織造產(chǎn)業(yè)用紡織品的超寬門幅自動織機來說，現(xiàn)有噴氣、噴水、劍桿、片梭等引緯方式已難以滿足其需要。如何實現(xiàn)超寬門幅高速自動織機的穩(wěn)定、可靠、高速引緯是產(chǎn)業(yè)用紡織品高速織造裝備迫切需要解決的難題。

近幾年來，電磁發(fā)射技術(shù)發(fā)展迅速，可以超高速，甚至可達50 km/s，將物體發(fā)射出去，在炮彈發(fā)射、導(dǎo)彈發(fā)射、艦載飛機彈射、航天發(fā)射及交通運輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在民用工業(yè)領(lǐng)域也顯示出廣闊的應(yīng)用前景[5-6]。

本文通過分析織機引緯工藝要求，根據(jù)超寬門幅織物對引緯機構(gòu)的特殊需要，提出一種電磁發(fā)射引緯方法，研究電磁發(fā)射引緯機制，實現(xiàn)超寬門幅織機的可靠、高速引緯。

1 電磁發(fā)射引緯原理及工藝參數(shù)

1.1 電磁發(fā)射引緯機構(gòu)

引緯的作用是使夾緯器以足夠高的飛行速度夾持緯紗飛過梭口，使緯紗與經(jīng)紗交織成織物，是織機的關(guān)鍵機構(gòu)之一，是織機設(shè)計的核心。超寬門幅織機的門幅比普通織機寬，要求夾緯器飛行速度高，對引緯機構(gòu)的要求更高。本文提出的超寬門幅織機電磁發(fā)射引緯機構(gòu)的工作原理如圖1所示。夾緯器3夾持來自緯紗筒子1上的緯紗5 經(jīng)張力器2、電磁發(fā)射裝置4獲得最大飛行速度。夾緯器3飛行軌跡可在較長距離內(nèi)保持近似直線，從而使緯紗順利飛過梭口，實現(xiàn)長距離(超寬門幅)的引緯。夾緯器由制動接收座制動后經(jīng)回收裝置、輸送裝置、推送裝置回到引緯初始位置。

1—緯紗筒子；2—張力器；3—夾緯器；4—電磁發(fā)射裝置；5—緯紗；6—經(jīng)紗；7—制動接收座；8—回收裝置；9—輸送裝置；10—推送裝置。圖1 電磁發(fā)射引緯機構(gòu)原理圖Fig.1 Electromagnetic launch weft insertion process

1.2 超寬門幅織機引緯機構(gòu)工藝參數(shù)確定

目前劍桿、片梭、噴氣和噴水引緯技術(shù)發(fā)展迅速，在現(xiàn)代自動織機上得到普遍應(yīng)用。其中：劍桿織機、噴氣織機織造產(chǎn)業(yè)用織物(土工用布)時，門幅可達5.4 m左右[7]；片梭織機適應(yīng)性更好，門幅更寬，可達5.4 m以上[8]，受引緯速度的限制，織機門幅越寬，織機的最高轉(zhuǎn)速越低，如SulzerP7300系列片梭織機，門幅為1.9 m時最高轉(zhuǎn)速為450 r/min，門幅為5.4 m時最高轉(zhuǎn)速為290 r/min。依據(jù)紡織機械“十三五”發(fā)展規(guī)劃和目前對產(chǎn)業(yè)用超寬織物織機的市場需求，參考片梭織機Sulzer-P7300HP的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，本文所研究的超寬門幅高速織機的初步設(shè)計參數(shù)為：門幅12 m，最高轉(zhuǎn)速200 r/min，夾緯器質(zhì)量22 g，夾緯器飛過梭口所占的主軸轉(zhuǎn)角120°。

1.3 電磁發(fā)射引緯機構(gòu)運動模型

根據(jù)織機門幅、織機速度、夾緯器飛行時間以及夾緯器飛行過程中的速度損失率等來計算夾緯器的最大飛行速度[9]:

(1)

忽略空氣阻力，電磁發(fā)射裝置的發(fā)射推力是夾緯器水平方向運動的唯一作用力，夾緯器獲得的最大飛行速度必須依靠電磁發(fā)射力作功，根據(jù)能量守恒定律，夾緯器的運動模型為：

(2)

(3)

(4)

式中：F為夾緯器受到的軸向電磁力，N；m為夾緯器質(zhì)量，kg；l為夾緯器加速距離，m；a為夾緯器運行的加速度，m/s2。

2 電磁發(fā)射引緯機構(gòu)設(shè)計方法

2.1 電磁發(fā)射裝置設(shè)計方案

根據(jù)電磁發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)特點，電磁發(fā)射技術(shù)一般分為3類：導(dǎo)軌型、線圈型和重接型。不同結(jié)構(gòu)類型的電磁發(fā)射裝置存在不同的優(yōu)缺點，有不同的適用范圍[10]。導(dǎo)軌型電磁發(fā)射技術(shù)的研究開展較早，技術(shù)相對成熟，發(fā)射速度極高，但是對電流的要求很大，而且對軌道燒蝕、磨損比較嚴重；線圈型電磁發(fā)射技術(shù)加速力大，需要的電流較小，可實現(xiàn)發(fā)射物體無接觸無摩擦運動，能量利用率較高，但是對于其發(fā)射線圈通斷電的時間點的控制非常復(fù)雜；重接式電磁發(fā)射技術(shù)的研究工作開展較晚，具有無接觸、無摩擦、無燒蝕的優(yōu)點，但是其還處于理論研究初期，對被發(fā)射物體的形狀有要求[11]。圖2示出線圈型和導(dǎo)軌型電磁發(fā)射引緯的結(jié)構(gòu)示意圖?？紤]到超寬門幅自動織機的引緯機構(gòu)發(fā)射速度在千米級以下，夾緯器質(zhì)量百克以下，超寬門幅自動織機生產(chǎn)過程受結(jié)構(gòu)空間限制，初步確定超寬門幅自動織機電磁發(fā)射引緯機構(gòu)采用線圈型電磁發(fā)射結(jié)構(gòu)。

圖2 2種不同結(jié)構(gòu)的電磁發(fā)射引緯示意圖Fig.2 Two different structures of electromagnetic launch weft insertion mechanism.(a) Coil type; (b) Rail type

2.2 線圈型電磁發(fā)射引緯機構(gòu)的工作過程

線圈型電磁發(fā)射引緯機構(gòu)主要由電源、發(fā)射線圈、軌道、夾緯器、傳感器、開關(guān)等組成,如圖3所示。

圖3 線圈型電磁發(fā)射引緯機構(gòu)組成Fig.3 Mechanism composition of coil electromagnetic launch weft insertion

線圈繞制在發(fā)射軌道上，線圈端面入口處裝有傳感器，軌道起導(dǎo)向和保護線圈的作用，線圈電磁發(fā)射裝置將夾持緯紗的夾緯器發(fā)射出去，夾緯器夾持緯紗飛過經(jīng)紗和緯紗形成的梭口，緯紗飛行軌跡可在較長距離內(nèi)保持近似直線，從而使緯紗順利飛過梭口，實現(xiàn)長距離(超寬門幅)的引緯運動。

夾緯器選用鐵磁性材料，其磁化強度大于零,根據(jù)電磁學(xué)理論可知:在電磁場作用下，鐵磁性夾緯器會朝較強的磁場方向移動，發(fā)射線圈中部磁場強度最大，夾緯器在發(fā)射線圈電磁力的作用下向線圈中部運動。夾緯器中點在達到發(fā)射線圈軸線中點前受到電磁吸力作用而被加速，越過發(fā)射線圈軸線中點后，夾緯器受到反方向吸力作用，相對于夾緯器的運動而言是阻力，如果在夾緯器中點到達發(fā)射線圈軸線中點時停止供電，就可保證夾緯器在發(fā)射線圈后半部分運動時不受電磁阻力作用，以獲得最大的出口速度。線圈長度與夾緯器長度一樣，線圈入口處安裝傳感器，精確控制發(fā)射線圈通、斷電時間。

3 引緯電磁力分析計算

3.1 發(fā)射線圈內(nèi)部磁場感應(yīng)強度分析

電磁發(fā)射引緯機構(gòu)的主要部件之一是發(fā)射線圈，發(fā)射線圈內(nèi)部磁感應(yīng)強度分布直接影響電磁力分布，影響夾緯器的運動性能，發(fā)射線圈的截面圖如圖4所示。

圖4 電磁發(fā)射線圈內(nèi)部磁場分析模型Fig.4 Internal magnetic field analysis model of electromagnetic launcher coil

M(x,y)為線圈內(nèi)部任意點，線圈內(nèi)外半徑分別為r1、r2，總長為2L，電流強度為I，匝數(shù)為N，連續(xù)電流分布時的電流密度為j，j=NI/[2L(r2-r1)]。根據(jù)電磁學(xué)理論中的畢奧-薩伐爾定律，發(fā)射線圈內(nèi)部軸向磁感應(yīng)強度[12]為

(5)

式中：Bx為發(fā)射線圈內(nèi)部軸向磁感應(yīng)強度，T；μ0為真空磁導(dǎo)率，其值為4π×10-7Wb/(A·m)；j為電流密度，A/m2；r1、r2分別為發(fā)射線圈內(nèi)半徑和外半徑,m；L為半個發(fā)射線圈長度，m。

3.2 引緯電磁力分析與計算方法

3.2.1工程解析法

夾緯器在發(fā)射線圈磁場中被磁化后，材料內(nèi)部存在磁化電流，磁化電流體密度為δV；材料表面存在表面磁化電流，表面磁化電流面密度為δS。計算公式為：

δV=×M

δS=-n×M

線圈磁場對夾緯器的作用力[13]為：

(6)

式中：B=B0+BM,B為磁感應(yīng)強度,T；B0為空心線圈通電后線圈內(nèi)部的磁感應(yīng)強度,T；BM為夾緯器磁化后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度,T；S為線圈磁場與夾緯器作用面的面積，m2。

對于各向同性的介質(zhì)有：

式中：μ0真空磁導(dǎo)率，其值為4π×10-7Wb/(A·m)；μr為介質(zhì)相對磁導(dǎo)率。

經(jīng)矢量運算可得

由矢量梯度積分公式可得

(7)

由于鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率μr?1，磁場力工程解析計算簡化為

(8)

3.2.2有限元法

電磁力的計算主要采用數(shù)值分析方法，如有限元法、有限差分法等，有限元計算方法較多，其中麥克斯韋應(yīng)力張量法和虛位移法是常用方法。

3.2.2.1麥克斯韋應(yīng)力張量法 磁場力作用下磁介質(zhì)上的體積力f=T。磁介質(zhì)在磁場中受到的作用力為磁介質(zhì)的體積；SL為包圍磁介質(zhì)的任意閉合曲面；T為麥克斯韋應(yīng)力張量，是一個二階張量。其中的元素Tij=HiBj-δijwm。δij為Kronecker算子，wm為磁共能密度。計算公式分別為：

式中，H為磁場強度，A/m。

積分路徑對麥克斯韋應(yīng)力張量法計算精度影響較大，合理選取積分路徑對這個方法十分重要[14]。

4 計算與仿真分析

根據(jù)設(shè)計參數(shù)，若夾緯器速度損失系數(shù)k取1.05，根據(jù)式(1)、(2)給出的計算模型，夾緯器的最大飛行速度vmax、電磁力所作的功W與織機門幅的關(guān)系曲線如圖5所示。門幅為12 m的織機引緯夾緯器最大飛行速度為126 m/s，所需電磁力作功為174.64 N·m。

圖5 最大飛行速度和電磁力所作的功與織機門幅的關(guān)系Fig.5 Relationship between maximum flight speed and work of electromagnetic force and width of loom

電磁發(fā)射引緯機構(gòu)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)為：夾緯器長度90 mm，夾緯器寬度14 mm，夾緯器厚度6 mm，夾緯器選用高飽和磁化強度的軟磁材料D23，其磁感應(yīng)強度B與磁場強度H曲線如圖6所示。發(fā)射線圈長度為90 mm，線圈內(nèi)徑為16 mm，線圈選用直徑為2.2 mm的漆包線,線圈匝數(shù)為1 204。

圖6 材料D23的B與H曲線Fig.6 B-H curve of D23 material

根據(jù)前面的分析計算，當(dāng)通電電流I為40 A時，引緯電磁力滿足設(shè)計要求。根據(jù)式(5)，空心發(fā)射線圈軸線(y=0)磁感應(yīng)強度B0、依據(jù)工程解析法發(fā)射時線圈內(nèi)部軸線磁感應(yīng)強度B和夾緯器受到電磁力F分布情況如圖7所示。

圖7 發(fā)射線圈內(nèi)部軸線磁感應(yīng)強度分布和電磁力Fig.7 Magnetic induction distribution and electromagnetic force of internal axis of launcher coil

夾緯器在發(fā)射線圈軸線上不同位置的磁感應(yīng)強度和電磁力大小見表1。表中0表示夾緯器前端到達發(fā)射線圈軸線中點。

綜上可知：在發(fā)射線圈軸線端部磁感應(yīng)強度較小，電磁力也較??；靠近發(fā)射線圈軸線中點附近磁感應(yīng)強度最大，電磁力也最大；線圈中部近似為均勻磁場。根據(jù)鐵磁材料在磁場中的受力特性，發(fā)射線圈不宜太長。

表1 采用工程解析法計算的不同位置磁感應(yīng)強度與電磁力Tab.1 Magnetic induction and electromagnetic force in different positions calculated by engineering analytic method

電磁發(fā)射引緯機構(gòu)的實際工況比較復(fù)雜，鐵磁夾緯器材料磁化的非線性和磁飽和性使磁場分布更加復(fù)雜，通常采用數(shù)值計算方法進行分析計算。采用ANSYS有限元磁場分析對發(fā)射線圈磁場進行仿真，夾緯器端面到達發(fā)射線圈軸線中點(y=9 mm)時仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 y=9 mm時磁場和電磁力仿真結(jié)果Fig.8 Magnetic field and electromagnetic force simulation while y=9 mm.(a) Finite element mesh division; (b) Distribution of magnetic force lines; (c) Electromagnetic force simulation

由于夾緯器材料為鐵磁物質(zhì)，夾緯器運動過程中會影響發(fā)射線圈磁場分布，夾緯器經(jīng)過時，磁力線向鐵磁材料的夾緯器聚集，夾緯器所在空間磁感應(yīng)強度會顯著增強，電磁力也顯著增大，磁感應(yīng)強度最大可達3.23 T。采用虛功法計算得到的電磁力最大可達-376.26 N，采用麥克斯韋應(yīng)力張量法計算得到的電磁力為-243.45 N，負號表示吸力。

根據(jù)以上仿真方法，可得出夾緯器不同位置所受電磁力(見表2)。電磁發(fā)射引緯機構(gòu)的結(jié)構(gòu)具有軸對稱性，建模時采用1/2對稱模型，電磁力仿真計算結(jié)果乘以2才是夾緯器所受的電磁力。

表2 采用有限元法計算得到的不同位置磁感應(yīng)強度與電磁力Tab.2 Magnetic induction and electromagnetic force in different positions calculated by finite element method

從表2可看出：夾緯器受電磁吸引力作用，夾緯器前端處于發(fā)射線圈中點附近時電磁力較大，夾緯器前端處于發(fā)射線圈端部附近時電磁力較小。

采用工程解析法、麥克斯韋應(yīng)力張量法、虛功法計算得到的單級線圈發(fā)射電磁力做功分別為38.41、41.64、26.03 N·m?？煽闯觯蝴溈怂鬼f應(yīng)力張量法計算電磁力對積分路徑的選取較為敏感，一般與虛功法計算結(jié)果有較大差距；工程解析法的計算結(jié)果與虛功法較為接近，具有很好實用參考價值。

為保險起見，本文按麥克斯韋應(yīng)力張量法計算的功進行校核，以麥克斯韋應(yīng)力張量法計算得到的電磁力做功最小，為26.03 N·m。增加發(fā)射線圈級數(shù)即可增加電磁力做功，7級線圈發(fā)射做功為182.21 N·m，可滿足超寬門幅織機引緯174.64 N·m的要求。

5 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

為了驗證本文設(shè)計方法，搭建了電磁發(fā)射引緯機構(gòu)的縮小版試驗?zāi)Ｐ停鐖D9所示。圖中電磁發(fā)射線圈共有7級，單級發(fā)射線圈長度為17.6 mm，線圈內(nèi)徑為6 mm，線圈選用直徑為1.1 mm的漆包線，線圈單層匝數(shù)為16，繞6層，單級發(fā)射線圈匝數(shù)為96。

圖9 試驗?zāi)Ｐ虵ig.9 Experimental model

依據(jù)本文計算模型和方法，通電電流I為6 A，發(fā)射質(zhì)量約為2 g的硅鋼條，采用不同方法計算得到的電磁力做功和最大飛行速度見表3。最大飛行速度的測量值見表4。

表3 采用不同方法計算的電磁力做功和最大飛行速度Tab.3 Work of electromagnetic force and maximum flight speed calculated by different methods

表4 最大飛行速度的測量值Tab.4 Measured maximum flight speed

從表3、4可知：測量值與理論計算值比較接近。其中：工程解析法和虛功法的計算結(jié)果接近，與測量值相比，整體偏大，誤差在9.7%～13.4%之間；麥克斯韋應(yīng)力張量法的計算結(jié)果與測量值相比，整體偏小，誤差在5.5%～9.5%之間。如前所述，工程解析法具有實用參考價值，計算結(jié)果與測量值相比整體偏大的原因主要有2點：1)硅鋼條的實際磁化與理想磁化有差距，實際磁化值比理想磁化值偏??；2)理論計算模型中忽略了空氣阻力。

由上述分析可看出，通過本文試驗?zāi)Ｐ偷臏y量值與計算值的分析比較，驗證了所提出的電磁發(fā)射引緯的方案是可行的，本文關(guān)于電磁發(fā)射引緯機構(gòu)的設(shè)計和分析計算方法是正確的；同時，為了達到超寬門幅織機電磁引緯所需的最大飛行速度，可以通過增加線圈匝數(shù)，增加發(fā)射線圈級數(shù)或增大電流等措施來實現(xiàn)，如前文分析計算所示，線圈匝數(shù)為1 204，通電電流為40 A，7級線圈發(fā)射做功達到182.21 N·m時，可滿足超寬門幅織機電磁引緯的需要。

6 結(jié)束語

本文根據(jù)超寬門幅自動織機對引緯運動的要求，設(shè)計了一種新型的基于電磁發(fā)射的引緯機構(gòu)。該引緯機構(gòu)采用線圈型電磁發(fā)射裝置發(fā)射夾緯器，實現(xiàn)超寬門幅自動織機的引緯運動。建立了超寬門幅自動織機夾緯器最大飛行速度的計算模型；分析了超寬門幅自動織機電磁發(fā)射引緯機構(gòu)的磁場特性，以工程解析法和數(shù)值有限元法分析夾緯器受到的電磁力；基于電磁發(fā)射的引緯機構(gòu)突破傳統(tǒng)引緯機構(gòu)對織機門幅的限制，可通過調(diào)節(jié)電流控制電磁力大小和增加發(fā)射線圈級數(shù)，以適應(yīng)不同織機速度和不同織機門幅對引緯運動的要求，實現(xiàn)引緯可控。本文提出的電磁引緯機構(gòu)設(shè)計方法可為產(chǎn)業(yè)用超寬門幅自動織機的開發(fā)及其智能化提供理論參考。

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