碳纖維多層織機引緯機構(gòu)原理方案分析研究

張仁峰，趙曉清，白 羽

(天津渤海職業(yè)技術學院，天津 300410；天津市市政工程學校，天津 300252；天津工業(yè)大學，天津 300387)

碳纖維多層立體織物是目前迅速發(fā)展的一種新型的纖維織物結(jié)構(gòu)。近年來，伴隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，發(fā)達國家的高水平纖維織造技術取得了跨越式的進展。德國多尼爾公司推出了用于生產(chǎn)碳纖維等高性能纖維材料的多尼爾劍桿織機，該設備公稱幅寬為180cm，最大有效筘寬為171cm，主軸最高轉(zhuǎn)速達到180-280r/min。以日本東麗公司、日本東邦公司、美國Hexcel公司、法國Porcher Industries公司及韓國SK公司等為代表的國際先進的碳纖維織造公司均購進了先進的碳纖維專用織機。對于碳纖維多層機織裝備的研究，我國還處于起步階段，遠遠落后于發(fā)達國家，直接影響到我國航空航天等高精尖端技術的發(fā)展在多層織物的織造過程中，多層經(jīng)紗順次排列后具有一定的厚度，導致開口位置在不同紗層之間不斷發(fā)生變化，這就給引緯帶來一定的困難，因此引緯機構(gòu)需要隨著開口位置的不同而自動進行適應性調(diào)整，同時由于經(jīng)紗層數(shù)較多，為了提高織造效率，采用合理的引緯方式。隨著織機速度的提高，在引緯過程中，引緯器或高速射流需要在極短時間內(nèi)平穩(wěn)準確地穿過整個織口，因而給引緯運動帶來了難度。引緯方式多種多樣，有噴射(噴氣、噴水)引緯、劍桿引緯、片梭引緯以及多織口引緯等。劍桿引緯是以劍桿作為引緯器，劍桿在引緯過程中，其劍頭將緯紗握持，引緯穩(wěn)定且可靠，可適應不同紗線的輕、中、重型織物的織造，尤其是其選色性能好，最多可選16色，在織造多色緯織物方面優(yōu)勢顯著。因此，對織機引緯機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析及機構(gòu)優(yōu)化的研究具有重要意義。

一、碳纖維多層織機的技術要求

鑒于碳纖維紗線的特殊性能，碳纖維織造裝備及織物的工藝及技術參數(shù)也應區(qū)別于普通紗線，表1、表2分別列出了織機及碳纖維多層織物的技術指標。

表1 織機技術指標

表2 織物技術指標

二、引緯機構(gòu)的工作原理

該多層織機采用的是雙側(cè)可升降式電子引緯，紗線從儲緯器上平行退繞，避免加捻影響織物質(zhì)量，當緯紗被牽引到引緯點后，穿過固定在劍頭裝置上的導紗環(huán)中，在劍桿劍輪裝置的驅(qū)動下到達對側(cè)的指定位置，然后由氣缸驅(qū)動的特制鉤針將緯紗勾住，引緯劍桿沿原路線返回到初始位置，完成引緯動作。由于劍頭裝置固定在了劍桿上，它的運動與劍桿的運動一致，即作直線往復運動，以完成牽引緯紗進入織口的工序。劍桿的運動是由伺服電機驅(qū)動，經(jīng)過一對同步帶輪減速后，驅(qū)動劍桿劍輪裝置帶動劍頭裝置完成水平往復的引緯運動。由于多層織造的特殊性，每一個引緯點的位置都不盡相同，所以必須給整個引緯裝置賦予縱向的升降運動以適應引緯點的變化。其升降運動同樣采用伺服電機驅(qū)動，經(jīng)過同步帶輪和齒輪裝置減速后，驅(qū)動滾珠絲杠來完成引緯機構(gòu)的升降動作。

三、引緯機構(gòu)特點

(一)引緯機構(gòu)布置方案選擇

本織機需要實現(xiàn)的是2～30層碳纖維的織造。如圖1所示,該引緯系統(tǒng)不同于普通引緯機構(gòu)的最大區(qū)別是，它不再采用送緯接緯相互配合的傳統(tǒng)引緯方式，而是僅用一根送緯劍桿直接將緯紗送到對側(cè)，然后由對側(cè)的以電氣聯(lián)合驅(qū)動的鉤針將緯紗勾住，劍桿沿原軌跡返回其初始位置，即完成了一個引緯動作。

一個伺服直線驅(qū)動單元主要負責控制劍頭在梭口中的引緯運動。而另外一個伺服直線驅(qū)動單元則在垂直方向上通過對齒輪減速機構(gòu)控制，進而驅(qū)動絲杠的正反轉(zhuǎn)，使得與其配合的絲母驅(qū)動整個引緯單位進行上下運動，實現(xiàn)不同位置的引緯功能；通過改變伺服電機的轉(zhuǎn)動量使得由其驅(qū)動的劍桿可以逐一準確地對準所形成的2個梭口,依次完成引緯動作。

圖1 伺服電機控制的一對劍桿引緯機構(gòu)

采用這種引緯方式，使用一對劍桿對應多個梭口依次引緯，可以通過控制計算機靈活地改變劍桿在每個梭口中的運動規(guī)律，讓劍桿在不同的梭口中引緯時有不同的運動規(guī)律，以此來滿足更多具有復雜結(jié)構(gòu)織物的織造要求。而且該系統(tǒng)的工藝適應性很強，完全可以滿足2～30層碳纖維的織造要求，且結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，自動化程度高，安裝、保養(yǎng)、維修、更換都很簡便。

(二)引緯傳劍機構(gòu)的分析

劍桿引緯機構(gòu)的傳劍形式有很多，較為典型的形式有變導程螺旋引緯機構(gòu)、共軛凸輪引緯機構(gòu)、空間四連桿引緯機構(gòu)等。這幾種劍桿傳劍機構(gòu)結(jié)構(gòu)比較復雜、運動慣性大,而且劍頭的運動規(guī)律主要取決于機構(gòu)設計本身,在使用過程中無法根據(jù)立體織物的不同結(jié)構(gòu)進行相應的修改,無法滿足所織造立體織物的多樣性。基于上述原因，本文研究的可調(diào)式引緯機構(gòu)選用電子引緯機構(gòu)。

(三)齒輪齒條式傳劍裝置

緯紗引入到織口，靠劍頭的往復運動的牽引來完成的，而劍頭的往復運動是由劍桿傳動裝置來驅(qū)動的。其工作原理是：系統(tǒng)控制伺服電機的正反轉(zhuǎn)，經(jīng)過一組同步帶輪的減速后，驅(qū)動劍輪進而帶動剛性劍桿完成水平往復運動。

在剛性劍桿前側(cè)位置處，安裝有兩個壓導輪，其作用是對劍桿起到固定的作用，防止其在引緯時的上下跳動，左右方向安裝了兩個夾板，用于對劍桿的左右搖擺運動進行限位。劍桿的尾部固定了一個尼龍滑塊，該尼龍滑塊在劍桿導槽中滑動，由于滑塊與導槽配合緊密，對劍桿的尾端起到了上下和左右的限位作用。經(jīng)過限位后的劍桿在引緯的過程中保持較為平穩(wěn)的運行。

(四)升降裝置

根據(jù)多層碳纖維織物的織造技術要求，引緯機構(gòu)需要上下運動來實現(xiàn)不同引緯位置的引緯動作，因此，引緯機構(gòu)的上下位置必須實時地進行調(diào)整以使其在最佳位置進行引緯。再者由劍桿織機開口處經(jīng)紗的運動規(guī)律可知，開口處的經(jīng)紗在X方向上也存在位移，為了使開口量保持一致，引緯機構(gòu)在X方向上也應該有一個相對應的運動，才能保證引緯機構(gòu)在最佳位置進行引緯，否則為了實現(xiàn)順利引緯，在最后一層經(jīng)紗發(fā)生開口運動時，將產(chǎn)生很大的開口量。根據(jù)紗線排布情況及理論分析可得，緯紗被引入織口的位置一般位于與水平線夾角為10°的方位上。綜上所述，該裝置的作用是驅(qū)動引緯機構(gòu)的上下移動，滿足不同位置的引緯。該升降裝置由伺服電機提供動力，而后通過一組同步帶輪(傳動比為1:3)對運動進行減速，再通過一對直齒圓錐齒輪機構(gòu)(軸交角為80°)使其運動角度發(fā)生改變，其輸出斜齒輪與滾珠絲杠連接，從而控制其按一定角度的精確地完成升降動作，來適應織物引緯位置的變化。

四、引緯機構(gòu)三維模型

本文中的三維模型由SolidWorks來完成三維建模，如圖2所示。該模型為根據(jù)上述的原理方案進行設計所得，具體設計過程此處不再贅述。該機構(gòu)的主要構(gòu)件都為非標件，主要難點在于非標件的設計和整個機構(gòu)的裝配，特別是空間機構(gòu)部分，稍有偏差，就會造成干涉或者運動軌跡偏差，導致仿真不能反映真實情況或者仿真不能順利進行等。解決方法是先裝配機架部分，以此為基準，進行其他零件的裝配，最后實現(xiàn)了引緯機構(gòu)的精確配合。

圖2 引緯機構(gòu)的三維模型

五、劍桿劍輪不同安裝形式下的應力分析

本文對兩種布置方案機構(gòu)的受力情況進行了分析研究，具體措施是在充分考慮了碳纖維多層織造這一事實的基礎上，按照實際情況對兩種布置形式的機構(gòu)進行了有限元的靜力分析，通過分析結(jié)果來判定哪種布置形式受力相對較小，從而選擇出較為合理的安裝布置形式。

在該劍桿劍輪傳動系統(tǒng)中, 伺服電機的輸入功率為1kW，轉(zhuǎn)速為300r/ min。齒輪齒條的齒形均為漸開線標準直齒， 模數(shù)為4、齒寬為12mm，重合度為1.2。齒輪材料為45鋼，齒數(shù)為47，分度圓直徑為188mm；齒條材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)后硬度HRC48～52，齒數(shù)為126，長度為147mm。

(一)有限元模型的建立

采用SolidWorks 軟件進行齒輪齒條實體建模。由于齒輪分度圓上的接觸區(qū)域的受力情況是分析的關鍵，因此首先保證模型嚙合位置的正確，為此，先在齒齒條分度線上單齒中點處建立參考點，同理在齒輪分度圓上的相應位置建立參考點，然后添加兩參考點的重合約束，即可使齒輪齒條在節(jié)點處嚙合, 這樣就將齒輪齒條單齒接觸模型建立好了。最后通過SolidWorks 與ANSYS Workbench 的數(shù)據(jù)交換接口, 把嚙合模型(圖3)的幾何數(shù)據(jù)導入Workbench 中的靜力分析模塊(static structure)進行分析，經(jīng)過編輯材料屬性、網(wǎng)格劃分、施加約束、添加載荷等計算過程最終得出兩種布置形式的應力、應變云圖。

圖3 劍桿劍輪嚙合模型

網(wǎng)格劃分完成后，將齒輪內(nèi)表面設置為圓柱約束，并對軸向、徑向位移進行約束, 使其只有繞齒輪回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動自由度, 同時對齒輪內(nèi)表面施加考慮載荷因素后的扭矩。同理對齒條的自由度施加約束，使其只能沿與齒輪嚙合的方向作往復直線移動。

(二)接觸計算結(jié)果與分析

Workbench 通過應力云圖來表現(xiàn)應力應變的分布情況，由接觸面的Von Mises 等效應力云圖計算得出，當劍輪豎直安裝時，等效應力最大值為9.06×106Pa，而水平安裝時的等效應力最大值為2.67×107Pa，顯然，當劍輪豎直安裝時齒輪齒條機構(gòu)的內(nèi)部應力更小。根據(jù)等效應變圖發(fā)現(xiàn)水平安裝時的等效應變要大于豎直安裝時的數(shù)值。而豎直安裝的劍桿劍輪機構(gòu)在織機上的的良好運行也證明了設計的安全性與有限元分析的可靠性。

六、結(jié)論

(一)本章通過參照碳纖維多層織機的技術要求及織物要求，對織機的引緯機構(gòu)的原理方案進行了研究，包括引緯形式的選擇，傳劍方式的選擇，引緯規(guī)律的制定等。然后，基于以上的原理方案，對引緯機構(gòu)進行了設計，得到其三維模型。

(二)對劍桿劍輪系統(tǒng)的豎直、水平兩種布置方案機構(gòu)的受力情況進行了分析研究，按照實際情況對兩種布置形式的機構(gòu)進行了有限元的靜力分析，通過分析結(jié)果來判定豎直安裝形式受力相對較小，從而選擇出合理的安裝布置形式。