空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析與仿真

金國(guó)光 ，李文啟 ，魏 展 ，暢博彥

（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

引緯機(jī)構(gòu)是劍桿織機(jī)的核心機(jī)構(gòu)[1]，其作用是通過(guò)劍桿夾持緯紗引入梭口，使經(jīng)紗與緯紗實(shí)現(xiàn)交織形成織物.空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)具有轉(zhuǎn)速高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、空間體積小、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于劍桿織機(jī)上.該機(jī)構(gòu)由球面4R機(jī)構(gòu)帶動(dòng)平面四連桿機(jī)構(gòu)經(jīng)齒輪放大機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)劍桿的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)引緯動(dòng)作[2].為了提高劍桿織機(jī)轉(zhuǎn)速，增加劍桿織機(jī)工作效率，許多研究學(xué)者對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的研究.何勇等[3]分析出空間RSSR機(jī)構(gòu)向球面4R機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化的必要條件，根據(jù)所推出的條件設(shè)計(jì)出一種滿足空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)需要的球面4R機(jī)構(gòu)，為空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考.張雷等[4]基于非連續(xù)接觸模型和等效桿長(zhǎng)理論，建立了含間隙和尺寸誤差的空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并對(duì)引緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)精度分析.周香琴等[5]利用Pro/E軟件對(duì)空間四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了剛體動(dòng)力學(xué)分析，得出了主軸所受載荷的變化規(guī)律.余克龍等[6]研究了柔性條件下，不同材料的傳動(dòng)曲柄對(duì)空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的影響.

隨著劍桿織機(jī)高速化的發(fā)展趨勢(shì)，空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)行過(guò)程中，將不可避免的產(chǎn)生柔性變形，因此僅將該機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件看成剛性體已不能準(zhǔn)確有效地反映其動(dòng)力學(xué)性能.本文應(yīng)用基于ANSYS與ADAMS聯(lián)合仿真[7-9]的方法，對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模與仿真.將空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)中核心部件十字搖軸進(jìn)行柔性化，建立空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?；分析劍帶的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究高速運(yùn)行狀態(tài)下引緯機(jī)構(gòu)中十字搖軸的柔性變形對(duì)引緯運(yùn)動(dòng)的影響；將ADAMS仿真生成的載荷文件輸入到ANSYS中，對(duì)十字搖軸進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析[10-12]，為引緯機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考.

1 空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)工作原理

劍桿織機(jī)空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)如圖1所示.

圖1 空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of spatial four-bar linkage weft insertion mechanism

由圖1可知，該引緯機(jī)構(gòu)由三大部分組成：①由引緯機(jī)構(gòu)箱體、傳動(dòng)曲柄、空間連桿、十字搖軸組成的球面4R機(jī)構(gòu)；②由十字搖軸、連桿、扇形齒輪組成的平面四連桿機(jī)構(gòu)；③由扇形齒輪、傳動(dòng)小齒輪、劍輪、劍帶組成的齒輪放大機(jī)構(gòu).

空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)傳動(dòng)路線為：傳動(dòng)曲柄繞A軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)空間連桿作空間定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng).十字搖軸在引緯機(jī)構(gòu)箱體的約束和空間連桿的帶動(dòng)下作往復(fù)擺動(dòng).十字搖軸上OE桿作往復(fù)擺動(dòng)，通過(guò)連桿帶動(dòng)扇形齒輪往復(fù)擺動(dòng).扇形齒輪的往復(fù)擺動(dòng)，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)小齒輪、劍輪放大之后，傳遞到劍帶上，使劍帶作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)的引緯動(dòng)作.

2 基于拉格朗日方程的柔性體運(yùn)動(dòng)微分方程

首先，應(yīng)用有限元法對(duì)柔性體進(jìn)行離散化處理.規(guī)定柔性體中各單元節(jié)點(diǎn)的廣義坐標(biāo)用表示，則柔性體單元中任意一點(diǎn)處的位移可用廣義坐標(biāo)與型函數(shù)表示為

其次，基于拉格朗日方程建立柔性體單元的運(yùn)動(dòng)微分方程.忽略截面轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能，動(dòng)能表達(dá)式為

對(duì)柔性體單元的變形能進(jìn)行推導(dǎo)，假設(shè)只計(jì)入柔性體單元在彎矩作用下的彎曲變形和在軸向力作用下的拉伸、壓縮變形，則根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，變形能可表示為

根據(jù)式（1）-（3）可得到基于拉格朗日方程的柔性體運(yùn)動(dòng)微分方程

式中：u為單元廣義坐標(biāo)列陣；Q 為單元廣義力列陣.

3 空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真

3.1 建立空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)剛體模型

對(duì)國(guó)產(chǎn)某型劍桿織機(jī)空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)繪，根據(jù)測(cè)繪所得數(shù)據(jù)在SolidWorks中建立引緯機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型.將該模型另存為Parasolid格式文件.打開(kāi)ADAMS中File Import對(duì)話框，將空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ADAMS中，生成空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)剛體模型.為該模型中各構(gòu)件按照運(yùn)動(dòng)副的約束關(guān)系添加連接副，并且在ADAMS環(huán)境中給各構(gòu)件添加材料，各構(gòu)件材料及其密度如表1所示.

表1 各構(gòu)件材料密度Tab.1 Material density of each component

3.2 建立空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ?/h3>

空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)中的十字搖軸在該機(jī)構(gòu)中起著重要的作用，它連接了球面4R機(jī)構(gòu)和平面四連桿機(jī)構(gòu)，是引緯機(jī)構(gòu)中傳遞運(yùn)動(dòng)和力的重要構(gòu)件.現(xiàn)對(duì)十字搖軸進(jìn)行柔性化處理：①將SolidWorks中建立的十字搖軸三維實(shí)體模型另存為Parasolid格式文件；②將生成的文件導(dǎo)入ANSYS中，對(duì)十字搖軸采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)，劃分單元選用SOLID185和MASS21，彈性模量設(shè)置為206 GPa，泊松比設(shè)置為0.26，密度設(shè)置為7900 kg/m3，在十字搖軸的連接處設(shè)置剛性節(jié)點(diǎn)，并建立剛性區(qū)域（如圖2所示），然后輸出MNF中性文件；③打開(kāi)ADAMS中建立的空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)剛體模型，應(yīng)用Rigid to Flex命令將ANSYS生成的十字搖軸中性文件替換原來(lái)的剛性十字搖軸，并在十字搖軸的連接處重新定義連接副，其他各構(gòu)件間的連接副保持不變.生成空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，如圖3所示.

圖2 十字搖軸剛性區(qū)域Fig.2 Rigid region of cross axis

圖3 空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ虵ig.3 Rigid-flexible coupling model of spatial four-bar linkage weft insertion mechanism

3.3 動(dòng)力學(xué)仿真與分析

在ADAMS中，首先對(duì)空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛體動(dòng)力學(xué)仿真，設(shè)置織機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min，得到一個(gè)周期內(nèi)劍帶的位移、速度和加速度曲線.然后對(duì)空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真，同樣設(shè)置織機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min，得到一個(gè)周期內(nèi)劍帶的位移、速度和加速度曲線.將剛體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到劍帶的位移、速度、加速度對(duì)比曲線，分別如圖4、圖5和圖6所示.

圖4 劍帶位移曲線Fig.4 Displacement curve of rapier transfer band

圖5 劍帶速度曲線Fig.5 Velocity curve of rapier transfer band

圖6 劍帶加速度曲線Fig.6 Acceleration curve of rapier transfer band

從圖4、圖5和圖6可以看出：①十字搖軸的柔性化對(duì)劍帶的位移曲線影響較小，剛體仿真與剛?cè)狁詈戏抡嬷袆У淖畲笪灰品謩e為2.36 m和2.37 m，兩者最大位移基本一致；②剛體仿真與剛?cè)狁詈戏抡嫦啾龋瑑烧叩膭俣茸畲笃顬?.38 m/s，僅占了剛體仿真中劍帶速度的5%，故也可認(rèn)為十字搖軸的柔性化對(duì)劍帶速度特性影響較小；③剛體仿真與剛?cè)狁詈戏抡嫦啾葎Ъ铀俣惹€波動(dòng)較大，在0.122 s處最大偏差達(dá)到了剛性仿真條件下的66%；而在時(shí)間為0.043～0.106 s，即緯紗交接階段，劍帶加速度平均偏差為3%.

分析引緯工藝特點(diǎn)，劍帶加速度的大幅波動(dòng)會(huì)對(duì)紗線產(chǎn)生較大沖擊力，造成斷紗率提高，進(jìn)而降低劍桿織機(jī)的引緯穩(wěn)定性.而緯紗交接階段加速度波動(dòng)則會(huì)降低緯紗交接的準(zhǔn)確性.引緯穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都是影響劍桿織機(jī)工作效率的重要因素.

工業(yè)生產(chǎn)中，為了提高劍桿織機(jī)的工作效率，經(jīng)常使劍桿織機(jī)處于高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，現(xiàn)就織機(jī)主軸在不同轉(zhuǎn)速下十字搖軸的柔性化對(duì)劍帶加速度特性的影響進(jìn)行分析研究.

在ADAMS環(huán)境中，分別在織機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min、500 r/min和600 r/min時(shí)對(duì)該型空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛體動(dòng)力學(xué)仿真和剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真，得到劍帶加速度對(duì)比曲線，如圖7所示.

圖7 劍帶加速度曲線Fig.7 Acceleration curve of rapier transfer band

通過(guò)對(duì)圖 7（a）、（b）、（c）的對(duì)比可以得出如下結(jié)論：隨著劍桿織機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的提高，十字搖軸柔性化造成劍帶加速度波動(dòng)變大.根據(jù)引緯工藝的要求，織機(jī)主軸轉(zhuǎn)角為105°～255°之間時(shí)，劍桿織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)將進(jìn)行緯紗交接，此時(shí)需要較為平緩的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.分析圖 7（a）、（b）、（c）可以看出，緯紗交接階段，織機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，劍帶加速度平均波動(dòng)為3%；織機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，劍帶加速度平均波動(dòng)為5%；織機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，劍帶加速度平均波動(dòng)為6%.即隨著織機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，緯紗交接階段的劍帶加速度波動(dòng)增大，而劍帶加速度波動(dòng)增大會(huì)導(dǎo)致緯紗無(wú)法準(zhǔn)確有效的進(jìn)行交接，進(jìn)而降低劍桿織機(jī)工作效率.因此，過(guò)度的增加劍桿織機(jī)主軸轉(zhuǎn)速不一定能提高織機(jī)的工作效率，綜合考慮上述因素，得出本文所研究的劍桿織機(jī)的最佳主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min.

3.4 基于ANSYS的柔性十字搖軸瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

在ADAMS環(huán)境中，設(shè)置織機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min，對(duì)引緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真.仿真結(jié)束后通過(guò)ADAMS中的EXPORT命令導(dǎo)出柔性化十字搖軸的載荷文件.然后，在ANSYS環(huán)境中打開(kāi)柔性體十字搖軸，在SOLUTION求解器下選擇分析類(lèi)型為瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析Transient.最后，通過(guò)ADAMS與ANSYS的接口將ADAMS中生成的載荷文件輸入到ANSYS中并對(duì)該模型進(jìn)行求解.在十字搖軸的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副處分別選取節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3，如圖8所示.在ANSYS時(shí)間歷程后處理器POST26中輸出3個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)變曲線，如圖9所示.

圖8 十字搖軸節(jié)點(diǎn)Fig.8 Node of cross axis

圖9 節(jié)點(diǎn)應(yīng)變曲線Fig.9 Strain curve of node

由圖9可以看出，十字搖軸3個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)變極值均在0.042 s與0.122 s處取得.從圖6中剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)劍帶加速度曲線可以看出，在0.042 s時(shí)劍帶加速度取得反向最大值，在0.122 s時(shí)劍帶加速度取得正向最大值.由于劍帶加速度取得極值時(shí)，勢(shì)必造成十字搖軸連接處應(yīng)變?nèi)〉脴O值，故上述結(jié)論驗(yàn)證了所建剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型的正確性.

對(duì)十字搖軸進(jìn)行應(yīng)變分析，通過(guò)ANSYS普通后處理器POST1得到十字搖軸所受應(yīng)力云圖，如圖10所示.通過(guò)應(yīng)力云圖即可得出十字搖軸所受應(yīng)力最大值及其對(duì)應(yīng)位置，為后續(xù)引緯機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考.

圖10 十字搖軸應(yīng)力云圖Fig.10 Cross axis stress cloud map

4 結(jié)論

（1）基于ANSYS與ADAMS建立了空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ?，并?duì)其進(jìn)行了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真.剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真可以更加準(zhǔn)確、有效地反映空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能.

（2）通過(guò)剛體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)十字搖軸的柔性變形會(huì)影響引緯動(dòng)作的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性.并且織機(jī)主軸轉(zhuǎn)速越高，劍帶加速度波動(dòng)越明顯，越不利于引緯.本文所用劍桿織機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速為400 r/min.

（3）利用ANSYS對(duì)柔性十字搖軸進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，找到十字搖軸所受應(yīng)力最大點(diǎn)，并得到十字搖軸連接點(diǎn)處的應(yīng)變曲線，為空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考.