預(yù)制體縫合針穩(wěn)定性分析及插刺機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計

董九志， 宋宗建， 陳云軍， 蔣秀明

(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)實驗室，天津 300387)

縫合技術(shù)是針對傳統(tǒng)預(yù)制體成型方法不足而開發(fā)的一種全新技術(shù)，其原理是通過縫合手段，使復(fù)合材料在垂直于鋪層平面方向得到增強(qiáng)，從而提高材料層間損傷容限[1]。縫合技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，Mingenery等[2]在環(huán)氧樹脂/碳纖維體系固化前將碳纖維縫入層合板的厚度方向起承力作用，顯著提高了層間強(qiáng)度，之后縫合技術(shù)得到了世界各國的重視和研究。近年來，我國在縫合復(fù)合材料研究與應(yīng)用方面已取得長足進(jìn)步，北京航空制造工程研究已在縫合復(fù)合材料計算機(jī)模擬仿真、復(fù)雜構(gòu)件預(yù)制體成型等方面取得了突破性進(jìn)展[3-4]。由于縫合復(fù)合材料應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，我國相應(yīng)的縫合設(shè)備得到了迅猛發(fā)展，從最原始的工業(yè)縫紉機(jī)發(fā)展到了由計算機(jī)控制的大型縫合設(shè)備[5-6]。

縫合針作為縫合設(shè)備的主要器材，其功能為穿透縫料、引導(dǎo)縫合線、形成線環(huán)進(jìn)而完成縫合鎖扣工作，是影響縫合設(shè)備穩(wěn)定工作的關(guān)鍵部件[7]。國內(nèi)外關(guān)于縫合針的研究主要集中在對縫合針的選擇及結(jié)構(gòu)改進(jìn)，涉及縫合針在使用過程中容易產(chǎn)生的針洞、疵點(diǎn)、針溫、縫合針穿透力變?nèi)跫捌浔砻娲植诙炔顚?dǎo)致紗線起毛等問題，且已有縫合設(shè)備一般縫合厚度為20～30 mm，而關(guān)于較厚預(yù)制體用超長縫合針穩(wěn)定性研究卻鮮有報道[8-10]。然而，應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的樹脂基碳纖維復(fù)合材料機(jī)匣、渦扇發(fā)動機(jī)碳陶復(fù)合材料噴口調(diào)節(jié)片、空天飛行器機(jī)翼前緣等器件在生產(chǎn)時均需以70 mm厚炭/炭縫合復(fù)合材料預(yù)制體為加工基材，對此大厚度復(fù)合材料預(yù)制體進(jìn)行縫合時，縫合設(shè)備所用縫合針長度過大，且隨著針尖刺入縫料深度的不斷增加，縫合針?biāo)芄ぷ髯枇σ苍絹碓酱?，易?dǎo)致針桿失穩(wěn)；為使縫合針順利引導(dǎo)縫合線完成縫合工作，需在針桿處加工線槽，此結(jié)構(gòu)會嚴(yán)重降低縫合針工作穩(wěn)定性，尤其對大厚度縫料縫合時易出現(xiàn)壓桿失穩(wěn)現(xiàn)象。

為保證縫合針工作穩(wěn)定性，本文對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并結(jié)合70 mm厚正交疊層機(jī)織碳布縫合裝置特點(diǎn)，設(shè)計適用于增大縫合針失穩(wěn)臨界力的改進(jìn)單針插刺機(jī)構(gòu)以提高縫合針工作穩(wěn)定性。

1 縫合針失穩(wěn)分析

本文所用縫合針直徑為2 mm，工作長度為 120 mm，為大柔度壓桿且針桿處開有超長過線槽。

傳統(tǒng)縫合裝置工作時縫合針一直處于一端固定、一端鉸支的單一約束狀態(tài)，如圖1所示。由歐拉公式可知，此時縫合針失穩(wěn)臨界力為

(1)

式中：l為縫合針工作總長度，mm；E為縫合針彈性模量,E=210 GPa；I為縫合針針截面慣性矩，I=7×10-13；μ1為縫合針長度因數(shù)，μ1=0.7。

圖1 插刺機(jī)構(gòu)簡圖

縫合針插刺70 mm厚正交疊層機(jī)織碳布過程中所受最大工作阻力由實驗測得。實驗采用艾普SF-300 N數(shù)顯高精度拉力推力計，該設(shè)備具有工作跟蹤模式和峰值保持模式，通過對縫料表面不同位置進(jìn)行5次豎直方向單針插刺推力測量，測得縫合針在插刺過程中工作阻力F分別為61.1、60.9、61.0、61.2、60.7 N，其中最大工作阻力為61.2 N，故縫合針在未被抱持時工作安全因數(shù)為

(2)

式中，nst為穩(wěn)定安全因數(shù)。

由式(2)可知，縫合針未被抱持時工作安全因數(shù)n1小于規(guī)定穩(wěn)定安全因數(shù)nst,即此狀態(tài)下縫合針進(jìn)行碳布縫合時易出現(xiàn)壓桿失穩(wěn)現(xiàn)象，須通過改進(jìn)以增大縫合針失穩(wěn)臨界力，確保其工作可靠性。

2 單針插刺機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計

2.1 單針插刺機(jī)構(gòu)改進(jìn)方案

設(shè)計基本要求:增大縫合針失穩(wěn)臨界力，使縫合裝置縫合70 mm厚疊層碳布時，其縫合針不會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，工作可靠。

為滿足設(shè)計要求提出以下方案：以正交疊層機(jī)織碳布縫合裝置為基礎(chǔ)，改進(jìn)方案由抱針凸輪、抱針桿以及抱針塊等組成，三維模型如圖2所示。其中抱針凸輪安裝在插刺機(jī)構(gòu)主軸上，抱針凸輪面與抱針桿頂部的滾輪始終接觸，抱針桿下部安裝抱針塊，抱針塊上抱針孔直徑略大于縫合針直徑，實現(xiàn)對縫合針的固支約束。工作時，抱針凸輪隨插刺機(jī)構(gòu)主軸同步轉(zhuǎn)動，抱針桿在凸輪軌跡的控制下實現(xiàn)上下方向復(fù)雜軌跡運(yùn)動，保證抱針塊始終處于理想位置。該方案通過抱針塊增加縫合針中段約束點(diǎn)，減小縫合針懸臂長度，同時利用抱針凸輪控制抱針塊在縫合針刺入疊層碳布后的位置，確保抱針塊始終處于使縫合針失穩(wěn)臨界力最大時的位置。

1—抱針凸輪；2—主軸；3—滾輪；4—滾輪座；5—抱針桿；6—針桿；7—縫合針；8—抱針塊；9—曲柄；10—同步帶輪；11—連桿。

2.2 抱針塊運(yùn)動規(guī)律確定

在改進(jìn)單針插刺機(jī)構(gòu)中，抱針塊的運(yùn)動就是抱針凸輪的輸出運(yùn)動，其規(guī)律與特性影響整個插刺機(jī)構(gòu)的工作情況，凸輪的輪廓曲線也取決于抱針塊的運(yùn)動規(guī)律，因此，確定抱針塊運(yùn)動規(guī)律十分關(guān)鍵。由設(shè)計方案可知，抱針塊的運(yùn)動規(guī)律應(yīng)結(jié)合插刺機(jī)構(gòu)各部件尺寸及運(yùn)動情況確定，抱針塊與插刺機(jī)構(gòu)配合關(guān)系如圖3所示，其變化規(guī)律即為所求抱針塊運(yùn)動規(guī)律。

在與船員管理者溝通的基礎(chǔ)上，設(shè)計有關(guān)船員疲勞及其影響因素的調(diào)查問卷，包含所有可能影響海員疲勞的影響因素，并進(jìn)一步分析這些因素如何影響海員的疲勞。

由圖中幾何關(guān)系可得

(3)

式中：s1為插刺機(jī)構(gòu)曲柄長度，mm；s2為連桿長度，mm。

當(dāng)縫合針刺入疊層碳布時，鉸鏈支座處于縫合針刺入碳布部分的中間，其與碳布頂面距離為

(4)

式中：lz為針桿與縫合針總長度，mm；xt為縫料到主軸的距離，mm。

注：s1=55 mm，s2=220 mm， d=10 mm， xt=481 mm，lz=301 mm。

根據(jù)歐拉公式，抱針塊上部縫合針約束條件為兩端固定，其失穩(wěn)臨界力為

(5)

抱針塊下部縫合針約束條件為一端固定、一端鉸支，其失穩(wěn)臨界力為

(6)

式中：l1為抱針塊至縫合針頂端距離，mm；l2為抱針塊至虛擬鉸鏈距離，mm；μ1、μ2為縫合針長度因數(shù)，μ1=0.7、μ2=0.5。

根據(jù)F1、F2的變化規(guī)律可知，縫合針失穩(wěn)臨界力為最大時，有

F=F1=F2

(7)

l1=1.96×l2

(8)

則主軸至抱針塊中心距離為

(9)

式中：d為抱針塊厚度，mm；xk為主軸至抱針塊中心的距離，mm。

由于抱針塊不能與碳布發(fā)生干涉，因此要求抱針塊到達(dá)最底端時，其剛好與碳布接觸，故有

xk≤xt-0.5d

(10)

由以上各式可得抱針塊在不同主軸轉(zhuǎn)角φ區(qū)間內(nèi)的關(guān)系式

利用MatLab軟件做出其運(yùn)動曲線、速度曲線及加速度曲線，如圖4～6所示。

圖4 抱針塊運(yùn)動曲線

圖5 抱針塊速度曲線

圖6 抱針塊加速度曲線

由圖5可知，抱針塊在A、B、C、D4個點(diǎn)產(chǎn)生速度突變，即凸輪機(jī)構(gòu)將在這4個點(diǎn)處產(chǎn)生剛性沖擊。為消除這種沖擊，現(xiàn)使用三次項方程對其運(yùn)動軌跡G-E，B-C，F(xiàn)-H段進(jìn)行修正，得到修正后的抱針塊運(yùn)動曲線、速度及加速度曲線，如圖7～9所示。修正后的曲線在保持與原曲線相差較小的情況下光滑過渡，機(jī)構(gòu)無剛性沖擊。

圖7 修正后從動件(抱針塊)運(yùn)動曲線

圖8 修正后從動件(抱針塊)速度曲線

圖9 修正后從動件(抱針塊)加速度曲線

2.3 抱針凸輪廓線設(shè)計

抱針凸輪輪廓曲線根據(jù)修正后的抱針塊運(yùn)動曲線確定，其理論廓線公式為[11]

(11)

式中：

式中：θB凸輪理論廓線的極角，rad；ρB分別為凸輪理論廓線的極徑，mm；η為偏置方向符號系數(shù)；a為偏置距，mm,a=0;Rb為基圓半徑，mm。

抱針凸輪實際廓線公式[11]為

(12)

式中：θk為凸輪實際廓線的極角，rad；ρk為凸輪實際廓線的極徑，mm；λ為凸輪輪廓類型系數(shù)，λ=1；Rr為滾子半徑；Rr=7 mm；α為壓力角，rad。

為使凸輪機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，壓力角不可過大，取許用壓力角[α]=35o。由于基圓半徑Rb值越大，α越小，取初始值Rb=10 mm，步長為0.5 mm，利用MatLab軟件進(jìn)行迭代計算，得到最小可用基圓半徑Rb=29 mm。

根據(jù)以上參數(shù)，利用MatLab軟件繪制出凸輪實際廓線，如圖10所示，據(jù)此加工出的凸輪實物圖如圖11所示。

圖10 抱針凸輪實際廓線

圖11 抱針凸輪

3 改進(jìn)單針插刺機(jī)構(gòu)功能驗證

根據(jù)修整后的抱針塊運(yùn)動曲線及公式(6)，利用MatLab軟件繪制出力F2的變化曲線，如圖12所示，由公式(7)可知，此曲線亦為縫合針失穩(wěn)臨界力F的變化曲線。

圖12 F2的變化曲線

由圖12可知，改進(jìn)單針插刺機(jī)構(gòu)縫合針的失穩(wěn)臨界力最小值Fmin=1 526.5 N，故其最小工作安全因數(shù)為

(13)

由式(13)可知，此狀態(tài)下縫合針工作安全因數(shù)n2遠(yuǎn)大于規(guī)定穩(wěn)定安全因數(shù)nst，即改進(jìn)單針插刺機(jī)構(gòu)能夠避免縫合針在工作過程中出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，保證生產(chǎn)可靠，滿足設(shè)計要求。

4 實驗驗證

改進(jìn)單針插刺機(jī)構(gòu)整體裝配圖如圖13所示。為驗證改進(jìn)機(jī)構(gòu)功能可靠性與穩(wěn)定性，進(jìn)行了縫合插刺實驗。該實驗選用碳布厚度為0.25 mm，呈正交疊層放置壓實，層間距為0.25 mm，縫料總厚度為70 mm?？p合針在縫料幅面四角及中間5個位置點(diǎn)分別進(jìn)行50次不間斷插刺實驗，實驗過程如圖14所示，實驗結(jié)果見表1。

圖13 插刺機(jī)構(gòu)裝配圖

在縫合針插刺實驗中，250次不間斷插刺動作順利刺穿縫料，縫合針始終工作穩(wěn)定，完成實驗后縫合針依舊垂直，未發(fā)生形變。表明改進(jìn)單針插刺機(jī)構(gòu)工作原理正確，工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足縫合針穩(wěn)定性要求。

圖14 插刺實驗過程

表1 實驗結(jié)果統(tǒng)計表

5 結(jié)束論

針對70 mm厚預(yù)制體正交疊層機(jī)織碳布縫合裝置在縫合碳布過程中易出現(xiàn)縫合針壓桿失穩(wěn)問題，設(shè)計了增大其失穩(wěn)臨界力的改進(jìn)單針插刺機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)通過抱針塊增加縫合針中段約束點(diǎn)，減小縫合針懸臂長度，同時利用抱針凸輪控制抱針塊在縫合針刺入疊層碳布后的位置，同步性好，控制精準(zhǔn)，能保證抱針塊始終處于最佳位置，增加了縫合針進(jìn)行插刺時的失穩(wěn)臨界力。對改進(jìn)單針插刺機(jī)構(gòu)作用下縫合針失穩(wěn)臨界力進(jìn)行計算分析，結(jié)果表明其原理可行，滿足設(shè)計要求。為驗證改進(jìn)后的單針插刺機(jī)構(gòu)可行性，進(jìn)行了正交疊層機(jī)織碳布插刺實驗，結(jié)果表明其原理可行，工作可靠。