基于虛擬樣機的空間連桿引緯機構運動特性

高維升,李 晶,邢 宇,付莎莎,張銀飛

(西安工程大學 機電工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

碳纖維是國家建設不可缺少的新型戰(zhàn)略材料,具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、導電傳熱等優(yōu)異性能。不僅運用在國防軍工和高技術, 而且在民用工業(yè)中也廣泛使用[1-2]。 但國產碳纖維布的質量與國外相比還有很大的差距,而且生產碳纖維布的劍桿織機在引緯過程中易出現(xiàn)緯紗起毛、 斷紗等問題,因此,提高引緯機構的動態(tài)性能非常重要。

許多學者對引緯機構運動學和動力學作了較為深入的研究。金國光等[3]為更加準確地反映劍桿織機空間四連桿引緯機構在高速運轉時的動力學性能,對其進行剛柔耦合的動力學建模與仿真。王生澤等[4]對劍桿織機傳劍機構進行了彈性動力學分析,設計了全部為轉動副的空間連桿復合型運動引緯機構。Zhang等[5]以引緯機構中劍頭的運動為研究對象進行仿真分析,探討連桿材料特性對劍頭引緯運動的影響,并采用ANSYS分析連桿的應力應變,得出了當連桿為鋁合金材料時,劍頭的運動曲線是最理想的結論。趙雄等[6]提出了一種新型劍頭運動規(guī)律曲線,運動平穩(wěn)、無沖擊且最大加速度較低，躍度無突變,劍頭動力學性能優(yōu)越。Chen等[7]分析了橢圓齒輪引緯機構的運動規(guī)律,證明了劍頭引緯運動的可靠性。Xu等[8]闡述了空間四連桿引緯機構的運動規(guī)律,建立了運動學方程,通過調節(jié)連桿長度以改變劍頭運動。上述研究大多是構件參數(shù)、機構剛性和柔性對運動規(guī)律的影響,沒有涉及構件之間的接觸作用對機構運動規(guī)律的影響。文獻[9-13]分別采用虛擬樣機研究劍桿織機的引緯機構。唐朝飛等[14]運用有限元分析軟件 ANSYS和機械動力學分析軟件 ADAMS,對空間連桿引緯機構關鍵構件進行結構優(yōu)化。這些研究是通過對零件參數(shù)設計、零件結構輕量化等優(yōu)化機構的運動規(guī)律，以提高機構的動態(tài)性能，沒有考慮零件之間的接觸關系對機構運動規(guī)律的影響。

本文通過建立空間連桿引緯機構虛擬樣機模型,分析劍道和滑塊之間滾動接觸對劍桿加速度曲線的影響。在ADAMS中進行運動學和動力學分析[15-17],驗證了在劍道和滑塊之間添加滾輪可以降低劍桿加速度曲線峰值,并利用Workbench軟件對修改前后的劍道做靜力學分析,以保證強度要求。

1 虛擬樣機的模型

1.1 引緯的幾何建模

在Pro/E三維軟件中對空間連桿引緯機構各零件進行建模以及裝配、干涉檢查及驗證?？臻g連桿引緯機構的三維模型如圖1所示。運動原理為：通過給齒輪添加驅動，齒輪1繞著運動軸2做圓周運動,連接在齒輪上的空間搖桿3的上端通過球面副連接做空間運動；空間搖桿3的下端與插座軸4上的小球通過球面副連接，使得平面機構中的底座5繞著銷軸6上下擺動,使固連在底座上的平面搖桿7擺動并帶動平面連桿10運動；平面連桿10與滑塊9通過轉動副連接,滑塊帶動劍桿11沿著劍道8來回往復運動。

1.2 引緯的物理建模

把在 Pro/E 三維軟件中建立的幾何模型保存為 Parasolid 格式,導入 ADAMS 有限元軟件中。 為了進一步研究,建立物理模型,給各個零件添加材料屬性。把平面連桿的材料設置為鋁合金, 其他零件的材料都為結構鋼, 然后給各個零件之間添加約束, 如表1所示。

表 1 零件約束關系Tab.1 Constraint relation of parts

注：表中“0”為ground。

2 空間連桿引緯機構的運動仿真

2.1 ADAMS中的引緯機構

在ADAMS中,對空間連桿引緯機構進行剛體仿真。本引緯機構用于織造碳纖維布,主軸的轉速在40～120 r/min,比其他生產棉布等引緯機構轉速都要低。設置齒輪的電機轉速為100 r/min,仿真時間1 s,步數(shù)為100。假設劍桿是剛性的,劍頭又固定在劍桿的一端,因此只需要分析劍桿的運動特性。劍桿的位移、速度和加速度曲線如圖2所示。

從圖2可以看出,空間連桿引緯機構仿真曲線加速度運動規(guī)律屬于多項式加速度運動規(guī)律，與文獻[18-19]結論相同,從而驗證了建立虛擬樣機的正確性。加速度曲線與其他引緯機構的梯形加速度曲線[20-21]相比較更為平滑,在進入梭口和退出梭口過程中,沒有出現(xiàn)波動,性能也更好。劍桿的加速度曲線周期為0.6 s。在0～0.1 s，劍桿的劍頭取緯并夾持緯紗進入梭口,加速度基本保持不變,機構運動較平穩(wěn)；劍桿移動到0.3 s時刻,位移達到最大為0.82 m,速度為0,加速度達到最大54 m/s2,完成引緯。左右劍桿對稱,織造碳纖維布的布寬為1.64 m。在0.4～0.5 s退出梭口,速度快,且速度的最大值為4.4 m/s,0.5～0.6 s劍桿退出了梭口繼續(xù)取緯?？臻g連桿引緯機構的位移曲線比較光滑,沒有突變,符合設計曲線。

2.2 改進的引緯機構

上述空間連桿引緯機構符合織造碳纖維布的要求,但劍桿上的劍頭加速度峰值較大。由于碳纖維是脆性材料，抗剪切能力低,會出現(xiàn)緯紗的斷頭、起毛,因而要求劍頭在夾持緯紗的過程中慣性力小。因此，改進了連桿引緯機構以降低劍頭加速度峰值，如圖3所示。

在Pro/E中建模并裝配,在劍道和滑塊之間添加滾輪。滾輪是通過轉動副連接在滑塊上,隨著滑塊的移動滾輪在劍道上滾動。

在ADAMS中進行仿真,材料保持不變,滾輪材料設置為結構鋼,仿真時間設置為1 s,得到改進后劍桿的速度以及改進前后加速度曲線，如圖4所示。

在圖4中可以看出,改進后的引緯機構的劍桿速度峰值為4.3 m/s,與改進前的速度基本一致。在主軸轉到180°位置,劍桿移動到0.3 s時,改進后劍桿加速度最大值為48 m/s2,小于改進前的加速度，峰值降低了11.11%。表明滾動接觸對劍桿的加速度曲線的峰值影響比較顯著,從而降低了劍頭的慣性力,與最初的設想是一致的。因為滾輪在滾動時所需要的啟動力矩比滑動摩擦的啟動力矩小,把滑動轉換成滾動可減小慣性力。滾動的缺點是承載能力較滑動低,但由于在劍道處所負擔的載荷并不大,所以滾動副可以代替滑動副。改進后的機構提高了引緯的效率,更有利于碳纖維布的生產織造。

3 引緯機構劍道的強度

3.1 劍道的動力學分析

在改進機構的過程中,對劍道的參數(shù)進行了修改,故需要對劍道做受力分析。在改進前后Y軸方向的作用力改變最大,只需要對Y軸進行動力學分析。在上述條件下,利用ADAMS仿真分析，得到劍道的受力曲線，如圖5所示。

從圖5可以看出,改進前劍道受力最大值為140 N,改進后劍道受力的最大值為92 N,改進后的受力較改進前減少了34%,相對變化比較顯著。從圖5還可看出，改進后劍桿的整個運動過程中受力減小,波動亦減小,即減小了劍道、劍桿的疲勞失效,提高了劍桿運動的平穩(wěn)性。

3.2 劍道的靜力學分析

由于把劍道的Y軸參數(shù)值由30 mm改為26 mm,為了保證劍道的強度,有必要對其進行靜力學分析。劍桿材料選用結構鋼,密度為7 850 kg/m3,彈性模量為2×1011Pa,泊松比為0.3。采用四面體網格劃分,不考慮倒角的影響,使用Patch Independent算法劃分網格。網格單元類型為Solid187,施加的力為140 N和92 N,分析得到的云圖如圖6、7所示。

從圖6可以看出,改進前劍道的最大應力為5.434 MPa,在結構鋼的許用應力之內。最大形變量為0.081 89 mm,可以忽略,更進一步說明零件設計的可靠性。從圖7可以看出，改進后劍道的最大應力為3.473 8 MPa，最大形變量為0.083 mm。查找材料性能手冊得知,結構鋼的抗拉強度σb一般在900 MPa以上；設定安全系數(shù)為 3,材料的許用應力[σ]為300 MPa?？梢?，改進后劍道的最大應力在許用應力范圍之內,符合要求。劍道的應力比原來降低了36%,形變比原來增加了1.3%,即改進后的劍道應力有了很大的改善,形變的增加對機構正常工作的影響可以忽略不計,提高了整體機構的動態(tài)性能,表明此機構改進具有一定的可行性。

4 結 論

1) 改進后劍頭的加速度幅值比改進前降低了11.11%,降低了劍頭的慣性力。說明滾動接觸影響著劍桿的運動特性,可以提高機構運動的平穩(wěn)性,降低緯紗的斷頭、斷尾率?？梢?，為提高機構的動態(tài)性能,改進并優(yōu)化引緯機構構件間的接觸形式是不可忽視的因素。

2) 與改進前相比,改進后的劍道在滿足機構正常運動的前提下，應力比原來降低了36%,形變比原來增加了1.3%,劍道強度滿足要求?？梢?，改進的劍道結構是合理的,為今后制造出性能優(yōu)良的引緯機構提供了參考。