劍桿織機(jī)用凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

梅寶龍，袁汝旺

(1.中國(guó)紡織機(jī)械協(xié)會(huì)，北京 100028；2.天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，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)

0 引言

凸輪機(jī)構(gòu)一般是由主動(dòng)件和從動(dòng)件組成的高副機(jī)構(gòu)，可將凸輪連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為從動(dòng)件往復(fù)移動(dòng)或擺動(dòng)。凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，可實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件預(yù)期的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律，高速運(yùn)動(dòng)可靠性高。凸輪機(jī)構(gòu)主要包括平面凸輪機(jī)構(gòu)與空間凸輪機(jī)構(gòu)[1]等，在紡織機(jī)械中應(yīng)用廣泛，如織造機(jī)械的開口機(jī)構(gòu)、打緯機(jī)構(gòu)和引緯機(jī)構(gòu)[2-4]，以及經(jīng)編機(jī)梳櫛橫移機(jī)構(gòu)[5]、卷繞機(jī)卷繞頭[6]和絡(luò)筒機(jī)槽筒[7]等。目前，國(guó)內(nèi)紡織機(jī)械用凸輪多采用三維掃描技術(shù)獲取凸輪廓線數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行凸輪廓線加工，導(dǎo)致實(shí)際工作車速不足、振動(dòng)噪聲大、可靠性差等問(wèn)題，與國(guó)外同類產(chǎn)品相比存在較大差距。因此，設(shè)計(jì)滿足紡織工藝需求的凸輪機(jī)構(gòu)有利于增強(qiáng)國(guó)產(chǎn)紡織裝備領(lǐng)域研發(fā)實(shí)力，對(duì)提升技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量及核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重大意義[8]。

凸輪是紡織裝備領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件，而國(guó)內(nèi)紡織裝備制造企業(yè)與相關(guān)科研院所或高校對(duì)紡織機(jī)械用凸輪設(shè)計(jì)與制造的基礎(chǔ)理論研究不足；主要體現(xiàn)在：凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性與紡織工藝分析耦合關(guān)系不清楚，凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律產(chǎn)品系列化不足，紡織工藝可靠性的動(dòng)力學(xué)分析不足等方面。筆者從紡織工藝與凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性耦合的視角，提出凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律反求、擬合與重構(gòu)方法，探討從運(yùn)動(dòng)規(guī)律角度開展凸輪機(jī)構(gòu)系列化設(shè)計(jì)，分析凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠性。凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的紡織工藝，其工藝變化需更換凸輪，故產(chǎn)品多樣性的關(guān)鍵是依據(jù)工藝需求將含凸輪機(jī)構(gòu)部件或單元系列化，包括從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律系列化、結(jié)構(gòu)形式與參數(shù)模塊化、關(guān)鍵部件單元系列化等，有助于實(shí)現(xiàn)紡織機(jī)械產(chǎn)品系列化。

1 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1.1 以實(shí)現(xiàn)紡織工藝為根本目標(biāo)

以紡織工藝為出發(fā)點(diǎn)，分析紡織工藝與凸輪機(jī)構(gòu)構(gòu)型及其運(yùn)動(dòng)特性的關(guān)系，確定凸輪機(jī)構(gòu)構(gòu)型。結(jié)合工藝參數(shù)與特征值對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如考慮速度與紗線張力的關(guān)系、扭矩與電機(jī)特性的關(guān)系、凸輪運(yùn)動(dòng)特征值峰值對(duì)紡織品力學(xué)性能的影響等，有利于提高紡織品質(zhì)量。

1.2 以凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性為核心

凸輪機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)采用三角函數(shù)或多項(xiàng)式函數(shù)，凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)。但簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)規(guī)律不適用于紡織機(jī)械用凸輪設(shè)計(jì)，因此復(fù)雜從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)采用分段組合函數(shù)或傅里葉級(jí)數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，該運(yùn)動(dòng)規(guī)律靈活性大，可根據(jù)不同工藝進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)調(diào)整，當(dāng)工藝發(fā)生變化時(shí)，修改特定參數(shù)得到符合工藝變化后的凸輪輪廓線，有助于將凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)特性系列化。

1.3 以紡織機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)分析為手段

紡織品既是被加工的對(duì)象，又是力和運(yùn)動(dòng)的傳遞媒介，以紡織品與機(jī)械耦合作用的凸輪設(shè)計(jì)方法，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行紡織品與機(jī)械耦合作用下的多物理場(chǎng)分析，從紡織品力學(xué)性能和產(chǎn)品質(zhì)量方面提出凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)?；谕馆啓C(jī)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)可靠性及動(dòng)力學(xué)分析，提高從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)精度，減少高速工況下的振動(dòng)、噪聲等，切實(shí)提高紡織機(jī)械裝備質(zhì)量。

2 劍桿織機(jī)用凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

劍桿織機(jī)的開口機(jī)構(gòu)、引緯機(jī)構(gòu)和打緯機(jī)構(gòu)，通常采用共軛凸輪或圓柱凸輪實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，滿足織造工藝需求。國(guó)產(chǎn)劍桿織機(jī)用凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要采用分段函數(shù)或簡(jiǎn)單的三角函數(shù)，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下織機(jī)停車故障率高、振動(dòng)噪聲大。筆者以一組正弦或余弦函數(shù)為基礎(chǔ)，基于傅里葉級(jí)數(shù)構(gòu)造，設(shè)計(jì)了滿足不同織造工藝需求的凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其計(jì)算公式見式(1)。

式(1)中：S(θ)為從動(dòng)件角位移；v(θ)為從動(dòng)件角速度；a(θ)為從動(dòng)件角加速度；θ為織機(jī)主軸轉(zhuǎn)角；θ0為從動(dòng)件升程所對(duì)應(yīng)的織機(jī)主軸轉(zhuǎn)角；a0，bn，cn分別為傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)，由邊界條件確定；ω為織機(jī)主軸轉(zhuǎn)速；k為傅里葉級(jí)數(shù)的階數(shù)；h為從動(dòng)件角位移最大幅值。

式(1)為傅里葉級(jí)數(shù)的基本形式，依據(jù)織造工藝的差異性，合理選擇傅里葉級(jí)數(shù)的構(gòu)成及其階數(shù)和從動(dòng)件升程對(duì)應(yīng)的織機(jī)主軸轉(zhuǎn)角是十分重要的。

2.1 旋轉(zhuǎn)式電子多臂開口凸輪設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)式電子多臂開口機(jī)構(gòu)為復(fù)動(dòng)式開口，多臂機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)360°形成2次開口，且經(jīng)紗滿開到綜平(H0至H1)與綜平到滿開(H1至H2)的所有多臂機(jī)主軸轉(zhuǎn)角均為90°，圖1為經(jīng)紗開口過(guò)程示意。

圖1 經(jīng)紗開口示意

旋轉(zhuǎn)式電子多臂機(jī)的變速運(yùn)動(dòng)由多臂機(jī)主軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)與凸輪從動(dòng)件繞鉸接點(diǎn)的往復(fù)擺動(dòng)2部分組成，圖2為旋轉(zhuǎn)變速運(yùn)動(dòng)的合成原理。由圖2可知，在運(yùn)動(dòng)周期φ0內(nèi)，轉(zhuǎn)子臂與偏心連桿的牽引與角位移為連續(xù)變化的直線或曲線，且幅值與運(yùn)動(dòng)周期φ0相等，而相對(duì)角位移由初始位置開始在正負(fù)極限位置之間連續(xù)往復(fù)擺動(dòng)，振幅為φrimax。相對(duì)角位移是關(guān)于點(diǎn)(φ0/2，0)的對(duì)稱曲線，絕對(duì)角位移是關(guān)于點(diǎn) (φ0/2，φ0/2)的對(duì)稱曲線。凸輪從動(dòng)件的往復(fù)擺動(dòng)規(guī)律對(duì)綜框靜止時(shí)間、經(jīng)紗張力與機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性影響很大，設(shè)計(jì)合理凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律并形成系列化以滿足不同車速與幅寬織機(jī)的開口需求。

a) 牽引角位移

圖3為織機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)1圈的旋轉(zhuǎn)變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)特性。由圖3可知，旋轉(zhuǎn)變速運(yùn)動(dòng)的角速度和角加速度連續(xù)變化無(wú)突變，有利于織機(jī)綜框的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

a) 絕對(duì)運(yùn)動(dòng)角位移

旋轉(zhuǎn)變速運(yùn)動(dòng)經(jīng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)提綜臂具有一定停頓時(shí)間的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。圖4為不同速度參數(shù)下提綜臂的運(yùn)動(dòng)特性。由圖4可知，提綜臂的運(yùn)動(dòng)特性由調(diào)節(jié)系數(shù)b控制，系數(shù)b越小，綜框相對(duì)靜止時(shí)間越長(zhǎng)，但綜框運(yùn)動(dòng)的速度和加速度越大，易引起經(jīng)紗斷頭與機(jī)器振動(dòng)，不利于高速。因此，需合理選擇調(diào)節(jié)系數(shù)b且平衡開口時(shí)間與動(dòng)態(tài)特性的關(guān)系，并開發(fā)設(shè)計(jì)系列化凸輪，才能滿足不同幅寬與車速的織造需求。

a) 提綜臂角位移

2.2 變導(dǎo)程螺旋引緯凸輪設(shè)計(jì)

變導(dǎo)程螺旋引緯機(jī)構(gòu)利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)變導(dǎo)程螺桿往復(fù)擺動(dòng)，并通過(guò)傳劍輪驅(qū)動(dòng)劍桿帶的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為滿足織機(jī)不同車速與幅寬的需求，在不改變曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與傳劍輪尺寸的條件下，合理調(diào)節(jié)螺桿的導(dǎo)程以適應(yīng)不同的織造條件。

圖5和圖6是幅寬分別為320 cm與380 cm的螺桿導(dǎo)程與劍桿帶動(dòng)程，可知，不同幅寬螺桿導(dǎo)程變化和劍桿帶動(dòng)程具有相似的運(yùn)動(dòng)特性；在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)動(dòng)程不變的條件下，合理調(diào)節(jié)螺桿導(dǎo)程的變化規(guī)律可滿足不同幅寬(170 cm～430 cm)的織造需求，且可通過(guò)調(diào)節(jié)曲柄的尺寸以滿足緯紗交接條件。

圖5 旋轉(zhuǎn)多臂運(yùn)動(dòng)合成

圖6 劍桿運(yùn)動(dòng)特性

2.3 共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

從織物形成角度看，打緯機(jī)構(gòu)為劍桿織機(jī)5大機(jī)構(gòu)的核心，通過(guò)調(diào)節(jié)打緯機(jī)構(gòu)慣性力來(lái)滿足不同織物負(fù)載與緯密要求，而打緯機(jī)構(gòu)加速度是影響慣性打緯力的關(guān)鍵。圖7為3種不同幅寬織機(jī)打緯運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。

由圖7可知，幅寬相同時(shí)，織造產(chǎn)品不同應(yīng)選擇不同的凸輪輪廓線；幅寬不同時(shí)可調(diào)節(jié)打緯運(yùn)動(dòng)所占織機(jī)主軸轉(zhuǎn)角的比例，調(diào)節(jié)遠(yuǎn)休止角時(shí)間及其動(dòng)態(tài)特性以滿足不同幅寬、車速與品種的織造需求。

a) 筘座腳角位移

3 結(jié)論

凸輪機(jī)構(gòu)及其系統(tǒng)是紡織裝備的關(guān)鍵部分，其廓線形狀與紡織工藝密切相關(guān)。因此，應(yīng)從紡織工藝的差異化需求出發(fā)，探索凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性與紡織工藝的耦合關(guān)系，通過(guò)凸輪機(jī)構(gòu)建模及其動(dòng)態(tài)特征參數(shù)、機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)和從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的系列化配置，開發(fā)系列化凸輪，在滿足紡織工藝差異化需求的前提下，進(jìn)一步提升裝備的可靠性、穩(wěn)定性和核心競(jìng)爭(zhēng)能力。