劍桿織機碳纖劍帶包繞傳劍輪的約束載荷特征

朱金杰， 周香琴

(浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

碳纖劍帶是劍桿織機引緯機構(gòu)中的關(guān)鍵零件，由縱橫2個方向交替的多層碳纖與環(huán)氧樹脂結(jié)合而成，具有一定的剛度和撓性。劍帶壓塊把碳纖劍帶約束在傳劍輪上，由傳劍輪帶動劍頭運動，從而實現(xiàn)引緯。由于碳纖劍帶相對其他撓性劍帶具有更大的剛度，因此梭口內(nèi)無需導(dǎo)鉤約束，對織物品種適應(yīng)性很好，深受使用者歡迎；但碳纖劍帶包繞在傳劍輪上需要較大的約束力，運行過程中劍帶溫度較高，容易出現(xiàn)劍帶開裂磨損等問題。為了提高設(shè)備性能，研究碳纖劍帶包繞在傳劍輪上的約束載荷特征，可為劍桿織機的使用提供更科學(xué)的依據(jù)，具有較高工程意義。目前有學(xué)者研究了引緯機構(gòu)中傳劍輪載荷特性[1]，引緯機構(gòu)中劍桿及劍帶的運動規(guī)律[2-3]，引緯機構(gòu)中劍帶潤滑導(dǎo)向機構(gòu)設(shè)計[4]，引緯機構(gòu)的載荷特征[5-7]，劍帶在劍箱中的變形[8]，劍帶孔加工沖壓模具及加工工藝[9]，以及劍帶冷卻裝置[10]，但對于引緯過程中劍帶磨損、斷裂、損壞原因的探索以及改進措施的研究相對較少。因此課題組通過分析碳纖劍帶在傳劍輪處的約束特征，研究碳纖劍帶所受的約束載荷及其影響因素，針對影響因素提出完善措施，從而提高劍帶使用壽命，為劍桿織機的設(shè)計和穩(wěn)定運行提供合理的建議。

1 碳纖劍帶的約束特征

碳纖劍帶的工作環(huán)境如圖1所示。引緯機構(gòu)中碳纖劍帶1在傳劍輪2的帶動下，從劍庫3中牽引而出(劍帶在劍庫中被約束只能沿劍庫方向運動)，在劍帶壓塊4、劍帶壓塊6約束下包繞在傳劍輪上，在傳劍輪的外部，碳纖劍帶由劍庫3和靜導(dǎo)軌7約束。工作時，傳劍輪順時針轉(zhuǎn)動，帶動碳纖劍帶和劍頭從劍庫出來，經(jīng)過傳劍輪和靜導(dǎo)軌，進入梭口，把緯紗交給右側(cè)劍頭；隨后，傳劍輪逆時針轉(zhuǎn)動，帶動碳纖劍帶經(jīng)過靜導(dǎo)軌和傳劍輪回到劍庫，完成了一次引緯工作。在該運動過程中，碳纖劍帶在劍庫內(nèi)的長度始終在變化，但總有一部分碳纖劍帶留在劍庫和靜導(dǎo)軌中。劍帶在劍帶壓塊4和6處受到約束力，在約束力的作用下，碳纖劍帶實現(xiàn)直線運動與圓弧運動的轉(zhuǎn)變。

1—劍帶；2—傳劍輪；3—劍庫；4—劍帶壓塊；5—劍帶護圈；6—劍帶壓塊；7—靜導(dǎo)軌；8—劍頭。圖1 劍帶約束原理圖Figure 1 Schematic diagram of rapier belt restraint

2 碳纖劍帶的剛度屬性

引緯過程中劍帶包覆在傳劍輪表面，而碳纖劍帶內(nèi)部均勻分布的方孔與傳劍輪齒相互嚙合，在傳劍輪的驅(qū)動下實現(xiàn)引緯功能。碳纖劍帶帶寬30 mm，帶厚t=1.35 mm，如圖2所示。

圖2 碳纖劍帶Figure 2 Carbon fiber rapier belt

2.1 測試剛度屬性的理論模型

為研究碳纖劍帶約束特征，需獲得碳纖劍帶剛度屬性參數(shù)?；趹冶哿毫W(xué)模型，測量碳纖劍帶剛度屬性，如圖3所示。因碳纖劍帶內(nèi)部質(zhì)量分布不均勻(見圖2)，不宜單獨測量彈性模量E及慣性矩I，可將實驗數(shù)據(jù)通過計算來獲得劍帶截面抗彎剛度參數(shù)EI。

圖3 懸臂梁在集中力作用下的形變Figure 3 Deformation of cantilever beam under concentrated force

已知撓度vB為

(1)

式(1)變換可得截面抗彎剛度參數(shù)EI為

(2)

2.2 測試剛度屬性的實驗?zāi)Ｐ?/h3>

實驗如圖4所示，通過增減砝碼改變集中載荷F、移動劍帶夾緊位置改變距離l，測得撓度值vB，計算獲得劍帶截面抗彎剛度參數(shù)EI。

圖4 懸臂梁實驗測量實物圖Figure 4 Actual picture of cantilever beam experimental measurement

2.3 測試結(jié)果

碳纖劍帶的截面抗彎剛度如表1所示。

表1 碳纖劍帶的截面抗彎剛度EITable 1 Sectional bending stiffness EI of carbon fiber belt

綜上所得，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，劍帶截面抗彎剛度EI約為0.25 N·m2。

3 碳纖劍帶的約束載荷

3.1 劍帶靜態(tài)約束載荷

取包繞在傳劍輪上的劍帶為研究對象，對劍帶進行靜態(tài)約束載荷分析，如圖5所示。

圖5 劍帶的靜力分析Figure 5 Static analysis of rapier belt

圖中：F1，F(xiàn)2為劍帶壓塊對劍帶的約束載荷；FN為傳劍輪各齒對劍帶的均布載荷。對劍帶包繞傳劍輪的約束載荷F1和F2進行分析(由于F1=F2，下文中均以約束載荷F代替)，探究影響約束載荷特征的因素。

3.2 約束載荷理論模型

劍帶、劍帶壓塊及傳劍輪位置關(guān)系如圖6所示。劍帶壓塊對劍帶起約束作用，使劍帶包覆在傳劍輪上，且劍帶壓塊下表面與劍帶上表面存在間隙c。

1—劍帶；2—傳劍輪；4—劍帶壓塊；6—劍帶壓塊。圖6 劍帶、劍帶壓塊及傳劍輪位置關(guān)系Figure 6 Positional relationship between rapier belt, pressing block and rapier wheel

圖6中D為傳劍輪底徑，θ為劍帶對傳劍輪的包絡(luò)角。劍帶包繞傳劍輪的約束載荷可近似于梁在彎曲力作用下的力學(xué)模型，如圖7所示。

圖7 梁在彎曲力作用下的變形示意圖Figure 7 Schematic diagram of beam deformation under bending force

圖7中a為力臂，ρ為曲率半徑。取圖6中劍帶壓塊6處進行劍帶彎曲變形分析，劍帶包繞傳劍輪的約束載荷作用支點可參考圖8所示。

1—劍帶；2—傳劍輪；6—劍帶壓塊。圖8 劍帶約束載荷支點示意圖Figure 8 Schematic diagram of restraint load fulcrum of rapier belt

在純彎曲情況下，彎矩與曲率間的關(guān)系為

(3)

彎矩與作用載荷關(guān)系為

M=Fa。

(4)

將圖8簡化，得到劍帶位置示意如圖9所示。

圖9 劍帶約束載荷支點簡圖Figure 9 Rapier belt restraint load fulcrum vector

(5)

(6)

當(dāng)θP足夠小，tanθP≈θP，結(jié)合圖9和式(5)～(6)，可得力臂a為

(7)

聯(lián)立式(3)～(4)和式(7)，集中約束載荷F為

(8)

3.3 約束載荷實驗

根據(jù)圖7理論模型搭建圖10實驗平臺，測得各條件下劍帶的約束載荷F如表2所示。

圖10 靜態(tài)載荷約束實驗照片F(xiàn)igure 10 Photo of static load restraint experiment

表2 實驗測得不同條件下對應(yīng)的約束載荷FTable 2 Experimentally measured corresponding restraint load F under different conditions

3.4 實驗數(shù)據(jù)分析

由表2實驗數(shù)據(jù)可知：改變傳劍輪底徑D，約束載荷F隨之變化，底徑D越大，約束載荷F越小，初步證明約束載荷F與傳劍輪底徑D呈負(fù)相關(guān)；改變包絡(luò)角θ，約束載荷F無明顯變化，即約束載荷F與包絡(luò)角θ無關(guān)；劍帶壓塊與劍帶的間隙c越大，約束載荷F越小，即約束載荷F與間隙c呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)式(8)的計算關(guān)系，F(xiàn)與D和c之間的變化規(guī)律如表3所示。

表3 劍帶約束載荷F隨D，c改變的理論值Table 3 Theoretical value of restraint load F of rapier belt changing with D and c

將表2實驗數(shù)據(jù)與表3理論值進行對比，曲線如圖11所示?？芍獎Ъs束載荷實驗數(shù)據(jù)與理論值基本吻合，驗證理論模型正確，同時也得出結(jié)論：傳劍輪底徑D、劍帶壓塊下表面與劍帶上表面間隙c是影響劍帶約束載荷的2個重要因素。

圖11 數(shù)據(jù)對比Figure 11 Data comparison

4 結(jié)論

課題組針對劍桿織機碳纖劍帶包繞傳劍輪進行了約束載荷分析，得出影響劍帶約束載荷的主要因素：

1) 傳劍輪底徑。底徑越大，約束載荷越小。

2) 劍帶壓塊與劍帶的間隙。間隙越大，約束載荷越小。

3) 劍帶截面抗彎剛度。剛度越大，約束載荷越大。

根據(jù)上述研究結(jié)論，課題組提出減小劍帶約束載荷的措施：

1) 在設(shè)計時盡可能增大傳劍輪底徑；

2) 在設(shè)計和使用時，嚴(yán)格控制劍帶壓塊與劍帶的間隙；

3) 條件許可時降低劍帶截面抗彎剛度。

約束載荷減小，摩擦因數(shù)不變情況下，劍帶所受摩擦力減小。因此劍帶在高速運動過程中摩擦產(chǎn)生的溫升降低，劍帶受熱開裂分層情況得到改善，從而提高劍帶的使用壽命。