高速工業(yè)縫紉機(jī)振動(dòng)分析與減振設(shè)計(jì)

摘要：社會(huì)發(fā)展迅速，我國(guó)的工業(yè)化建設(shè)的發(fā)展也有了提高?？p紉機(jī)主要由刺料機(jī)構(gòu)、挑線機(jī)構(gòu)、鉤線機(jī)構(gòu)和送線機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)縫紉機(jī)的工作原理，特別是現(xiàn)代工業(yè)高速高效的要求下，對(duì)挑線桿、機(jī)針的運(yùn)動(dòng)有嚴(yán)格的協(xié)調(diào)要求。此外在高質(zhì)量要求的大環(huán)境下，縫紉材料和縫紉線質(zhì)量越來越好，特別是尼龍縫紉線的使用，使縫紉時(shí)挑線作用力對(duì)挑線桿軸承端的反作用力存在破壞機(jī)構(gòu)的可能性增加。本文運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且易于使用的縫紉機(jī)進(jìn)行建模以及對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，獲得機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)，驗(yàn)證了其合理性及可靠性，為此類機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步研究和改進(jìn)提供理論參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速工業(yè)縫紉機(jī);振動(dòng)分析;減振設(shè)計(jì)

引言

工業(yè)縫紉機(jī)是包裝工程的基礎(chǔ)，縫紉機(jī)的工作速度決定了生產(chǎn)包裝的效率。追求高效益、低成本是生產(chǎn)制造行業(yè)的共同目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)包裝模式向工業(yè)化、大規(guī)模化轉(zhuǎn)變，促使工業(yè)縫紉機(jī)的高速化發(fā)展。但隨著轉(zhuǎn)速的提高，高速工業(yè)縫紉機(jī)的各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損急劇惡化，工業(yè)縫紉機(jī)是典型的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)，在高速縫紉過程中，剛性的機(jī)構(gòu)零件（如機(jī)針、壓腳）與柔性的布料、面線作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其所受力的大小和方向隨著連續(xù)的縫紉過程周期性變化，加劇各構(gòu)件間的磨損和沖擊振動(dòng)，導(dǎo)致縫紉機(jī)動(dòng)態(tài)性能不穩(wěn)定、各機(jī)構(gòu)的構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)副受力增大、縫紉機(jī)振動(dòng)加劇、縫紉機(jī)噪聲增大等問題，嚴(yán)重影響包裝質(zhì)量。

1重要性

縫紉機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的根源，主要是縫紉機(jī)構(gòu)件自身的質(zhì)量在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下所產(chǎn)生的慣性力引起的。當(dāng)構(gòu)件質(zhì)量一定時(shí)，構(gòu)件慣性力的大小是由它的運(yùn)動(dòng)加速度決定的，與它質(zhì)心的加速度成正比。因此，振動(dòng)加速度的大小從另一個(gè)方面反映縫紉機(jī)的慣性力—縫紉機(jī)振動(dòng)力的大小，通過對(duì)縫紉機(jī)整機(jī)振動(dòng)加速度的測(cè)量可以從本質(zhì)上考察縫紉機(jī)中各個(gè)子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)整機(jī)振動(dòng)的影響。

2高速工業(yè)縫紉機(jī)的振動(dòng)分析

由縫紉機(jī)的機(jī)構(gòu)組成可知，曲軸產(chǎn)生的振動(dòng)向機(jī)身傳遞的路徑包含兩條，1）從曲軸出發(fā)，沿著曲軸連桿大頭→連桿體→連桿小頭→針桿機(jī)構(gòu)/彎針機(jī)構(gòu)，傳遍整個(gè)機(jī)殼;（2）該振動(dòng)也從曲軸傳遞到滑動(dòng)軸承，然后通過軸承座傳遞到機(jī)殼。彼此相互作用和影響的各種類型的振動(dòng)，通過振動(dòng)的疊加效應(yīng)反映在殼體的表面上，這些振動(dòng)的頻率較低，能量主要集中在頻率轉(zhuǎn)換及其倍頻上。高速工業(yè)縫紉機(jī)的運(yùn)動(dòng)副多為轉(zhuǎn)動(dòng)副，連桿大頭和曲軸、曲軸和主軸承、針桿和滑動(dòng)軸承等零部件不僅在縫紉機(jī)工作過程中因相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦，而且還會(huì)在運(yùn)動(dòng)極位產(chǎn)生沖擊效果，引起縫紉機(jī)機(jī)身振動(dòng)，同時(shí)減少零件的工作壽命。其中，沖擊和摩擦所引起的振動(dòng)的頻率處于高頻段，而且分布頻帶很寬。因此，高速工業(yè)縫紉機(jī)的振動(dòng)十分復(fù)雜，包含了從低頻至高頻且分布頻帶很寬的諧波分量。此外，由于針桿在曲柄的帶動(dòng)下作往復(fù)周期運(yùn)動(dòng)，高速工業(yè)縫紉機(jī)的阻力矩也隨時(shí)間周期變化。然而機(jī)器工作時(shí)電機(jī)通常保持著較為穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)力矩，盡管在機(jī)器的每一次轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)，阻抗功等于驅(qū)動(dòng)功，但在轉(zhuǎn)動(dòng)周期的某一時(shí)刻，瞬時(shí)阻抗功和瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)功卻不相等。在縫紉機(jī)設(shè)計(jì)過程中可以通過增加機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來降低角加速度以實(shí)現(xiàn)減輕振動(dòng)的目的，但因縫紉機(jī)本身結(jié)構(gòu)的限制導(dǎo)致機(jī)構(gòu)尺寸不能太大，減振效果并不理想。因此，需要從高速工業(yè)縫紉機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，研究新的減振方法。

3工業(yè)縫紉機(jī)中減振降噪的方法

3.1改進(jìn)曲軸結(jié)構(gòu)

工業(yè)縫紉機(jī)的曲軸結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，積極改進(jìn)曲軸結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)減振降噪?？p紉機(jī)曲軸工作時(shí)最容易引起噪聲與振動(dòng)問題，尤其是主軸結(jié)構(gòu)，曲軸不平衡、質(zhì)量偏重等都是誘發(fā)噪聲與振動(dòng)的因素，高速運(yùn)轉(zhuǎn)下曲軸結(jié)構(gòu)的噪聲和振動(dòng)更為明顯。工業(yè)縫紉機(jī)減振降噪中改進(jìn)了縫紉機(jī)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化縫紉機(jī)的工作過程。分析曲軸結(jié)構(gòu)減振降噪的改進(jìn)方法，如：（1）剛性轉(zhuǎn)子的平衡精度設(shè)計(jì)，減震降噪設(shè)計(jì)中，剛性轉(zhuǎn)子需要滿足一個(gè)條件，也就是轉(zhuǎn)子剩余不平衡量<許用剩余不平衡量，剛性轉(zhuǎn)子達(dá)到這個(gè)條件，就可以降低振動(dòng)并減小噪聲，剛性轉(zhuǎn)子需用剩余不平衡量會(huì)附加曲軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)壓力，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡狀態(tài)下需要平衡校正轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，促使平衡校正面可以和轉(zhuǎn)子軸承的平面重合，加強(qiáng)剛性轉(zhuǎn)子的平衡控制，實(shí)現(xiàn)有效的減震降噪;（2）曲軸平衡改進(jìn)，曲軸不平衡不僅會(huì)引起振動(dòng)和噪音，更是增加了工業(yè)縫紉機(jī)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)曲軸發(fā)生不平衡問題時(shí)就要利用建模的方式改進(jìn)曲軸平衡，校正原有曲軸中的平衡度，預(yù)防振動(dòng)噪音;（3）多面平衡設(shè)計(jì)，此類設(shè)計(jì)是工業(yè)縫紉機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)降噪減震的發(fā)展方向，多面平衡設(shè)計(jì)圍繞動(dòng)平衡設(shè)計(jì)展開，因?yàn)榍S結(jié)構(gòu)小、質(zhì)量輕，所以多面平衡設(shè)計(jì)中重點(diǎn)研究去重對(duì)曲軸平衡量的影響，動(dòng)平衡設(shè)計(jì)期間可以重新設(shè)計(jì)曲柄臂重，滿足減震降噪的需求。

3.2平衡運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

工業(yè)縫紉機(jī)減震降噪時(shí)平衡運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，消除縫紉機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中的風(fēng)險(xiǎn)，維持運(yùn)動(dòng)平衡，進(jìn)而提高縫紉機(jī)的工作效率。平衡運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)一定要注意慣性力平衡，降低慣性對(duì)工業(yè)縫紉機(jī)的影響，解決縫紉機(jī)的偏心問題。工業(yè)縫紉機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)下會(huì)引起較強(qiáng)的慣性作用力，增大噪聲與振動(dòng)的現(xiàn)象，容易在工業(yè)縫紉機(jī)中產(chǎn)生附加動(dòng)力，引起摩擦和內(nèi)應(yīng)力破壞，采用平衡運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的方法，起到有效的減震降噪的作用。例如：工業(yè)縫紉機(jī)振動(dòng)與噪聲的源頭分析中，發(fā)現(xiàn)上軸結(jié)構(gòu)有明顯的問題，上軸為中空結(jié)構(gòu)不會(huì)有質(zhì)量偏心的問題，實(shí)際在上軸的針桿曲柄位置處有質(zhì)量偏心問題，導(dǎo)致針桿機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了不平衡的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)上軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)針桿就會(huì)產(chǎn)生不平衡的激振作用，研究針桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和慣性力，平衡整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，促使其達(dá)到減振降噪的目的。平衡運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中常用的方法是修改零件的結(jié)構(gòu)，選擇配重、去重的方法平衡機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量，杜絕發(fā)生質(zhì)量偏心的問題。

3.3完善機(jī)殼設(shè)計(jì)

機(jī)殼是工業(yè)縫紉機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，屬于非運(yùn)動(dòng)部件，機(jī)殼體積較大，在運(yùn)動(dòng)的作用下也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)或噪音。工業(yè)縫紉機(jī)減震降噪的過程中完善機(jī)殼設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整體的減振降噪。根據(jù)工業(yè)縫紉機(jī)的使用針對(duì)機(jī)殼構(gòu)建有限元模型，機(jī)殼自身含有一定的振動(dòng)特征，有限元模型中模擬機(jī)殼的振動(dòng)特性，掌握基坑固有頻率、阻尼等信息，實(shí)現(xiàn)模態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上完善機(jī)殼設(shè)計(jì)。機(jī)殼有限元的模態(tài)分析是研究振動(dòng)與噪音的有效途徑，有限元模態(tài)分析配合三維繪圖軟件，模擬出具有減振降噪作用的縫紉機(jī)殼體，同時(shí)分析機(jī)殼上各項(xiàng)零件的特征，致力于提高減震降噪的水平。

結(jié)語(yǔ)

本文從高速工業(yè)縫紉機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)出發(fā)，圍繞高速工業(yè)縫紉機(jī)振動(dòng)分析與減振開展研究。分析了高速工業(yè)縫紉機(jī)的振動(dòng)機(jī)理，設(shè)計(jì)了振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)域分析和頻域分析，獲得了不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速下高速工業(yè)縫紉的峰值頻率。對(duì)高速工業(yè)縫紉機(jī)的機(jī)殼和機(jī)殼與底座整機(jī)進(jìn)行了模態(tài)仿真，高速工業(yè)縫紉整機(jī)的一階固有頻率約為100Hz，當(dāng)電機(jī)的振動(dòng)峰值頻率或倍頻處在100Hz左右時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)與機(jī)殼產(chǎn)生共振，加大高速工業(yè)縫紉的振動(dòng)，與振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析一致。通過增加橡膠墊可以實(shí)現(xiàn)改善機(jī)體固有頻率，且隨橡膠厚度的增加機(jī)體固有頻率隨之降低。同時(shí)，通過對(duì)機(jī)殼端部部位進(jìn)行減重設(shè)計(jì)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速工業(yè)縫紉機(jī)機(jī)殼固有頻率的改善。

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作者簡(jiǎn)介：陳磊，陜西省西安市，身份證號(hào)：61012319830426****。