五劍桿織機引緯工藝設計及緯紗張力研究

楊建成，何浩浩，王慧勇，岳三旺，劉家辰

（1.天津工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學 天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387；3.天津工業(yè)大學 天津市機械基礎及紡織裝備設計虛擬仿真實驗教學中心，天津 300387）

立體織物具有比強度高、比剛度高、可設計性好、耐疲勞性能好、耐化學腐蝕性能好、生產成本低等特點[1-3]，被廣泛應用于航空航天、防彈衣、葉片、船舶汽車、建筑倉庫等領域[4]，尤其在礦產輸送領域具有重要應用。帶式輸送機是現代礦山運輸的主要設備，輸送帶中的帶芯織物是輸送帶中重要組成部分。目前國內輸送帶主要存在生產效率低、成本高、使用壽命短、易損壞失效等問題。通過調研得出目前帶芯織機主要是由單劍桿織機改進而來，效率低的原因為帶芯立體織物主要采用單劍桿引緯方式織造，失效的原因主要是礦產輸送過程中，由于帶芯橫縱向張力不均、布邊強度不夠，輸送帶容易發(fā)生跑偏從而導致局部磨損嚴重，需要頻繁更換。

傳統(tǒng)帶芯織機單劍桿引緯一次引一緯，通常需要收緊和張力補償，常用機械式緯紗張力補償方式為擺臂式、彈簧式、配重式，此3 種方式皆為消極式張力補償，且張力補償不精準，對于多層緯紗的張力補償，由于多層緯紗張力始終不均所以單一的以上方式難以適用。

基于以上問題出現了多劍桿織機[5]研究，引緯機構是立體織機五大機構之一[6]，由此提出五劍桿引緯方式，五劍桿引緯一次可引5 層緯紗，效率是傳統(tǒng)單劍桿織機的5 倍?，F階段涉及五劍桿引緯的相關理論研究較少，文獻[7]提出一種多劍桿引緯方式，多劍桿固定一起與液壓缸連接，伺服電機控制液壓缸運動。文獻[8]設計了一種劍桿固定在引緯架上，伺服電機連接絲桿，絲桿帶動引緯架運動的方式。以上2 種方式對多劍桿引緯理論和緯紗張力的研究較少。本文研究五劍桿織機引緯工藝及緯紗張力。

1 五劍桿引緯系統(tǒng)

五劍桿引緯系統(tǒng)主要由4 部分組成，分別為紗架部分、斷緯自停裝置、張力補償裝置、五劍桿引緯機構，五劍桿引緯系統(tǒng)簡圖如圖1 所示。

圖1 五劍桿引緯系統(tǒng)簡圖Fig.1 Schematic diagram of five rapier filling insertion system

圖1中，緯紗從紗架引出進入斷紗自停裝置，斷紗自停裝置起到斷紗保護的作用，然后進入張力補償裝置，此裝置起到補償張力的作用，使5 根紗線張力一致，從而保證成型織物的性能和質量，最后進入五劍桿引緯機構，經過織造形成立體織物。

2 五劍桿引緯分析

2.1 五劍桿引緯機構

五劍桿引緯機構簡圖如圖2 所示。

圖2 五劍桿引緯機構簡圖Fig.2 Schematic diagram of five rapier weft insertion mechanism

五劍桿尾部固定于滑板上，可隨滑板一起運動，滑板與滑塊安裝一起，滑塊與導軌通過滑動副移動。劍桿穿過銅套通過滑動副運動。中間兩支劍桿由齒條和碳纖劍桿復合而成，內部為齒條，外部為碳纖維殼。2條齒條分別與兩件劍輪錯齒嚙合，可以降低嚙合沖擊產生的劍桿振動[9-10]。劍輪安裝在減速機輸出軸上，減速機傳遞主軸轉動。

2.2 五劍桿引緯過程分析

五劍桿引緯過程如圖3 所示。

圖3 五劍桿引緯過程簡圖Fig.3 Schematic diagram of five rapier weft insertion process

引緯過程中劍頭攜帶緯紗從織物右側運動到織物左側，然后把紗線交給脫紗裝置，脫紗之后劍桿返回初始位置，等待下次喂紗。

由圖3 可知，5 層緯紗以第3 層為中心上下對稱分布，第3 層緯紗與織物中心同面，所以只需分析前3層緯紗的運動。

根據緯紗的不同狀態(tài)，引緯過程可細分為2 個階段。第1 階段劍桿由初始位置攜取緯紗到另一側，此階段為送緯階段，如圖4 所示。

圖4中：劍桿速度為V0；劍頭處紗線速度為V1；緯紗與劍桿的夾角為αi；劍頭距布邊的距離為L；劍頭處紗線加速度為b；劍桿左側紗線的張力為ft；右側張力為T；紗線與劍桿的摩擦力為fn；各劍桿到織物的距離為ci，有：

圖4 送劍簡圖Fig.4 Schematic diagram of sword delivery

常用的劍桿運動規(guī)律為正弦加速度運動規(guī)律、改進梯形加速度運動規(guī)律和5 次多項式加速度運動規(guī)律[11-12]，現選用改進梯形加速度運動規(guī)律。五支劍桿運動規(guī)律一致，但是各劍桿到織物的距離c不同，所以劍頭處紗線速度、加速度、fn不同，劍桿與紗線的夾角不同摩擦力不同，所以第1 階段各劍桿攜帶各層緯紗張力也不一樣。

第2 階段送緯之后緯紗交給脫紗機構，劍桿返回，此階段為退劍階段。退劍時各劍桿運動一致，脫紗機構把各層緯紗同時回攏到布邊附近，同時5 層緯紗往中間層緯紗靠攏，如圖5 所示。

圖5 退劍簡圖Fig.5 Schematic diagram of retreat sword

圖5中：v1、v2、v3為脫紗機構3 個叉子向織物布邊回攏的速度；b3為第3 個叉子處緯紗的加速度；e為脫紗叉子距離劍桿的距離；v4為劍桿退劍的速度；θ 為第2層緯紗與中間緯紗的角度；μ 為第1 層緯紗與中間緯紗的角度；n為叉子距布邊另一側距離；v5為叉子處紗線的速度；s為叉子左側紗線的長度。有：

由各式可得，在各個時間，由于ci、ei不同使叉子口處的各層緯紗速度和紗線與叉子夾角、摩擦力fn都不一致，所以各層緯紗的張力都不一樣。

2.3 各層緯紗喂紗量分析

將各層緯紗投到第3 層所在的平面上，如圖6 所示。由于各個劍桿距離布邊的距離不一樣，導致引緯過程喂紗量不一樣。

圖6 引緯前后簡圖Fig.6 Schematic diagram before and after filling insertion

圖6中：劍頭不能靠近織物邊，距邊的距離u為30 mm，織物幅寬n為1 200 mm，三支劍桿到織口距離c1為215.52 mm、c2為209.16 mm、c3為207 mm。劍桿在引緯傳劍前后從劍桿頭部到織口處緯紗變化量即為喂紗量s，引緯前劍桿頭到織口的緯紗量為引緯后劍桿頭到織口的緯紗量為n+，各劍桿緯紗量分別為：

根據式（15）—（17）計算得s1= 2 238.14 mm、s2=2 236.36 mm、s3=2 231.14 mm，因此引緯前后各層緯紗供緯量不同，且張力也不一致。

3 張力補償機構創(chuàng)新設計

由引緯過程分析可知，在整個引緯過程中3 層緯紗張力均不一樣，緯紗進入織口鎖邊裝置會把緯紗鎖住，加上與經紗交織產生摩擦力，緯紗張力將無法改變，所以在鎖邊[13]和打緯之前，要使3 層緯紗張力一致，由此需要采用張力補償裝置實現緯紗張力一致。

3.1 張力補償原理

根據引緯過程的分析得出，在引緯過程中各層緯紗張力變化比較復雜，而各層緯紗張力一致需要在打緯和鎖邊之前完成即可，所以可以選擇在打緯之前對紗線進行張力補償。

緯紗采用一端用壓盤固定，中間用擺桿調節(jié)緯紗變量來調節(jié)緯紗的張力，如圖7 所示。

圖7 張力補償原理簡圖Fig.7 Schematic diagram of tension compensation

同一壓力下壓盤與緯紗摩擦力一致，當變形量達到一定時，各層緯紗張力大小都等于紗線與壓盤的摩擦力大小，可以保證各層緯紗的張力一致。

圖7中：彈簧壓力為fs；壓盤與紗線摩擦因數為μ；初始時紗線張力大小為f0；補償時紗線張力為T。

當T=μfs時靜摩擦結束，隨著紗線變形量加大紗線從壓盤處拽出，由靜摩擦變成動摩擦。所以其張力等于μfs。

由公式（19）可求出張力補償量。

3.2 張力補償裝置設計

該張力補償裝置由共軛凸輪連桿組合機構和彈簧壓盤機構兩部分組成，如圖8 所示。

圖8中，共軛凸輪轉動帶動擺桿擺動，紗線穿過擺桿孔，擺桿擺動控制紗線運動。張力補償時，壓盤壓住紗線，壓盤對紗線壓力轉化為紗線的摩擦力，擺桿擺動一定角度，此時多層緯紗因張力大于靜摩擦力從壓盤拉出，且張力一致。通過調節(jié)彈簧的對壓盤的壓力使得緯紗張力大小可控。

圖8 共軛凸輪彈簧張力補償裝置簡圖Fig.8 Schematic diagram of spring tension compensation device for conjugate cam

紗線運動分2 個階段：第1 階段初始位置緯紗為直線，但各層緯紗張力不一樣；第2 階段為紗線張力補償階段，右側彈簧給予紗線壓盤壓力，壓盤壓力轉化為壓盤與紗線的摩擦力，紗線變形量提供紗線張力。

3.3 緯紗張力數學模型

拉伸變形時，紗線Voigt 模型如圖9 所示。

圖9 紗線Voigt 模型Fig.9 Voigt model of yarn

紗線張力變化為：

式中：k為紗線彈性常數；η 為紗線粘滯系數。

共軛凸輪擺桿如圖10 所示。

圖10 共軛凸輪擺桿簡圖Fig.10 Schematic diagram of conjugate cam swing bar

圖10中，初始時擺桿為水平位置，張力補償時凸輪帶動擺桿擺動，t0等于s0，擺桿擺動μ，擺桿端部P點位移為h。根據圖10，有：

式（24）為張力補償量與擺桿擺角的數學模型。紗線彈性常數k為0.2 N/mm，擺臂長度g為110 mm，s0為40 mm，紗線粘滯系數η 較小可以省略，所以張力數學數學模型可以簡化為

紗線張力要求6 N，當ΔT為6 N 時可以求得μ 為19.76°。

3.4 共軛凸輪廓線反求

擺桿擺角達到19.76°可以補償6 N，考慮到工況復雜暫定擺桿最大擺角為24°。根據引緯、打緯過程時序配合和主軸轉角分配，可得主凸輪的轉角分配如表1。

表1 主凸輪轉角分配Tab.1 Distribution of rotation angle of main cam

在張力補償過程中，為增強擺桿運動的穩(wěn)定性及紗線張力變化的平穩(wěn)性，從動件的運動規(guī)律選擇高速輕載的正弦加速度運動規(guī)律。根據加速度運動規(guī)律可得擺桿擺角μ 與凸輪擺角θ 的數學關系為：

根據反轉法可求得凸輪的理論廓線和實際廓線，如圖11 所示。

圖11 反轉法凸輪擺桿簡圖Fig.11 Schematic diagram of inverted cam pendulum rod

以圖11 中凸輪回轉中心為原點建立坐標系，主副擺桿長均為s；初始位置主擺桿擺角Ф1；副擺桿擺角Ф2；回轉中心與凸輪回轉中心中心距a；回轉中心擺角θ；滾子半徑為r。

主凸輪理論廓線方程為：

滾子圓方程為：

對θ 求偏導得：

主凸輪實際廓線方程為：

設主凸輪基圓半徑為40 mm，主副擺桿長s為40 mm，中心距a為60 mm，滾子半徑r為10 mm，根據擺桿擺角與凸輪擺角的數學模型式（26）和上述公式可求得主凸輪的實際輪廓線，同理可求出副凸輪實際輪廓線。對于復雜得數學公式計算可以通過Matlab 編程進行求解計算，通過Matlab 計算得到共軛凸輪的主副凸輪廓線[14-15]為圖12 和圖13 所示。

圖12 主凸輪輪廓線Fig.12 Contour of main cam

圖13 副凸輪輪廓線Fig.13 Contour of auxiliary cam

3.5 壓線凸輪

根據共軛凸輪主凸輪的轉角分配，以及兩套裝置的時序配合，當主凸輪升程時，壓線凸輪進入遠休止角；主凸輪在遠休止角時，壓線凸輪還在遠休止角；主凸輪開始回程時，壓線凸輪回程。壓盤與紗線的壓力由彈簧控制，凸輪控制壓線與否。所以壓線凸輪轉角分配如表2 所示。

表2 壓線凸輪轉角分配Tab.2 Distribution of pressure line cam rotation

壓線凸輪參數設計：凸輪基圓半徑30 mm；擺桿凸輪端擺長65 mm；擺桿壓線端擺長92.5 mm；擺桿壓線端擺幅10 mm；凸輪升程4.81 mm；滾子直徑20 mm；中心距100 mm；凸輪厚度10 mm。擺桿從動件運動規(guī)律選用五次多項式運動規(guī)律，根據共軛凸輪廓線的求解原理，同理可求壓線凸輪的理論輪廓線和實際輪廓線。

通過MATLAB 計算得壓線凸輪的凸輪廓線如圖14 所示。

圖14 壓線凸輪輪廓線Fig.14 Contour line of pressing cam

4 張力補償機構仿真與分析

4.1 緯紗張力變化仿真

紗線與壓盤動摩擦力為6 N，所以紗線張力最大為6 N。設緯紗初始張力f0為0.3 N，f1為1.3 N，f2為2.4 N，代入式（18）、（25）、（26），通過在Matlab 中仿真可得凸輪轉角與緯紗張力的變化如圖15 所示。

T1、T2、T3分別為各層緯紗的張力。由圖15 可知，各層緯紗的初始張力不一致，凸輪轉過50°后各層緯紗達到6 N 且保持一致。

圖15 3 層紗線張力變化圖Fig.15 Variation of tension of three-ply yarn

4.2 擺桿運動仿真

在高速運轉情況下，由于共軛凸輪與滾子接觸，會發(fā)生接觸碰撞，導致擺桿振動，會導致紗線張力發(fā)生波動，Adams[16-17]平臺提供了模擬接觸碰撞的沖擊函數法（Impact）[18]，接觸力計算表達式為：

式中：K為接觸剛度系數；d為阻尼達到最大時接觸物體的穿透深度；Cmax為最大接觸阻尼；n為非線性彈性力冪指數。

Hertz 接觸理論[19-20]為：

其中：

式中：F為接觸載荷；R1、R2為接觸點曲率半徑；E1、E2為兩物體的材料彈性模量；μ1、μ2為兩物體的材料泊松比。通過計算可得

滾子、共軛凸輪、擺桿材料都為合金鋼，材料屬性如表3 所示。

表3 凸輪、擺桿、滾子材料屬性Tab.3 Properties of cam，swing rod，roller material

在SolidWorks 中建立模型裝配并導入Adams 中，添加約束配合如圖16 所示。

圖16 共軛凸輪擺桿機構模型Fig.16 Model of conjugate cam swing bar mechanism

圖16中：擺桿與擺桿軸為鉸接副；擺桿與滾子為鉸接副；共軛凸輪與凸輪軸為鉸接副；共軛凸輪與滾子為凸輪副；擺桿軸與大地為固定副；凸輪軸與大地為固定副。由公式（36）可以求得齒輪齒條接觸剛度為389.032 N/m，阻尼系數設為50 N·s/mm，非線性力指數設為1.5，最大穿透深度設為0.01 mm，積分求解其設為GSTIFF，積分格式為SI2，仿真0.5 s，步數1 000，得到擺桿端部紗線孔相對于初始位置的運動曲線如圖17 所示。

圖17 紗線孔位移圖Fig.17 Displacement diagram of yarn hole

由圖17 中可知，在張力補償過程中擺桿擺動平穩(wěn)無波動，所以緯紗張力波動很小、變化平穩(wěn)，并最終達到穩(wěn)定一致。

5 結 論

（1）提出了五劍桿引緯的工藝，五劍桿引緯效率是單劍桿引緯效率的5 倍，此工藝提高了織造效率，降低了成本。

（2）創(chuàng)新設計了共軛凸輪連桿組合式張力補償裝置，該裝置可以實現不同張力的5 層緯紗達到張力均勻，從而提高了五劍桿引緯工藝的可靠性。

（3）凸輪轉角與緯紗張力變化仿真結果表明：初始張力不同的多層緯紗在凸輪轉角達到50°后都達到并穩(wěn)定在6 N，滿足了五劍桿引緯緯紗張力一致的要求。

（4）擺桿端部紗線孔位移仿真結果表明，在張力補償過程中，擺桿擺動平穩(wěn)、無振動，所以5 層紗線張力變化平穩(wěn)，無波動。

該工藝和機構的創(chuàng)新設計、研究方法與所得結果可為多劍桿織機的研發(fā)提供借鑒與參考。