提花機拉刀疲勞壽命分析及優(yōu)化＊

宋 濤，潘 梁，阮 見，瞿書涯，張 波

（南京玻璃纖維研究設計院有限公司，南京 210012）

0 前言

三維機織物［1］具有織造工藝穩(wěn)定、可設計性強、整體性好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，在航空航天領域受到廣泛的應用。三維機織物的成型包含送經(jīng)、開口、引緯、打緯、卷取五大運動［2，3］，開口作為機織五大運動的關鍵一環(huán)，采用提花機開口方式，是實現(xiàn)三維機織物的結(jié)構(gòu)變化、自動化織造的重要機構(gòu)。在生產(chǎn)過程中，提花機拉刀出現(xiàn)周期性的斷裂現(xiàn)象，如圖1 所示，增加設備使用和維護成本，同時影響生產(chǎn)效率。經(jīng)動力學分析，拉刀的受載小于材料屈服強度，從而推測拉刀在長時間使用過程中，受周期載荷作用發(fā)生應力疲勞失效。

圖1 拉刀疲勞失效

通常設備在周期載荷下的疲勞失效主要有應力疲勞和應變疲勞2 種，因疲勞帶來的性能損失和使用維護成本提高已越來越受到關注［4］。白傳輝［5］等使用多軸疲勞理論分析副車架疲勞破壞問題；黃偉［6］等建立輸送帶與滾筒接觸模型，并分別從厚度和內(nèi)撐兩種方式優(yōu)化滾筒疲勞壽命；朱茂桃［7］等通過循環(huán)系數(shù)修正法，采用nCode預測膜片彈簧疲勞壽命。拉刀傳動機構(gòu)一般有曲柄滑塊傳動和凸輪傳動兩種，本文主要分析曲柄滑塊傳動拉刀應力疲勞問題，首先基于Workbench對拉刀在工況下的單周期進行動力學分析，提取拉刀的應力歷程，由于拉刀所受應力遠小于材料屈服強度，推測發(fā)生高周應力疲勞破壞，之后采用nCode基于累計損傷理論［8］分析拉刀疲勞壽命，最后采用等截面積優(yōu)化方案，提高拉刀疲勞壽命、織物生產(chǎn)效率和設備運行穩(wěn)定性，降低設備維護使用成本。

1 拉刀動力學分析

1.1 拉刀受力分析

提花機拉刀在一對耦合的曲柄滑塊機構(gòu)驅(qū)動下實現(xiàn)拉刀在豎直方向的循環(huán)往復運動，如圖2 所示。輸入端由伺服電機經(jīng)減速器減速后將動力傳遞給慣性輪，在穩(wěn)定運行狀態(tài)下可以視為勻速運動。在傳動末端，拉刀受綜絲的拉力，在彈簧作用下，載荷呈線性變化。

圖2 拉刀傳動原理圖

1.2 基于有限元單周期動力學仿真

以拉刀傳動機構(gòu)為研究對象，建立機構(gòu)動力學模型，拉刀采用鋁合金6061 材料，在曲柄處施加勻速驅(qū)動，拉刀受綜絲拉力作用，由于斷裂失效敏感位置靠近拉刀中間處，故在Workbench中仿真計算拉刀中點的速度、加速度曲線，并提取拉刀應力云圖，如圖3 和圖4 所示。

圖3 拉刀中點速度、加速度曲線

圖4 拉刀應力云圖

由結(jié)果可知，拉刀在豎直方向運行速度平穩(wěn)，沿正弦規(guī)律運動。但在初始階段，拉刀受到?jīng)_擊載荷作用，加速度發(fā)生波動后趨于穩(wěn)定。在一個運行周期中，拉刀受到最大應力為37.095 MPa，遠小于鋁合金的屈服強度，可見拉刀并非發(fā)生屈服失效，提出猜測可能因疲勞發(fā)生失效斷裂，需對拉刀作進一步研究。

2 拉刀疲勞壽命分析

2.1 累積損傷模型

為了驗證拉刀的疲勞失效形式，通過損傷對拉刀的疲勞做出定量的研究，損傷描述的是從材料初期出現(xiàn)微觀上的細紋到后期出現(xiàn)宏觀的裂紋擴展過程，拉刀在工況下持續(xù)受循環(huán)載荷作用，任何一個周期都會對拉刀造成損傷，損傷具有累積效應，疲勞失效可以看作是拉刀的損傷累積到一定值的過程。

目前主要的累積損傷理論主要有線性法［9］和指數(shù)法兩種，本文采用線性Miner法對拉刀進行疲勞分析。假設拉刀的加載應力順序依次為σ1、σ2、……σl，對應次數(shù)為n1、n2、……nl，加載應力下的壽命為N1、N2、……Nl，那么損傷可以描述為公式（1）：

式中：

D——拉刀的損傷；

ni——對應次數(shù)；

Ni——加載應力下的壽命。

那么，可以得到拉刀的疲勞壽命，如公式（2）所示：

式中：

L——拉刀的疲勞壽命。

2.2 拉刀疲勞壽命仿真

本文應用有限元法進行疲勞分析，定義鋁合金6061 材料的S-N曲線作為疲勞分析的材料屬性，根據(jù)動力學仿真獲取拉刀的載荷-時間歷程，計算出載荷激勵下的應力響應。根據(jù)求取的載荷-時間歷程與節(jié)點處的激勵乘積，經(jīng)疊加后求得整個應力-應變響應，如公式（3）所示。將上述條件在nCode中計算得結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 拉刀疲勞壽命結(jié)果

式中：

σij——疊加后的應力-應變響應；

l ——載荷數(shù)量；

σij，k——激勵下節(jié)點應力響應；

Fk——載荷-時間歷程。

由結(jié)果可知，拉刀疲勞危險區(qū)域分布于拉刀安裝位置和中間下端位置，實際使用時安裝位置較可靠，未發(fā)生過斷裂，而中間下端處為疲勞壽命最低點，循環(huán)2.35×107后易在此處發(fā)生疲勞破壞，與拉刀實際破壞區(qū)域吻合。根據(jù)設備的運行時間，壽命約為1.49 年，與班組的拉刀更換時間相符。

3 拉刀結(jié)構(gòu)疲勞壽命優(yōu)化

3.1 等面積優(yōu)化方案

為了提高拉刀的疲勞壽命，減少更換零部件造成的宕機損失，降低設備的維護成本，對拉刀結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。根據(jù)疲勞壽命結(jié)果云圖可知，拉刀從下端開始發(fā)生疲勞破壞，而兩端區(qū)域并未受到影響，綜合拉刀的外形特點、加工成型工藝以及現(xiàn)有設備的互換性，采用等面積方案對其優(yōu)化。

拉刀結(jié)構(gòu)可以近似看作為一個薄壁長方形，拉刀端面面積為S，增強壽命最低點處剛度，降低應力集中。以三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)強化拉刀壽命薄弱區(qū)域，保證整體的面積不變，為優(yōu)化準則，通過設計高h，避免總體質(zhì)量增加，如圖6 所示。

圖6 等面積優(yōu)化方案

3.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)等面積優(yōu)化方案，選取一組高度值，作為拉刀備選結(jié)構(gòu)，施加相同的材料屬性、邊界條件以及載荷進行仿真計算，如表1 和圖7、圖8 所示。

表1 等面積優(yōu)化參數(shù)及疲勞壽命

圖7 參數(shù)h拉刀疲勞壽命

圖8 等面積優(yōu)化疲勞曲線

由圖8 可知，隨著h增加拉刀疲勞壽命增加幅度呈二次曲線增加，說明等面積優(yōu)化方案能夠有效地提高拉刀的疲勞壽命。然而，參數(shù)h受結(jié)構(gòu)尺寸和成型工藝約束并不能無限增加，最大值取20 mm，選取此結(jié)果作為最優(yōu)方案，此時對應的拉刀疲勞壽命為5.092×107次，相較于初始拉刀的壽命增加了一倍。

4 結(jié)論

本文針對提花機拉刀在使用過程中出現(xiàn)周期性的斷裂現(xiàn)象，經(jīng)動力學校核后發(fā)現(xiàn)拉刀最大應力遠小于材料屈服強度，根據(jù)拉刀受到的周期性載荷規(guī)律，做出拉刀發(fā)生疲勞斷裂的推測。通過nCode疲勞分析，發(fā)現(xiàn)拉刀疲勞破壞部位與斷裂部位相吻合，拉刀壽命也與更換時間相符，驗證推測有效性。為提高拉刀的使用壽命，提出等面積優(yōu)化方案，并通過仿真計算不同高度值的疲勞壽命，得到高度值與疲勞壽命呈二次曲線關系的規(guī)律。最終選取h=20 mm為優(yōu)化方案，疲勞壽命相較原先提高一倍。

由結(jié)果可知，等面積優(yōu)化方案能夠有效地提高提花機拉刀的疲勞壽命，避免因定期更換拉刀導致設備宕機造成的損失，提高了生產(chǎn)效率和設備運行穩(wěn)定性，以及降低設備在使用過程中維護的人力與設備成本，為立體織物的穩(wěn)定生產(chǎn)與高效制備提供了一種理論支撐。