馬民生

（恒天重工股份有限公司技術(shù)開發(fā)中心，鄭州450001）

針刺機(jī)設(shè)計(jì)過程中偏心主軸振動(dòng)與強(qiáng)度計(jì)算分析

馬民生

（恒天重工股份有限公司技術(shù)開發(fā)中心，鄭州450001）

針對(duì)恒天重工股份有限公司技術(shù)開發(fā)中心開發(fā)的單字頭和雙字頭針刺機(jī)在試驗(yàn)過程中存在的針刺頻率和針刺密度低的問題，分析了針刺機(jī)的針刺頻率、針刺密度與設(shè)備偏心主軸振動(dòng)和強(qiáng)度的關(guān)系，認(rèn)為可以通過運(yùn)動(dòng)分析、測(cè)量及計(jì)算使針刺機(jī)的振動(dòng)、強(qiáng)度量化，從而為提高針刺頻率和針刺密度提供依據(jù).

非織造布；針刺機(jī)；振動(dòng)

非織造布是一種不需要紡紗織布而形成的織物，它是將紡織短纖維或者長(zhǎng)絲進(jìn)行定向或隨機(jī)排列，形成纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)過水刺、針刺或熱軋加固，最后經(jīng)過后整理形成的無編織的布料.針刺是眾多非織造布生產(chǎn)工藝中開發(fā)最早、最成熟的一種傳統(tǒng)工藝.針刺機(jī)是非織造布生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的設(shè)備.隨著針刺產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛、市場(chǎng)需求越來越大，許多設(shè)備生產(chǎn)制造商紛紛投入到針刺機(jī)及其生產(chǎn)線的開發(fā)與研制中，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已形成明顯的高中低檔格局.從現(xiàn)階段情況來看，不同檔次的針刺機(jī)都存在一個(gè)共同的問題：設(shè)備的振動(dòng)和主軸強(qiáng)度影響到針刺頻率和針刺密度的提高.本文就恒天重工股份有限公司開發(fā)的單字頭和雙字頭針刺機(jī)在試驗(yàn)過程中存在的問題，給出了針對(duì)性的解決方法，定量分析了針刺機(jī)的針刺頻率、設(shè)備振動(dòng)與強(qiáng)度，為上述問題的解決提供了數(shù)據(jù)支撐.

1 針刺機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的力學(xué)分析

針刺機(jī)運(yùn)動(dòng)部件主要是偏心主軸、連桿、推桿、針板.偏心主軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，推桿、針板作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿作平移和擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其工作原理類似于曲柄—連桿—活塞系統(tǒng).

1.1 單字頭針刺機(jī)動(dòng)力分析

單字頭針刺機(jī)工作原理如圖1所示.其中，偏心主軸偏心量為r，連桿長(zhǎng)度為l，往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件在x方向的位移為x.若偏心主軸以角速度ω穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，偏心主軸的旋轉(zhuǎn)角度θ＝ωt，則往復(fù)運(yùn)動(dòng)組件B在x方向的往復(fù)慣性力Q為：

圖1 單字頭針刺機(jī)工作原理

其中：Q1為一階慣性力；Q2為二階慣性力；M往復(fù)為往復(fù)組件的總質(zhì)量，等于針板質(zhì)量m1、推桿質(zhì)量m2、連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一部分質(zhì)量mc1之和，即

連桿可簡(jiǎn)化為雙質(zhì)量系統(tǒng)，如圖2所示.連桿質(zhì)量mc可分作往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量mc1和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量mc2，用公式（3）表示：

圖2 連桿質(zhì)量換算圖

1.2 旋轉(zhuǎn)慣性力分析

旋轉(zhuǎn)慣性力Fr由主軸偏心量r、偏心主軸角速度ω和連桿質(zhì)量mc2產(chǎn)生，即：

式中，mA為主軸偏心量為r時(shí)的偏心質(zhì)量.

Fr也會(huì)引起機(jī)器振動(dòng)，但在動(dòng)平衡機(jī)上可被較準(zhǔn)確地消除掉.

1.3 針刺作用力分析

針刺作用力F針的計(jì)算公式如下：

其中：ΔF針為每根針的針刺力；n為針板上的針數(shù).對(duì)于機(jī)架來說，F(xiàn)針是內(nèi)力，作用力與反作用力抵消，不會(huì)引起x、y方向的振動(dòng)，但將產(chǎn)生繞z軸的力矩.

1.4 重力和摩擦力分析

各零件的重力和摩擦副的摩擦力影響較小，在設(shè)計(jì)時(shí)一般可忽略不計(jì)，但應(yīng)適當(dāng)潤(rùn)滑，避免卡死及因配合間隙過大引起的沖擊振動(dòng).

1.5 側(cè)向力和對(duì)z 軸的側(cè)向傾倒力矩

由于連桿的傾斜，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力Q和針刺力F針的合力可分解為沿連桿的作用力PC和垂直于推桿軸線的水平分力PN，即

由

可得

則

另外，由于連桿簡(jiǎn)化為雙質(zhì)量系統(tǒng)，其對(duì)重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大于實(shí)際連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.若實(shí)際連桿對(duì)重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jr，連桿簡(jiǎn)化為雙質(zhì)量系統(tǒng)后對(duì)連桿重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為mc1h2＋mc2（1－h(huán)）2（見圖2），則雙質(zhì)量系統(tǒng)中連桿對(duì)重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與實(shí)際連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的差Jr′為：

它對(duì)z軸的力矩為：

因此，對(duì)z軸的側(cè)向傾倒力矩傳至機(jī)架：

1.6 作用在主軸上的扭矩

作用在主軸上的扭矩MT的計(jì)算公式為：

2 雙頭針刺機(jī)動(dòng)力學(xué)分析

2.1 雙頭針刺機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

雙頭針刺機(jī)由并列的2個(gè)主軸連桿系統(tǒng)組成，2個(gè)主軸連桿系統(tǒng)對(duì)稱布置，結(jié)構(gòu)和尺寸相同，但主軸的旋轉(zhuǎn)方向相反.其結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型如圖3所示.

如果2個(gè)主軸連桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、尺寸、重量、重心位置及轉(zhuǎn)速完全相同，則對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，側(cè)向力及對(duì)z軸的側(cè)向傾倒力矩為零，而往復(fù)慣性力及作用在主軸上的扭矩等于單個(gè)主軸連桿往復(fù)系統(tǒng)慣性力及扭矩的2倍，旋轉(zhuǎn)慣性力為2個(gè)主軸偏心質(zhì)量與連桿大端質(zhì)量旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力之矢量和.

2.2 雙頭針刺機(jī)的平衡

為減少針刺機(jī)的振動(dòng)和噪聲，使其在較高轉(zhuǎn)速下仍能平穩(wěn)工作，必須細(xì)心地考慮平衡問題.

圖3 雙頭針刺機(jī)力學(xué)模型

2.2.1 旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡

主軸、偏心輪、飛輪、聯(lián)軸器等旋轉(zhuǎn)零部件組裝后（不帶連桿、推桿等往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件）在平衡機(jī)上進(jìn)行動(dòng)平衡，平衡精度可按G2.5要求計(jì)算.通過計(jì)算或?qū)嶒?yàn)，得到連桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量mc2，在飛輪處去重或加重以平衡mc2.

2.2.2 往復(fù)慣性力的平衡

飛輪截面如圖4所示.

圖4 飛輪截面

由于雙頭針刺機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，主軸旋轉(zhuǎn)方向一正一反，故可在飛輪上去重，以平衡一階往復(fù)慣性力.由公式（1）可得，一階往復(fù)慣性力Q1＝M往復(fù)rω2cosωt.在飛輪上削去的重量（圖4中陰影線部分）可由陰影部分的面積A或高度h來計(jì)算，A和h可用下面的公式計(jì)算：

式中，θ0的量綱為弧度.若飛輪軸向長(zhǎng)度為l，密度為ρ，則在飛輪上削去的質(zhì)量為：

下面計(jì)算M′產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)慣性力的當(dāng)量半徑rc.

扇形部分單位厚度慣性力為：

三角形部分單位厚度的旋轉(zhuǎn)慣性力為：

故

由M′產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力與一階往復(fù)慣性力平衡：

即

因此，需要先求出 M往復(fù)，由式（23）計(jì)算 M′rc，然后由式（18）、（19）、（22）進(jìn)行計(jì)算，以確定飛輪應(yīng)削去的h.應(yīng)該指出，二階往復(fù)慣性力并沒有平衡.當(dāng)針刺機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)，應(yīng)考慮二階往復(fù)慣性力的平衡問題.另外，為保證針板上下移動(dòng)時(shí)不晃動(dòng)，針板在裝配前應(yīng)配重，以使針板質(zhì)心至兩推桿中心線的距離相等，并且針板質(zhì)心應(yīng)位于兩推桿中心的連線上（如圖5所示）.

圖5 針板的平衡圖

3 計(jì)算結(jié)果

設(shè)計(jì)如下參數(shù)：偏心r＝2cm，連桿長(zhǎng)度l＝25cm，連桿比在n＝800、1200、1 500r／min時(shí)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度幅值XO－P、加速度幅值X′O－P見表1.

表1 不同轉(zhuǎn)速下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度、加速度幅值

每套偏心輪、連桿、推桿、針板的往復(fù)質(zhì)量M往復(fù)＝34539.24g＝3.524 4kgf·sec2／m，由此產(chǎn)生的一階和二階往復(fù)慣性力Q1、Q2見表2.

表2 往復(fù)慣性力

［1］ 王延熹.非織造布生產(chǎn)技術(shù)［M］.上海：中國(guó)紡織大學(xué)出版社，1998.

［2］ 郭秉臣.非織造材料與工程學(xué)［M］.北京：中國(guó)紡織出版社，2010.

4 結(jié)論及建議

針刺機(jī)的平衡是減小振動(dòng)的重要手段.按照本文提出的往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡方法、步驟和要求，經(jīng)計(jì)算，飛輪削去部分重量，可以滿足平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量和往復(fù)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的要求.

（1）在本設(shè)計(jì)中，考慮了一階往復(fù)慣性力的平衡，但沒考慮二階往復(fù)慣性力的平衡.經(jīng)分析，二階往復(fù)慣性力為一階往復(fù)慣性力的8%，而慣性力的大小與主軸轉(zhuǎn)速平方成正比.因此，建議現(xiàn)階段不考慮二階往復(fù)慣性力的平衡.

（2）在保證往復(fù)運(yùn)動(dòng)零件強(qiáng)度、剛度和可靠性的前提下，可通過減輕質(zhì)量以減少動(dòng)載荷.

（3）因沖擊力大，需要考慮固緊螺釘?shù)姆浪蓡栴}.

The Eccentric Spindle Vibration and Intensity Calculation in Acupuncture Machine Design Process

MA Min－sheng
（Technology Development Center，Hengtian Heavy Industry Co.，Ltd.，Zhengzhou 450001，China）

For the lower needle frequency and needle density problems of the single word head and dual prefix acupuncture machine developed by Technology Development Center of Hengtian heavy industry，the relations between the needle frequency，needle density and the equipment vibration are analyzed，the results have shown that the acupuncture machine vibration and the intensity data can be quantified by the motion analysis measurement，by which the needle frequency and needle density of the acupuncture machine can be improved

non－woven fabric；acupuncture machine；vibration

TH112

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2012.02.017

1671－6906（2012）02－0075－04

2012－03－05

馬民生（1978－），男 河南焦作人，工程師.