田建學(xué)，張 玨，屈曉淵，張俊霞

(1.榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000;2.榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西榆林 719000)

隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在智能交通、航空航天、生物、通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和研究。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)械機(jī)構(gòu)，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的精度并且縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)就是利用計(jì)算機(jī)上的一些仿真軟件來(lái)幫助設(shè)計(jì)者進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)、測(cè)繪，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)節(jié)省了設(shè)計(jì)者大量精力的同時(shí)，也提高了工作效率。利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，便于設(shè)計(jì)者隨時(shí)修改一些部件的尺寸，同時(shí)還可以對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)或者機(jī)器進(jìn)行仿真，這樣獲得的產(chǎn)品質(zhì)量更高，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更加合理［1］。

在機(jī)械行業(yè)中，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)主要是通過(guò)利用二維繪圖軟件(AutoCAD)和三維繪圖軟件(Pro/E，UG，SolidWorks等)建立虛擬樣機(jī)模型，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將模型導(dǎo)入到動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件(ADAMS)和有限元分析軟件(ANSYS)進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)模型，使最后得到的虛擬樣機(jī)能夠達(dá)到生產(chǎn)的要求［2］。

本文主要是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)設(shè)計(jì)噴氣織機(jī)中打緯機(jī)構(gòu)，使得打緯機(jī)構(gòu)能夠滿足織機(jī)織造時(shí)的生產(chǎn)要求?？棛C(jī)中打緯機(jī)構(gòu)的主要作用就是將紗線推至織口，使得織物的織造過(guò)程有序地進(jìn)行［3］。首先在動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS中建立了參數(shù)化的打緯機(jī)構(gòu)功能型模型，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)最后得到符合織造要求的四連桿打緯機(jī)構(gòu)。根據(jù)優(yōu)化得到的數(shù)據(jù)，再在Pro/E中建立織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型。最后通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將虛擬樣機(jī)模型導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，并對(duì)機(jī)架進(jìn)行了有限元分析。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)設(shè)計(jì)的織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)，為設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)機(jī)械機(jī)構(gòu)或機(jī)器提供了參考。

1 打緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 打緯機(jī)構(gòu)的工作原理

目前來(lái)說(shuō)，打緯機(jī)構(gòu)主要有凸輪打緯機(jī)構(gòu)和四連桿打緯機(jī)構(gòu)這兩種，四連桿打緯機(jī)構(gòu)的應(yīng)用較為廣泛。四連桿打緯機(jī)構(gòu)實(shí)際上就是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)的噴氣織機(jī)上的打緯機(jī)構(gòu)就采用了四連桿打緯機(jī)構(gòu)，并且采用兩套四連桿機(jī)構(gòu)分為左右軸在兩側(cè)對(duì)稱布置。下面介紹一側(cè)的打緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，另一側(cè)的打緯機(jī)構(gòu)與其完全相同。

在ADAMS中建立了四連桿打緯機(jī)構(gòu)的功能型模型，如圖1所示，曲柄作整周運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)連桿作擺動(dòng)，驅(qū)動(dòng)搖桿擺動(dòng)，由搖桿帶動(dòng)鋼筘作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了織造過(guò)程中的打緯運(yùn)動(dòng)。在建立四連桿打緯機(jī)構(gòu)的功能型模型時(shí)，通過(guò)利用ADAMS中參數(shù)化點(diǎn)坐標(biāo)的方法，進(jìn)行四連桿打緯機(jī)構(gòu)的參數(shù)化建模。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了噴氣織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)的較好運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而得到優(yōu)化后各桿件的尺寸［4］。

1.2 打緯機(jī)構(gòu)的三維模型

根據(jù)上述優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸，利用Pro/E強(qiáng)大的三維建模功能建立了打緯機(jī)構(gòu)。在Pro/E中先建立各個(gè)部件的三維模型，最后將這些零件裝配起來(lái)。在模型裝配時(shí)，對(duì)零件裝配的先后順序要作周密的考慮，并且要保證兩側(cè)連桿和搖桿的初始相位一致，同時(shí)要將鋼筘裝配到極限位置，這樣便于仿真。

圖1 四連桿打緯機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型Fig.1 Parameter model of four-bar beating up mechanism

圖2是在pro/E中建立的四連桿打緯機(jī)構(gòu)的三維模型，曲軸和搖軸的兩端通過(guò)軸承與左右墻板聯(lián)接。整個(gè)打緯機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源由曲軸1輸入，然后分開兩條路線傳輸:一是1-2-3-4;二是通過(guò)主軸8穿到機(jī)構(gòu)對(duì)稱的另一側(cè)。最后將動(dòng)力傳到搖軸上，再由搖軸帶動(dòng)鋼筘實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)，使得鋼筘將緯紗推至織口，這就完成了打緯動(dòng)作［5］。

圖2 四連桿打緯機(jī)構(gòu)Fig.2 Four-bar beating-up mechanism

2 打緯機(jī)構(gòu)的仿真分析

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

本次設(shè)計(jì)的打緯機(jī)構(gòu)工況轉(zhuǎn)速為600r/min，其中所有部件都可以看作是剛性的，左右兩側(cè)對(duì)稱的四連桿打緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是同步的，所以這里只對(duì)一側(cè)的打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。為分析方便，建立了簡(jiǎn)化示意圖，如圖3所示。

圖3中線段AB，BC和CD為簡(jiǎn)化后的曲軸、牽手和搖桿。設(shè)定曲軸沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，以曲軸軸承中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。由圖4可得機(jī)構(gòu)的矢量方程分別在X軸和Y軸上投影，得到位移方程

圖3 打緯機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖Fig.3 Simplified diagram of beating-up mechanism

將式(1)對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)，得到速度和加速度的方程組如下:

上述方程組中，θ1，θ2，θ3分別表示曲柄、牽手、搖桿與 X 軸正向的夾角，ω1，ω2，ω3分別表示曲柄、牽手、搖桿的角速度，α1，α2，α3分別表示曲柄、牽手、搖桿的角加速度［5］。下面就利用ADAMS對(duì)打緯機(jī)構(gòu)筘座的位移、速度、加速度進(jìn)行仿真分析。將在Pro/E中建立的三維模型通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入ADAMS中，添加約束和參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行仿真［6］。

在ADAMS軟件中對(duì)筘座仿真時(shí)將織機(jī)主軸速度設(shè)為600r/min，仿真時(shí)間設(shè)置為2s，正好打緯運(yùn)動(dòng)完兩個(gè)周期。筘座的位移、速度和加速度仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，所設(shè)計(jì)的四連桿打緯機(jī)構(gòu)具有良好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)力學(xué)特性，在打緯運(yùn)動(dòng)開始時(shí)，筘座的速度為零，正加速度為2000 mm/s2，符合噴氣織機(jī)打緯的要求。通過(guò)在Adams/PostProcessor中對(duì)其位移曲線的測(cè)量計(jì)算得到了該織機(jī)的打緯動(dòng)程為70 mm，符合織物織造的要求。從圖中看到速度和加速度曲線呈波浪形變化，且起伏較為平穩(wěn)，這樣可以減小筘座的振動(dòng)。打緯時(shí)，當(dāng)鋼筘?cái)[至后死心位置時(shí)，在梭口中間開始引緯;當(dāng)鋼筘?cái)[至前死心位置時(shí)，筘槽把緯紗推至織口［7］。

圖4 筘座的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線Fig.4 The motion curve of the sley

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

噴氣織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生慣性載荷，主要包括慣性力和慣性力矩。這樣會(huì)對(duì)織機(jī)的機(jī)架產(chǎn)生沖擊力，同時(shí)機(jī)架還承受著偏心力，這就使得機(jī)器在運(yùn)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，通過(guò)改善墻板上的沖擊載荷來(lái)提高織機(jī)的抗振性。為研究高速織機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題，下面就對(duì)墻板上受到的沖擊載荷和主軸電機(jī)的輸入力矩進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖5和6所示。

圖5 不同主軸轉(zhuǎn)速對(duì)墻板的沖擊力Fig.5 Impact force of different spindle speeds on wall panels

從圖5中可以清楚地看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速增高，對(duì)左右墻板的沖擊力也在不斷地增加，其中當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 200 r/min時(shí)，左墻板受到的沖擊力高達(dá)1.241 1×105N。這樣當(dāng)沖擊力達(dá)到一定程度，整個(gè)機(jī)架就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，同時(shí)隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，電機(jī)的輸入力矩也在增大，使得傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載在逐漸地增加，嚴(yán)重影響了織機(jī)的正常工作，甚至?xí)茐恼麄€(gè)織機(jī)的整體性［8］。

圖6 不同主軸轉(zhuǎn)速下伺服電機(jī)輸入力矩Fig.6 Input torque of servo motor with different spindle speeds

3 墻板的有限元分析

鑒于墻板受到一定程度的沖擊力，對(duì)其進(jìn)行有限元分析是很有必要的。ANSYS/Workbench是一款分析功能強(qiáng)大的軟件，它可將在Pro/E中建立的墻板無(wú)縫連接模型加載至該軟件中進(jìn)行分析計(jì)算。

首先在Engineering Data中選用墻板的材料為灰鑄鐵，其參數(shù)設(shè)置為:密度7 200 kg/m3;彈性模量為110GPa;PR泊松比為0.28。接下來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響計(jì)算結(jié)果，劃分網(wǎng)格的數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，但同時(shí)計(jì)算量也增大。墻板的實(shí)體模型簡(jiǎn)單而且沒有較多的限制，在此采用了自由劃分網(wǎng)格的方法對(duì)其進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，網(wǎng)格劃分后得到的單元全部為三角形。這樣的單元便于后面的計(jì)算并且計(jì)算精度也較高。

由于打緯機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，左墻板承受的沖擊載荷較大，因此，本文只對(duì)左墻板進(jìn)行有限元分析，將墻板的底座與地面固定，選取在ADAMS中仿真時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)后的沖擊力數(shù)據(jù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為600，800和1 200 r/min時(shí)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)后測(cè)得曲軸對(duì)墻板的沖擊力分別為1.053 2×105N，1.165 9×105N和1.241 1×105N，搖軸對(duì)墻板的沖擊力分別為8.291 8×104N，9.002 5×104N和1.200 0×105N。將這些沖擊力數(shù)據(jù)加載到曲軸與墻板連接的孔上以及搖軸與墻板連接的孔上，同時(shí)選取等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和總變形來(lái)查看墻板的變形情況，如圖8所示。

圖7 墻板的有限元模型Fig.7 Finite element model of wall panels

由圖6中的振型可以看出，在主軸轉(zhuǎn)速較低時(shí)，噴氣織機(jī)具有較好的動(dòng)力學(xué)特性。但隨著織機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的提高，墻板受到的沖擊力也越來(lái)越大，墻板的變形也越來(lái)越嚴(yán)重。當(dāng)主軸的轉(zhuǎn)速為600，800和1 200 r/min時(shí)，總變形為1.028 8mm，2.838 8mm和5.702 3mm。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 200 r/min時(shí)，墻板已發(fā)生了明顯的變形。

噴氣織機(jī)的轉(zhuǎn)速還可以提高，甚至可以達(dá)到2 000r/min，這樣打緯慣性力對(duì)整個(gè)機(jī)架將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊力。為了適應(yīng)織機(jī)高速低振的要求，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到織機(jī)在高速運(yùn)作時(shí)的動(dòng)平衡問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)設(shè)計(jì)的噴氣織機(jī)的打緯機(jī)構(gòu)，能夠滿足織機(jī)織造的要求，同時(shí)也為織機(jī)的其他機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了一種新的設(shè)計(jì)方法?；谟?jì)算機(jī)仿真技術(shù)設(shè)計(jì)的噴氣織機(jī)的打緯機(jī)構(gòu)具有較好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)力學(xué)特性，并且能夠達(dá)到織造的要求。該設(shè)計(jì)方法不僅可以用在紡織行業(yè)，也可用在航天航空行業(yè)、汽車行業(yè)和船舶行業(yè)等，特別是一些尖端科學(xué)領(lǐng)域。

圖8 不同主軸轉(zhuǎn)速條件下墻板的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變及總變形Fig.8 Equivalent stress and strain and total deformation of wall under different spindle speeds

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