羅 娟, 郗欣甫, 孫以澤

(東華大學(xué) 機械工程學(xué)院， 上海 201620)

用于簇絨地毯織機的新型鉤刀割絨機構(gòu)

羅 娟, 郗欣甫, 孫以澤

(東華大學(xué) 機械工程學(xué)院， 上海 201620)

為解決多色提花鉤刀割絨系統(tǒng)在移針時整個系統(tǒng)的橫移問題，根據(jù)簇絨地毯割絨的形成原理，設(shè)計了一種新型的用于簇絨地毯織機上的鉤刀割絨機構(gòu)，能準(zhǔn)確完成勾紗-脫紗工藝。根據(jù)這套鉤刀割絨機構(gòu)的機構(gòu)簡圖，分成3個封閉多邊形，對每個封閉多邊形依據(jù)其矢量關(guān)系，建立矢量方程式，并利用歐拉公式簡化方程，進行實部與虛部分離得到構(gòu)件位移；接著對相關(guān)方程式討論其一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)分別得到構(gòu)件的速度、加速度的數(shù)學(xué)求解式。通過這些求解式運用MatLab進行編程，計算所求量，得到各構(gòu)件的運動規(guī)律，以及成圈鉤的角位移、角速度和角加速度的變化曲線。

鉤刀割絨機構(gòu)； 運動規(guī)律； 數(shù)學(xué)模型； 變化曲線

在簇絨地毯的織造工藝中，成圈鉤握持紗線成圈形成圈絨，或割絨刀割斷紗線形成割絨，根據(jù)不同的工藝方法，簇絨地毯可通過多種方式來實現(xiàn)地毯的多樣性[1-2]。其中為滿足不斷豐富的花型要求，簇絨地毯織機橫動技術(shù)得到發(fā)展，主要包括底布橫動技術(shù)和針排橫動技術(shù)，這2種技術(shù)對鉤刀割絨機構(gòu)的要求是不同的。底布橫動提花只需要移動底布，鉤刀割絨機構(gòu)不需要橫移，比較簡單，但是由于受到底布運動的限制，只能織出比較簡單的花形，而且提花性能不穩(wěn)定，精度較差，而針排橫動技術(shù)是針排和割絨系統(tǒng)在進行提花的同時完成整個機構(gòu)橫向移動提花，地毯花型豐富，適用性廣[3]。

本文針對多色提花系統(tǒng)中的鉤刀割絨機構(gòu)進行改善，設(shè)計了一種新型的鉤刀割絨系統(tǒng)，既可完成鉤刀割絨機構(gòu)勾紗-割絨的功能，而且也可在橫動時避免整個鉤刀割絨系統(tǒng)的整體橫動，減少整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

1 割絨形成原理

割絨絨頭的形成是在簇絨針植絨后，由鉤刀割絨機構(gòu)完成成圈割絨運動。割絨機構(gòu)一般由簇絨針、成圈鉤和割絨刀組成,通過其之間具有一定規(guī)律的配合，以送紗-勾紗-脫紗的循環(huán)性動作使絨紗在底布形成絨圈[4-5]。圖1為割絨形成原理的示意圖。首先，簇絨針帶著絨紗開始下降，與此同時，底布向前進，成圈鉤脫紗完畢開始向左擺動，為勾住下一個絨圈做準(zhǔn)備，割絨刀已經(jīng)切割完上一個絨圈向下運動。接著，簇絨針繼續(xù)下降直至下止點，成圈鉤從最右端向左邊擺動，并從簇絨針和絨圈之間穿過，準(zhǔn)備勾紗，同時，割絨刀下降到下止點。然后，簇絨針開始上升，成圈鉤已經(jīng)擺動到最左端并勾住此時的絨圈開始向右擺回，而割絨刀則向上運動開始割斷絨圈。此后，簇絨針繼續(xù)上升，成圈鉤向右擺動到最右端，割絨刀上升到最高處,之后重復(fù)前面的動作，于是地毯上的割絨就形成了[6]。

2 鉤刀割絨機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)割絨地毯形成的工藝原理，對鉤刀割絨機構(gòu)進行功能設(shè)計。所設(shè)計的鉤刀割絨機構(gòu)主要完成勾紗-脫紗的循環(huán)動作，據(jù)此，本文設(shè)計了一種新型的簇絨地毯織機的鉤刀割絨機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。圖中，成圈鉤1固連在鉤支承桿3上，和轉(zhuǎn)動板件6相連接，直線軸承8和連接板10構(gòu)成滑塊，該滑塊組件的運動由水平運動和豎直運動合成，于是可形成轉(zhuǎn)動板件6繞轉(zhuǎn)動中心擺動，從而實現(xiàn)成圈鉤的左右擺動；刀支架4夾住割絨刀2，與刀滑桿5相連，其可在滑槽7內(nèi)滑動，由9、10組成的滑塊的水平與豎直的運動使得割絨刀可實現(xiàn)隨轉(zhuǎn)動板件6的擺動同時上下移動完成割絨。

對于該機構(gòu)的運動驅(qū)動機構(gòu)，目前基本上采用連桿機構(gòu)，該套新型的鉤刀割絨機構(gòu)采用曲柄滑塊機構(gòu)進行鉤刀成圈割絨的執(zhí)行機構(gòu)[7]。

3 鉤刀割絨機構(gòu)的運動分析

對鉤刀系統(tǒng)進行運動分析，可從整個裝備中分離出一組割絨鉤刀機構(gòu)以及一組成圈割絨傳動機構(gòu)進行研究，其機構(gòu)簡圖見圖3。曲柄滑塊機構(gòu)1、2、3作為傳動機構(gòu)，帶動滑塊3上下往復(fù)運動；滑塊3上固連橫向?qū)к?，滑塊4在該導(dǎo)軌上隨著滑塊3上下運動，同時還可在導(dǎo)軌上左右移動，因此滑塊4在C點處構(gòu)成合成運動，繞D點轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了成圈鉤的左右擺動；6為割絨刀，5′為成圈鉤，割絨刀6與板件5之間在K處存在滑動副；滑塊7的運動和滑塊4的運動類似，F(xiàn)點的運動是合成運動，實現(xiàn)了割絨刀6隨板件5擺動的同時完成割絨。

對該機構(gòu)的動力學(xué)特性進行分析時，將其整個機構(gòu)分成3個封閉的多邊形，對每個多邊形根據(jù)其矢量關(guān)系式，運用復(fù)數(shù)矢量法，建立坐標(biāo)系。首先列出機構(gòu)的位置方程式，然后對位置方程式進行一次求導(dǎo)和二次求導(dǎo)，分別得到機構(gòu)的速度和加速度的方程，通過歐拉公式的轉(zhuǎn)換，對方程式進行實部與虛部分離，得到所求量的數(shù)學(xué)求解式，然后利用計算器或者MatLab等相關(guān)軟件進行計算求解，從而得到機構(gòu)的運動特性[8-9]。

3.1 連桿2與滑塊3的運動分析

圖4為割絨鉤刀機構(gòu)的矢量坐標(biāo)圖。根據(jù)圖示，按三角形O1AB各矢量的方向有：

l1eiφ1+l2eiφ2=iyb

(1)

式中：l1=7 mm，為曲柄1的長度；l2=200 mm，為連桿2的長度；yb為滑塊的位移；φ1為曲柄1的角位移；φ2為連桿2的角位移。

分別取實部和虛部：

l1cosφ1+l2cosφ2=0

(2)

l1sinφ1+l2sinφ2=yb

(3)

由式(2)、(3)可得

(4)

yb=l1sinφ1+l2sinφ2

(5)

按式(1)對時間取導(dǎo)數(shù)

(6)

上式每項乘e-iφ2，取實部得

(7)

對式(6)取實部有

(8)

按式(6)對時間取導(dǎo)數(shù)得

(9)

上式每項乘e-iφ2，取實部得

(10)

對式(6)取實部，可得

(11)

3.2 滑塊4、擺桿5與成圈鉤5′的運動分析

根據(jù)圖4，按多邊形O1BCDM各矢量的方向有

iyb+l4=xd+iyd+l5eiφ5

(12)

式中：l4為滑塊4的位移；xD為D點水平位移；yD=166 mm為D點豎直位移；l5=103.71 mm為桿件5的長度；φ5為桿件5的角位移。

對上式取虛部：

(13)

由圖4中的幾何關(guān)系可得

φ5′=φ5-(180°-∠CDM)

(14)

式中：φ5′為簇絨鉤5′的角位移；∠CDM為角度，其值為50.48°。

按式(12)對時間取導(dǎo)數(shù)

(15)

不考慮D點運動，所以有

；

于是可得

(16)

上式每項乘e-iφ5，取實部得

(17)

對(15)式取虛部得

(18)

由于成圈鉤5′與擺桿5固連，因此有

(19)

按式(15)對時間取導(dǎo)數(shù)得

(20)

上式每項乘e-iφ5，取實部得

(21)

對式(18)取虛部有

(22)

并且有

(23)

3.3 割絨刀6與滑塊7的運動分析

根據(jù)圖4，按多邊形O1BFDM各矢量的方向有

(24)

式中：lDK=25 mm為D點到K點的水平位移;φ6為割絨刀6的角位移；l6為K點到F點的距離；l7為滑塊7的位移。

對上式取虛部

(25)

由圖4中的幾何關(guān)系有

φ6=φ5+∠CDM

(26)

按式(24)對時間取導(dǎo)數(shù)

(27)

上式每項乘e-iφ6，取虛部得

(28)

對式(27)取虛部得：

(29)

將式(27)對時間取導(dǎo)數(shù)得：

(30)

上式每項乘e-iφ6，取虛部得：

(31)

對式(30)取虛部有

(32)

4 結(jié)果與分析

根據(jù)鉤刀割絨機構(gòu)運動分析建立的數(shù)學(xué)模型，在MatLab中進行編程計算，曲柄的轉(zhuǎn)速為600r/min，可得到相關(guān)構(gòu)件的所求量，計算得到的部分結(jié)果如表1所示，根據(jù)結(jié)果繪出成圈鉤的角位移、角速度以及角加速度曲線，如圖5所示。

由圖5可知，成圈鉤的擺角行程為10°左右，割絨刀的擺角行程與成圈鉤的擺角行程同步。結(jié)合表中數(shù)據(jù)分析，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)角φ1=0°時，成圈鉤與水平軸正向的夾角為90.18°(逆時針方向為正)，位于其擺動的中間位置，此時割絨刀隨板件轉(zhuǎn)動時的上下運動位移l6的大小為66.17mm；當(dāng)φ1=45°時，成圈鉤與水平軸正向的夾角為86.63°，夾角變小，說明此時成圈鉤開始向右擺動，l6的大小為62.75mm，值變小，根據(jù)圖4可知，此時割絨刀向上運動，割絨完成開始脫紗；當(dāng)φ1=90°時，成圈鉤與水平軸正向的夾角為85.15°，夾角達到最小值，說明此時成圈鉤擺到最右端，脫紗完成，l6的大小為61.33mm，值達到最小，此時割絨刀上升到最大高度；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)角φ1=135°時，成圈鉤與水平軸正向的夾角變?yōu)?6.63°，夾角開始向左增大，成圈鉤向左擺動，l6的大小為62.75mm，割絨刀開始下降；當(dāng)φ1=180°時，成圈鉤擺回中間位置，割絨刀繼續(xù)下降；當(dāng)φ1=225°時，成圈鉤繼續(xù)向左擺動，進行勾紗；當(dāng)φ1=270°時，成圈鉤與水平軸正向的夾角為95.22°，達到最大值，說明成圈鉤此時已擺到最左端，紗線已被完全勾住，l6的大小為71.02mm，割絨刀下降到最低處。當(dāng)φ1=270°～360°時，成圈鉤向左擺動，而割絨刀也開始向上運動，之后重復(fù)上述動作。

表1 割絨鉤刀機構(gòu)運動分析結(jié)果Tab.1 Result of kinematic analysis of cut pile mechanism

根據(jù)簇絨地毯的割絨形成工藝，簇絨針穿過底布下降到最低點時，成圈鉤勾住紗線，之后繼續(xù)向左擺動，然后在適當(dāng)?shù)奈恢酶罱q，放紗[10]。通過以上分析可知，在φ1=180°時成圈鉤處于中間位置并向左擺動，因此根據(jù)簇絨針和成圈鉤的配合要求可知，此時簇絨針應(yīng)該到達下止點或運動到其附近，同時成圈鉤開始勾紗，之后，簇絨針向上運動，成圈鉤繼續(xù)之后動作，完成放紗。成圈鉤左右的擺動角度都大約為5°，割絨刀上下割絨的行程為10mm左右。同時成圈鉤的角加速度也相對較小，過渡平滑，不存在突變，因此該機構(gòu)具有較好的運動性能，能滿足割絨的功能要求。

5 結(jié) 論

1)分析割絨形成原理，根據(jù)割絨機構(gòu)的勾紗-脫紗的功能要求，設(shè)計出了一套新型的鉤刀割絨機構(gòu)。

2)繪出該鉤刀割絨機構(gòu)的矢量坐標(biāo)圖，并運用封閉多邊形的矢量分析方法，建立數(shù)學(xué)模型，求解成圈鉤、割絨刀等構(gòu)件的位移、速度和加速度，通過MatLab軟件進行編程計算，得到所求量，并繪出了成圈鉤的位移隨主軸擺角變化的曲線、速度隨主軸擺角變化的曲線以及加速度隨主軸擺角變化曲線。

3)根據(jù)所得的數(shù)據(jù)和運動曲線，對成圈鉤和割絨刀的運動進行分析，得到成圈鉤的擺角行程和割絨刀的割絨行程。成圈鉤的擺角大約為10°,割絨刀的割絨行程大約為10mm：在主軸轉(zhuǎn)角φ1=90°時成圈鉤擺到最右端，向右擺動角度大約為5°，割絨刀上升到最高處；在主軸轉(zhuǎn)角φ1=270°時成圈鉤擺到最左端，向左擺動角度也為5°左右，割絨刀下降到最低處。在主軸轉(zhuǎn)角φ1=0°～45°的范圍內(nèi)，成圈鉤勾住紗線向右擺動，割絨刀割絨；在主軸轉(zhuǎn)角φ1=90°～270°范圍內(nèi)，割絨刀向下運動直至最低點，成圈鉤向左擺動直至最左端，此時成圈鉤完成勾紗運動。在主軸轉(zhuǎn)角φ1=270°～360°范圍內(nèi)，割絨刀向上運動為割絨做準(zhǔn)備，成圈鉤勾住紗線向右擺動為脫紗做準(zhǔn)備。成圈鉤的角加速度值和割絨刀的角速度值都相對較小，變化光滑，無沖擊。

FZXB

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Novel cut pile mechanism on tufting carpet loom

LUO Juan, CHI Xinfu, SUN Yize

(College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

To solve the problem of whole mechanism shogging of cut pile mechanism system on multi-color jacquard weaving, according to the principle of cut pile on tufted carpet, a novel cut pile mechanism on tufting carpet loom was proposed, which could accurately complete the processes of snagging and sloughing. By analyzing the kinetic characteristics of cut pile mechanism, according to schematic diagram of cut pile mechanism, it was divided into three closedi-polygons, and for each closedi-polygon, vector equation was obtained on the basis of vector relations. And using Euler formula, reduced equation, separated real part and imaginary part of equation, displacement of component was obtained. Then for the equation, the first and order derivatives were discussed and mathematical formulas about velocity and angular acceleration of component were obtained. Using the software MatLab, on the basis of solving equations, desired value was calculated and the motion law was given, especially the change curve of the loopi-hamulus about its the angular displacement, angular velocity and angular acceleration curve.

transverse jacquard; movement law; mathematical model; change curve

10.13475/j.fzxb.20150404206

2015-04-23

2016-03-02

國家自然科學(xué)基金項目(51375084)；教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(IRT1220)

羅娟(1990—)，女，碩士生。主要研究方向為多幅并行多色提花割絨塊毯織造系統(tǒng)設(shè)計。孫以澤，通信作者，E-mail：sunyz@dhu.edu.cn。

TH 112.1；TS 103.3

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