黃 雙， 郗欣甫， 徐 洋， 孫以澤

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

簇絨地毯織機耦聯(lián)軸系的鉸鏈間隙對毯面絨高的影響

黃 雙， 郗欣甫， 徐 洋， 孫以澤

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

為給高質(zhì)量簇絨地毯的開發(fā)提供設備保障，針對運動副鉸鏈中存在間隙的問題，以DHGN801D- 400型簇絨地毯織機耦聯(lián)軸系的主軸系統(tǒng)為研究對象，介紹了簇絨地毯織機耦聯(lián)軸系的組成部分，分析了針機構(gòu)的運動特性?？紤]到簇絨針機構(gòu)中3處易磨損的鉸鏈間隙，基于虛擬樣機ADAMS軟件得到不同間隙下簇絨針的位移、速度、加速度及鉸鏈支反力，從而根據(jù)針位移分析鉸鏈間隙對毯面絨高的影響。再以鉸鏈點坐標及桿長為設計變量，以鉸鏈副間的沖擊力和針行程最小為優(yōu)化目標，對該簇絨針機構(gòu)進行多目標優(yōu)化，得到最優(yōu)的鉸鏈坐標及桿長，將鉸鏈間隙對絨高的影響降到最低。

簇絨地毯織機； 耦聯(lián)軸系； 鉸鏈間隙； 多目標優(yōu)化

簇絨地毯以其品種豐富、色彩典雅及圖案現(xiàn)代感強等特點，成為當今地毯市場的主流產(chǎn)品。簇絨地毯質(zhì)量等級的評定有很多嚴格的要求，若地毯稍有瑕疵，等級就會降低，甚至成為廢品。其中，毯面平整度及薄厚均勻度是影響簇絨地毯外觀質(zhì)量等級的重要因素，而這往往由簇絨地毯織機的織造精度來決定。由于運動配合需要，且加工形成的裝配間隙及摩擦磨損引起的非規(guī)則運動副附加間隙等，使得機構(gòu)中的運動副間隙不可避免。而運動副間隙的存在，會使得機構(gòu)運動軌跡與期望運動軌跡之間發(fā)生偏離，從而機構(gòu)運行精度下降，影響毯面質(zhì)量；運動副元素之間發(fā)生接觸碰撞，使得機構(gòu)鉸鏈件的碰撞力增大，加大了對機構(gòu)的破壞，進一步影響機構(gòu)的穩(wěn)定性及工作精度，因此，對簇絨地毯耦聯(lián)軸系中的鉸鏈間隙的分析是十分有必要的。

目前，一些學者對機構(gòu)中某些部件的鉸鏈間隙進行了研究。Tsai等[1-2]將鉸鏈間隙等效為一個無質(zhì)量連桿，基于螺旋理論對含間隙機構(gòu)進行了運動靈敏度分析與定位誤差分析； Innocenti[3]采用虛功原理對含間隙轉(zhuǎn)動副的空間機構(gòu)進行了靈敏度分析；Ting等[4]用無質(zhì)量連桿表示鉸鏈間隙，得出了平面單環(huán)機構(gòu)的最大定位誤差；Parenti-Castelli V等[5]提出了改進間隙影響的分析方法；Flores等[6]建立了基于幾何描述的接觸條件的連續(xù)接觸碰撞力模型。然而，在簇絨地毯織機中，還鮮有學者對其機構(gòu)中的鉸鏈間隙進行分析。

本文以DHGN801D-400型簇絨地毯織機的主軸系統(tǒng)為研究對象，分析軸系中簇絨針曲柄搖桿機構(gòu)和搖桿滑塊機構(gòu)中的鉸鏈間隙對毯面絨高的影響。基于虛擬樣機ADAMS軟件得到針在不同間隙下的位移、速度及加速度，從而得到不同間隙對毯面絨高的影響。此外，以鉸點坐標及桿長為設計變量，以鉸鏈副間的沖擊力和針行程最小為優(yōu)化目標，對該型號的簇絨針機構(gòu)進行多目標優(yōu)化，得到最優(yōu)的鉸鏈坐標及桿長，將鉸鏈間隙對絨高的影響降到最低。

1 地毯織機耦聯(lián)軸系介紹

耦聯(lián)軸系是簇絨織機DHGN801D- 400的核心組成部分[7-8]，如圖1所示。該軸系的結(jié)構(gòu)非常復雜，由3根平行軸經(jīng)多組多套簇絨針連桿機構(gòu)和簇絨鉤連桿機構(gòu)耦合而成。該軸系承受多點交變動載荷，是典型的、有代表性結(jié)構(gòu)特征的現(xiàn)代紡織機械軸系。

簇絨針機構(gòu)是影響毯面質(zhì)量的關鍵部件，由曲柄搖桿機構(gòu)和搖桿滑塊機構(gòu)串聯(lián)而成，從而實現(xiàn)簇絨針的上下往復運動。簇絨針機構(gòu)的三維模型圖及機構(gòu)運動簡圖如圖2所示。主要計算參數(shù)如表1所示。其中，根據(jù)實驗測得針排與底布摩擦力為1 000 N[9]，夾角β=167.8°。由于針位移s的大小直接決定了毯面絨高，所以需要對簇絨針機構(gòu)中的針位移進行分析。

圖1 簇絨地毯織機耦聯(lián)軸系示意Fig.1 Structure of coupling shaft system in tufting machine

圖2 簇絨針機構(gòu)圖Fig.2 Combined mechanism of needle. (a) 3-D model; (b) Skeleton of needle mechanism

構(gòu)件材料長度/mm質(zhì)量/kg轉(zhuǎn)動慣量/(kg·m2)構(gòu)件ln1鑄鋼153.074.34×10-3構(gòu)件ln2鑄鋼1383.7926.99×10-3構(gòu)件ln3鑄鋼1152.9610.77×10-3構(gòu)件ln4鑄鋼1251.746.69×10-3構(gòu)件ln5鑄鋼1200.360.91×10-3構(gòu)件ln6鑄鋼4401.4719.15×10-3x1—70—— x2—100—— H1—155——

注：x1、x2,H1為位置變量，不存在材料、質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量等。

根據(jù)圖2所示，求解機構(gòu)的輸入(即曲柄的轉(zhuǎn)動角度θ)與輸出構(gòu)件(針位移s)之間的位置關系。圖2(b)中，A為偏心點。A點的實時位置 (xA，yA) 可由下式計算得出：

(1)

根據(jù)二點距離公式，可得

(2)

利用余弦定理和幾何關系，可求解得：

(3)

(4)

(5)

C點的實時位置 (xC，yC) 可由式(6)計算得出

(6)

通過求解各桿件的方位角，最終可確定簇絨針的位置。

(7)

(8)

2 鉸鏈間隙對毯面絨高的影響

2.1 含間隙的簇絨針等效機構(gòu)仿真

在ADAMS/View[10]環(huán)境下，利用零件庫、約束庫和驅(qū)動庫中的設計工具，建立參數(shù)化簇絨針機構(gòu)的虛擬樣機模型，在O、A、B、O1、C和D各點創(chuàng)建鉸鏈副，并在O點添加驅(qū)動，如圖3所示。由于ADAMS軟件中不能直接建立含間隙的運動副，本文研究采用特征圓間隙模型來替代銷軸和軸套鉸鏈間

的間隙。其中，這2個圓沒有質(zhì)量和體積，只是2個相互轉(zhuǎn)動連桿的幾何特征。首先，在含間隙的銷軸和軸套的2個構(gòu)件處添加2個半徑不同的特征圓，圓的半徑差為間隙的大小。然后，對這2個構(gòu)件添加平面副，限制2個圓只能在XOY平面內(nèi)平移和繞Z軸轉(zhuǎn)動。最后，采用Impact算法對2個構(gòu)件添加接觸力。按照上述步驟，依次在A、B、C處建立鉸鏈間隙。由于各鉸鏈間隙大于0.2 mm時，各個構(gòu)件無法正常工作，需要更換零部件，所以本文考慮鉸鏈間隙分別為0，0.05，0.1，0.15和0.2 mm時對毯面的影響。

圖3 含間隙的簇絨針機構(gòu)示意圖Fig.3 Combined mechanism of needle with joint clearances

2.2 仿真結(jié)果

圖4～6分別示出無鉸鏈間隙和0.2 mm鉸鏈間隙下針的位移s、速度v及加速度a。

圖4 不同鉸鏈間隙下針位移s曲線Fig.4 Displacement of needle with different joint clearances. (a) Without joint clearance; (b) With 0.2 mm joint clearance

圖5 不同鉸鏈間隙下針的速度Fig.5 Velocity of needle with different joint clearances. (a) Without joint clearance; (b) With 0.2 mm joint clearance

圖6 不同鉸鏈間隙下針的加速度Fig.6 Acceleration of needle with different joint clearances. (a) Without joint clearance; (b) With 0.2 mm joint clearance

表2示出不同鉸鏈間隙下針的行程。從圖4可知，針位移出現(xiàn)了小幅波動，整體影響不大，但從表2可知，不同的鉸鏈間隙下，針的行程出現(xiàn)了很大偏差。在0.20 mm間隙處，針行程差達到1.268 mm。而簇絨地毯1針的分辨率為1 mm，當絨高誤差超過1 mm時，若織平圈地毯，會導致地毯表面凹凸不平；若織提花浮雕地毯，會導致圖案層次不分明，極大影響了簇絨地毯的品質(zhì)。在目前，地毯絨高范圍在1～16 mm變化，但最常見的簇絨地毯絨高為3～8 mm[11]。若某款地毯要求絨高為3 mm，則由鉸鏈間隙影響的絨高差能達到42.27%；若要求絨高為8 mm，則該絨高差也能達到15.85%。從圖5、6可知，當機構(gòu)含間隙鉸鏈時，針的速度和加速度波動非常明顯和頻繁，表明間隙對針的速度和加速度影響非常大。

表2 不同鉸鏈間隙下針的行程Fig.2 Stroke of needle with different clearances

注：①當需要絨高為3 mm時，造成的誤差百分比；②當需要絨高為8 mm時，造成的誤差百分比。

圖7、8分別示出在理想鉸鏈情況下和0.2 mm間隙下支點O對曲柄的支反力。從圖中可看出，由于間隙的存在，使得銷軸和軸套間產(chǎn)生高頻率的碰撞，使得運動副之間的接觸力有很大的波動，機構(gòu)之間的碰撞會使其使用壽命降低，因此，在不能完全消除間隙的情況下，應盡量使得對毯面的影響降到最低，碰撞力也盡量減小。

圖7 理想鉸鏈下ln2對ln1的支反力F21Fig.7 Reaction force F21 of bar ln2 to ln1 without joint clearance

圖8 0.2 mm間隙下ln2對ln1的支反力F21Fig.8 Reaction force F21 of bar ln2 to ln1 with 0.2 mm joint clearance. (a)X direction; (b)Y direction

2.3 多目標優(yōu)化分析

2.3.1 優(yōu)化模型建立

對鉸鏈間隙對毯面的影響進行優(yōu)化時，需要考慮含間隙機構(gòu)的壽命，還要考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。在簇絨地毯織機簇絨針機構(gòu)實際運行中，ln2和ln1之間形成的鉸鏈最易磨損，因此綜合以上考慮，以ln2對ln1支反力F21及滑塊角加速度a為目標函數(shù)，通過線性加權(quán)和法將多目標函數(shù)化為單目標函數(shù)進行優(yōu)化求解。

建立關于ln2對ln1支反力F21及滑塊角加速度a的多目標優(yōu)化函數(shù)F(x):

式中λ1和λ2為加權(quán)因子，λ1+λ2=1。采用均差排序法[12]來確定其對應的權(quán)系數(shù)為：λ1=0.65，λ2=0.35。

為進行優(yōu)化，應設置合理的設計變量。對于簇絨針機構(gòu)而言，機構(gòu)的主要參數(shù)如桿長、β、x1、x2及H1直接影響系統(tǒng)的運動特性。由于安裝位置的限制，本文研究主要以桿長和β為優(yōu)化變量，從各個鉸鏈點入手，因此，初步設定O(DV_1，DV_2)、A(DV_3，DV_4)、B(DV_5，DV_6)、O1(DV_7，DV_8)、C(DV_9，DV_10)和D(DV_11，DV_12)為設計變量?；贏DAMS設計研究模塊，分析各設計變量對優(yōu)化目標的靈敏度如表3所示。DV_3、DV_4、DV_5、DV_6、DV_9和DV_10敏感度最大，所以確定A(DV_3，DV_4)、B(DV_5，DV_6)和C(DV_9，DV_10)為設計變量。

表3 設計變量的初始靈敏度Tab.3 Initial sensitivity of design variables

對機構(gòu)的優(yōu)化設計，除建立目標函數(shù)，確定設計變量，還要根據(jù)機構(gòu)的設計及工藝要求，添加必要的約束條件。由于簇絨地毯的行程要求32.5≤△H≤34，則約束條件為32.5≤max(s)-min(s) ≤34。

2.3.2 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化前后，設計變量的變化值如表4所示，桿長變化如表5所示。

表4 優(yōu)化前后設計變量值Tab.4 Initial and optimized value of design variables

表5 優(yōu)化前后系統(tǒng)性能指標Tab.5 Initial and optimized value of system parameters

從表中可知，鉸點B和C點的坐標變化較大，說明B和C對優(yōu)化目標的影響較大，與其靈敏度計算一致。優(yōu)化后，ln4與ln5的桿長產(chǎn)生了略微的變化，而夾角β變化較大，說明該套簇絨針機構(gòu)的桿長幾乎已經(jīng)處于最優(yōu)，而僅僅需要調(diào)節(jié)夾角β的值。利用優(yōu)化后得到的各個鉸點坐標，重新計算得到針的位移及行程，優(yōu)化結(jié)果如表6所示。優(yōu)化后，理想鉸鏈下的針行程變大，但沒有超過預期工藝參數(shù)，是可以接受的。不同鉸鏈間隙仍然對絨高有一定影響，但影響較小，如要求絨高為3 mm時，誤差百分比從42.27%減小到28.42%。而此時0.2 mm鉸鏈間隙時，行程差△H均小于1 mm，小于簇絨地毯圖案分辨率，說明優(yōu)化是有效的，但由于對絨高的百分比還是達到了20%以上，說明僅僅靠優(yōu)化桿長及夾角β是不夠的，需要進一步探討優(yōu)化鉸鏈間隙的方法，如施加油潤滑和脂潤滑等。

表6 優(yōu)化后不同鉸鏈間隙下針的行程Tab.6 Optimized stroke of needle with difference joint clearances

注：①當需要絨高為3 mm時，造成的誤差百分比；②當需要絨高為8 mm時，造成的誤差百分比。

3 結(jié) 論

本文以DHGN801D- 400型簇絨地毯織機的主軸系統(tǒng)為研究對象，分析鉸鏈間隙對毯面絨高的影響，得到了如下結(jié)論。

1)鉸鏈間隙對毯面絨高的影響極大，直接導致織出的地毯圖案產(chǎn)生凹凸不平的現(xiàn)象。當考慮3處鉸鏈間隙時，由鉸鏈間隙影響的絨高差能達到42.27%，這將使得織造的地毯出現(xiàn)嚴重的不平整，極大影響了簇絨地毯的品質(zhì)。

2)對桿長及鉸點坐標進行優(yōu)化，可減小鉸鏈間隙對絨高的影響，但不能完全消除。

FZXB

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Influence of joint clearances of coupling shaft system on pile height in tufting machine

HUANG Shuang, CHI Xinfu, XU Yang, SUN Yize

(CollegeofMechanicalEngineering,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

Focusing on tufting machine type of DHUN801D-400 and based on the problem of joint clearances in kinematic pairs, the joint clearances of coupling shafts system in needle mechanism are studied. Firstly, the structure of coupling shaft system in tufting machine is introduced and kinematic analysis is studied. Secondly, the three joints with clearance are considered in needle mechanism. And the displacement, velocity, acceleration and reaction force between kinematic pairs in needle mechanism under different clearances are obtained using the ADMAS software, then the impact on pile height is obtained according to the displacement of needles. Thirdly, regarding the coordinates of hinged points and length of bars as design variables, the reaction force and stroke of needles as objective function, the multi-objective optimization is carried out. Finally, the optimal hinge coordinates and the length of bars are obtained, and the influence of joints clearance on pile height is decreased to lowest.

tufting machine; coupling shaft system; joint clearance; multi-objective optimization

10.13475/j.fzxb.20150705306

2015-07-23

2016-03-30

國家自然科學基金資助項目(51375084)；上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目(15ZZ034)；教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(IRT1220)

黃雙(1989—)，女，博士生。研究方向為簇絨地毯裝備運動學及動力學分析。孫以澤，通信作者，E-mail：sunyz@dhu.edu.cn。

TS 103.7； TH 113.22

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