邱 海 飛

(西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710123)

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研究與技術(shù)

織機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)減振技術(shù)研究

邱 海 飛

(西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710123)

針對(duì)以往的織機(jī)減振措施，將先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于機(jī)架動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)。以某型機(jī)架為研究實(shí)例，綜合運(yùn)用有限單元法、參數(shù)化建模及動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段，建立機(jī)架結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，以實(shí)現(xiàn)機(jī)架組件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與動(dòng)態(tài)性能提升，有效增強(qiáng)了機(jī)架結(jié)構(gòu)抗振性能。通過(guò)響應(yīng)面分析和局部靈敏度分析，為實(shí)際機(jī)架減振實(shí)驗(yàn)指明方向，即：上撐檔與前下?lián)螜n位置對(duì)機(jī)架抗振性能敏感度較大，可重點(diǎn)予以控制與改造。為織機(jī)系統(tǒng)減振和機(jī)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了重要技術(shù)參考。

機(jī)架；減振；織機(jī)；優(yōu)化；有限元；響應(yīng)面；靈敏度

近年來(lái)，隨著紡織機(jī)械裝備的高速、高精度化發(fā)展，新型織機(jī)的車速已經(jīng)高達(dá)2 000 r/min。生產(chǎn)實(shí)踐表明，良好的機(jī)架結(jié)構(gòu)對(duì)于織機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，它不僅有利于提高織物表面質(zhì)量和織造效率，而且能夠有效延長(zhǎng)織機(jī)的使用壽命[1]。在當(dāng)前推動(dòng)紡織工業(yè)振興的大環(huán)境下，中國(guó)紡織企業(yè)都在積極地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)，而且在不斷淘汰落后產(chǎn)能和技術(shù)裝備。這種背景下，為了適應(yīng)新型織機(jī)的發(fā)展要求，有必要提高織機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，同時(shí)需要探索更為有效的機(jī)架結(jié)構(gòu)及其減振技術(shù)，以促進(jìn)紡織企業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)。

隨著現(xiàn)代CAD/CAE技術(shù)的日益成熟，數(shù)字化技術(shù)為織機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)提供了新的手段。通過(guò)在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上綜合應(yīng)用各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，如參數(shù)化建模、動(dòng)態(tài)分析、有限單元法及結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法等[2]，不僅保證了機(jī)架組件的標(biāo)準(zhǔn)化與完整性，而且可以在數(shù)字化運(yùn)行模式下方便、快捷地實(shí)現(xiàn)機(jī)架性能優(yōu)化，避免了機(jī)架結(jié)構(gòu)的二次改造和再裝配，有利于機(jī)架減振設(shè)計(jì)和織機(jī)系統(tǒng)集成化發(fā)展。

1　機(jī)架減振措施

機(jī)架是織機(jī)的支撐基礎(chǔ)和主要承載部件。在織造生產(chǎn)過(guò)程中，織機(jī)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)沖擊載荷經(jīng)由機(jī)架向機(jī)體各部位傳播，由此形成的激振會(huì)引發(fā)織機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生不同幅度的振動(dòng)和噪聲[1]。例如，打緯主軸曲拐旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的偏心力、筘座和鋼筘產(chǎn)生的慣性打緯力及綜框往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成的周期性沖擊載荷等，均會(huì)直接或間接地作用于機(jī)架[2]，從而弱化機(jī)架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使其在織造過(guò)程中發(fā)生振動(dòng)，影響織機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和正常生產(chǎn)。

以往對(duì)于織機(jī)機(jī)架的減振措施主要有：對(duì)曲軸添加配重或減振裝置，采用抗振性強(qiáng)的材質(zhì)制成墻板或向墻板內(nèi)部填充減振材料(如鑄礦石)，在機(jī)架基礎(chǔ)部位安裝減振裝置或消振器等。例如黃富貴等[3]將豆包消振器應(yīng)用于織機(jī)機(jī)架減振，在較寬頻帶范圍內(nèi)有效增強(qiáng)了機(jī)架結(jié)構(gòu)的抗振性能?？棛C(jī)整機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電集成系統(tǒng)，其五大機(jī)構(gòu)均安裝于機(jī)架之上，傳統(tǒng)的減振措施多以添加額外減振裝置為主，這樣不僅增加了機(jī)架的承載負(fù)擔(dān)，而且容易造成各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間產(chǎn)生載荷傳遞，影響織機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

實(shí)際情況下，由于受到機(jī)架裝配工藝限制，而且難以準(zhǔn)確把握減振裝置的添加部位，傳統(tǒng)的減振措施往往不能獲得較為理想的減振效果。此外，減振器屬于消耗易損件，且價(jià)格較貴，長(zhǎng)期在高頻強(qiáng)振狀態(tài)下工作會(huì)縮短其使用壽命[4]，不利于紡織企業(yè)生產(chǎn)節(jié)約、降低成本，這種情況下就需要?jiǎng)?chuàng)新思路，探索和嘗試新的機(jī)架結(jié)構(gòu)減振技術(shù)。

2　機(jī)架數(shù)字化模型

織機(jī)機(jī)架一般由墻板、胸梁、后梁及撐檔構(gòu)成[5]，如圖1所示為某型織機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)的數(shù)字化CAD模型，其中左、右墻板呈對(duì)稱分布，中間由矩形或圓形截面的空心梁件連接。以機(jī)架各零部件的幾何點(diǎn)(圖1中矩形標(biāo)識(shí))為參考，分析和建立機(jī)架結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型，并通過(guò)幾何點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)控制各零部件的位置分布，為機(jī)架參數(shù)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

基于參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化模型大大提高了機(jī)架設(shè)計(jì)的可塑性。以此模型為平臺(tái)，可以無(wú)限次對(duì)機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與深入研究，避免了實(shí)際物理機(jī)架的改造實(shí)驗(yàn)，不僅有效提高了機(jī)架設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，而且減少了實(shí)驗(yàn)次數(shù)和成本，為織機(jī)機(jī)架性能研究與改進(jìn)提供了有力支持。

1.左墻板，2.右墻板，3.胸梁，4.后梁，5.上撐檔， 6.下?lián)螜n(機(jī)前)，7.下?lián)螜n(機(jī)后)圖1　機(jī)架結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型Fig.1　Digital model of frame structure

3　動(dòng)態(tài)計(jì)算與分析

3.1有限元模型

織機(jī)機(jī)架為連續(xù)實(shí)體結(jié)構(gòu)。根據(jù)有限單元法和振動(dòng)力學(xué)理論，可將具有無(wú)限自由度的實(shí)體近似等效為有限自由度的離散結(jié)構(gòu)[6-7]。采用Solid186單元對(duì)機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，如圖2所示。Solid186是高階的三維六面體20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，即沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動(dòng)[8-9]。此外，該單元具有二次位移，可適用于不規(guī)則的網(wǎng)格模型，同時(shí)具有塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變等功能。

圖2　Solid186單元結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure of element Solid186

為了提高計(jì)算效率和網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，忽略緊固件聯(lián)接及墻板上一些無(wú)關(guān)緊要的結(jié)構(gòu)特征[5]。根據(jù)實(shí)際工況，在左、右墻板底部設(shè)置固定約束。機(jī)架有限元網(wǎng)格模型如圖3所示，共包括8 124個(gè)單元和57 183個(gè)節(jié)點(diǎn)。選用吸振性強(qiáng)的灰鑄鐵作為墻板材質(zhì)，其余連接部件材質(zhì)均采用結(jié)構(gòu)鋼[10]，材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3　機(jī)架有限元模型Fig.3　Finite element model of the frame表1　材料屬性Tab.1　Material property

材質(zhì)密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比灰鑄鐵72001100.28結(jié)構(gòu)鋼78502000.33

3.2模態(tài)頻率與振型

根據(jù)振動(dòng)理論，低階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性最為敏感[8]，故在此只關(guān)心機(jī)架前兩階模態(tài)頻率和振型，如圖4所示。由圖4可知，機(jī)架在第一階模態(tài)頻率f1(20.079 Hz)下的振動(dòng)模式主要表現(xiàn)為左右橫向擺動(dòng)，最大變形區(qū)域出現(xiàn)在胸梁與墻板連接處；機(jī)架第二階模態(tài)頻率f2增大到了27.058 Hz，此時(shí)機(jī)架上部位置發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，最大變形出現(xiàn)在后梁、上撐檔及其與墻板連接區(qū)域。

圖4　機(jī)架1、2階模態(tài)振型Fig.4　Top 2 moding shape of the frame

由模態(tài)分析結(jié)果可知，當(dāng)織機(jī)車速頻率在20 Hz或27 Hz附近時(shí)，機(jī)架容易發(fā)生劇烈的橫向或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，并有可能在墻板與胸梁、后梁及上撐檔連接處出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，由此為織機(jī)的車速控制與減振設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

4　結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1優(yōu)化基本原理

優(yōu)化設(shè)計(jì)是建立在近代數(shù)學(xué)規(guī)劃論和計(jì)算機(jī)程序開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)上的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，其基本原理是運(yùn)用各種優(yōu)化方法，通過(guò)滿足一定約束條件下的迭代計(jì)算來(lái)獲得最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。織機(jī)機(jī)架優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型如下式所示：

(1)

式中：f(X)為目標(biāo)函數(shù)，gi(X)為狀態(tài)變量函數(shù)，X為設(shè)計(jì)變量。

在模態(tài)分析基礎(chǔ)上，采用Response Surface算法對(duì)織機(jī)機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，搭建如圖5所示的機(jī)架優(yōu)化流程，通過(guò)有限元計(jì)算建立設(shè)計(jì)空間的響應(yīng)面/曲線，然后分析獲得最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

圖5　機(jī)架優(yōu)化流程Fig.5　Optimal process of the frame

圖6　定義設(shè)計(jì)變量Fig.6　Set design variable

4.2定義設(shè)計(jì)變量

考慮到機(jī)架的抗振性，以提高第一階模態(tài)頻率f1為尋優(yōu)目標(biāo)。保證機(jī)架結(jié)構(gòu)及其組成部件尺寸不變，通過(guò)調(diào)整胸梁、后梁及撐檔在兩側(cè)墻板上的安裝位置來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)架動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)。以墻板左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，如圖6所示，沿底面水平方向定義X軸，沿左端面垂直方向定義Y軸，各部件初始安裝位置以坐標(biāo)原點(diǎn)為參照。

將機(jī)架上各部件的安裝位置坐標(biāo)定義為設(shè)計(jì)變量。由圖6可知，共存在10個(gè)設(shè)計(jì)變量，即DV_1～DV_10，其中DV_1、DV_3、DV_7、DV_9為X方向變量，DV_2、DV_4、DV_6、DV_8、DV_10為Y方向變量，各設(shè)計(jì)變量的初始值和取值區(qū)間如表2所示。

表2　設(shè)計(jì)變量取值Tab.2　Value of design variable

5　結(jié)果分析

5.1頻率極值

執(zhí)行Response Surface優(yōu)化計(jì)算過(guò)程，利用Min-Max Search函數(shù)統(tǒng)計(jì)獲得機(jī)架前兩階模態(tài)頻率極值以及與其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量值。如表3所示，共有五組機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，其中A為初始頻率，B為f1取最小值，C為f2取最小值，D為f1取最大值，E為f2取最大值。

由表3可知，對(duì)于方案B和方案C，機(jī)架前兩階模態(tài)頻率均小于優(yōu)化前的初始頻率值，不利于提高機(jī)架結(jié)構(gòu)抗振性，故設(shè)計(jì)機(jī)架時(shí)盡量不選取這兩種方案的設(shè)計(jì)變量組合。方案D和方案E的前兩階模態(tài)頻率大小非常接近，而且均高于方案A，說(shuō)明在這兩種設(shè)計(jì)變量組合方案下皆可實(shí)現(xiàn)機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但實(shí)際當(dāng)中往往更關(guān)心第一階模態(tài)頻率f1。比較可知，D方案的f1比E方案高0.47 Hz，因此選D方案為最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

表3　優(yōu)化前后結(jié)果比較Tab.3　Result comparison before and after optimization

計(jì)算并提取機(jī)架在方案D下的前兩階模態(tài)振型，如圖7所示。分析可知，優(yōu)化后的機(jī)架振型與圖4所示機(jī)架振動(dòng)模式相似，即均表現(xiàn)為一階橫向振動(dòng)、二階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，只是變形區(qū)域和振動(dòng)幅度不同。但是與優(yōu)化前(方案A)相比，D方案的第一模態(tài)頻率f1為22.37 Hz，相對(duì)A方案增大了2.29 Hz，提高幅度約11.40%，有效增強(qiáng)了機(jī)架抗振性，相當(dāng)于將織機(jī)主軸轉(zhuǎn)速提高了近138 r/min，降低了機(jī)架振動(dòng)對(duì)織造生產(chǎn)的不利影響，有利于織機(jī)高速化發(fā)展。

圖7　D方案下的機(jī)架1、2階振型Fig.7　Top 2 moding shape of the frame for project D

5.2響應(yīng)面分析

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，響應(yīng)面法(Response Surface)主要用于結(jié)構(gòu)的可靠性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)[9]，其基本原理是利用合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)方法及實(shí)驗(yàn)得到相關(guān)分析數(shù)據(jù)，并通過(guò)多元二次回歸方程來(lái)擬合影響因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上解決多變量問(wèn)題的優(yōu)化問(wèn)題。

織機(jī)機(jī)架的響應(yīng)變量為低階模態(tài)頻率f1、f2，影響因素為機(jī)架各零部件的安裝位置坐標(biāo)，即：DV_1～DV_10，故定義響應(yīng)函數(shù)如式(2)所示。

fi=η(DV_1，DV_2，…，DV_10)

(2)

通過(guò)優(yōu)化計(jì)算獲得機(jī)架結(jié)構(gòu)與模態(tài)頻率f1、f2之間的3D響應(yīng)面，如圖8所示，其中垂直方向坐標(biāo)表示模態(tài)頻率fi，其余兩個(gè)方向坐標(biāo)分別表示各零部件在墻板平面上的位置坐標(biāo)。

3D響應(yīng)面可直觀反映各連接部件位置對(duì)機(jī)架前兩階模態(tài)頻率的影響，例如對(duì)于機(jī)架后下?lián)螜n，減小DV_9、增大DV_10可提高f1、f2，如圖8(h)(i)所示。

圖8　機(jī)架結(jié)構(gòu)響應(yīng)面分析Fig.8　Response surface analysis of frame structure

響應(yīng)面分析結(jié)果為機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和靈敏度分析提供了重要依據(jù)。

5.3局部靈敏度

靈敏度分析主要用于定性或定量地評(píng)價(jià)模型參數(shù)誤差對(duì)模型結(jié)果產(chǎn)生的影響，在模型參數(shù)化過(guò)程和校正過(guò)程中具有重要作用[9]。局部靈敏度(Local Sensitivity)分析檢驗(yàn)單個(gè)參數(shù)變化對(duì)模型運(yùn)行結(jié)果的影響程度，如圖9所示。在各設(shè)計(jì)變量的變化范圍內(nèi)，總體來(lái)看，DV_8對(duì)機(jī)架前兩階模態(tài)頻率f1、f2的影響最大，其靈敏度分別為-0.105和-0.102，而DV_7、DV_4的影響程度次之，分別為0.029和0.039，說(shuō)明上撐檔和前下?lián)螜n的安裝位置會(huì)對(duì)機(jī)架動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。相比之下，DV_1、DV_5及DV_6對(duì)f1的影響較小，DV_5、DV_6對(duì)f2的影響較小，說(shuō)明胸梁和后梁位置對(duì)機(jī)架模態(tài)特性影響較小。

局部靈敏度分析為織機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)和可靠性設(shè)計(jì)指明了方向。由分析結(jié)果可知，對(duì)機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可重點(diǎn)考慮調(diào)節(jié)上撐檔、前下?lián)螜n的安裝位置，這樣可以快速、有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能改進(jìn)。

圖9　局部靈敏度分析Fig.9　Local sensitivity analysis

6　結(jié)　語(yǔ)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法為紡織機(jī)械裝備研發(fā)提出了新的思路，革新傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式、降低技術(shù)成本和提高產(chǎn)品性能，對(duì)于中國(guó)紡織工業(yè)的振興與技術(shù)升級(jí)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)綜合運(yùn)用多種現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段，如有限元方法、參數(shù)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化、響應(yīng)面分析及靈敏度分析等，實(shí)現(xiàn)了織機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和動(dòng)態(tài)性能提升，不僅將機(jī)架基頻提高了約11.40%，同時(shí)計(jì)算和明確了機(jī)架結(jié)構(gòu)局部靈敏度，為機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和紡織機(jī)械裝備數(shù)字化改造提供了重要技術(shù)支持。

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Research of damping technology for the structure of loom frame

QIU Haifei

(College of Mechanical Engineering, Xijing University, Xi’an 710123, China)

In view of traditional vibration mitigation measures for the loom, advanced digital technology is applied to improve its dynamic performance of loom frame. A certain type of frame is used as the research example, and its optimized dynamic mathematical model is set up based on comprehensively applying various modern design methods such as finite element method, parametric modeling and dynamic optimization technique. Then, the structure and dynamics performance of the frame components are improved, and its damping property is also effectively strengthened. Besides, the direction of the frame’s damping experiment is pointed out through response surface analysis and local sensitivity analysis, that is, the upper supporting pin and lower supporting pin in front should be mainly controlled and reformed, because they are very sensitive to frame vibration damping property. In result, some important technical reference is provided for loom damping and frame structure improvement.

frame; vibration damping; loom; optimizing; finite element; response surface; sensitivity

10.3969/j.issn.1001-7003.2016.07.007

2016-01-08;

2016-06-02

陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(15JK2177)；西京學(xué)院科研基金項(xiàng)目(XJ150216)

TS103.3

A

1001-7003(2016)07-0032-06引用頁(yè)碼: 071107