趙珍光

山東日發(fā)紡織機(jī)械有限公司研發(fā)中心，山東 聊城 252000

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針刺機(jī)偏心主軸振動問題探討

趙珍光

山東日發(fā)紡織機(jī)械有限公司研發(fā)中心，山東 聊城 252000

基于單曲柄結(jié)構(gòu)和雙曲柄結(jié)構(gòu)高速針刺機(jī)振動產(chǎn)生的原因，探討針刺機(jī)的針刺頻率、針刺密度與設(shè)備偏心主軸振動和主軸強(qiáng)度的關(guān)系；通過運(yùn)動分析、測量及計(jì)算使設(shè)備偏心主軸振動、強(qiáng)度量化；設(shè)計(jì)消除主要慣性力的配重的計(jì)算方法，為提高針刺頻率和針刺密度提供理論依據(jù)。

針刺機(jī)，振動，曲柄，聯(lián)桿，配重

針刺法非織造技術(shù)是利用刺針的穿刺作用，使前道工序加工出的具有一定均勻度的纖網(wǎng)中的纖維相互纏結(jié)，形成具有一定強(qiáng)度和厚度的非織造布的一種加固方法[1]。但在實(shí)際針刺加固生產(chǎn)中，針刺頻率和針刺密度的提高受設(shè)備偏心主軸振動和主軸強(qiáng)度的影響。

本文針對單曲柄結(jié)構(gòu)和雙曲柄結(jié)構(gòu)針刺機(jī)(山東日發(fā)紡織機(jī)械有限公司生產(chǎn))在運(yùn)行過程中存在的問題，運(yùn)用計(jì)算式，定量闡述針刺機(jī)的針刺頻率、針刺密度與設(shè)備偏心主軸振動、強(qiáng)度之間的關(guān)系，以期為高頻針刺機(jī)的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1　曲柄結(jié)構(gòu)介紹

針刺機(jī)的振動由曲柄箱驅(qū)動針板運(yùn)動產(chǎn)生。根據(jù)工藝配置的不同，針刺機(jī)的曲柄箱結(jié)構(gòu)可分為單曲柄結(jié)構(gòu)和雙曲柄結(jié)構(gòu)兩種(圖1)。

(a)單曲柄結(jié)構(gòu)　　(b)雙曲柄結(jié)構(gòu)

雙曲柄結(jié)構(gòu)較單曲柄結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但兩者主要組成零件及工作原理相同(圖2)：電機(jī)通過變速箱傳動主傳動軸(1)，驅(qū)動曲柄(3)旋轉(zhuǎn)，聯(lián)桿(5)在曲柄的作用下做2倍偏距運(yùn)動，帶動推桿(6)在導(dǎo)向套的作用下做上下運(yùn)動，同時(shí)帶動針梁和針板上下往復(fù)運(yùn)動。整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，曲柄、聯(lián)桿相互關(guān)聯(lián)運(yùn)動，加速度和作用力連續(xù)變化，但在偏心距的影響下易產(chǎn)生慣性力，這使得設(shè)備機(jī)械穩(wěn)定性能欠佳。而合適地加以動平衡可較好地消除振動，改善動平衡，有效提高針刺速度。故選擇增加配重塊(2)以平衡慣性力，改善設(shè)備機(jī)械穩(wěn)定性能，確保針刺機(jī)高速、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

1—主傳動軸；2—配重塊；3—曲柄；4—滾針軸承；5—聯(lián)桿；6—推桿

下文就單曲柄結(jié)構(gòu)和雙曲柄結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行分析說明。

2　針刺機(jī)單曲柄結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

圖3為簡化的針刺機(jī)單曲柄結(jié)構(gòu)力學(xué)示意圖。其中，A點(diǎn)表示主傳動軸中心、B點(diǎn)表示聯(lián)桿中心、C點(diǎn)表示推桿中心；R代表主軸中心與聯(lián)桿中心的距離即曲柄的偏心距、L代表聯(lián)桿中心到推桿中心的距離、xC代表推桿中心的位移；φ1代表R與水平方向的夾角、φ2代表L與水平方向的夾角。

圖3　單曲柄結(jié)構(gòu)運(yùn)動分析

2.1曲柄箱運(yùn)動性能分析

針刺機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，刺針在針板組件的驅(qū)動下對纖網(wǎng)做高速上下穿刺運(yùn)動，針刺動程取決于曲柄的偏心距。對圖3中的單曲柄結(jié)構(gòu)運(yùn)動進(jìn)行分解，因R和L為封閉的向量，兩者在y軸方向上的投影大小相等、方向相反，故：

Rsinφ1+Lsinφ2=0

(1)

即

(2)

式中：τ為一常數(shù)。

設(shè)曲柄的角速度為ω1，角加速度為ε1；聯(lián)桿的角速度為ω2，角加速度為ε2。就式(2)對時(shí)間t求導(dǎo)數(shù)，得：

(3)

繼續(xù)對時(shí)間t求導(dǎo)數(shù)，得：

(4)

將式(2)、式(3)代入式(4)，得：

(5)

式(5)定義了曲柄旋轉(zhuǎn)至不同位置時(shí)聯(lián)桿的角加速度的變化。

2.2針板組件運(yùn)動性能分析

為簡化結(jié)構(gòu)分析，將曲柄、針梁、針板和刺針統(tǒng)稱為針板組件，它們皆為剛性聯(lián)接，工作中相對運(yùn)動皆為零。當(dāng)曲柄從φ1=0°的位置即下止點(diǎn)處旋轉(zhuǎn)到圖3所示位置時(shí)，針板組件的位移(s)：

s=R+L-xC=R(1-cosφ1)+L(1-cosφ2)

(6)

因此，針板組件的速度(vC)和加速度(aC)：

(7)

(8)

則式(7)和式(8)的近似計(jì)算式：

(9)

(10)

2.3針刺機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)慣性力分析

圖4為針刺機(jī)單曲柄結(jié)構(gòu)的慣性力分析簡圖。設(shè)定曲柄(1)、聯(lián)桿(2)和滑塊(3)的重力分別為G1、G2和G3(質(zhì)量分別為m1、m2、m3)；R代表主傳動軸中心A與聯(lián)桿中心B的距離即曲柄的偏心距，L代表聯(lián)桿中心B到推桿中心C的距離；曲柄重心S1距離其主傳動軸中心A的距離為e，聯(lián)桿重心S2到聯(lián)桿中心B和針板組件中心C的距離分別為a和b。

將聯(lián)桿質(zhì)量m2分配到B和C點(diǎn)[圖4(a)]，得：

(11)

(12)

在曲柄的延長線上距離A點(diǎn)r長度的位置處安裝一重力為G′(質(zhì)量為m′)的平衡塊[圖4(b)]:

(13)

當(dāng)曲柄重心S1和主傳動軸中心A重合即e=0時(shí)，旋轉(zhuǎn)半徑為0，則力矩為0，此時(shí)滿足動平衡，故：

(14)

(a)　　(b)

(c)　　(d)　　(e)

接著對往復(fù)運(yùn)動的針板組件做動平衡。結(jié)合式(10)可得C處的慣性力PC：

PC=-mCaC=

(15)

以曲柄、聯(lián)桿、滑塊、機(jī)座為受力體，慣性力PC將在A、C處引起動壓力N41和N43[圖4(c)]。故機(jī)座受力偶矩N34xC和作用于A處的水平動壓力N14h的共同作用[圖4(d)]，其中N14h=PC。為消除N14h的影響，在曲柄的延長線上距離A點(diǎn)r長度的位置處再加裝一重力為G″(質(zhì)量為m″)的平衡塊[圖4(e)],且G″r=mCgR。

G″引起的慣性力作用于A處，分解到水平方向和豎直方向分別為P″h和P″v：

(16)

(17)

P″h 與N14h的大小相等、方向相反，故可通過增加平衡塊抵消水平慣性力，確保針刺機(jī)高頻穩(wěn)定運(yùn)行；而豎直方向上的P″v，其最大值與P″h 的最大值相等，對機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)有一定的影響，可利用設(shè)備自重來降低影響。

3　針刺機(jī)雙曲柄結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

圖5為雙曲柄結(jié)構(gòu)受力簡圖。

圖5　雙曲柄結(jié)構(gòu)運(yùn)動分析

圖5中，m1表示曲柄的質(zhì)量、m2表示聯(lián)桿的質(zhì)量、m3表示推桿和針梁的質(zhì)量、mE表示配重塊的質(zhì)量；l表示聯(lián)桿長度，a、b、c分別表示對應(yīng)質(zhì)心距A、B、C鉸鏈處的距離，r表示聯(lián)桿偏心距，c代表聯(lián)桿重心回轉(zhuǎn)半徑，r′表示配重塊的回轉(zhuǎn)半徑；θ表示曲柄轉(zhuǎn)過的角度。mE產(chǎn)生的慣性力與m1、m2、m3產(chǎn)生的慣性力相平衡時(shí)，整個(gè)曲柄結(jié)構(gòu)達(dá)到動平衡，此時(shí)雙曲柄結(jié)構(gòu)針刺機(jī)不會產(chǎn)生較大的振動。

3.1雙曲柄箱分析

雙曲柄結(jié)構(gòu)左右相同，故本文選擇右半部分用于研究慣性力(圖6)。

圖6　雙曲柄結(jié)構(gòu)質(zhì)量簡圖

采用質(zhì)量代替法，將m1集中于A、B處，則：

(18)

(19)

由于A點(diǎn)為軸心，是靜止的，因此m1A不產(chǎn)生慣性力。

同樣，將m2集中于B、C處 ，則：

(20)

(21)

于是B、C處集中的質(zhì)量：

mB=m1B+m2B

(22)

mC=m2C+m3

(23)

另外，設(shè)曲柄角速度為ω，則B處的加速度：

aB=-rω2

(24)

圖5中曲柄與聯(lián)桿恰好處于垂直位置，則C點(diǎn)的位移(xC)：

xC=rcosθ+lsinθ

(25)

對時(shí)間t求導(dǎo)兩次，得C處加速度：

(26)

故B、C兩點(diǎn)的慣性力：

PB=-mBrω2

(27)

(28)

3.2配重塊的設(shè)計(jì)分析

將配重塊的質(zhì)量mE分解成豎直方向(mE1)和水平方向(mE2)兩部分。其中，mE1旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力用于平衡PB，則：

mE1r′=mBr

(29)

故：

(30)

mE2在x和y方向上產(chǎn)生的慣性力：

PE2x=-mE2ω2r′sinθ

(31)

PE2y=-mE2ω2r′cosθ

(32)

適當(dāng)調(diào)整式(32)中的mE2和r′，可使其與式(28)中的第一項(xiàng)相同，PC的cosθ項(xiàng)與PE2y相互抵消，但PC中的cos2θ項(xiàng)不能消除，只有依靠設(shè)備自身的質(zhì)量來緩解。而水平方向上，因?yàn)槭亲笥译p軸驅(qū)動，故左右雙軸都會產(chǎn)生PE2x，它們數(shù)值相等、方向相反，慣性力相互抵消并達(dá)到平衡。

4　針刺頻率與針刺機(jī)振動的實(shí)例

以雙曲柄針刺機(jī)為例，設(shè)計(jì)偏心距r為2 cm、聯(lián)桿長度l為25 cm，當(dāng)針刺頻率為800、1 200、1 500 r/min時(shí)，測得針板組件往復(fù)運(yùn)動的速度和加速度幅值如圖7所示。

圖7　不同針刺頻率時(shí)針板組件往復(fù)運(yùn)動的速度、加速度幅值

針板組件質(zhì)量m針板為34 kg(即重力約340 N)，其產(chǎn)生的一階往復(fù)慣性力P1和二階往復(fù)慣性力P2的實(shí)測值如圖8所示。

圖8　不同針刺頻率時(shí)針板組件往復(fù)慣性力

由上述數(shù)據(jù)可知，相同曲柄箱配置的針刺機(jī)在針刺設(shè)備質(zhì)量和偏心距恒定的條件下，針板組件的往復(fù)慣性力隨著針刺頻率的上升而上升，針刺設(shè)備的振動也隨之增加，且往復(fù)慣性力增加速率要高于針刺頻率的升高速率。但二階往復(fù)慣性力約為一階往復(fù)慣性力的8%，故可不予考慮?？稍诒ＷC往復(fù)運(yùn)動零件強(qiáng)度、剛度和可靠性的前提下，通過減輕質(zhì)量來減少動載荷。

5　結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)針刺機(jī)高頻、高速運(yùn)轉(zhuǎn)，采用配重塊是減小針刺機(jī)振動的有效手段。通過科學(xué)合理的選擇、計(jì)算、加工配重塊，可平衡設(shè)備的往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力；在曲柄結(jié)構(gòu)選材方面，應(yīng)以滿足往復(fù)運(yùn)動針板組件的強(qiáng)度、剛度及可靠性為前提，選用質(zhì)量相對小的材料以減少動載荷、改善動平衡，且曲柄結(jié)構(gòu)組件加工精度應(yīng)滿足技術(shù)要求，安裝要確保其基準(zhǔn)精確、牢固。

Discussion about eccentric spindle’s vibration of needle punching machines

ZhaoZhenguang

Technology Development Center，Shandong Rifa Textile Machinery Co., Ltd.，Liaocheng 252000, China

Based on the reasons for vibration of high-speed needle punching machines with single crank and double crank, the relationship among needle frequency, needle density, vibration and strength of eccentric spindle was discussed. Through the analysis of movement, measurement and calculation, the vibration and strength of eccentric spindle were quantified, and calculation methods of weight which were used to eliminate the main inertial force were designed, in order to provide theoretical basis for improving needle frequency and needle density.

needle punching machine, vibration, crank, joining beam, balance weight

2016-05-03

趙珍光，男，1979年生，工程師，主要從事非織造設(shè)備的研發(fā)工作

TS173.3

A

1004-7093(2016)07-0017-05