姚 超，王益軒，劉婷婷(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048)

超寬幅織機(jī)綜框結(jié)構(gòu)設(shè)計及振動特性分析

姚 超，王益軒，劉婷婷
(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048)

為了解決綜框橫梁變形、斷裂等問題，改進(jìn)超寬幅織機(jī)綜框的結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用Ansys 軟件中Beam 188梁單元對1000 cm幅寬的綜框橫梁與側(cè)檔的連接方式、中間支撐結(jié)構(gòu)、橫梁與側(cè)檔的截面形狀及各構(gòu)件用材料進(jìn)行設(shè)計與動態(tài)分析研究，并分別計算出鋁合金無支撐、鋁合金有支撐、碳纖維有支撐三種結(jié)構(gòu)的綜框在無約束狀態(tài)下的自由振動與xoy,zoy,zox平面內(nèi)的自由振動的固有頻率值。結(jié)果表明：綜框增加中間支撐結(jié)構(gòu)后有助于使其具有較好的動態(tài)特性；在低階頻率下，綜框的主要振型是橫梁上下同步或異步振動，橫梁的前后同步或異步振動，為寬幅織機(jī)在各種工況下穩(wěn)定運行提供依據(jù)；提高綜框剛度可減小綜框的橫向振動，建議綜框上、下橫梁采用碳纖維復(fù)合材料。

超寬幅織機(jī)；幅寬；綜框；結(jié)構(gòu)設(shè)計；振動特性；動態(tài)分析；Ansys軟件

0 引言

在高速公路、鐵路、機(jī)場等交通運輸領(lǐng)域的基礎(chǔ)建設(shè)工程、大型結(jié)構(gòu)工程及建筑工程領(lǐng)域中，幅寬大于5 m的寬幅機(jī)織物應(yīng)用廣泛。綜框不僅是織機(jī)開口機(jī)構(gòu)的重要構(gòu)件之一，也是開口系統(tǒng)中的薄弱構(gòu)件[1-2]。隨著對織機(jī)入緯率要求的不斷提高，織機(jī)轉(zhuǎn)速及上機(jī)幅寬也在不斷增大。通常，服裝、裝飾和一般產(chǎn)業(yè)用機(jī)織物幅寬不超過5 m，其織機(jī)和綜框的設(shè)計研究和生產(chǎn)比較成熟；而特種產(chǎn)業(yè)用機(jī)織物的幅寬均超過5 m，因此，其織機(jī)及綜框的設(shè)計和開發(fā)成為新的研究課題。國外開發(fā)的特種產(chǎn)業(yè)用織機(jī)綜框的最大幅寬已達(dá)到30 m。

織機(jī)在高速運轉(zhuǎn)時，綜框作為一個薄臂板梁結(jié)構(gòu)件，在提綜臂的作用下做上下往復(fù)運動，加上相鄰綜框間的振動，往往會造成經(jīng)紗斷頭，導(dǎo)致綜框橫梁嚴(yán)重變形，甚至產(chǎn)生斷裂、脫筘等問題[3-5]。對此，筆者通過改變傳統(tǒng)橫梁和側(cè)檔的接合方式，增加中間支撐桿結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計橫梁和側(cè)檔截面，選配綜框各構(gòu)件材料等方法，對超寬幅綜框進(jìn)行綜合設(shè)計研究，以期綜框性能達(dá)到最佳效果。

超寬幅綜框較常規(guī)綜框要承受更大的經(jīng)紗載荷和更多的干擾頻率。筆者利用Pro/E虛擬樣機(jī)技術(shù)建立幅寬為1000 cm綜框的模型，并利用Ansys中Beam188梁單元進(jìn)行動態(tài)特性分析，通過研究分析綜框橫梁和側(cè)檔結(jié)構(gòu)，以綜框的最佳動態(tài)特性為根據(jù)，使綜框的振動最小，為超寬型特種產(chǎn)業(yè)用織物織機(jī)綜框的設(shè)計提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜框的主要部件包括上橫梁、下橫梁、左右側(cè)檔和穿綜桿等，綜框是空腔型扁管型材，利用Pro/E軟件建立綜框的幾何模型，如圖1a)所示。設(shè)計改進(jìn)了傳統(tǒng)橫梁和側(cè)檔之間的連接方式，如圖1b)所示，上接合件通過綜框型腔內(nèi)兩平面凸緣壁定位安裝到綜框橫梁上，并采用4枚鉚釘與綜框橫梁連接；下接合件與橫梁之間的連接方式同上。側(cè)檔的上耳在安裝時，通過上耳上、下兩個凸凹導(dǎo)向槽與上、下兩個接合件上各自的導(dǎo)向槽進(jìn)行配合安裝。為了防止扭轉(zhuǎn)，利用鉸制孔用螺栓桿把上、下接合件與側(cè)檔連接在一起。綜框橫梁左右兩端1/4處各采用支撐桿連接，如1c)所示，支撐桿上、下兩端通過可調(diào)節(jié)的2個螺釘安裝在內(nèi)壁上，當(dāng)4個沉頭螺釘預(yù)緊后可起到支撐作用。

a) 幾何模型

b) 橫梁與側(cè)檔連接

c) 中間支撐

利用Pro/E虛擬樣機(jī)技術(shù)建立幅寬為1000 cm的綜框模型，分別選用質(zhì)量輕、強度高的鋁合金和碳纖維復(fù)合材料作為綜框材料。鋁合金的主要參數(shù)：密度為2705 kg/m3，彈性模量為69 GPa，泊松比為0.33，屈服強度為125 MPa。上、下橫梁材料采用青島SK化工有限公司生產(chǎn)的碳纖維平紋預(yù)浸料，材料性能參數(shù)見表1。

表1 碳纖維平紋預(yù)浸材料性能參數(shù)

材料彈性模量/GPa剪切模量/GPa泊松比E11E22E33G12G13G23μ12μ23μ13密度ρ/(g·cm?3)碳纖維68．4916．8168．488．757．318．750．290．340．191．452

2 梁單元有限元模型

利用Ansys軟件Beam 188梁單元建立有限元模型，上、下橫梁主要采用自定義梁截面，如圖2所示，而側(cè)檔采用普通實心矩形梁截面，中間支撐采用普通空心圓梁截面，并進(jìn)行無約束狀態(tài)的自由振動模態(tài)分析。由于綜框振動主要發(fā)生在上、下橫梁及側(cè)檔處，為了提高運算效率，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型優(yōu)化，忽略了螺栓、螺紋孔及綜框上細(xì)小特征，如綜耳、穿綜桿及綜絲夾等[6]。建立綜框的有限元模型，如圖3所示，圖中xoy平面為綜框平面；其中，有中間支撐和無中間支撐的有限元模型，分別見圖3a)和圖3b)，并采用不同的材料進(jìn)行分析。具體從以下3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算與分析：① 全鋁合金無中間支撐；② 全鋁合金有中間支撐；③ 上、下橫梁為碳纖維復(fù)合材料，側(cè)檔和中間支撐為鋁合金材料，且有中間支撐。

圖2 自定義梁截面

圖3 綜框有限元模型

a) 無支撐結(jié)構(gòu) b) 有支撐結(jié)構(gòu)

3 無約束狀態(tài)下的振動特性

實驗室中，綜框自由振動的頻率一般是通過外激勵得到的，因此，無法準(zhǔn)確測到綜框無約束狀態(tài)下自由振動的前30階固有頻率值。利用Ansys軟件對幅寬為1000 cm的綜框模型進(jìn)行無約束狀態(tài)下的動態(tài)特性分析，前30階自由振動的固有頻率值見表2。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，綜框的固有頻率屬于低頻振動，而自由振動的前6階頻率幾乎為0 Hz；而鋁合金無支撐綜框的第7階固有頻率為0.781 Hz，幅寬為1000 cm的鋁合金綜框增加支撐結(jié)構(gòu)后，固有頻率有所增加；第8階固有頻率由無支撐結(jié)構(gòu)時的1.278 Hz提高到2.168 Hz；當(dāng)上、下橫梁采用碳纖維復(fù)合材料時，各階固有頻率之間的頻寬范圍也相應(yīng)增大，而且第7階固有頻率明顯提高。綜框的固有頻率越高，剛度越大，織機(jī)運轉(zhuǎn)越不容易引起綜框振動，越有利于織機(jī)的運轉(zhuǎn)。從不同視角觀察3種綜框結(jié)構(gòu)的前30階固有頻率的模態(tài)振型圖可以看出，主要振型為上、下橫梁上下同、異步振動和上、下橫梁前后同、異步振動，如圖4～圖7所示。

綜框的振動主要體現(xiàn)在前后方向的橫向振動和

上下方向上的振動[7]。為了更加清楚說明整個綜框模態(tài)變化的振型，下面將限制各個平面的有限約束，觀察無支撐結(jié)構(gòu)綜框的振型變化。筆者將從xoy平面(即圖1綜框平面)、zox平面(垂直于綜框平面的水平面)和zoy平面(即綜框平面的側(cè)視投影面)3個方向進(jìn)行分析。

表2 無約束狀態(tài)下綜框前30階固有頻率單位：Hz

a) 軸測方向

b) xoy平面

c) xoz平面

a) 軸測方向

b) xoy平面

c) xoz平面

a) 軸測方向

b) xoy平面

4 xoy平面的振動特性

xoy平面(綜框平面)內(nèi)的振動，即運動方向上的振動。在不限制xoy平面內(nèi)的有效移動和轉(zhuǎn)動自由度，其余的自由度全部施加固定約束時，計算得出此平面內(nèi)前20階的固有頻率見表3。

表3 xoy平面綜框前20階固有頻率單位：Hz

由表3可知，鋁合金無支撐結(jié)構(gòu)的第4階固有頻率為3.957 Hz，鋁合金有支撐結(jié)構(gòu)的綜框固有頻率提高為9.535 Hz，而碳纖維材料的綜框在該階的固有頻率為12.349 Hz。在織機(jī)轉(zhuǎn)速為740.94 r/min(即織機(jī)運轉(zhuǎn)頻率為12.349 Hz)以上的工況下，易引起該平面的振動，模態(tài)振型云圖見圖8～圖9。由振型云圖可以看出，綜框上、下橫梁上下異步振動是在運動平面內(nèi)上、下橫梁振動的相位差為180°，而上、下橫梁同步振動是整體繞z軸的同步彎曲。無支撐結(jié)構(gòu)自由振動下第11，16，20，23，29階模態(tài)振型云圖與對應(yīng)的xoy平面內(nèi)自由振動第 4，5，6，7，8 階模態(tài)振型云圖基本相近；有支撐結(jié)構(gòu)的自由振動下第14，21，23，29階模態(tài)振型云圖與對應(yīng)的xoy平面內(nèi)自由振動第4，5，6，7階模態(tài)振型云圖基本相近；有支撐的碳纖維復(fù)合材料綜框自由振動下第15，21，24階模態(tài)振型云圖與對應(yīng)的xoy平面內(nèi)自由振動第4，5，6階模態(tài)振型云圖基本相近。

a) 鋁合金無支撐

b) 鋁合金有支撐

c) 碳纖維有支撐

a) 鋁合金無支撐

b) 鋁合金有支撐

c) 碳纖維有支撐

5 zox平面的振動特性

zox平面內(nèi)振動，即綜框繞y軸方向前后的橫振動。不限制zox平面內(nèi)有效的移動和轉(zhuǎn)動自由度，其余的自由度全部施加固定約束，經(jīng)計算得該平面內(nèi)前20階固有頻率見表4。

由表4可知，zox平面前20階固有頻率和無約束自由振動的前30階頻率值重合度比較高，主要是上、下橫梁前后振動的同步模態(tài)振型。首先，鋁合金無支撐結(jié)構(gòu)綜框在前30階無約束自由振動第7，15，21，24，26階頻率與zox平面內(nèi)自由振動第5，11，15，17，19階頻率很接近，振型基本吻合；其次，前30階自由振動第9，10，12，18階與zox平面內(nèi)自由振動第6，7，9，13階頻率接近，振型相互補。鋁合金有支撐結(jié)構(gòu)綜框在前30階無約束自由振動第7，8，10，13，15，17，22，25，27階振型與zox平面內(nèi)自由振動第4，5，7，9，12，13，15，17，20階頻率很接近，振型基本吻合；有支撐碳纖維結(jié)構(gòu)綜框在前30階無約束自由振動第7，8，11，13，16，19，22，25，28階振型與zox平面內(nèi)自由振動第4，5，7，9，12，13，15，17，20階頻率很接近，振型基本吻合，如圖10所示。

表4 zox平面綜框前20階固有頻率單位：Hz

a) 無支撐第11階

b) 有支撐第15階

c) 碳纖維第20階

此外，zox平面內(nèi)振動還出現(xiàn)上、下橫梁前后振動異步振型。

6 zoy平面的振動特性

在zoy平面內(nèi)，即垂直于綜框平面的側(cè)平面(綜框平面的側(cè)視投影面)的橫向振動，不限制zoy平面內(nèi)有效的移動和轉(zhuǎn)動自由度，其余的自由度全部施加固定約束，計算得前20階固有頻率見表5。

表5 zoy平面綜框前20階固有頻率單位：Hz

由表5可以看出，各階固有頻率明顯增大，第4階的固有頻率為18.688 Hz，也說明只有織機(jī)轉(zhuǎn)速在1 121.3 r/min(即織機(jī)運轉(zhuǎn)頻率在18.688 Hz)以上時，才會出現(xiàn)綜框在該平面的振動。鋁合金無支撐結(jié)構(gòu)第10階模態(tài)振型云圖，如圖11所示。

從圖11可以看出，織機(jī)的主要變形發(fā)生上、下橫梁前后同異步振動及側(cè)檔繞x軸的同、異步轉(zhuǎn)動的振型。

a) 軸測圖

b) zox平面

c) zoy平面

7 結(jié)語

在幅寬為1000 cm綜框的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過改變傳統(tǒng)綜框橫梁和側(cè)檔的連接方式，增加中間支撐結(jié)構(gòu)等改進(jìn)措施，對綜框結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行動態(tài)分析。分別計算出綜框在無約束狀態(tài)下的自由振動和xoy,zoy,zox平面內(nèi)自由振動的固有頻率值。結(jié)果表明：綜框在zox平面的剛度最小，其次是xoy平面，而zoy平面的剛度最大；綜框在低階干擾頻率下，主要振型是上、下橫梁的上下異步或同步振動、前后的異步和同步振動，只有在高階干擾頻率下，才會出現(xiàn)側(cè)檔同步和異步振動；中間支撐可明顯改善綜框的剛度和動態(tài)特性。為了改善綜框的橫向振動，主要加強上、下橫梁和側(cè)檔的剛度與強度，只有增加橫梁和側(cè)檔截面的厚度和高度尺寸或者選用比強度和比模量高的高性能復(fù)合材料，就可明顯改善綜框在zox平面的剛度，如采用碳纖維材料。同時，研究結(jié)果為超幅寬綜框的總體設(shè)計提供了參考依據(jù)。

[1] 祝章?。C框的模態(tài)結(jié)構(gòu)特性及其能量分布[J]．中國紡織大學(xué)學(xué)報，1997，23(2)：94-99.

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Structural Design and Vibration Characteristic Analysis of the Heald Frame for the Loom with Super Width

YAO Chao,WANG Yixuan,LIU Tingting
(School of Mechanical and Electrical Engineering Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China)

To solve the problems with the heald frame for the loom with super width such as the beam deformation or fracture,the Beam 188 unit in the software of Ansys is used to do dynamic analysis of the connecting mode and the support between the beam with width 1000 cm and the side bar,the sectional profile and the structural parts.Free vibration of the alu-alloy heald frames with support or without support,and the carbon fiber heald frame with support are worked out comparing the inherent frequency value of the planes ofxoy,zoyandzox.It proves that the heald frame with support in the interface layer have good dynamic charcteristics.In the low frequency,the main vibration forms of the heald frames are charcterized as up-and-down synchronization or asynchronization while the vibration of the beams is in back-and-forward synchronization or asynchronization forms,providing information for the heald frame of the loom with super width for constant performance.Rigidity increase of the heald frame reduces longitunal vibration.It is recommended that both the top and bottom beams of the heald frame are made of carbon composite material.

loom with super width;width;heald frame;structural design;vibration characteristic;dynamic analysis;Ansys software

2016-08-06

陜西省科技攻關(guān)項目(2015GY137)；陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項目(2013JC17)

姚 超(1989—)，男，陜西寶雞人，碩士研究生，主要從事機(jī)械CAD/CAE/CAM及虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究。

TS103.82+4

A

1001-9634(2017)02-0013-06