周香琴， 楊勝皎， 王琴龍， 蔣 輝， 唐存滿

(1. 浙江理工大學(xué) 教育部現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)工程研發(fā)中心， 浙江 杭州 310018；2. 萬利紡織機械研究院， 浙江 杭州 311243)

劍桿織機慣性載荷變化規(guī)律及提速試驗

周香琴1,2， 楊勝皎1， 王琴龍2， 蔣 輝2， 唐存滿2

(1. 浙江理工大學(xué) 教育部現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)工程研發(fā)中心， 浙江 杭州 310018；2. 萬利紡織機械研究院， 浙江 杭州 311243)

為提高劍桿織機的車速，通過研究其傳動系統(tǒng)各構(gòu)件的主軸等效轉(zhuǎn)動慣量變化規(guī)律、分布規(guī)律，織機慣性載荷的變化規(guī)律等，獲取了織機各運動構(gòu)件對主軸等效轉(zhuǎn)動慣量的占比規(guī)律。針對幅寬360 cm的WL680型劍桿織機，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)選，劍頭劍帶的質(zhì)量減輕28.26%，傳劍輪的轉(zhuǎn)動慣量減少45.73%，設(shè)計樣機。經(jīng)仿真驗證：優(yōu)化后的樣機降低等效慣性載荷約27%，織機幅寬減小，其效果明顯下降。經(jīng)實物樣機測試驗證：相同車速條件下，優(yōu)化后樣機振動和功耗明顯降低，最高運行速度提高約7%～8%。研究結(jié)果表明：雖然劍頭劍帶的質(zhì)量、傳劍輪的轉(zhuǎn)動慣量較小，但對主軸等效轉(zhuǎn)動慣量的影響敏感，減小其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量能有效減小織機慣性載荷、降低織機振動和功耗、提高織機車速。

劍桿織機； 主軸等效轉(zhuǎn)動慣量； 慣性載荷； 振動； 功耗

劍桿織機提速是行業(yè)的一個共同目標(biāo)，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題，劍桿織機車速和入緯率是衡量劍桿織機技術(shù)水平的重要指標(biāo)。滿機車速與織物品種密切相關(guān)；空機車速與織機的技術(shù)水平相關(guān)，涉及織機的整體結(jié)構(gòu)和制造水平，與運動機構(gòu)的構(gòu)型、運動副配合精度、運動構(gòu)件的質(zhì)量屬性密切相關(guān)?，F(xiàn)有對劍桿織機的研究以運動學(xué)研究為主，研究機構(gòu)的工藝特征、機構(gòu)的運動規(guī)律以及設(shè)計相關(guān)的機構(gòu)參數(shù)等[1-2]。近年來，劍桿織機機構(gòu)精確度的研究逐漸被重視，研究運動副配合精度對運動規(guī)律的影響[3]。為提高織機的速度，動力學(xué)研究也正在興起，包含織機各種工作載荷的研究[4]，慣性載荷的分析計算[5-7]，考慮構(gòu)件彈性的動力學(xué)分析[8-9]、織機墻板的動載荷研究[10]等。在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，本文試圖通過劍桿織機慣性動力學(xué)的研究，獲取各構(gòu)件的主軸等效轉(zhuǎn)動慣量的變化規(guī)律及分布規(guī)律，通過對比分析各構(gòu)件的主軸等效轉(zhuǎn)動慣量、織機引緯系統(tǒng)和打緯系統(tǒng)對主軸的等效慣性力矩等性能參數(shù)，優(yōu)化相應(yīng)零件結(jié)構(gòu)，降低其主軸等效轉(zhuǎn)動慣量，減小織機的等效慣性力矩，達到劍桿織機提速的目的，并通過實物樣機試驗，測試不同車速條件下整機的振動和功耗，驗證結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果，為織機的提速提供一種有效途徑。

1 引緯和打緯傳動機構(gòu)工作原理介紹

以浙江萬利紡織機械有限公司生產(chǎn)的WL680型劍桿織機為研究對象，其織機引緯和打緯傳動機構(gòu)簡圖如圖1(a)所示。電動機軸組件2在電磁力的作用下勻速轉(zhuǎn)動，通過齒輪嚙合帶動主軸組件1、開口傳動軸組件3勻速轉(zhuǎn)動。主軸組件1通過由構(gòu)件1、4、0組成的共軛凸輪打緯機構(gòu)，帶動打緯軸組件4定軸擺動，實現(xiàn)打緯動作；主軸組件1通過構(gòu)件1、5、6、0組成的空間連桿機構(gòu)，構(gòu)件6、7、8、0組成的平面連桿機構(gòu)，構(gòu)件8、9、10、0組成的齒輪機構(gòu)帶動劍頭劍帶組件10做往復(fù)直線運動，實現(xiàn)引緯動作。通過改變構(gòu)件7上F點在構(gòu)件8上的位置實現(xiàn)引緯動程的調(diào)節(jié)。三維模型如圖1(b)所示。

注：0—機架； 1—主軸組件； 2—電動機軸組件； 3—開口傳動軸組件； 4—打緯軸組件； 5—引緯連桿組件； 6—搖擺座組件； 7—調(diào)節(jié)連桿組件； 8—扇形齒輪組件； 9—傳劍軸組件； 10—劍頭劍帶組件。圖1 劍桿織機引緯和打緯傳動機構(gòu)Fig.1 Weft insertion and beat-up driving mechanism of rapier loom. (a) Mechanism sketch; (b) 3-D Model figure

2 引緯和打緯機構(gòu)等效轉(zhuǎn)動慣量分析

運用Pro/E軟件，分析織機的引緯、打緯機構(gòu)中各構(gòu)件的運動規(guī)律、質(zhì)量屬性，運用后處理軟件分析各構(gòu)件的主軸等效轉(zhuǎn)動慣量變化規(guī)律,幅寬為360 cm織機的分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 等效轉(zhuǎn)動慣量變化規(guī)律(幅寬360 cm)Fig.2 Changing rules of equivalent moment of inertia (loom width with 360 cm). (a) Changing rules of J1, J2, J9, J10, Jy, Jz; (b) Changing rules of J3, J4, J5, J6, J7, J8

從圖2可知，等效轉(zhuǎn)動慣量較大的組件有：主軸組件、電動機軸組件、傳劍軸組件、劍頭劍帶組件。運用各構(gòu)件的主軸等效轉(zhuǎn)動慣量，計算其等效轉(zhuǎn)動慣量的占比為

計算結(jié)果如圖3所示。其中主軸組件1占整機等效轉(zhuǎn)動慣量最大，最大占比45.40%；其次為電動機組件2，最大占比42.99%；第3位為傳劍軸組件9，最大占比22.32%；第4位為劍頭劍帶組件10，最大占比16.53%。引緯系統(tǒng)各構(gòu)件主軸等效轉(zhuǎn)動慣量之和最大占比49.97%。

圖3 等效轉(zhuǎn)動慣量分布規(guī)律(幅寬360 cm)Fig.3 Distribution rules of equivalent moment of inertia (loom width with 360 cm). (a) Changing rules of η1, η2, η9, η10, ηy; (b) Changing rules of η3, η4, η5, η6, η7, η8

等效轉(zhuǎn)動慣量波動情況見表1。筘座組件等效轉(zhuǎn)動慣量波動最大，大約達到614.6%，引緯系統(tǒng)中各組件的等效轉(zhuǎn)動慣量波動均比較大，其中劍頭劍帶、傳劍軸、扇形齒輪等組件的等效轉(zhuǎn)動慣量波動較大，叉形連桿的等效轉(zhuǎn)動慣量波動相對較小。等效轉(zhuǎn)動慣量波動大的構(gòu)件對織機車速的影響較大。

表1 等效轉(zhuǎn)動慣量波動及占比

注：波動量=(最大值-最小值)/平均值 ×100%。

3 引緯機構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及樣機驗證

3.1 劍頭劍帶及傳劍輪結(jié)構(gòu)優(yōu)選

在WL680型劍桿織機慣性載荷特征研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他劍桿織機引緯[5]、打緯[6]、開口[7]等機構(gòu)的慣性載荷特性研究結(jié)果，獲得以下結(jié)論：1)劍桿織機慣性載荷以引緯和打緯系統(tǒng)為主；2)筘座組件的等效轉(zhuǎn)動慣量較大、波動也大，降低筘座組件的等效轉(zhuǎn)動慣量對提高織機車速有利，但低速時打緯力降低；3)劍頭劍帶組件、傳劍軸組件等效轉(zhuǎn)動慣量較大，減少其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量對織機提高運行速度比較有利。經(jīng)分析，WL680型劍桿織機傳劍軸組件的轉(zhuǎn)動慣量主要取決于傳劍輪，劍頭劍帶組件的質(zhì)量與劍頭結(jié)構(gòu)相關(guān)，因此通過合理設(shè)計結(jié)構(gòu)，減輕其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，達到提高織機車速的目的。優(yōu)化前后劍頭劍帶及傳劍輪質(zhì)量屬性對比如表2所示。

表2 質(zhì)量對比

3.2 優(yōu)化前后織機性能仿真分析

針對幅寬360 cm的WL680型劍桿織機， 以370 r/min的主軸轉(zhuǎn)速仿真運行，獲得空機(不含多臂)的主軸等效慣性力矩，結(jié)果如圖4所示。優(yōu)化后與優(yōu)化前相比，劍頭劍帶質(zhì)量減輕28.26%，傳劍輪轉(zhuǎn)動慣量減輕45.73%，引緯等效轉(zhuǎn)動慣量下降25.7%，整機等效轉(zhuǎn)動慣量下降12.9%。

圖4 織機性能參數(shù)對比(幅寬360 cm)Fig.4 Loom performance parameters contrast (loom width with 360 cm). (a) Equivalent moment of inertia comparison； (b) Equivalent inertia torque comparison

織機的主軸等效慣性力矩有4個峰值，其中2個峰值出現(xiàn)在打緯區(qū)域，2個峰值出現(xiàn)在引緯區(qū)間，引緯區(qū)域的峰值大約是打緯區(qū)域的峰值的184%。優(yōu)化后，打緯區(qū)域主軸等效慣性力矩極值基本未發(fā)生變化，但在引緯區(qū)域主軸等效慣性力下降明顯，約下降27%。

3.3 優(yōu)化前后織機實物樣機測試驗證

根據(jù)慣性載荷研究結(jié)果，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，獲得幅寬360 cm的WL680型劍桿織機(升級版)。根據(jù)行業(yè)FZ/T 94004—2009《撓性劍桿織機》，運用振動加速度測試儀，在織機墻板表面分別取4個位置測試其振動加速度，運用功率表，測試主驅(qū)動電機的功率消耗，測試結(jié)果如表3所示。

表3 振動及功耗測試結(jié)果對比

注：—表示該位置處沒有測量。

當(dāng)織機以370 r/min運行時，優(yōu)化前后，織機的振動加速度差異不大，優(yōu)化后織機的功耗比優(yōu)化前下降7.5%。當(dāng)織機運行速度超過370 r/min時，優(yōu)化后織機的振動加速度明顯下降，織機的最高運轉(zhuǎn)速度大約提高7%～8%。

4 幅寬對織機性能參數(shù)的影響

針對同款機型，幅寬190 cm的織機，運用仿真分析獲得如圖5所示主軸等效轉(zhuǎn)動慣量變化規(guī)律。

圖5 等效轉(zhuǎn)動慣量變化規(guī)律(幅寬190 cm)Fig.5 Changing rules of equivalent moment of inertia (loom width with 190 cm).(a) Changing rules of J1a, J2a, J9a, J10a, Jya , Jza；(b) Changing rules of J3a, J4a, J5a, J6a, J7a, J8a

等效轉(zhuǎn)動慣量分布規(guī)律如圖6所示?？棛C幅寬從360 cm減小到190 cm，整機等效轉(zhuǎn)動慣量明顯減小，減小幅度達33.21%，引緯系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量下降幅度更大，達到64.99%。引緯系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量占比也明顯下降，最大占比為31.86%。采取與360 cm幅寬相同的劍頭劍帶及傳劍輪結(jié)構(gòu)(參數(shù)見表2)，假設(shè)與360 cm門幅同等入緯率設(shè)置190 cm門幅織機的運轉(zhuǎn)速度，即以710 r/min(開口機構(gòu)不運動)仿真運行，獲取優(yōu)化前后織機性能參數(shù)，結(jié)果如圖7所示。

圖6 等效轉(zhuǎn)動慣量分布規(guī)律(幅寬190 cm)Fig.6 Distribution rules of equivalent moment of inertia (loom width with 190 cm).(a)Changing rules of η1a, η2a, η9a, η10a, ηya;(b)Changing rules of η3a, η4a, η5a, η6a, η7a, η8a

圖7 織機性能參數(shù)對比(幅寬190 cm)Fig.7 Loom performance parameters contrast (loom width with 190 cm). (a) Equivalent moment of inertia comparison; (b) Equivalent inertia torque comparison

相比優(yōu)化前，優(yōu)化后最大主軸等效慣性力矩下降約15%，下降幅度明顯小于360 cm幅寬織機，因此，減輕劍頭劍帶質(zhì)量及傳劍輪的轉(zhuǎn)動慣量，對減小織機主軸等效轉(zhuǎn)動慣量、織機主軸等效慣性力矩的影響程度不明顯，由此可見，針對窄幅織機，通過該方法提速效果將不明顯。

5 結(jié) 論

慣性載荷是劍桿織機空機運行的主要載荷，對織機的振動、車速、功耗等運行性能指標(biāo)影響較大。通過分析織機各構(gòu)件的主軸等效轉(zhuǎn)動慣量的分布規(guī)律，減少主軸等效轉(zhuǎn)動慣量占比較大的構(gòu)件的質(zhì)量或轉(zhuǎn)動慣量，達到提高織機空機運轉(zhuǎn)速度的目的。經(jīng)過分析獲得以下結(jié)論。

1)劍桿織機的劍頭劍帶組件、傳劍軸組件、扇形齒輪組件、打緯軸組件等處于運動鏈末端的高速運動構(gòu)件的主軸等效轉(zhuǎn)動慣量較大。

2)減小主軸等效轉(zhuǎn)動慣量占比較大的構(gòu)件的質(zhì)量或轉(zhuǎn)動慣量，對降低主軸等效慣性載荷、減輕織機振動、降低織機功耗、提高織機車速有明顯效果。

3)隨劍桿織機幅寬的減小，通過減小織機劍頭劍帶組件、傳劍軸組件等傳動鏈末端構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量來提高劍桿織機車速的方法，其效果明顯下降。

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Inertial load change rule and speed increasing test of rapier loom

ZHOU Xiangqin1,2， YANG Shengjiao1， WANG Qinlong2， JIANG Hui2， TANG Cunman2

(1.TheResearchCenterofModernTextileMachineryTechnology,MinistryofEducation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China; 2.WanliTextileMachineryResearchInstitute,Hangzhou,Zhejiang311243,China)

In order to increase the speed of a rapier loom, the change rule and the distributions of the equivalent moment of inertia on main shaft of all components of its driving system as well as the change rule of the inertial load on the loom were studied, and the proportion rule of the motion components of the loom to the equivalent moment of inertia on main shaft was obtained. For a WL680 type rapier loom with a reed width of 360 cm, by the structure optimization, the weight of rapier and ribbon is reduced by 28.26%, and the moment of inertia of the rapier wheel is reduced by 43.73%. A prototype was designed. The simulation results showed that the equivalent moment of inertia on main shaft of the optimized loom is reduced by 27%, and as the loom width decreases, the effect of this method reduces obviously. The physical prototype test showed that the vibration and power consumption of the optimized loom reduce obviously when running at the same speed, the highest speed of the optimized loom increases by 7%-8%. The results show that although the weights from rapier and ribbon are light and the moment of inertia of the rapier wheel is small, their influences on the equivalent moment of inertia on main shaft are sensitive, and it is great helpful to increase the loom speed and to reduce the vibration and power consumption of the loom by reducing its weight and moment of inertia.

rapier loom; equivalent moment of inertia on main shaft; inertial load; vibration; power consumption

10.13475/j.fzxb.20160805506

2016-08-25

2017-04-24

浙江省重大科技專項項目(2013C01027)

周香琴(1965—)，女，副教授,碩士。主要研究方向為劍桿織機、機構(gòu)學(xué)、機械振動測試等。E-mail:zhouxiangqin@zstu.edu.cn。

TH 112.1； TS 103.3373

A