徐 巧， 閆文軍， 梅順齊， 張智明

(1. 武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 湖北 武漢 430073； 2. 湖北省數(shù)字化紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430073)

引緯機(jī)構(gòu)是自動(dòng)織造裝備的核心。針對不同的需求，研究者已研究出許多種引緯機(jī)構(gòu)。如：針對立體織機(jī)的采用計(jì)算機(jī)控制伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)的變動(dòng)程引緯[1]；針對機(jī)織小樣機(jī)的繩牽引磁梭引緯，采用磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)，用鋼絲繩牽引磁梭吸附著裝有緯紗管的引緯梭往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成引緯[2]；針對有梭織機(jī)投梭方式的缺陷，依據(jù)磁電引緯推進(jìn)器的原理，設(shè)計(jì)的磁電式引緯裝置[3]。這些引緯方法及其機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上仍然是基于有梭引緯原理，只是改變了梭子的推進(jìn)方式。此外，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)劍桿引緯，微小型梭子引緯和利用緯紗慣性引緯等方法還處于探索階段[4]。

隨著航空航天、新型建筑材料等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)用紡織品的需求持續(xù)增長，以超寬門幅自動(dòng)織機(jī)為典型代表的高端產(chǎn)業(yè)用紡織品自動(dòng)織造裝備的需求日益迫切。對于超寬門幅紡織品的織造來說，這些引緯方式在原理上存在局限性，導(dǎo)致引緯飛行長度即織機(jī)門幅寬度受到限制，難以達(dá)到超寬門幅(如12 m及以上)的要求，因此，對于主要用于織造產(chǎn)業(yè)用紡織品的超寬門幅自動(dòng)織機(jī)來說，現(xiàn)有噴氣、噴水、劍桿、片梭等引緯方式已難以滿足其需要。如何實(shí)現(xiàn)超寬門幅高速自動(dòng)織機(jī)的穩(wěn)定、可靠、高速引緯是產(chǎn)業(yè)用紡織品高速織造裝備迫切需要解決的難題。

近幾年來，電磁發(fā)射技術(shù)發(fā)展迅速，可以超高速，甚至可達(dá)50 km/s，將物體發(fā)射出去，在炮彈發(fā)射、導(dǎo)彈發(fā)射、艦載飛機(jī)彈射、航天發(fā)射及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在民用工業(yè)領(lǐng)域也顯示出廣闊的應(yīng)用前景[5-6]。

本文通過分析織機(jī)引緯工藝要求，根據(jù)超寬門幅織物對引緯機(jī)構(gòu)的特殊需要，提出一種電磁發(fā)射引緯方法，研究電磁發(fā)射引緯機(jī)制，實(shí)現(xiàn)超寬門幅織機(jī)的可靠、高速引緯。

1 電磁發(fā)射引緯原理及工藝參數(shù)

1.1 電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)

引緯的作用是使夾緯器以足夠高的飛行速度夾持緯紗飛過梭口，使緯紗與經(jīng)紗交織成織物，是織機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)之一，是織機(jī)設(shè)計(jì)的核心。超寬門幅織機(jī)的門幅比普通織機(jī)寬，要求夾緯器飛行速度高，對引緯機(jī)構(gòu)的要求更高。本文提出的超寬門幅織機(jī)電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)的工作原理如圖1所示。夾緯器3夾持來自緯紗筒子1上的緯紗5 經(jīng)張力器2、電磁發(fā)射裝置4獲得最大飛行速度。夾緯器3飛行軌跡可在較長距離內(nèi)保持近似直線，從而使緯紗順利飛過梭口，實(shí)現(xiàn)長距離(超寬門幅)的引緯。夾緯器由制動(dòng)接收座制動(dòng)后經(jīng)回收裝置、輸送裝置、推送裝置回到引緯初始位置。

1—緯紗筒子；2—張力器；3—夾緯器；4—電磁發(fā)射裝置；5—緯紗；6—經(jīng)紗；7—制動(dòng)接收座；8—回收裝置；9—輸送裝置；10—推送裝置。圖1 電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)原理圖Fig.1 Electromagnetic launch weft insertion process

1.2 超寬門幅織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)工藝參數(shù)確定

目前劍桿、片梭、噴氣和噴水引緯技術(shù)發(fā)展迅速，在現(xiàn)代自動(dòng)織機(jī)上得到普遍應(yīng)用。其中：劍桿織機(jī)、噴氣織機(jī)織造產(chǎn)業(yè)用織物(土工用布)時(shí)，門幅可達(dá)5.4 m左右[7]；片梭織機(jī)適應(yīng)性更好，門幅更寬，可達(dá)5.4 m以上[8]，受引緯速度的限制，織機(jī)門幅越寬，織機(jī)的最高轉(zhuǎn)速越低，如SulzerP7300系列片梭織機(jī)，門幅為1.9 m時(shí)最高轉(zhuǎn)速為450 r/min，門幅為5.4 m時(shí)最高轉(zhuǎn)速為290 r/min。依據(jù)紡織機(jī)械“十三五”發(fā)展規(guī)劃和目前對產(chǎn)業(yè)用超寬織物織機(jī)的市場需求，參考片梭織機(jī)Sulzer-P7300HP的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，本文所研究的超寬門幅高速織機(jī)的初步設(shè)計(jì)參數(shù)為：門幅12 m，最高轉(zhuǎn)速200 r/min，夾緯器質(zhì)量22 g，夾緯器飛過梭口所占的主軸轉(zhuǎn)角120°。

1.3 電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型

根據(jù)織機(jī)門幅、織機(jī)速度、夾緯器飛行時(shí)間以及夾緯器飛行過程中的速度損失率等來計(jì)算夾緯器的最大飛行速度[9]:

(1)

忽略空氣阻力，電磁發(fā)射裝置的發(fā)射推力是夾緯器水平方向運(yùn)動(dòng)的唯一作用力，夾緯器獲得的最大飛行速度必須依靠電磁發(fā)射力作功，根據(jù)能量守恒定律，夾緯器的運(yùn)動(dòng)模型為：

(2)

(3)

(4)

式中：F為夾緯器受到的軸向電磁力，N；m為夾緯器質(zhì)量，kg；l為夾緯器加速距離，m；a為夾緯器運(yùn)行的加速度，m/s2。

2 電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.1 電磁發(fā)射裝置設(shè)計(jì)方案

根據(jù)電磁發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電磁發(fā)射技術(shù)一般分為3類：導(dǎo)軌型、線圈型和重接型。不同結(jié)構(gòu)類型的電磁發(fā)射裝置存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)，有不同的適用范圍[10]。導(dǎo)軌型電磁發(fā)射技術(shù)的研究開展較早，技術(shù)相對成熟，發(fā)射速度極高，但是對電流的要求很大，而且對軌道燒蝕、磨損比較嚴(yán)重；線圈型電磁發(fā)射技術(shù)加速力大，需要的電流較小，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射物體無接觸無摩擦運(yùn)動(dòng)，能量利用率較高，但是對于其發(fā)射線圈通斷電的時(shí)間點(diǎn)的控制非常復(fù)雜；重接式電磁發(fā)射技術(shù)的研究工作開展較晚，具有無接觸、無摩擦、無燒蝕的優(yōu)點(diǎn)，但是其還處于理論研究初期，對被發(fā)射物體的形狀有要求[11]。圖2示出線圈型和導(dǎo)軌型電磁發(fā)射引緯的結(jié)構(gòu)示意圖?？紤]到超寬門幅自動(dòng)織機(jī)的引緯機(jī)構(gòu)發(fā)射速度在千米級以下，夾緯器質(zhì)量百克以下，超寬門幅自動(dòng)織機(jī)生產(chǎn)過程受結(jié)構(gòu)空間限制，初步確定超寬門幅自動(dòng)織機(jī)電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)采用線圈型電磁發(fā)射結(jié)構(gòu)。

圖2 2種不同結(jié)構(gòu)的電磁發(fā)射引緯示意圖Fig.2 Two different structures of electromagnetic launch weft insertion mechanism.(a) Coil type; (b) Rail type

2.2 線圈型電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)的工作過程

線圈型電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)主要由電源、發(fā)射線圈、軌道、夾緯器、傳感器、開關(guān)等組成,如圖3所示。

圖3 線圈型電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)組成Fig.3 Mechanism composition of coil electromagnetic launch weft insertion

線圈繞制在發(fā)射軌道上，線圈端面入口處裝有傳感器，軌道起導(dǎo)向和保護(hù)線圈的作用，線圈電磁發(fā)射裝置將夾持緯紗的夾緯器發(fā)射出去，夾緯器夾持緯紗飛過經(jīng)紗和緯紗形成的梭口，緯紗飛行軌跡可在較長距離內(nèi)保持近似直線，從而使緯紗順利飛過梭口，實(shí)現(xiàn)長距離(超寬門幅)的引緯運(yùn)動(dòng)。

夾緯器選用鐵磁性材料，其磁化強(qiáng)度大于零,根據(jù)電磁學(xué)理論可知:在電磁場作用下，鐵磁性夾緯器會(huì)朝較強(qiáng)的磁場方向移動(dòng)，發(fā)射線圈中部磁場強(qiáng)度最大，夾緯器在發(fā)射線圈電磁力的作用下向線圈中部運(yùn)動(dòng)。夾緯器中點(diǎn)在達(dá)到發(fā)射線圈軸線中點(diǎn)前受到電磁吸力作用而被加速，越過發(fā)射線圈軸線中點(diǎn)后，夾緯器受到反方向吸力作用，相對于夾緯器的運(yùn)動(dòng)而言是阻力，如果在夾緯器中點(diǎn)到達(dá)發(fā)射線圈軸線中點(diǎn)時(shí)停止供電，就可保證夾緯器在發(fā)射線圈后半部分運(yùn)動(dòng)時(shí)不受電磁阻力作用，以獲得最大的出口速度。線圈長度與夾緯器長度一樣，線圈入口處安裝傳感器，精確控制發(fā)射線圈通、斷電時(shí)間。

3 引緯電磁力分析計(jì)算

3.1 發(fā)射線圈內(nèi)部磁場感應(yīng)強(qiáng)度分析

電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)的主要部件之一是發(fā)射線圈，發(fā)射線圈內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布直接影響電磁力分布，影響夾緯器的運(yùn)動(dòng)性能，發(fā)射線圈的截面圖如圖4所示。

圖4 電磁發(fā)射線圈內(nèi)部磁場分析模型Fig.4 Internal magnetic field analysis model of electromagnetic launcher coil

M(x,y)為線圈內(nèi)部任意點(diǎn)，線圈內(nèi)外半徑分別為r1、r2，總長為2L，電流強(qiáng)度為I，匝數(shù)為N，連續(xù)電流分布時(shí)的電流密度為j，j=NI/[2L(r2-r1)]。根據(jù)電磁學(xué)理論中的畢奧-薩伐爾定律，發(fā)射線圈內(nèi)部軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度[12]為

(5)

式中：Bx為發(fā)射線圈內(nèi)部軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；μ0為真空磁導(dǎo)率，其值為4π×10-7Wb/(A·m)；j為電流密度，A/m2；r1、r2分別為發(fā)射線圈內(nèi)半徑和外半徑,m；L為半個(gè)發(fā)射線圈長度，m。

3.2 引緯電磁力分析與計(jì)算方法

3.2.1工程解析法

夾緯器在發(fā)射線圈磁場中被磁化后，材料內(nèi)部存在磁化電流，磁化電流體密度為δV；材料表面存在表面磁化電流，表面磁化電流面密度為δS。計(jì)算公式為：

δV=×M

δS=-n×M

線圈磁場對夾緯器的作用力[13]為：

(6)

式中：B=B0+BM,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,T；B0為空心線圈通電后線圈內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度,T；BM為夾緯器磁化后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度,T；S為線圈磁場與夾緯器作用面的面積，m2。

對于各向同性的介質(zhì)有：

式中：μ0真空磁導(dǎo)率，其值為4π×10-7Wb/(A·m)；μr為介質(zhì)相對磁導(dǎo)率。

經(jīng)矢量運(yùn)算可得

由矢量梯度積分公式可得

(7)

由于鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率μr?1，磁場力工程解析計(jì)算簡化為

(8)

3.2.2有限元法

電磁力的計(jì)算主要采用數(shù)值分析方法，如有限元法、有限差分法等，有限元計(jì)算方法較多，其中麥克斯韋應(yīng)力張量法和虛位移法是常用方法。

3.2.2.1麥克斯韋應(yīng)力張量法 磁場力作用下磁介質(zhì)上的體積力f=T。磁介質(zhì)在磁場中受到的作用力為磁介質(zhì)的體積；SL為包圍磁介質(zhì)的任意閉合曲面；T為麥克斯韋應(yīng)力張量，是一個(gè)二階張量。其中的元素Tij=HiBj-δijwm。δij為Kronecker算子，wm為磁共能密度。計(jì)算公式分別為：

式中，H為磁場強(qiáng)度，A/m。

積分路徑對麥克斯韋應(yīng)力張量法計(jì)算精度影響較大，合理選取積分路徑對這個(gè)方法十分重要[14]。

4 計(jì)算與仿真分析

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，若夾緯器速度損失系數(shù)k取1.05，根據(jù)式(1)、(2)給出的計(jì)算模型，夾緯器的最大飛行速度vmax、電磁力所作的功W與織機(jī)門幅的關(guān)系曲線如圖5所示。門幅為12 m的織機(jī)引緯夾緯器最大飛行速度為126 m/s，所需電磁力作功為174.64 N·m。

圖5 最大飛行速度和電磁力所作的功與織機(jī)門幅的關(guān)系Fig.5 Relationship between maximum flight speed and work of electromagnetic force and width of loom

電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)為：夾緯器長度90 mm，夾緯器寬度14 mm，夾緯器厚度6 mm，夾緯器選用高飽和磁化強(qiáng)度的軟磁材料D23，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H曲線如圖6所示。發(fā)射線圈長度為90 mm，線圈內(nèi)徑為16 mm，線圈選用直徑為2.2 mm的漆包線,線圈匝數(shù)為1 204。

圖6 材料D23的B與H曲線Fig.6 B-H curve of D23 material

根據(jù)前面的分析計(jì)算，當(dāng)通電電流I為40 A時(shí)，引緯電磁力滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)式(5)，空心發(fā)射線圈軸線(y=0)磁感應(yīng)強(qiáng)度B0、依據(jù)工程解析法發(fā)射時(shí)線圈內(nèi)部軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度B和夾緯器受到電磁力F分布情況如圖7所示。

圖7 發(fā)射線圈內(nèi)部軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度分布和電磁力Fig.7 Magnetic induction distribution and electromagnetic force of internal axis of launcher coil

夾緯器在發(fā)射線圈軸線上不同位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁力大小見表1。表中0表示夾緯器前端到達(dá)發(fā)射線圈軸線中點(diǎn)。

綜上可知：在發(fā)射線圈軸線端部磁感應(yīng)強(qiáng)度較小，電磁力也較小；靠近發(fā)射線圈軸線中點(diǎn)附近磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，電磁力也最大；線圈中部近似為均勻磁場。根據(jù)鐵磁材料在磁場中的受力特性，發(fā)射線圈不宜太長。

表1 采用工程解析法計(jì)算的不同位置磁感應(yīng)強(qiáng)度與電磁力Tab.1 Magnetic induction and electromagnetic force in different positions calculated by engineering analytic method

電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)的實(shí)際工況比較復(fù)雜，鐵磁夾緯器材料磁化的非線性和磁飽和性使磁場分布更加復(fù)雜，通常采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行分析計(jì)算。采用ANSYS有限元磁場分析對發(fā)射線圈磁場進(jìn)行仿真，夾緯器端面到達(dá)發(fā)射線圈軸線中點(diǎn)(y=9 mm)時(shí)仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 y=9 mm時(shí)磁場和電磁力仿真結(jié)果Fig.8 Magnetic field and electromagnetic force simulation while y=9 mm.(a) Finite element mesh division; (b) Distribution of magnetic force lines; (c) Electromagnetic force simulation

由于夾緯器材料為鐵磁物質(zhì)，夾緯器運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)影響發(fā)射線圈磁場分布，夾緯器經(jīng)過時(shí)，磁力線向鐵磁材料的夾緯器聚集，夾緯器所在空間磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)顯著增強(qiáng)，電磁力也顯著增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度最大可達(dá)3.23 T。采用虛功法計(jì)算得到的電磁力最大可達(dá)-376.26 N，采用麥克斯韋應(yīng)力張量法計(jì)算得到的電磁力為-243.45 N，負(fù)號表示吸力。

根據(jù)以上仿真方法，可得出夾緯器不同位置所受電磁力(見表2)。電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)具有軸對稱性，建模時(shí)采用1/2對稱模型，電磁力仿真計(jì)算結(jié)果乘以2才是夾緯器所受的電磁力。

表2 采用有限元法計(jì)算得到的不同位置磁感應(yīng)強(qiáng)度與電磁力Tab.2 Magnetic induction and electromagnetic force in different positions calculated by finite element method

從表2可看出：夾緯器受電磁吸引力作用，夾緯器前端處于發(fā)射線圈中點(diǎn)附近時(shí)電磁力較大，夾緯器前端處于發(fā)射線圈端部附近時(shí)電磁力較小。

采用工程解析法、麥克斯韋應(yīng)力張量法、虛功法計(jì)算得到的單級線圈發(fā)射電磁力做功分別為38.41、41.64、26.03 N·m。可看出：麥克斯韋應(yīng)力張量法計(jì)算電磁力對積分路徑的選取較為敏感，一般與虛功法計(jì)算結(jié)果有較大差距；工程解析法的計(jì)算結(jié)果與虛功法較為接近，具有很好實(shí)用參考價(jià)值。

為保險(xiǎn)起見，本文按麥克斯韋應(yīng)力張量法計(jì)算的功進(jìn)行校核，以麥克斯韋應(yīng)力張量法計(jì)算得到的電磁力做功最小，為26.03 N·m。增加發(fā)射線圈級數(shù)即可增加電磁力做功，7級線圈發(fā)射做功為182.21 N·m，可滿足超寬門幅織機(jī)引緯174.64 N·m的要求。

5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)方法，搭建了電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)的縮小版試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖9所示。圖中電磁發(fā)射線圈共有7級，單級發(fā)射線圈長度為17.6 mm，線圈內(nèi)徑為6 mm，線圈選用直徑為1.1 mm的漆包線，線圈單層匝數(shù)為16，繞6層，單級發(fā)射線圈匝數(shù)為96。

圖9 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.9 Experimental model

依據(jù)本文計(jì)算模型和方法，通電電流I為6 A，發(fā)射質(zhì)量約為2 g的硅鋼條，采用不同方法計(jì)算得到的電磁力做功和最大飛行速度見表3。最大飛行速度的測量值見表4。

表3 采用不同方法計(jì)算的電磁力做功和最大飛行速度Tab.3 Work of electromagnetic force and maximum flight speed calculated by different methods

表4 最大飛行速度的測量值Tab.4 Measured maximum flight speed

從表3、4可知：測量值與理論計(jì)算值比較接近。其中：工程解析法和虛功法的計(jì)算結(jié)果接近，與測量值相比，整體偏大，誤差在9.7%～13.4%之間；麥克斯韋應(yīng)力張量法的計(jì)算結(jié)果與測量值相比，整體偏小，誤差在5.5%～9.5%之間。如前所述，工程解析法具有實(shí)用參考價(jià)值，計(jì)算結(jié)果與測量值相比整體偏大的原因主要有2點(diǎn)：1)硅鋼條的實(shí)際磁化與理想磁化有差距，實(shí)際磁化值比理想磁化值偏?。?)理論計(jì)算模型中忽略了空氣阻力。

由上述分析可看出，通過本文試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏y量值與計(jì)算值的分析比較，驗(yàn)證了所提出的電磁發(fā)射引緯的方案是可行的，本文關(guān)于電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析計(jì)算方法是正確的；同時(shí)，為了達(dá)到超寬門幅織機(jī)電磁引緯所需的最大飛行速度，可以通過增加線圈匝數(shù)，增加發(fā)射線圈級數(shù)或增大電流等措施來實(shí)現(xiàn)，如前文分析計(jì)算所示，線圈匝數(shù)為1 204，通電電流為40 A，7級線圈發(fā)射做功達(dá)到182.21 N·m時(shí)，可滿足超寬門幅織機(jī)電磁引緯的需要。

6 結(jié)束語

本文根據(jù)超寬門幅自動(dòng)織機(jī)對引緯運(yùn)動(dòng)的要求，設(shè)計(jì)了一種新型的基于電磁發(fā)射的引緯機(jī)構(gòu)。該引緯機(jī)構(gòu)采用線圈型電磁發(fā)射裝置發(fā)射夾緯器，實(shí)現(xiàn)超寬門幅自動(dòng)織機(jī)的引緯運(yùn)動(dòng)。建立了超寬門幅自動(dòng)織機(jī)夾緯器最大飛行速度的計(jì)算模型；分析了超寬門幅自動(dòng)織機(jī)電磁發(fā)射引緯機(jī)構(gòu)的磁場特性，以工程解析法和數(shù)值有限元法分析夾緯器受到的電磁力；基于電磁發(fā)射的引緯機(jī)構(gòu)突破傳統(tǒng)引緯機(jī)構(gòu)對織機(jī)門幅的限制，可通過調(diào)節(jié)電流控制電磁力大小和增加發(fā)射線圈級數(shù)，以適應(yīng)不同織機(jī)速度和不同織機(jī)門幅對引緯運(yùn)動(dòng)的要求，實(shí)現(xiàn)引緯可控。本文提出的電磁引緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可為產(chǎn)業(yè)用超寬門幅自動(dòng)織機(jī)的開發(fā)及其智能化提供理論參考。

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