張仁峰，趙曉清，白 羽

(天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300410；天津市市政工程學(xué)校，天津 300252；天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387)

碳纖維多層立體織物是目前迅速發(fā)展的一種新型的纖維織物結(jié)構(gòu)。近年來，伴隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，發(fā)達(dá)國家的高水平纖維織造技術(shù)取得了跨越式的進(jìn)展。德國多尼爾公司推出了用于生產(chǎn)碳纖維等高性能纖維材料的多尼爾劍桿織機(jī)，該設(shè)備公稱幅寬為180cm，最大有效筘寬為171cm，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)到180-280r/min。以日本東麗公司、日本東邦公司、美國Hexcel公司、法國Porcher Industries公司及韓國SK公司等為代表的國際先進(jìn)的碳纖維織造公司均購進(jìn)了先進(jìn)的碳纖維專用織機(jī)。對(duì)于碳纖維多層機(jī)織裝備的研究，我國還處于起步階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，直接影響到我國航空航天等高精尖端技術(shù)的發(fā)展在多層織物的織造過程中，多層經(jīng)紗順次排列后具有一定的厚度，導(dǎo)致開口位置在不同紗層之間不斷發(fā)生變化，這就給引緯帶來一定的困難，因此引緯機(jī)構(gòu)需要隨著開口位置的不同而自動(dòng)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，同時(shí)由于經(jīng)紗層數(shù)較多，為了提高織造效率，采用合理的引緯方式。隨著織機(jī)速度的提高，在引緯過程中，引緯器或高速射流需要在極短時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)準(zhǔn)確地穿過整個(gè)織口，因而給引緯運(yùn)動(dòng)帶來了難度。引緯方式多種多樣，有噴射(噴氣、噴水)引緯、劍桿引緯、片梭引緯以及多織口引緯等。劍桿引緯是以劍桿作為引緯器，劍桿在引緯過程中，其劍頭將緯紗握持，引緯穩(wěn)定且可靠，可適應(yīng)不同紗線的輕、中、重型織物的織造，尤其是其選色性能好，最多可選16色，在織造多色緯織物方面優(yōu)勢顯著。因此，對(duì)織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析及機(jī)構(gòu)優(yōu)化的研究具有重要意義。

一、碳纖維多層織機(jī)的技術(shù)要求

鑒于碳纖維紗線的特殊性能，碳纖維織造裝備及織物的工藝及技術(shù)參數(shù)也應(yīng)區(qū)別于普通紗線，表1、表2分別列出了織機(jī)及碳纖維多層織物的技術(shù)指標(biāo)。

表1 織機(jī)技術(shù)指標(biāo)

表2 織物技術(shù)指標(biāo)

二、引緯機(jī)構(gòu)的工作原理

該多層織機(jī)采用的是雙側(cè)可升降式電子引緯，紗線從儲(chǔ)緯器上平行退繞，避免加捻影響織物質(zhì)量，當(dāng)緯紗被牽引到引緯點(diǎn)后，穿過固定在劍頭裝置上的導(dǎo)紗環(huán)中，在劍桿劍輪裝置的驅(qū)動(dòng)下到達(dá)對(duì)側(cè)的指定位置，然后由氣缸驅(qū)動(dòng)的特制鉤針將緯紗勾住，引緯劍桿沿原路線返回到初始位置，完成引緯動(dòng)作。由于劍頭裝置固定在了劍桿上，它的運(yùn)動(dòng)與劍桿的運(yùn)動(dòng)一致，即作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以完成牽引緯紗進(jìn)入織口的工序。劍桿的運(yùn)動(dòng)是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過一對(duì)同步帶輪減速后，驅(qū)動(dòng)劍桿劍輪裝置帶動(dòng)劍頭裝置完成水平往復(fù)的引緯運(yùn)動(dòng)。由于多層織造的特殊性，每一個(gè)引緯點(diǎn)的位置都不盡相同，所以必須給整個(gè)引緯裝置賦予縱向的升降運(yùn)動(dòng)以適應(yīng)引緯點(diǎn)的變化。其升降運(yùn)動(dòng)同樣采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過同步帶輪和齒輪裝置減速后，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來完成引緯機(jī)構(gòu)的升降動(dòng)作。

三、引緯機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

(一)引緯機(jī)構(gòu)布置方案選擇

本織機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的是2～30層碳纖維的織造。如圖1所示,該引緯系統(tǒng)不同于普通引緯機(jī)構(gòu)的最大區(qū)別是，它不再采用送緯接緯相互配合的傳統(tǒng)引緯方式，而是僅用一根送緯劍桿直接將緯紗送到對(duì)側(cè)，然后由對(duì)側(cè)的以電氣聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的鉤針將緯紗勾住，劍桿沿原軌跡返回其初始位置，即完成了一個(gè)引緯動(dòng)作。

一個(gè)伺服直線驅(qū)動(dòng)單元主要負(fù)責(zé)控制劍頭在梭口中的引緯運(yùn)動(dòng)。而另外一個(gè)伺服直線驅(qū)動(dòng)單元?jiǎng)t在垂直方向上通過對(duì)齒輪減速機(jī)構(gòu)控制，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)絲杠的正反轉(zhuǎn)，使得與其配合的絲母驅(qū)動(dòng)整個(gè)引緯單位進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同位置的引緯功能；通過改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)量使得由其驅(qū)動(dòng)的劍桿可以逐一準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)所形成的2個(gè)梭口,依次完成引緯動(dòng)作。

圖1 伺服電機(jī)控制的一對(duì)劍桿引緯機(jī)構(gòu)

采用這種引緯方式，使用一對(duì)劍桿對(duì)應(yīng)多個(gè)梭口依次引緯，可以通過控制計(jì)算機(jī)靈活地改變劍桿在每個(gè)梭口中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，讓劍桿在不同的梭口中引緯時(shí)有不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以此來滿足更多具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)織物的織造要求。而且該系統(tǒng)的工藝適應(yīng)性很強(qiáng)，完全可以滿足2～30層碳纖維的織造要求，且結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，自動(dòng)化程度高，安裝、保養(yǎng)、維修、更換都很簡便。

(二)引緯傳劍機(jī)構(gòu)的分析

劍桿引緯機(jī)構(gòu)的傳劍形式有很多，較為典型的形式有變導(dǎo)程螺旋引緯機(jī)構(gòu)、共軛凸輪引緯機(jī)構(gòu)、空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)等。這幾種劍桿傳劍機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)慣性大,而且劍頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要取決于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本身,在使用過程中無法根據(jù)立體織物的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的修改,無法滿足所織造立體織物的多樣性?；谏鲜鲈?，本文研究的可調(diào)式引緯機(jī)構(gòu)選用電子引緯機(jī)構(gòu)。

(三)齒輪齒條式傳劍裝置

緯紗引入到織口，靠劍頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的牽引來完成的，而劍頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是由劍桿傳動(dòng)裝置來驅(qū)動(dòng)的。其工作原理是：系統(tǒng)控制伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，經(jīng)過一組同步帶輪的減速后，驅(qū)動(dòng)劍輪進(jìn)而帶動(dòng)剛性劍桿完成水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

在剛性劍桿前側(cè)位置處，安裝有兩個(gè)壓導(dǎo)輪，其作用是對(duì)劍桿起到固定的作用，防止其在引緯時(shí)的上下跳動(dòng)，左右方向安裝了兩個(gè)夾板，用于對(duì)劍桿的左右搖擺運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限位。劍桿的尾部固定了一個(gè)尼龍滑塊，該尼龍滑塊在劍桿導(dǎo)槽中滑動(dòng)，由于滑塊與導(dǎo)槽配合緊密，對(duì)劍桿的尾端起到了上下和左右的限位作用。經(jīng)過限位后的劍桿在引緯的過程中保持較為平穩(wěn)的運(yùn)行。

(四)升降裝置

根據(jù)多層碳纖維織物的織造技術(shù)要求，引緯機(jī)構(gòu)需要上下運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)不同引緯位置的引緯動(dòng)作，因此，引緯機(jī)構(gòu)的上下位置必須實(shí)時(shí)地進(jìn)行調(diào)整以使其在最佳位置進(jìn)行引緯。再者由劍桿織機(jī)開口處經(jīng)紗的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，開口處的經(jīng)紗在X方向上也存在位移，為了使開口量保持一致，引緯機(jī)構(gòu)在X方向上也應(yīng)該有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，才能保證引緯機(jī)構(gòu)在最佳位置進(jìn)行引緯，否則為了實(shí)現(xiàn)順利引緯，在最后一層經(jīng)紗發(fā)生開口運(yùn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生很大的開口量。根據(jù)紗線排布情況及理論分析可得，緯紗被引入織口的位置一般位于與水平線夾角為10°的方位上。綜上所述，該裝置的作用是驅(qū)動(dòng)引緯機(jī)構(gòu)的上下移動(dòng)，滿足不同位置的引緯。該升降裝置由伺服電機(jī)提供動(dòng)力，而后通過一組同步帶輪(傳動(dòng)比為1:3)對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行減速，再通過一對(duì)直齒圓錐齒輪機(jī)構(gòu)(軸交角為80°)使其運(yùn)動(dòng)角度發(fā)生改變，其輸出斜齒輪與滾珠絲杠連接，從而控制其按一定角度的精確地完成升降動(dòng)作，來適應(yīng)織物引緯位置的變化。

四、引緯機(jī)構(gòu)三維模型

本文中的三維模型由SolidWorks來完成三維建模，如圖2所示。該模型為根據(jù)上述的原理方案進(jìn)行設(shè)計(jì)所得，具體設(shè)計(jì)過程此處不再贅述。該機(jī)構(gòu)的主要構(gòu)件都為非標(biāo)件，主要難點(diǎn)在于非標(biāo)件的設(shè)計(jì)和整個(gè)機(jī)構(gòu)的裝配，特別是空間機(jī)構(gòu)部分，稍有偏差，就會(huì)造成干涉或者運(yùn)動(dòng)軌跡偏差，導(dǎo)致仿真不能反映真實(shí)情況或者仿真不能順利進(jìn)行等。解決方法是先裝配機(jī)架部分，以此為基準(zhǔn)，進(jìn)行其他零件的裝配，最后實(shí)現(xiàn)了引緯機(jī)構(gòu)的精確配合。

圖2 引緯機(jī)構(gòu)的三維模型

五、劍桿劍輪不同安裝形式下的應(yīng)力分析

本文對(duì)兩種布置方案機(jī)構(gòu)的受力情況進(jìn)行了分析研究，具體措施是在充分考慮了碳纖維多層織造這一事實(shí)的基礎(chǔ)上，按照實(shí)際情況對(duì)兩種布置形式的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元的靜力分析，通過分析結(jié)果來判定哪種布置形式受力相對(duì)較小，從而選擇出較為合理的安裝布置形式。

在該劍桿劍輪傳動(dòng)系統(tǒng)中, 伺服電機(jī)的輸入功率為1kW，轉(zhuǎn)速為300r/ min。齒輪齒條的齒形均為漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒， 模數(shù)為4、齒寬為12mm，重合度為1.2。齒輪材料為45鋼，齒數(shù)為47，分度圓直徑為188mm；齒條材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)后硬度HRC48～52，齒數(shù)為126，長度為147mm。

(一)有限元模型的建立

采用SolidWorks 軟件進(jìn)行齒輪齒條實(shí)體建模。由于齒輪分度圓上的接觸區(qū)域的受力情況是分析的關(guān)鍵，因此首先保證模型嚙合位置的正確，為此，先在齒齒條分度線上單齒中點(diǎn)處建立參考點(diǎn)，同理在齒輪分度圓上的相應(yīng)位置建立參考點(diǎn)，然后添加兩參考點(diǎn)的重合約束，即可使齒輪齒條在節(jié)點(diǎn)處嚙合, 這樣就將齒輪齒條單齒接觸模型建立好了。最后通過SolidWorks 與ANSYS Workbench 的數(shù)據(jù)交換接口, 把嚙合模型(圖3)的幾何數(shù)據(jù)導(dǎo)入Workbench 中的靜力分析模塊(static structure)進(jìn)行分析，經(jīng)過編輯材料屬性、網(wǎng)格劃分、施加約束、添加載荷等計(jì)算過程最終得出兩種布置形式的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D。

圖3 劍桿劍輪嚙合模型

網(wǎng)格劃分完成后，將齒輪內(nèi)表面設(shè)置為圓柱約束，并對(duì)軸向、徑向位移進(jìn)行約束, 使其只有繞齒輪回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度, 同時(shí)對(duì)齒輪內(nèi)表面施加考慮載荷因素后的扭矩。同理對(duì)齒條的自由度施加約束，使其只能沿與齒輪嚙合的方向作往復(fù)直線移動(dòng)。

(二)接觸計(jì)算結(jié)果與分析

Workbench 通過應(yīng)力云圖來表現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變的分布情況，由接觸面的Von Mises 等效應(yīng)力云圖計(jì)算得出，當(dāng)劍輪豎直安裝時(shí)，等效應(yīng)力最大值為9.06×106Pa，而水平安裝時(shí)的等效應(yīng)力最大值為2.67×107Pa，顯然，當(dāng)劍輪豎直安裝時(shí)齒輪齒條機(jī)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力更小。根據(jù)等效應(yīng)變圖發(fā)現(xiàn)水平安裝時(shí)的等效應(yīng)變要大于豎直安裝時(shí)的數(shù)值。而豎直安裝的劍桿劍輪機(jī)構(gòu)在織機(jī)上的的良好運(yùn)行也證明了設(shè)計(jì)的安全性與有限元分析的可靠性。

六、結(jié)論

(一)本章通過參照碳纖維多層織機(jī)的技術(shù)要求及織物要求，對(duì)織機(jī)的引緯機(jī)構(gòu)的原理方案進(jìn)行了研究，包括引緯形式的選擇，傳劍方式的選擇，引緯規(guī)律的制定等。然后，基于以上的原理方案，對(duì)引緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得到其三維模型。

(二)對(duì)劍桿劍輪系統(tǒng)的豎直、水平兩種布置方案機(jī)構(gòu)的受力情況進(jìn)行了分析研究，按照實(shí)際情況對(duì)兩種布置形式的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元的靜力分析，通過分析結(jié)果來判定豎直安裝形式受力相對(duì)較小，從而選擇出合理的安裝布置形式。