游良風(fēng)，張成俊,2，左小艷,2，張 弛,2，朱 里,2，袁 星

(1.武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(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)

針織橫機(jī)是包括計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電子等諸多技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜機(jī)電一體化設(shè)備，在提高針織行業(yè)自動化水平和生產(chǎn)效率方面，有著舉足輕重的地位。而國產(chǎn)針織橫機(jī)在某些方面與國際先進(jìn)水平仍存在一定差距，所以必須提高國產(chǎn)電腦針織橫機(jī)控制性能和自動化水 平，才能真正實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)設(shè)備替代進(jìn)口產(chǎn)品[1]。電腦橫機(jī)的迅速發(fā)展，一方面反映了電子技術(shù)的發(fā)展大大提高了橫機(jī)的自動化、智能化程度，另一方面體現(xiàn)了現(xiàn)代社會對于高速度、高效率的需求很大[2]。橫機(jī)編織技術(shù)具有成形性好、靈活多樣的特點(diǎn)，但近些年來，橫機(jī)受限于編織效率不高，產(chǎn)品價(jià)格低廉、市場飽和等因素的影響，發(fā)展比較緩慢[3]。傳統(tǒng)橫機(jī)編織時(shí)機(jī)頭在針板上做往復(fù)運(yùn)動，織針在選針器、三角(凸輪)、機(jī)頭、針槽等機(jī)構(gòu)的配合下達(dá)到不同的編織高度，編織范圍內(nèi)的織針經(jīng)三角推動做上下運(yùn)動完成編織動作[4]。然而，傳統(tǒng)的機(jī)械傳動方式選針，針筒與三角凸輪等機(jī)械部件的高速運(yùn)動，會產(chǎn)生不可避免的摩擦，從而降低編織效率。針對傳統(tǒng)機(jī)械式選針方式的低效率、高沖擊和摩擦等問題，在新型磁懸浮驅(qū)動織針的基礎(chǔ)上，將懸浮系統(tǒng)中的單電磁鐵變?yōu)槎鄠€(gè)電磁鐵組成的電磁陣列結(jié)構(gòu)，通過電磁鐵之間的磁場疊加增大電磁驅(qū)動力來提高編織的效率，為針織橫機(jī)織針驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 織針驅(qū)動現(xiàn)狀

織針是針織機(jī)械的核心零件，其品種繁多，結(jié)構(gòu)精細(xì)復(fù)雜，在編織過程中與纖維直接接觸使織物成形，對織物的質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用[5]。近年國內(nèi)外提出了新的選針原理及方法，YATCHEV等[6]提出了動磁式直線電動機(jī)應(yīng)用方案，將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動，更換編織機(jī)構(gòu)和選針機(jī)構(gòu)；日本福原公司采用的節(jié)能織針和沉降片，減少了針身與針槽的接觸部位，降低了工作時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱量和能源消耗。新型磁懸浮式單織針驅(qū)動結(jié)構(gòu)見圖1。利用單電磁-永磁驅(qū)動模式將電磁力直接作用在織針上，“以電代機(jī)”取代編織和選針機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)織針驅(qū)動[7]。

圖1 新型磁懸浮式單織針驅(qū)動結(jié)構(gòu)

目前，國際上有3種類型的磁懸?。阂皇且缘聡鵀榇淼某?dǎo)電式磁懸浮，二是以日本為代表的超導(dǎo)電動磁懸浮,三是我國的永磁懸浮[8]。磁懸浮織針現(xiàn)基于磁懸浮驅(qū)動模式下，通過改變單電磁鐵內(nèi)線圈電流大小和方向，使永磁織針在電磁力作用下懸浮起來，并可以實(shí)現(xiàn)上下方向的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)三功位織針懸浮高度的控制[9]。

2 電磁陣列結(jié)構(gòu)

基于圖1的單電磁鐵磁懸浮驅(qū)動結(jié)構(gòu)，本文提出一種由多個(gè)電磁鐵構(gòu)成的電磁鐵陣列來驅(qū)動永磁織針，通過多個(gè)電磁鐵產(chǎn)生磁場來加大永磁織針在軸向所受的電磁力。基于電磁學(xué)理論，電磁鐵陣列和永磁織針之間的電磁力計(jì)算公式為[10-11]:

(1)

式中：F1為永磁織針對點(diǎn)磁鐵的作用力，N；F2為電磁鐵對永磁織針的作用力，N；S1為永磁體的底面與永磁所對正的面積，m2；S2為電磁鐵芯的截面與永磁體底面所對正的面積，m2；B1為永磁體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度,T；B2為電磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度,T；μ0為空氣磁導(dǎo)率,H/m。

由式(1)可知，電磁鐵與永磁體之間的電磁力與所對應(yīng)面積和磁感應(yīng)強(qiáng)度的乘積成正比，可通過增大磁感應(yīng)強(qiáng)度與電磁鐵和永磁體所對面積來增大磁力。但受到針槽空間的約束，永磁織針的底面積無法增大，故通過多個(gè)電磁鐵同時(shí)作用一個(gè)永磁織針來增大所對正的面積與磁感應(yīng)強(qiáng)度的乘積。

2.1 圓柱形電磁鐵陣列驅(qū)動結(jié)構(gòu)

根據(jù)畢-薩-拉定律，圓柱形電磁鐵軸線上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為：

(2)

矢量形式為：

(3)

(4)

式中：R為電磁線圈半徑，m；x為距離電磁線圈的高度，m；I為電磁線圈的電流,A；μ0為空氣磁導(dǎo)率,H/m。

根據(jù)上述分析，陣列織針驅(qū)動結(jié)構(gòu)見圖2。分別用2、3和4個(gè)圓柱形電磁鐵按圖2電磁陣列排列驅(qū)動上方永磁織針。如圖2(a)為2個(gè)電磁鐵并列在下方，永磁織針位于電磁鐵上方；圖2(b)為3個(gè)電磁鐵成三角分布位于下方，永磁織針在三角中心的上方；圖2(c)為4個(gè)電磁鐵成矩形分布，永磁織針位于矩形中心上方。

圖2 圓柱形電磁陣列織針驅(qū)動結(jié)構(gòu)

2.2 方形電磁鐵陣列驅(qū)動結(jié)構(gòu)

根據(jù)畢-薩-拉定律，由式(3)可得長為2L的導(dǎo)線產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小為：

(5)

邊長為2L正方形線圈每一邊產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為：

(6)

式中：θ為磁感應(yīng)強(qiáng)度方向與線圈軸向的夾角，(°)；x為與電磁鐵線圈截面的距離,m；I為電磁線圈的電流,A；μ0為空氣磁導(dǎo)率,H/m。

(7)

方形電磁陣列織針驅(qū)動結(jié)構(gòu)見圖3。將2，3和4個(gè)正方形電磁鐵分別按圖3方式布置，永磁體位于方形電磁鐵陣列中心位置的正上方。

圖3 方形電磁陣列織針驅(qū)動結(jié)構(gòu)

圖4 Ansys Maxwell圓柱形電磁陣列織針驅(qū)動模型

3 驅(qū)動磁力與仿真分析

3.1 圓柱形電磁鐵陣列

將圓柱形永磁織針放置于電磁陣列中心上方。電磁織針初始位置位于電磁鐵陣列上方1 mm處，永磁織針以1 mm/s的速度勻速上升，計(jì)算出永磁織針懸浮的高度與所受電磁力的曲線圖，圓柱形電磁鐵驅(qū)動仿真模型參數(shù)見表1。

根據(jù)上述分析，利用Ansys Maxwell仿真軟件建立仿真模型，Ansys Maxwell圓柱形電磁陣列織針驅(qū)動模型見圖4。分別用2、3和4個(gè)電磁鐵按照“呂”字形、“品”字形和“田”字形方式排列。

表1 圓柱形電磁鐵驅(qū)動仿真模型參數(shù)

電磁鐵陣列中通入方向相同的電流，永磁體以1 mm/s的速度勻速向上遠(yuǎn)離電磁鐵的方向運(yùn)動，當(dāng)永磁織針與電磁鐵間隙為1～14 mm連續(xù)氣隙時(shí)，圓柱形電磁鐵陣列永磁軸向受力變化曲線見圖5。

圖5 圓柱形電磁鐵陣列永磁軸向受力變化曲線

由圖5可以看出，當(dāng)永磁體與電磁體的氣隙較小時(shí)，永磁體對電磁中的鐵芯具有較強(qiáng)的吸力，故二者的吸磁力大于斥力，其織針?biāo)艿暮狭ο蛳?；而?dāng)永磁織針上升到距離電磁鐵4～5 mm高度后，電磁鐵產(chǎn)生的排斥力大于吸力，其所受的合力向上，推動織針向上運(yùn)動。

3.2 方形電磁鐵陣列

在Ansys Maxwell仿真軟件中，將上述圓柱形電磁鐵仿真模型換成方形電磁鐵仿真模型，電磁鐵陣列的擺放與上述圓柱形電磁鐵相同，Ansys Maxwell方形電磁陣列織針驅(qū)動模型見圖6。圓形永磁體位于電磁鐵陣列中心上方1 mm處。方形電磁鐵驅(qū)動仿真模型參數(shù)見表2。當(dāng)永磁體在電磁陣列上方1 mm處并以1 mm/s的勻速向上運(yùn)動到電磁陣列上方14 mm處，方形電磁鐵陣列永磁軸向受力變化曲線見圖7。

圖6 Ansys Maxwell方形電磁陣列織針驅(qū)動模型

表2 方形電磁鐵驅(qū)動仿真模型參數(shù)

圖7 方形電磁鐵陣列永磁軸向受力變化曲線

4 結(jié)束語

在單個(gè)電磁鐵驅(qū)動永磁織針的基礎(chǔ)上，本文提出了由多個(gè)電磁鐵組成的電磁鐵陣列來驅(qū)動永磁織針。通過圖5和7仿真對比圓柱形電磁鐵陣列和方形電磁鐵陣列在永磁織針軸向運(yùn)動中，上升高度與軸向所受電磁力變化曲線，得出方形電磁鐵組成的驅(qū)動模型相比于圓柱形電磁鐵組成的驅(qū)動模型的電磁力要大一些。通過圖7軸向受力仿真數(shù)據(jù)比較，可以看出由2個(gè)方形電磁鐵組成的驅(qū)動模型相比于3個(gè)和4個(gè)方形電磁鐵組成的驅(qū)動模型永磁織針?biāo)艿碾姶帕σ笠恍?。本文提出的電磁陣列?qū)動模型，可為針織驅(qū)動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考，為新型橫機(jī)電磁陣列式織針驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新的設(shè)計(jì)方案。