邱 海 飛

(西京學院 機械工程學院，西安 710123)

高速化是現(xiàn)代噴氣織機的主要發(fā)展方向。在織造生產(chǎn)過程中，織機機架會受到來自系統(tǒng)內(nèi)部的各種干擾和影響，如主軸運轉(zhuǎn)引起的偏心力、綜框往復運動形成的周期性沖擊力、以及筘座產(chǎn)生的慣性打緯力等，均會對機架穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[1]。若機架結構設計不合理，將會很容易使織機系統(tǒng)產(chǎn)生振動與噪聲，由此將引發(fā)諸多不利生產(chǎn)問題，如縮短設備壽命、降低生產(chǎn)效率、影響織物質(zhì)量及增加生產(chǎn)成本等[2]，所以在機架設計過程中必須要考慮其動態(tài)特性。目前關于織機機架的研究文獻并不多見，能檢索到的也都是通過不同的技術方法來研究機架結構及其力學特性，如汪群等[3]在考慮慣性力、打緯力、投梭力及換梭力共同作用的條件下，分析了1511織機的振動特性；黃富貴等[4]將豆包消振器應用于GA712噴氣織機機架，有效提高了機架的抗振性能；吳鋒等[5]利用ODS法研究織機運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的機架動態(tài)特性，通過確定機架薄弱環(huán)節(jié)為其結構改進提供了可靠依據(jù)；張洪等[6]對織機機架剛度進行了試驗研究，指出通過選擇合理的撐擋截面形狀可有效提高機架剛度。

為適應噴氣織機的高速化生產(chǎn)要求，針對以往織機機架設計的技術及試驗難度，本文將現(xiàn)代CAD/CAE方法應用于某型噴氣織機機架的設計，通過有限元建模、動力學計算與仿真分析等，為織機機架結構設計、動力學性能優(yōu)化及相關試驗研究提供技術參考。

1 機架結構

噴氣織機機架主要由墻板、胸梁、后梁和橫梁等組成，為了增強機架結構穩(wěn)定性，選用抗振性強的灰鑄鐵作為墻板材質(zhì)[7]，其余梁件材質(zhì)均為結構鋼，兩種材料性能參數(shù)見表1。根據(jù)噴氣織機系統(tǒng)結構和功能原理，在ANSYS/WorkBench平臺上建立如圖1所示的機架有限元模型，其坐標系分布為：X軸-沿機架橫向方向；Y軸-沿機架縱向方向；Z軸-沿機架高度方向。

表1 材料性能參數(shù)Tab.1 Material property parameters

圖1 機架有限元模型Fig.1 Finite element model of the frame

機架各部分之間的連接采用實體接觸，通過Solid186單元對機架結構進行網(wǎng)格化處理，建模過程忽略影響不大的緊固件和細小特征，創(chuàng)建完成的機架有限元模型共包括48 171個單和102 897個節(jié)點。根據(jù)生產(chǎn)車間實際布局，在左右墻板底面施加固定約束，使機架與地基完全固定。

2 模態(tài)特性

模態(tài)頻率和振型是結構的固有動力學特性，也是進行相關動態(tài)計算與分析的重要基礎。根據(jù)動力學理論，低階模態(tài)在結構振動過程中起主要作用，高階模態(tài)對動力學響應的貢獻很小，而且衰減很快，故實際當中只考慮低階模態(tài)[8]。不考慮外部激振載荷，采用Direct-Block Lanczos法求解機架的自由模態(tài)，并提取前6階固有頻率和振型。

機架1～6階振型如圖2所示，與之對應的固有頻率及振動模式特征見表2。分析可知，機架第1階振型為整體結構沿軸向擺動變形，最大位移發(fā)生在胸梁及其與墻板的連接位置處；第2階振型主要為兩側墻板的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動，最大位移出現(xiàn)在墻板后端上部；其余幾階振型分別表現(xiàn)為后上橫梁的彎曲振動、后梁的彎曲振動、后梁和后上橫梁的彎曲振動，以及左右墻板的前端部彎曲振動。綜上可知，在機架的各階振動模式中，后梁、橫梁及墻板的振動變形較為活躍，為使機架結構能夠適應更高工作轉(zhuǎn)速，可從后梁、橫梁及墻板方面進行加強或改進設計。

圖2 機架前6階振型Fig.2 Top 6 vibration modes of the frame

階次固有頻率/Hz振型特征描述165.01整體沿軸向擺動2128.94墻板彎曲和扭轉(zhuǎn)振動3142.64后上橫梁彎曲振動4178.73后梁彎曲振動5195.68后梁和橫梁彎曲振動6203.77墻板前端部彎曲振動

根據(jù)結構抗振性設計原則，應盡量使外界激振力頻率遠小于機架初階固有頻率，因為隨著模態(tài)階次的升高，機架固有頻率值會逐漸增加，而激發(fā)高階振動的載荷能量會逐漸減弱，使得高階振動不容易被激發(fā)[9]。由此可知，為了保證織造過程的穩(wěn)定運行，織機主軸工作頻率應盡量小于65 Hz，而當主軸工作頻率在65 Hz以上時，還需要避開128 Hz和142 Hz，以免產(chǎn)生共振和噪聲等不利影響。

3 諧振響應

3.1 簡諧載荷確定

諧響應分析與結構所受荷載相關，主要用于確定線性結構在承受簡諧載荷時的穩(wěn)態(tài)響應[10]。根據(jù)結構動力學理論，可將機架等效為一個質(zhì)量為M的連續(xù)實體結構，其系統(tǒng)剛度為K，阻尼為C，則當在X坐標方向施加一個激振載荷F時，可建立如圖3所示的等效力學模型。對于結構離散化的機架有限元模型，當機架受到一個頻率為ω的簡諧載荷F作用時，其受迫振動微分方程如式(1)所示，且各節(jié)點位移響應如式(2)所示。

圖3 等效力學模型Fig.3 Equivalent mechanical model

(1)

{x}={X}sin(ωt+φ)

(2)

式中：[M]表示質(zhì)量矩陣；[C]表示阻尼矩陣；[K]表示剛度矩陣；{x}表示位移矢量，m；{F(t)}表示激振力幅值，N；{X}表示位移響應幅值，m；φ表示位移響應滯后激勵載荷的相位角；t表示時間，s[11]。

將式(2)代入式(1)，得到各節(jié)點諧響應位移幅值，如式(3)所示。

(3)

織機運行過程中，打緯主軸產(chǎn)生的周期性慣性力是典型的簡諧載荷，而且會對機架結構的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響[12]。假設打緯力為1 000 N，初始相位為0，根據(jù)模態(tài)分析結果，機架的固有頻率范圍為65.012～203.77 Hz，激振力的掃頻區(qū)間應涵蓋機架的固有頻率，故定義掃頻范圍為50～220 Hz，則作用在機架上的簡諧載荷如式(4)所示。

F=1 000sinωtω∈[50,220]

(4)

3.2 幅頻特性

在機架橫梁中間位置選擇一節(jié)點進行激振，在50～220 Hz內(nèi)進行掃頻計算，設置采樣點為100，得到如圖4所示的幅頻響應曲線。分析可知，在機架的前6階模態(tài)頻率點處，激振區(qū)域在X、Y和Z方向均存在明顯幅頻響應，這與模態(tài)分析結果相吻合；另外，基頻(65 Hz)在X方向的位移響應最大，說明機架在X方向的抗振性較差，一旦基頻被簡諧載荷所激發(fā)，機架沿X方向發(fā)生振動的強度會最為劇烈，破壞程度也最為嚴重。

圖4 機架諧振響應幅頻曲線Fig.4 Curves of amplitude-frequency response of the frame

因此，在實際織造生產(chǎn)過程中，為保證機架能夠適應更高的織機車速，應使噴氣織機主軸盡量避開65 Hz的轉(zhuǎn)速頻率，或者可通過在機架結構上添加消振器來增強其抗振性。此外，機架的結構優(yōu)化也是提高其動力學特性的有效技術手段，以65 Hz為參考定義目標函數(shù)和狀態(tài)變量，將機架宏觀尺寸、橫梁截面形狀或墻板壁厚等作為設計變量，建立機架參數(shù)化幾何模型和優(yōu)化數(shù)學模型，從而實現(xiàn)機架的結構優(yōu)化和動力學改進。

4 結 語

動力學特性是衡量織機機架結構設計的重要指標。通過模態(tài)分析，計算獲得了噴氣織機機架的低階共振頻率，并分析了與之對應的振動模式，為織機機架動力學改進設計提供了重要參考和依據(jù)；根據(jù)諧響應分析，獲得了機架在不同方向和頻率點的位移振動響應，明確了簡諧載荷對機架結構的破壞程度和趨勢，為機架的剛度設計與結構優(yōu)化提供有力支持，有利于高速噴氣織機的車速控制與調(diào)節(jié)。