劉艷哲 楊建成 黃子文 趙全鵬 劉健

摘 要：隨著織機轉速提高，共軛凸輪與四連桿組合的平行式打緯機構中的連桿構件會在慣性載荷的作用下變形加大，從而導致鋼筘前死心位置與理想位置產生偏差，影響打緯精度。針對該問題采用虛擬仿真與實驗結合的方法對機構進行研究，建立了平行打緯機構柔性連桿下的動力學模型，并運用ADAMS軟件進行仿真，探究不同凸輪轉速和連桿不同材料對鋼筘前死心位置的影響，同時搭建實驗平臺對仿真結論進行驗證。結果表明：凸輪轉速對鋼筘前死心位置的影響是非線性的，凸輪轉速在180 r/min以內鋼筘的前死心位置穩(wěn)定且偏差值較小。彈性連桿構件選用比剛度更大的材料有助于減小鋼筘前死心位置偏差。研究結果可為高速共軛凸輪平行打緯機構的設計和優(yōu)化提供參考。

關鍵詞：平行打緯機構；彈性連桿；剛柔耦合模型；前死心位置；響應偏差；比剛度

中圖分類號：TH112

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）03-0063-07

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2018YB1308801）; 國家科技支撐計劃重點項目（2011BAF08B02）

作者簡介：劉艷哲（1997—），男，河北承德人，碩士研究生，主要從事紡織機械設計及自動化方面的研究。

通信作者：楊建成，E-mail：yjcg589@163.com

共軛凸輪打緯機構按照從動件的運動方式可分為擺動式打緯機構和平行式打緯機構。平行打緯機構主要應用于高速大間隔織物雙劍桿織機中，間隔織物多個織口內的緯紗并列排布在不同水平高度，擺動式打緯機構鋼筘做軌跡為圓弧的擺動運動，導致打緯時不同層緯紗受力不均勻，無法保證使每層緯紗順利進入織口，從而影響織物品質。平行打緯方式有效解決了織造間隔織物時要求每層緯紗所受打緯力應均勻的問題。當前國產雙劍桿間隔織物織機織造效率穩(wěn)定運轉下僅80～85緯/min，轉速普遍不高，而相關國外產品可達180緯/min，因此研究打緯機構的動力學特性對加快國產間隔織物雙劍桿織機的高速化進程具有重要意義。目前這方面的研究主要集中在擺動打緯機構，金國光等［1］通過仿真實驗探索了改變打緯機構的結構參數來減小機構振動的方法。魏展等［2］應用凱恩方程建立了共軛凸輪擺動打緯機構的動力學模型，為劍桿織機打緯機構的高速化設計提供了理論依據。此外，楊建成等［3］總結了平行打緯機構的參數化設計流程，并對設計結果進行了剛體機構的仿真驗證，但針對共軛凸輪平行打緯機構的動力學分析尚處于起步階段。

本文通過對平行打緯機構進行動力學仿真和模態(tài)分析，探究彈性連桿下凸輪轉速和連桿材料對鋼筘前死心位置的影響，搭建實驗平臺對仿真結論進行驗證。研究結果可為共軛凸輪平行打緯機構的設計優(yōu)化提供參考。

1 系統(tǒng)描述

以比利時范德維爾某型號雙劍桿天鵝絨織機中的共軛凸輪平行打緯機構為分析對象，其結構原理如圖1所示。打緯過程分為3個階段：推程階段時主凸輪1對滾子8施加正壓力，推桿3與擺臂4固結并繞回轉軸逆時針轉動，從而帶動鋼筘由后死心向前死心運動?；爻屉A段時副凸輪1＇對滾子2施加正壓力，從而帶動鋼筘由前死心向后死心運動。靜止階段時滾子不受凸輪正壓力，鋼筘在打緯后死心位置靜止。后死心為打緯運動的起始位置，前死心為鋼筘在水平方向上向前運動的極限位置。對從動連桿機構參數進行設計和優(yōu)化，可以使鋼筘打緯時處于豎直狀態(tài)并短時間內做水平運動，即實現(xiàn)鋼筘的平行打緯運動。

打緯機構的作用是推動緯紗移向織口并與經紗交織形成一定緯密的織物，若鋼筘不能實現(xiàn)預定動程，則打緯力不足，無法實現(xiàn)打緯功能，若鋼筘過擺，則打緯力過大，有可能造成經紗與緯紗的結連，影響織物品質。所以應對鋼筘的前死心位置響應進行深入探究。

從圖1可以看出，平行打緯機構主要由共軛凸輪機構和四連桿兩部分構成，由于凸輪和滾子的剛度較大，其剛度變形對鋼筘末端位置響應影響極小，故將凸輪機構各構件假定為剛性體。隨著織機主軸轉速的提高，擺臂、連桿、搖桿構件在慣性負荷的作用下變形加大，從而使鋼筘的真實動態(tài)響應與期望運動產生偏差，影響打緯精度和織機的可靠性。傳統(tǒng)的將連桿從動件看作剛體的分析和設計方法已不滿足實際打緯機構的設計要求，故本研究將機構中的擺臂、連桿、搖桿作為彈性體進行分析。

2 仿真分析

首先對機構進行參數化設計，使用作圖法，根據織機尺寸和工藝要求確定從動連桿機構的尺寸和擺臂動程，得到擺臂、連桿、搖桿的長度分別為0.29、0.11、0.20 m，擺臂角動程33.49°。共軛凸輪從動件選用改進梯形運動規(guī)律，結合共軛凸輪機構的設計公式，運用MatLab編程得到共軛凸輪廓線數據和凸輪從動系統(tǒng)的幾何尺寸。按照工程要求對機構進行結構設計，在SolidWorks中建立虛擬樣機模型。將三維模型的x_t文件導入ADAMS軟件中得到機構的剛體動力模型。分別將看作彈性體的擺臂、連桿、搖桿構件模型的x_t文件導入ANSYS中進行離散化，設置材料參數，其中擺臂、連桿、搖桿的材料均選用球墨鑄鐵，材料密度為7000 kg/m3，彈性模量為1.62×1011 N/m2，泊松比0.293。圖2示出為擺臂的離散化模型，選用四面體單元對構件劃分網格，包含了224272個節(jié)點，130218個單元，檢查網格劃分質量后生成模態(tài)中性文件。

將ADAMS中的連桿從動件用有限元軟件離散后生成的模態(tài)中性文件進行替換，即得到共軛凸輪平行打緯機構的剛柔耦合模型如圖3所示。

對機構剛柔耦合模型進行材料設置，添加約束和驅動力后即可對系統(tǒng)進行動力學仿真和數據處理。以凸輪軸設計轉速進行仿真，圖4和圖5示出為柔性連桿從動件下的剛柔耦合系統(tǒng)和剛性系統(tǒng)在打緯推程和回程階段時鋼筘打緯點的水平線性位移和速度響應的對比。

如圖4、圖5所示，將剛性從動件下的仿真結果記作理論值，柔性從動件下的筘座水平速度響應在理論值附近波動，筘座水平最大位移大于理論值，筘座水平最大位移位置即為鋼筘的前死心位置。從圖4可以看出彈性連桿條件下鋼筘向前打緯的過程存在過擺現(xiàn)象。

假設打緯運動的起始位置即鋼筘后死心位置不變，將柔性連桿條件下鋼筘前死心位置與理論位置之間的差值記為鋼筘前死心位置的響應偏差。在凸輪轉速80～300 r/min范圍內每隔20 r/min為一個數據點對柔性連桿下的機構模型進行仿真，圖6示出凸輪軸不同轉速下鋼筘座于前死心位置的響應偏差。

從圖6可以看出，凸輪轉速的提高對彈性連桿條件下平行打緯機構鋼筘前死心位置的影響是非線性的。凸輪轉速在80～180 r/min范圍內，鋼筘位移偏差數值無劇烈波動，呈現(xiàn)了凸輪轉速越高，位移偏差緩慢增大的規(guī)律。凸輪轉速180 r/min后鋼筘位移偏差數值波動明顯，總體呈曲折上升的趨勢。為了探究鋼筘前死心位置產生偏差變動的原因，對彈性連桿機構進行模態(tài)分析。

在ADAMS軟件中創(chuàng)建柔性化的連桿機構模型，在各回轉鉸鏈處添加旋轉副，求解連桿機構運動到前死心時的線性模態(tài)。彈性連桿機構前10階固有頻率如表1所示。

共軛凸輪通過主軸與凸輪軸的一級齒輪減速帶動轉動，齒輪嚙合頻率為：

式中：n為凸輪軸轉速，z為從動齒輪齒數。

由機構的理論設計可得主軸與凸輪軸間減速齒輪的齒數為97/19，將表1中模態(tài)分析計算的各階固有頻率帶入式（1），得到連桿機構各階固有頻率與齒輪嚙合頻率相等時的凸輪轉速，記入表1。

利用軟件中的線性模態(tài)工具求解連桿機構在前死心位置時的各階陣型，與未變形部分對比，如圖7所示，可知各階模態(tài)下連桿機構的振動趨勢。對振型圖7分析可得，在前死心位置時，連桿機構前4階振型主要為沿軸向的彎曲變形，對鋼筘在水平方向上的位置影響有限，且此時凸輪轉速不高，低于180 r/min，慣性力較小，故鋼筘的前死心位置偏差不大且較為穩(wěn)定。第4階以后，彈性連桿機構的各階振動變形復雜，連桿機構沿水平方向的變形對鋼筘前死心位置影響較大。由表1可見，彈性連桿機構第5階到第7階及第9階第10階模態(tài)數值相近，根據振動的疊加原理，在周期性激振力的作用下系統(tǒng)響應由各階簡諧振動而合成。隨著織機轉速的提高，彈性連桿機構往復質量不平衡產生的慣性力增大，與連桿構件的復雜振動變形共同作用下導致了鋼筘前死心位置與期望位置產生偏差，并呈現(xiàn)無規(guī)律性?；跈C器穩(wěn)定運轉和打緯機構可靠性的角度考慮，凸輪轉速不應超過180 r/min。

探究不同連桿材料對鋼筘前死心位置的影響，在ADAMS軟件中，連桿材料分別選用球墨鑄鐵、鑄鋁、中碳結構鋼和合金結構鋼，同一轉速下對耦合模型進行仿真。圖8和圖9示出連桿選用不同金屬材料，鋼筘的前死心位置響應偏差。

由圖8可見，不同金屬材料的選擇，柔性從動件下的鋼筘座水平最大位移不同，從圖9可知，柔性連桿構件選用比剛度更大的材料，鋼筘前死心的位置偏差越小。相較選用QT500，連桿構件選用42GrMo，鋼筘的前死心位置偏差減小43％，由機構的振動理論分析得知，構件材料的比剛度越大，說明相同剛度下材料的重量更輕，從而提高機構的固有頻率，使機構固有頻率與激振力頻率遠離，減小彈性構件的振動。更輕的質量還有助于減小慣性載荷沖擊，并滿足了機構設計輕量化的要求。

從減小鋼筘前死心位置偏差的角度考慮，選用比剛度更大的金屬作為柔性連桿的材料更有優(yōu)勢。

3 實驗驗證

為了驗證虛擬仿真所得的凸輪轉速對鋼筘前死心位置影響的結論，及其對實際機械設計和工程的指導意義，需進行實際的實驗驗證。

3.1 實驗平臺搭建

實驗的目的是測量不同轉速下鋼筘實際前死心位置與理論位置之間的偏差，圖10示出為檢測鋼筘前死心位置的實驗原理，鋼筘前死心位置設計參數為鋼筘距離織物壓板前端面10 mm，鋼筘水平方向動程160 mm，將激光位移傳感器安裝固定在圖10所示的織物壓板上方墻板上，檢測原理是將理論前死心位置時傳感器到筘面的距離定義為測量零點，實際傳感器檢測的到筘面動態(tài)距離的最小值即為該轉速下鋼筘前死心實際位置與理論位置之間的偏差。

圖11（a）示出為本實驗選用的某型號激光測距傳感器，檢測距離100 mm，檢測范圍±35 mm，精度0.075 mm，圖11（b）示出的共軛凸輪平行打緯機為本實驗的實驗對象。

3.2 實驗的結果

對打緯機構進行初始參數設置，打緯等待區(qū)開始、結束角度及打緯影響引劍開始角度、結束角度均采用默認值。在凸輪軸轉速80～300 r/min范圍內每隔20 r/min為一次實驗點分別運行機器，傳感器選擇模擬量輸出模式，通過計算機對檢測結果進行保存和數據處理，多周期下測量的多個數據取均方根作為實驗數據的有效值。實驗測量凸輪軸不同轉速下鋼筘前死心位置偏差如圖12所示。

從圖12可以看出，實驗和仿真所得的鋼筘前死心位置偏差曲線都表現(xiàn)出非線性和無規(guī)律性，位移偏差值均大于零，即實際鋼筘在打緯過程中存在過擺現(xiàn)象，與仿真結果相符，可見柔性連桿從動件下的剛柔耦合系統(tǒng)模型的鋼筘動態(tài)響應更能反映該平行打緯機構的真實運動；兩結果得出的鋼筘前死心位置偏差隨凸輪轉速的變化總體趨勢是一致的，都表現(xiàn)為：凸輪轉速180 r/min以內鋼筘前死心位置穩(wěn)定且偏差值較小，180 r/min以后偏差值波動明顯，可見，柔性連桿下的虛擬仿真結論：基于機器穩(wěn)定運轉和打緯可靠的角度考慮，凸輪軸最高轉速不應超過180 r/min的建議合理；仿真結果相較實驗所測數值偏大，這是由于仿真實驗未計入紗線阻力和材料內部阻尼等因素的影響。兩結果在數值上不完全相等，原因是仿真未計入筘絲變形和箱體振動對鋼筘前死心位置的影響，且彈性連桿在實際運動中存在著復雜的諧振現(xiàn)象，含間隙的機械系統(tǒng)中還存在著混沌現(xiàn)象，這些都是無法用線性系統(tǒng)的理論來透徹說明的。

4 結 論

通過對平行打緯機構進行仿真分析和實驗驗證，深入探究了凸輪轉速和構件材料對彈性連桿條件下鋼筘前死心位置的影響和偏差產生原因，并得出如下結論：

a）鋼筘向前打緯的運動過程存在過擺現(xiàn)象，彈性連桿條件下的剛柔耦合模型的鋼筘動態(tài)響應更能反映打緯機構的真實運動。

b）仿真與實驗結果得出的鋼筘前死心位置偏差隨凸輪轉速的變化總體趨勢是一致的，都表現(xiàn)為凸輪轉速在180 r/min以內鋼筘的前死心位置穩(wěn)定且偏差值較小。研究結果對實際的工程項目具有一定的指導意義。

c）基于仿真分析得出，連桿從動件選用比剛度更大的金屬材料有助于減小鋼筘前死心的位置偏差，研究結果對共軛凸輪平行打緯機構的設計和優(yōu)化提供了參考。

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Abstract： The double-rapier loom is a kind of weaving machine that is mainly used for weaving spacer fabrics. The research on double-layer rapier looms in China started in the middle and late 1980s. The domestic double-rapier looms have been restricted by the limited technical level， the low reliability of the equipment， and the low speed. The general weaving efficiency is only 80-85 weft/min， and the industrial production has not been realized. The relevant foreign products can reach 180 weft/min. Therefore， it is of great significance to study the dynamic characteristics of the beating-up mechanism for speeding up the high-speed process of domestic spacer double-rapier looms.

With the increase ofthe loom speed， the connecting rod components in the parallel beating-up mechanism with a conjugate cam and four connecting rods will deform more under the action of the inertial load， resulting in deviation between the reed front dead center position and the ideal position， and affecting the beating-up accuracy. To solve this problem， we adopted the method of combining virtual simulation and experiment to study the mechanism. First， we discretized the link components that are regarded as elastomers based on ANSYS software， and jointly used ADAMS software to establish the rigid flexible coupling dynamic model of the parallel beating-up mechanism under the flexible link. The model was simulated every 20 r/min as a data point within the range of 80-300 r/min of the cam speed， modal analysis of the driven link mechanism was carried out， and the influence of different cam speeds on the reed front dead center position was investigated. Then， nodular cast iron， cast aluminum， medium carbon structural steel and alloy structural steel were selected as the connecting rod materials. At the same speed， the mechanism model was simulated to explore the influence of different materials of the elastic connecting rod on the dead center position of reed. At the same time， the experimental platform was built， and the laser displacement sensor was used to measure the deviation between the actual front dead center position and the theoretical position of the reed under different cam speeds， so as to verify the conclusions of the simulation on the impact of the cam speed on the reed front dead center position. The results show that there is overswing phenomenon in the process of the reed beating-up， and the reed dynamic response of the rigid flexible coupling model under the condition of elastic linkage can better reflect the real motion of the beating-up mechanism. The simulation and experimental results show that the overall trend of reed front dead center position deviation is consistent with the change of cam speed. It can be seen that the influence of cam speed on reed front dead center position is nonlinear， and the reed front dead center position is stable and the deviation value is small when the cam speed is within 180 r/min. Based on the simulation analysis， it is concluded that the selection of materials with greater stiffness than elastic connecting rod components is helpful to reduce the reed front dead center position deviation.

The research results have a certain guiding significancefor the actual engineering practice， and provide a reference for the design and optimization of high-speed conjugate cams and four-bar parallel beating-up mechanisms.

Keywords： parallel beating-up mechanism; elastic linkage; rigid flexible coupling model; front dead center position; response deviation; specific stiffness