（机械制造及其自动化专业论文）针刺机构的平衡与振动研究.pdf

独仓l j - 陛声明 i i l l lllii ii i ii ii iii ii i y 17 7 2 8 5 6 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：讳冬 签字日期：卅驴年，月仔同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一繇钍聊虢颔司 学位论文的主要创新点 一、通过数值仿真，采用一种较为简便的方法对针刺机构进行了 摆动力和摆动力矩优化平衡研究，并且- , t z 衡效果显著。 二、应用有限元理论建立了针刺机构的弹性动力学模型，并对该 模型进行了求解与分析。 摘要 目前，随着非织造布和针刺技术的发展，越来越多的针刺产品出现在市场 上，为针刺机的广泛应用奠定了基础。针刺机构是针刺机的主要机构，该机构 除驱动构件等速回转外，其余构件均往复运动或平面一般运动，惯性载荷是普 遍存在的。当针刺机构转速升高时，惯性载荷的影响是很大的。为保证针刺机 运转平稳和产品的质量，须对针刺机构进行平衡与振动的分析。 本文以郑州纺机生产的w 2 3 6 1 3 6 0 型针刺机的针刺机构为研究对象，着重 对其针刺机构进行动力学方面的研究。简要介绍了针刺机构及其工作原理和性 能要求，并在刚性体的假设下，对针刺机构进行了运动学与动力学分析。 在针刺机构运动学和刚体动力学分析的基础上，利用配重法对针刺机构进 行摆动力与摆动力矩优化平衡。针对针刺机构摆动力与摆动力矩优化平衡研究， 本文所采用的方法只需要求解一个线性梯度方程组就可以获得最佳平衡配重方 案，并且该法求解简单方便、平衡效果较为明显，有较高的实用价值。 在考虑针刺机构弹性变形的情况下，根据有限元理论建立机构的弹性动力 学模型，应用拉格朗同法推导机构的二阶变系数微分方程组。且采用振型叠加 法对该微分方程组进行编程求解，得到工况转速下针刺机构的前三阶固有频率。 通过分析得出一阶固有频率在引起谐振中占主要成分。另外，本文进一步讨论 了结构参量对固有频率的影响。 关键词：针刺机构、动力学模型、配重法、弹性动力分析、优化平衡、有限元 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn o n w o v e n s m o r en e e d l e p u n c h i n gp r o d u c t sa p p e a ri n a n dn e e d l e p u n c h i n gt e c h n o l o g y , m o r ea n d t h em a r k e t ，t h u sn e e d l e p u n c h i n gm a c h i n e a r ew i d e l ya p p l i e dt ol a yt h ef o u n d a t i o n n e e d l e p u n c h i n gm e c h a n i s m i st h em a i np a r t 0 1t h em a c l l i n e i na d d i t i o nt ot h ea g e n c y - d r i v e nc o m p o n e n t i se x t e r n a lr o t a t i o n ；t h e “；m a i n i n gc o m p o n e n t sa r er e c i p r o c a t i n gm o v e m e n t o rt h eg e n e r a lp l a n em o v e m e n t ， s ot h ei n e r t i a ll o a di su b i q u i t o u s w i t ht h er o t a t i o ns p e e do ft h en e e d l e p u n c h i n g m e c h a n i s mi n c r e a s i n g ，t h ei m p a c to fi n e r t i al o a di sg r e a t i no r d e rt o e n s u r et h e s m o o t ho p e c a t i o no fn e e d l e p u n c h i n gm a c h i n e a n dt h eq u a l i t yo fp r o d u c t ，t h e b a l a n c i n ga n dv i b r a t i o na n a l y s i s o ft h en e e d l e p u n c h i n gm e c h a n i s ms h o u l db e e x e c u t e d t h i sp a p e xm a i n l yf o c u s e so i lt h ed y n a m i ca n a l y s i so ft h en e e d l e p u n c h i n g m o t i o no fw 2 3 61 3 6 0n e e d l e p u n c h i n gm a c h i n ep r o d u c e db yz h e n g z h o ut e x t i l e m a c h i n e r vc o m p a n y b r i e f l yi n t r o d u c i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t s o fn e e d l e p u n c h i n gm e c h a n i s m ，b a s e d o nt h ea s s u m p t i o no ft h e m e c h a n i s mr i g i d ，t h i sp a p e rc a r r i e do u tt h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i s b a s eo nt h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i so f t h en e e d l e p u n c h i n gm e c h a n i s m ， b yu s i n gt h em e t h o do fb a l a n c ew e i g h t t oo p t i m i z es h a k i n gf o r c ea n ds h a k i n g m o n l e n tb a l a n c e n e wm e t h o di su t i l i z e dt os t u d yt h eo p t i m u ms h a k i n gf o r c ea n d s h a k i n gm o m e n tb a l a n c i n g f o rn e e d l e p u n c h i n gm e c h a n i s m ， s i n c eo n l ya1 1 n e a r e q u a t i o ns e tn e e d st ob es o l v e d ，t h es o l v i n gp r o c e d u r ei s v e r yc o n c i s ea n dt h e o p t i m u m r e s u l t sc a nb eo b t a i n e dv e r ye a s i l ya n dc o n v e n i e n t l y i nt h ef o l l o w u ps e c t i o no ft h i sp a p e r , t h ee l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h en e e d l e 。 p u n c h i n gm o t i o n sa r et a k e ni n t oc o n s i d e r a n dt h ed y n a m i cm o d e l i ss e tu po nf i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h e nu s i n gt h el a g r a n g em e t h o d ，t h es e c o n d o r d e rd i f f e r e n t i a l e q u a t i o n sw i t hv a r i a b l ec o e f f i c i e n t ss p o r t so fm e c h a n i s m c a nb ee s t a b l i s h e d b a s e do n m o d es u p e r p o s i t i o nm e t h o d ，t h ef i r s tt h r e en a t u r a lf r e q u e n c y o ft h em e c h a n i s mu n d e r w o r k i n gc o n d i t i o ni sg a i n e d w ec a ng e t n a t u r a lf r e q u e n c yb ya n a l y z i n gt h er e s u l t s t h er e s o n a n c ec a u s e db yt h ef i r s to r d e r a n dd i s c u s s i n gt h ei n f l u e n c eo fm a t e r i a l p a r a m e t e r so n t h ec o n s t r u c t i o n a lf r e q u e n c y k e yw o r d s ：n e e d l e p u n c h i n gm e c h a n i s m ，d y n a m i cm o d e l ，b a l a n c e w e i g h t ， e l a s t i cd y n a m i c sa n a l y s i s ，o p t i m u mb a l a n c e ，f i n i t ee l e m e n t 目录 第一章绪论l 1 1 弓i 一言1 1 2 研究背景和意义1 1 2 1 针刺机理5 1 2 2 针刺机构简述6 1 2 3 机构动平衡的研究现状8 1 2 4 弹性连杆机构动力学研究现状1 0 1 2 5 弹性连杆动力学建模与求解1 1 1 3 本文的主要工作及安排一1 2 第二章针刺机构运动与动力分析1 5 2 1 弓i 言15 2 2 针刺机构构件尺寸数据15 2 2 1 偏心轮参数17 2 2 2 弧形齿轮机构参数18 2 2 3 连杆参数18 2 3 针刺机构的运动学分析1 9 2 3 1 针刺机构模型的建立1 9 2 3 2 机构的运动性能分析2 0 2 4 针刺机构动力学分析一2 2 2 4 1 构件的惯性力和惯性力矩2 2 2 4 2 针刺机构动力方程的建立2 3 2 4 - 3 动力学分析2 6 2 4 4 输入转速对动态性能的影响2 8 2 5 本章小结2 9 第三章针刺机构优化平衡研究31 3 1 引言3l 3 2 平衡问题的提出一3 1 3 3 针刺机构的优化平衡研究3 2 3 3 1 针刺机构优化目标的选取3 2 3 3 2 机构摆动力和摆动力矩优化平衡原理3 3 3 3 3 针刺机构优化模型的建立3 6 3 3 4 优化算法：3 8 3 3 5 优化结果与分析3 9 3 4 本章小结4 2 第四章针刺机构弹性动力学分析4 5 l 4 1 弓i 言4 5 4 2 针刺机构弹性动力学模型的建立4 5 4 2 1 针刺机构建模方法的选择4 5 4 2 2 单元坐标与系统坐标4 6 4 2 3 位移差值函数5 0 4 2 4 单元位移函数5 0 4 2 5 单元的运动微分方程5 3 4 2 6 系统运动微分方程5 5 4 2 7 系统运动微分方程的求解5 5 4 3 针刺机构动态性能分析5 6 4 3 1 固有频率5 7 4 3 2 结构参数对固有频率的影响5 8 4 4 本章小结5 9 第五章全文总结6 1 5 1 本文完成的主要工作6 1 5 2 对未来工作的展望6 1 参考文献6 3 发表论文和参加科研情况说明6 7 1 4 i ：谢6 8 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 针刺法【l j 是一种比较典型的机械加固方法，在生产的干法非织造布中，针刺 非织造布占4 0 0 6 0 左右，是干法非织造布中较为重要的加工技术。非织造布【2 】又 称为无纺织材料、无纺布、不织布或非织造物，非织造布生产技术是一个源于 纺织，但又超越纺织的生产加工技术，针刺法只是其中的一种。由于该法具有 生产流程短、设备简单、耗资较少、产品应用广泛等优点，因此针刺法发展得 很快。回顾针刺技术的发展，可追溯到1 9 世纪末期，当时在英国里茨，有一个 叫威姆拜瓦特( b y w a t e r ) 的人制造了世界上第一台针刺机。直到上世纪4 0 年代， 由他创建的拜瓦特公司才对老式针刺机做了进一步的改进，才使越来越多的针 刺产品出现在非织造布市场上，为现代针刺法的发展奠定了基础。1 9 4 8 年，美 国一位叫杰姆斯亨特( j a m e sh u n t e r ) 的人设计并制造了针刺机。1 9 5 7 年，美国 杰姆斯亨特公司在针刺机构的主轴传动偏心轮平衡上做了重大改进，使针刺 机构的针刺频率达到了8 0 0 次m i n ，大幅度地提高了生产效率。随着技术的发 展和新材料的不断出现，现在针刺机的各项性能已有极大提高。 1 2 研究背景和意义 在国外，先进国家已经普遍应用刺针椭圆形运动轨迹的高性能针刺机，该 针刺机的最高针刺频率可j , 盘3 0 0 0 次m i n 。另外，一些国外的公司还研发了增强型 针刺非织布设备及先进的生产工艺。德国的d i l o ( 迪罗) 公司与奥地利的f e h r e r ( 菲 勒) 公司研制的针刺机基本上代表了世界针刺机的最高水平。 ( 1 ) d i l o 公司的针刺机 d i l o 公司生产的椭圆形针刺机在i t m a1 9 9 5 上首次展出，这是近几十年来针 刺技术的重大突破。其主要特点是针板、横梁由一个偏心机构驱动，刺针不再 单纯地作垂直向上运动。而是在纵向的平面内作垂直与水平方向的二维运动， 其轨迹由一条直线转变成近似于椭圆形状，水平向的移动距离是为了对应纤网 的步进量，在时空上与其能够很好配合从而显著减少纤网的拉伸能够实现针刺 产品优质高产。d i l o 在i n d e x0 5 展会上展出这种技术时，h y p e r p u n c h 椭圆形针刺 天津工业大学硕士学位论文 机的产量已经占该公司针刺机总产量的1 5 左右，这表明该公司一部分针刺生产 线已配备了椭圆形针刺机。 德国d i l o ( 迪罗) 公司的d i l o u ri vh s c l2 5 花纹绒面针刺机的幅宽为5 m ， 针刺频率高j 盘2 4 0 0 次m i n 。该公司生产的d i o l o o pv d 6 型针刺机【3 k 1 2 作宽度为 6 0 0 m m 、最高针刺速度为1 2 0 0 次m i n ，整个机器由主机、纤网加压机、液压、 电气四个主要部分组成。 d i l o 公司生产的针刺机有多种刺针排列方式，刺针密度的变动幅度也是很 大的，针板每米的刺针数目从8 7 0 根变化到1 0 0 0 0 根，对于幅宽为2 0 0 m m 的针板， 每米的刺针个数高达7 5 0 0 根，并且还能根据客户的要求来减少或增加刺针的数 目。该公司针刺机的另一个重要优点是其独特的换针系统，该系统可以确保在一 分钟内更换针板，是目前世界上最快的换针系统。 图1 - 1d i l o 迪罗( 公司) d i l o o m o u g i is 通用针刺机实物图 图1 2d i l o ( 迪罗) 公司d i l o o m o u g i is 通用针刺机结构示意图 第一章绪论 其中d i l o o m 通用系列针刺机 4 1 的工作幅宽1 5 7 5 m ，刺针密度 2 0 0 0 3 0 0 0 0 枚m ，最大针刺频率3 0 0 0 m i n ，针刺动程为2 5 6 0 m m ，如图1 1 、1 2 所示。 ( 2 ) f e h r e r 公司的针刺机 f e h r e r 左_ _ 司是世界上最早研制具有组合式全封闭传动机构的高速针刺机的 公司，在2 0 0 5 年被瑞士苏拉( s a u r e r ) 集团收购。该公司主要的针刺技术包括：h i 针刺技术、针刺频率可达3 0 0 0 次m i n 以上的高速针刺技术及造纸毛毯针刺技术、 地毯针刺技术、起毛针刺技术等。f e h r e r 公司在造纸毛毯环形针刺机上已经采用 了椭圆形针刺，这表明椭圆形针刺法的应用范围在不断扩展。 h 1 技术【5 】是e r n s tf e h r e r 博士的研发专利。该技术的工作原理是刺针倾斜刺 入纤网来获得较高质量的产品，这种穿刺是通过非对称的弧形针刺区与刺针的 往复运动实现的。其优点是增加了针刺深度且能不断改变针板方向，纤维进行 再排列、杂乱及缠结的效果较以往的平板针刺为优。 f e h r e r 公司生产的n l l1 t w i n s ec a r p e ts t e r 针刺机属于提花针刺机，它有两 个独立运行的针刺区，可以生产出质量较高的罗纹及丝绒制品。该针刺机的针 刺速度可达15 0 0 r m i n ，工作幅宽为2 4 5 6 m ，动力冲程为3 0 m m 。使用 n l l1 t w i n s ec a r p e ts t e r 针刺机可降低投入费用。 f e h r e r 公司生产的n l 2 8 型针刺机是单针板下刺式针刺机，在喂入辊圆周上 有很多沟槽，每个沟槽内装有一根导网钢丝其伸出端靠近第一排刺针。在喂入 辊与导网钢丝的引导下，蓬松的纤网进入针刺区就会变得比较容易，这样就解 决了蓬松纤网的拥塞问题。如图1 3 所示。 图1 3f e h r e r 公司的n l 2 8 犁针刺机喂入辊 如图l 一4 所示，a s s e l i n 公司的1 6 9 d f 型双滚筒针刺机采用两个滚筒取代传统 天津工业大学硕士学位论文 的剥网板和托网板，且滚筒间距可以调整。两个滚筒分别有近万个完全相对应 的d , - 孑l ，以利于刺针通过。且在刺入纤网时，刺针还有一个与滚筒表面运转速 度近似相等的前移运动，能够消除蓬松纤网进入针刺区域时产生的拥塞现象。 法国a s s e l i n t h i b e a u 公司在c i n t et e c h t e x t i l2 0 0 6 上展出的v e l o u r 针刺机也 是目前比较先进的机型。 图1 - 4a s s e l i n 公司的1 6 9 d f 型双滚筒针刺机 除d i l o 公司、f e h r e r 公司与a s s e l i n - t h i b e a u 公司以外，法国n c s 公司的 a 5 0 一s s d b 型针刺机可用于生产汽车内饰用针刺毯来代替成本较高的机织布。 目前，我国也推出了一批具有应用前景的针刺新设备、新技术及新产品【4 ， 如针刺速度为1 0 0 0 - - 1 2 0 0 r m m 的针刺机及宽幅为7 m 的造纸毛毯针刺机等。但是 同国外先进水平相比，我国在针刺工艺技术、产品种类及质量、尤其是技术研 发等方面还存在很大差距。在设备成套性方面，我国推出了一批适用型针刺设 备。如郑州纺织机械有限公司( 简称郑州纺机) 、青岛纺织机械有限公司( 简称青 岛纺机) 、江苏海润纺织机械有限公司( 简称江苏海润) 等都已经可以提供比较完 善的相应配套设备。 郑州纺机开发和生产的成套高速针刺机，包括从开松、梳理到针刺成卷整 线工艺及设备等均配套采用国外先进的p c l 、变频器、伺服系统通用( 或专用) 配套件。针刺机主要运动构件设计合理，精度较高。 青岛纺机的针刺生产线主要包含预针刺机、针刺机以及适用于非织造布生 产线的主针刺与修面针刺的异位对刺机等。其中有些针刺机应用双轴驱动，针 刺动程可达7 0 m m ，针板上配备有限位自停装置，而且装有触摸屏可显示工艺参 数，以方便调整。异位对刺针刺机具有体积小、结构紧凑的优点，采用的双曲轴 驱动平衡油箱能使每个针板运行更加稳定【7 1 ，可提高产品质量。 江苏海润的针刺生产设备共有4 0 多种型号近2 0 0 多机型供客户选用，主要包 括【4 】：提花针刺机、垫肩针刺机、绒面针刺机、条纹针刺机、造纸毛毯针刺机【8 】 4 第一章绪论 等多种专用针刺机。该公司还成功研制一种应用于合成革基布过滤材料等基布 修面的针刺机，即y b g 3 1 9 型双针板上下对刺式针刺机【9 1 。该针刺机的植针密度 达到了8 0 0 0 - - - 1 6 0 0 0 针m ，针刺动程为6 0 m m ，针刺频率可达1 2 0 0 r m i n ，工作幅 宽为2 2 2 8 m 。 常熟市腾龙无纺设备公司成功研制了双针区起绒针刺机，广东汕头三辉无纺 机械厂有限公司开发和制造了s v n i i 2 5 0 绒毛针刺机的设备，获得了多项发明 专利且已经用于实际生产。s v n i i 一2 5 0 绒毛针刺机的针刺速度达到了17 0 0 r m i n ， 植针密度为1 0 0 0 0 针m ，可适用于生产家用地毯、玩具绒布、车内地毯、仿真毛 皮、行李箱地毯以及汽车装饰用的顶篷布等。该针刺机具有绒毛针刺机与条纹 针刺机的双重功能降低了使用客户的投资成本。此外，我国的学者也为针刺机 的研究、改进做了大量工作，且颇有成效【1 0 , 1 1 】。 由以上可知，现代针刺机的针刺速度不断提高，尤其国外先进针刺机的最 高针刺频率甚至高达到了3 0 0 0 次m i n 。在国内生产针刺机的针刺频率达到1 2 0 0 次m i n 已是比较普遍的现象，有的已达到1 7 0 0 次m i n 。现在的针刺机的工作效率 已远远超过了传统的针刺机，针刺机在针刺运动过程中具有比传统的针刺机更 高的速度和加速度，使针刺工艺的一些运动参数因此发生较大的变化，这给针 刺机的针刺机构提出了更高的要求。此外，针刺机构一般还是针刺机中惯性较 大、耗能较多的部分，机构运动产生的周期性惯性力和惯性力矩，通过轴承作 用到机架上，会引起针刺机的振动。 本文基于上述背景，对针刺机的针刺机构进行刚体运动学、动力学及动平 衡研究。同时，应用有限元理论，考虑弹性变形对机构运动的影响建立弹性动 力学模型，并重点对工况转速附近的机构动态性能进行分析。此外，研究了转 速和结构参数的改变对固有频率的影响，在实践中具有重要的指导意义。 本文的研究对象为郑州纺机生产的w 2 3 6 1 3 6 0 型针刺机。通过对其针刺机 构的分析与研究，试图改善它的动态性能，为针刺机构的改进提供方向。 w 2 3 6 1 3 6 0 型针刺机采用摇臂式导向针刺机构，因此本文只针对此针刺机构进 行研究分析。 1 2 1 针刺机理 在针刺工艺中，利用刺针的穿刺作用，将十分蓬松的纤网加固成具有一定 性能的布。这种布是利用纤维内部形成的挤压力、抱合力、摩擦力等产生很强 粘合力，应用该方法生产的产品具有较高的质量，较好的手感，良好的滤水性 能与透气性，这些性能是纺织品所无法比拟的。由于针刺产品的独特风格及其 天津工业大学硕士学位论文 应用的普遍性，使得针刺技术的发展十分迅速。目前，针刺机不仅能生产表面 平整的产品，而且可以生产具有毛绒结构以及管状、环状等结构的产品。 针刺法的基本原理【1 2 ，1 3 ，1 4 1 是：针刺机采用具有三角形或其他形状的截面，且 在棱边上带有刺钓的刺针对纤网进行反复穿刺，如图1 5 所示。 4 l 一纤网 2 一束u 针 3 一托网板 4 _ 一剥网板 图1 5 针刺原理不意图 从交叉成网或气流成网机出来的纤网，在进入针刺机时非常蓬松，只是由 纤维内部的抱合力产生一定的强力，但强力较差。当刺针刺入纤网时，刺针上 的刺钓就会钩住纤网表面及次表面的纤维，从纤网的水平方向往纤网的垂直方 向运动，使纤维产生垂直方向的位移，而移动的纤维会使纤网产生一定的挤压 力，使纤网内的纤维靠拢并压缩。当刺针到达规定的深度后，刺针开始回退， 由于刺钩退出时是顺向的，移动的纤维脱离刺钓且基本上以垂直状态留在了纤 网内，就像很多纤维“销钉一样钉入纤网内，使纤网产生压缩而不能恢复。 若对纤网进行几十次甚至上百次的反复穿刺，就将相当多的纤维束钉入了纤网， 纤维与纤维之间的摩擦力就会增加，使纤网强度得到提高，密度加大。这样， 纤网就形成了具有弹性和强力等性能的非织造布，这种方法称为针刺法非织造 布。 1 2 2 针刺机构简述 虽然针刺机的种类较多，型号各异，但基本的组成部分是相同的。主要包 括：送网机构、针刺机构、牵拉机构、机架、传动机构、辅助机构等机构。由 于针刺机构是针刺机的重要机构且针刺过程是由针刺机构完成的，因此它决定 和影响了整机的性能与非织造产品的质量。 传统的针刺机构是由主轴、偏心轮、滑动轴套、针梁、针板、刺针、剥网 板、托网板等组成，如图1 6 所示。主轴上装有偏心轮与平衡机构，可以带动针 梁，使针板做往复直线运动，刺针就会随着针板反复穿刺纤网。偏心轮偏心距 的2 倍即为针刺的往复动程。偏心距根据机型的不同而异，在满足针刺加固的 6 第一章绪论 情况下，往复动程应尽量减小，这样作往复运动的部件产生的惯性载荷较小， 有利于提高产品质量。 针梁上装有针板，并与连杆连接。滑动轴套可以确保连杆在偏心轮的带动 下使针梁作往复直线运动，滑动轴套还可以对连杆运动起润滑作用，减小摩擦。 通常针梁大多由钢质结构件制成，使得针梁的质量比较大，产生很大的惯性， 严审影响针刺机构的平稳性和高速性能。目前，某些针梁由高强度、抗弯和抗 扭性能较好的轻合金材科制成。近年来为了满足针刺机高速运转的要求，有的 甚至还选用高强度、轻质的碳纤维复合增强材料来制作针梁。 l 一主轴 2 一偏，心轮 3 一滑动轴套 4 针梁 5 针板 6 一束u 针 7 一剥网板 8 一托网板 图l 一6 传统的针刺机构 剥网板与托网板是一对配合刺针对纤网进行加固的构件，通常由钢板制成。 两板都钻有孔眼，与针板上的刺针相对应。在针刺时，托网板起到刺针刺入纤 网时的托起作用，剥网板起到刺针退出纤网时的阻拦作用。剥网板与托网板的 表面均要光滑平整，使纤网能够顺利通过针刺区。在两板的进口侧，常有外跷 而形成喇叭的形状，以利于针刺前较为蓬松的纤网可以顺利进入针刺区而不引 起拥塞。为满足不同厚度纤网的加工要求，托网板、剥网板及针板的间距均是 可以调整的，便于实现不同的针刺深度。 图1 7 主副轴针刺机构 1 一刺针 2 一主轴 3 一主轴偏心轮 卜副轴偏心轮 5 一副轴 6 - 针板 天津工业大学硕士学位论文 如图1 7 所示，相对于传统的针刺机构，主副轴针刺机构应用了部分机构对 称的方法对机构进行平衡，但针刺速度并没有得到提高。而且主副轴针刺机构 仍然采用连杆与滑动轴套结构，在轴套内加油脂润滑，滑动摩擦会引起磨损、 发热、易漏油的问题，不利与高速和提高生产率。且漏油会污染产品，影响产 品质量。 随着针刺产品的广泛应用和针刺技术的发展，针刺机构不断被人们被改进。 主要体现在针刺机构的针刺速度和平衡方面，因为它们直接影响着针刺机的生 产效率、产品的质量及针刺机的使用寿命，如图1 8 所示。 l 一偏一心轮 2 一连杆 3 一弧形齿轮 4 - 针板 图1 - 8 摇臂式导向机构 摇臂式导向针刺机构采用机构对称布置，较主副轴针刺机构在平衡方面有 很大的改善。且该针刺机构偏心轮与针梁之间，不再采用连杆和滑动轴套连接。 而是为了减少摩擦和解决漏油问题，采用了摇臂式导向装置，即当针梁作高速 往复运动时，扇形圆弧齿轮与齿条进行滚动摩擦，有利于提高机速和生产效率， 郑少i 1 纺机生产的w 2 3 6 1 3 6 0 型针刺机的针刺机构采用的就是摇臂式导向针刺机 构，也就是本文所要研究的对象。 1 2 3 机构动- - t - 衡的研究现状 机构在运动过程中，除受外载荷的作用外，还受到其各构件在运动状态下 产生的惯性载荷。这种惯性载荷随着机构转速的提高而迅速增加，在高速机构 中，其作用已经远远超过了外载荷。这种随机构运转而时刻变化的惯性载荷不 仅会增大运动副内的摩擦、增加构件内应力、降低机构生产效率，而且还是导 致机器振动、疲劳等现象的主要因素，其结果就会恶化机构的运动和动力性能。 机构平衡实际上就是设法将构件的惯性载荷予以平衡，以消除或降低惯性载荷 造成的不利影响。 第一章绪论 长期以来，动平衡是机构动态性能研究的重点之一，机构的动平衡研究主要 有以下两种：刚性机构的动平衡和弹性机构的动平衡。 ( 1 ) 刚性机构的动平衡 在刚性机构的动平衡方面，国内外学者做了大量的研究【1 5 - 2 4 且成果比较显 著。其中，完全平衡的理论较为成熟，大部分为摆动力与摆动力矩的完全平衡。 不管是哪一个目标的完全平衡，所实施的平衡手段通常在实际工程机构上很难 适用的，而且还有可能引起其它动力指标之间完全平衡的矛盾。例如采用配重 法来实现摆动力的完全平衡，摆动力虽然平衡了，但是摆动力矩或运动副约束 反力却增加等等，并且所需附加的平衡配重个数和重量一般很难在机构上实现。 由于完全平衡在实践工程上的局限性，目前应用比较少。 传统的部分平衡是单一指标的平衡，但主要为摆动力的部分平衡【2 5 1 ，是能 兼顾机构的重量、体积、结构而在实践中常常应用的平衡方法。到目前为止， 部分平衡在一大类机构中( 如曲柄滑块机构) 仍有普遍的应用。现在部分平衡研究 已经深入到了机构的优化综合平衡，该法是随着计算机最优化设计发展而逐渐 发展起来的。优化综合平衡的提出，使人们摆脱了长期以来孤立地研究摆动力 或者摆动力矩的平衡，给研究人员提供了研究多个目标优化平衡( 运动副约束反 力、输入力矩等) 的可能性【2 6 3 1 】。研究者可根据具体机构所需平衡的侧重点来选 取相应的优化平衡目标，确定优化目标函数，并应用计算机的编程能力对目标 函数进行优化求解。优化综合平衡是近几年平衡研究的最新趋势，在工程实践 中有着重要的应用价值。 ( 2 ) 弹性机构的动平衡 由于弹性变形的存在，机构产生的惯性载荷在原来刚体运动的基础上会有所 变化，对于转速越高、弹性越大的机构来讲，这种变化越明显。在这种情况下， 弹性变形对机构动态性能的影响是很大的。如果要改善该机构的动态性能，就 需要进行弹性动平衡研究【3 2 。 追溯到二十世纪七十年代，l o w e n 和j a n d r a s i t s 【3 3 】就丌始着手弹性机构的动力 平衡研究，并分析了用传统的配重法来实现动平衡时其对弹性动力性能的影响。 到了八十年代，z o b a i r i 矛 1 s a h a y 3 4 】就已经深入地讨论了弹性机构的动力平衡问 题，且兼顾了弹性运动对机构惯性力的影响，采用配重与杆截面尺寸调整的方 法对机构进行了弹性动力平衡研究，取得了一定的成果。在九十年代，聂松辉p 5 j 采用最佳准则法推导了在应力约束条件下综合平衡的构件截面尺寸优化递推公 式。九十年代末，余跃庆等【3 6 】应用在机构上附加弹性元件的方法，采用质量可 忽略的弹簧来改善弹性机构的动力性能，取得了理想的平衡效果。林晶等【3 ，】应 用附加扭簧的方法对弹性机构进行动力平衡，并取得了一定的成效。张社民【蹦刑j 天津工业大学硕+ 学位论文 将机构系统看成一个三自由度强迫振动的力学模型，以机构动态响应的振动幅 度为目标函数，并对优化目标函数中的权重系数进行了分析。把机构的动平衡 和振动研究相结合，这可能是以后平衡研究的新特点，文献 4 1 】、 4 2 也是这方 面的例子。但由于实际问题的复杂性，研究进展比较缓慢。 从机构平衡问题的研究方法来看，也有两种情况，即主动控制和被动控制。 以上讨论的动平衡研究主要属于被动控制范畴，而主动控制是指通过在机构上 施加主动控制力或力矩( 如冗余驱动【4 3 彤】等) 的方法来实现机构的动平衡，这属于 现代控制理论的应用范围。所施加的控制力或力矩可以由控制系统来实现自动 控制，因此通常能得到较为理想的平衡效果。缺点是代价较高，目前在实际工 程中应用较少。近几年，随着控制技术的发展，主动控制逐步成为机构动力平 衡领域的研究热点。 1 2 4 弹性连杆机构动力学研究现状 从动构件的加速度、角加速度及其产生的惯性载荷与原动构件转速的平方 成正比。随着机构速度的提高和柔度的加大，构件在惯性载荷作用下的变形随 之增大，导致机构的真实运动与所希望的运动之间产生误差。机构原动构件转 速的提高，导致激振力的频率增大；机构柔度的加大，使得机构的固有频率降 低。激振力频率与固有频率的接近增大了振动的振幅，同时也增加了发生共振 的危险。振动不仅会导致构件的疲劳破坏而且还会带来噪声，从而降低机构使 用寿命、恶化工作环境。这表明，把构件看成刚体的研究已不能满足现代机构 的要求2 5 1 。 本文除研究针刺机构的刚体动态性能外，还将对针刺机构进行弹性动力学 研究。目前针对具体针刺机构的弹性动力学研究很少，主要是由实际针刺机构 本身结构及针刺力复杂性所限。然而对简单连杆机构弹性问题的研究却不断在 深入，并取得了很大的成就。对弹性连杆的研究进展和现状作以下概括。 从二十世纪七十年代开始，随着有限元技术的发展，人们逐渐研究连杆机 构弹性变形的影响。七十年代初，学者就对考虑弹性变形影响的连杆机构进行 了动力学分析与求解。随着研究的逐步深入，就形成了机构动力学领域的一个 重要分支即连杆机构弹性动力学( 简称k e d ) 。在k e d 分析中，人们普遍采用机构 的弹性位移不会影响名义运动这一基本假定，该假定的应用简化了机构的弹性 动力学建模、分析和求解。基于k e d 建模理论的连杆机构弹性动力学研究已逐 渐成熟和完善，张策【2 5 j 等对该理论进行了详细的说明和总结，并从理论和实验 的角度研究了弹性连杆机构的转速在低于其一阶固有频率时有可能发生低阶谐 1 0 第一章绪论 振的现象。 目前，连杆机构的前沿理论研究已经深入到了采用柔性多体动力学( 简称 f m d ) 理论对机构进行弹性动力分析。f m d 建模理论最早是应用于航空航天领 域，现在已经应用到了高速、柔性机构的弹性动力学研究。f m d 法与k e d 法的 主要区别是前者考虑了弹性变形x , j - 机构名义运动的影响，把机构的弹性坐标和 刚体坐标均看成待求的未知量来处理。应用f m d 法所建立起的模型为刚柔耦合 多体动力学模型，推导出的方程形式是微分代数混合方程组。由于此类方程存 在着严重的刚性现象，其求解难度要远大于应用k e d 法所建立的微分方程【4 5 叫7 1 。 目前，对连杆机构弹性动力学模型的研究逐步趋近于精细化【4 8 j 方向，考虑 运动副问隙【4 9 , 5 0 】、非线性时变、强耦合等多种因素的机构动力学建模理论已逐渐 得以发展。由于受到实际机构在结构上的复杂性所限，弹性机构动力学领域的 研究还大多局限于理论分析阶段。目前，怎样才能将理论研究的成果应用于实 际工程机构是研究人员面临的迫切任务。 1 2 5 弹性连杆动力学建模与求解 连杆机构弹性动力学分析的主要任务是研究机构在外力与惯性力共同作用 下的真实运动状况和受力情况。在满足研究对象和精确度要求的情况下，建立 弹性动力学模型时可以简化弹性构件的弯曲和扭转变形。 由于构件形状、变形及影响因素的复杂性，要进行精确弹性动力分析是比 较困难的。因此要建立既可以反映机构动态性能，又可以进行分析求解的弹性 动力学模型，须遵循如下原则【2 5 1 。 ( 1 ) 将连续系统离散化：弹性构件的物理参数，如质量、刚度等，均具有连 续分布的性质，描述连续弹性体的动力学为偏微分方程，通常求解比较困难。 因此将连续系统离散化，使其动力学方程转化为常微分方程，求解较为容易。 ( 2 ) 非线性系统的线性化：线性微分方程的求解较为容易，且其分析研究已 比较成熟。实际机构大多为非线性系统，建立的非线性微分方程求解复杂。为 了便于分析和计算，常用的方法是忽略一些非线性的因素，将非线性系统简化 为线性系统。虽然系统的线性化使得分析求解简便了，但精确性会受到影响。 为了提高分析的精度，有必要考虑一些重要的非线性因素。 ( 3 ) 忽略次要因素：影响机构动力性能的因素很多，若计入所有的因素，会 使问题变得非常复杂。在建模时，应区别主次因素；考虑主要因素，忽略次要 因素。在动力学分析时，对次要因素的忽略可与系统线性化结合在一起。 力学模型建立以后，就可以推导系统运动的微分方程。所应用的方法包括： 天津工业大学硕士学位论文 动静法( 达朗伯原理) 、拉格朗日方程法、拉格朗日乘子法及哈密顿原理等。常见 的两种方法是动静法与拉格朗日方程法： ( 1 ) 动静法：这是力学分析较为常用的方法，首先将各构件进行分离并对每 个分离体进行分析，列出它们的平衡方程式： yx ：0y y ：0ym ：0 ( 2 ) 拉格朗同方程：该方程是从能量的角度出发建立的机械系统动能、势能 与功之间的标量关系，常应用于多自由度( 包括弹性自由度) 机械系统。 旦f 等1 _ 等+ 拿：巧 ( 渊2 ，够) d t a 矗t ) a q ia q i l、 一一。 ( 1 - 1 ) 式中： 层系统的动能；e 。系统的势能；g ，广义坐标 口，广义坐标的一阶导数；e 对应的广义力；n 广义坐标数 建立的机械系统动力学方程一般有如下三种形式： ( 1 ) 常系数线性微分方程组：可采用多种方法对此类方程组进行求解，如特 征值法、特解法及特征向量法等。 ( 2 ) 非线性微分方程组：当机械系统受到非线性载荷，或者等效质量呈非线 性，此类机构运动的微分方程就是非线性的。对该方程组直接进行积分求解， 通常比较困难，可采用欧拉法或龙格库塔法等进行数值求解。 、 ( 3 ) 变系数线性微分方程组：通常应用数值解法对该方程组进行求解。 1 3 本文的主要、工作及安排 本学位论文以w 2 3 6 1 3 6 0 型针刺机的摇臂式导向针刺机构为研究对象，并 对该针刺机构做了适当的简