（机械工程专业论文）针刺机板气囊夹紧装置的研究.pdf

【。一 学位论文的主要创新点 一、本论文建立了数学模型，系统的对针刺机针板在运动过程中的受 力进行了详细的分析，对针板在空载状态下和工作状态下的受力进行 了分析计算。完成了关键零件的受力分析工作，通过计算、校核等方 式对关键零件的结构参数进行了分析，进而完整地设计了一套气囊夹 紧装置的图纸，在国内属首次对此装置进行设计和分析的，从而打破 了此项技术被欧洲大型非织造布设备生产公司技术垄断的局面，具有 极大的实用意义。 二、此项研究将自主研发国内首创的气囊夹紧装置，取代原有的螺栓 固定针板的方式，使针板的安装操作简易而快速，从而大大提高了针 板的安装速度，节约了时间，提高生产效率。同时，针板气囊夹紧装 置可采用高效的电气安全保护措施，在安全性上也比传统的螺栓固定 方式高，进一步提高了针刺机生产的安全性。从而使针刺机的设计制 造水平逐步向国际水平看齐，迸一步提高了我国针刺机设备生产的技 术水平和在国际市场上的竞争力。 摘要 针刺机是针刺非织造布生产线中最关键的设备之一，其操作的简易性和设备 的安全性是衡量设备的先进性重要指标。而针刺机针板更换的方便性和针板固定 的可靠性，是衡量针刺机安全性和操作简易性的的关键指标。传统的针板固定方 式为螺栓固定方式，这种固定方式在拆卸针板时，耗时较多，拆装也不方便。本 论文所研究的是气囊夹紧装置，将气囊加压充气后，使气囊膨胀，通过气囊的压 力，将针板压紧，从而达到紧固的目的。 本论文首先对气囊夹紧装置中的气囊进行了系统的受力分析，通过受力分 析，计算出了在正常工作状态下，气囊内的气压值，并计算出了相应的正常生产 的气压值。随后进行了气囊夹紧装置的机械结构方面的设计，对设计方案经过反 复论证后，设计出了一套完整的图纸。在完成了图纸设计后，马上投入试制，完 成零部件的加工，又进行了部件总装，最后将其装配到针刺机设备中去，并进行 了反复加载试验。通过试验证明，此装置的设计是完全成功的，达到了预期的目 的。 针刺机针板气囊夹紧装置的成功设计开发，使针刺机针板的更换更加简单， 操作更加容易，而气压保护装置的安装，将大大增加针刺机针板的牢固性，从而 增加了针刺机设备高速运转的安全性。此装置较低的制造成本和突出的优越性将 使其逐渐替代传统的螺栓固定针板的方式，是针刺机针板固定方式的重大改进和 必然发展的趋势。 关键字：针刺机气囊夹紧装置针板非织造布设各 a b s t r a c t n e e d l ep u n c h i n gm a c h i n ei so n eo ft h ek e ym a c h i n e si nn o n w o v e nf a b r i c p r o d u c i n gl i n e e a s yt oi n s t a l lt h e n e e d l eb o a r dan dt h ee q u i p m e n ts a f e t yi sa n i m p o r t a n tm e a s u r e m e n to ft h ea d v a n c e dn a t u r ep a r a m e t e r so ft h ed e v i c e t h e t r a d i t i o n a ln e e d l eb o a r di sf i x e do nt h en e e d l ep u n c h i n gm a c h i n eb yb o l t s w h e n d i s m a n t l i n ga n di n s t a l lt h eb o a r d ，i tw i l lc o s tt om u c ht i m ea n dl a b o rf o r c et od oi t , a n di sn o tc o n v e n i e n tt od i s m a n t l i n ga n di n s t a l l i nt h i sa r t i c l e ，an e wt y p eo fn e e d l e b o a r df i x e dd e v i c ei sr e s e a r c h e d i nt h i sd e v i c e , a i r b a gi sf i x e do nag u i d ep l a t e ，w h e n t h ea i r b a gi sf i l lo u tw i t ha i r , t h en e e d l eb o a r di sp r e s s e dt i g h t l yo nt h eg u i d ep l a t e i n t h i sa r t i c l e , t h ef o r c ea n a l y s i so fa i r b a gi nt h ed e v i c ei sa n a l y s e df i r s t , a c c o r d i n gt ot h ef o r c ea n a l y s i s ，t h ea i rp r e s s u r ei nt h ea i r b a gi sc a l c u l a t e du n d e rt h e n o r m a lw o r k i n gc o n d i t i o n t h e nt h ed e v i c ei sd e s i g n e ds t e pb ys t e p e a c hm e c h a n i c a l e l e m e n t si sd e s i g n e d ，w h i c hf o r m i n gaw h o l es e to fd r a w i n g so ft h eg a sc l a p p e d d e v i c e a f t e rt h ed e s i g n i n g ，aw h o l es e to ft h ed e v i c ei sm a n u f a c t u r e d ，t h e ni ti s e q u i p p e dw i t ht h en e e d l ep u n c h i n gm a c h i n e t h e na t e s tr u no ft h en e e d l ep u n c h i n g m a c h i n ei sr u n a n a l y s e dt h ed a t aa n dt h em a c h i n er u n n i n gc o n d i t i o n ，t h ed e v i c ei s d e s i g n e ds u c c e s s f u l l y t h ea i r b a gc l a p p e dd e v i c em a k e st h en e e d l eb o a r de a s i e rt or e p l a c e ，a n dm a k e s t h en e e d l ep u n c h i n gm a c h i n ee a s i e rt oi n s t a l l o nt h eo t h e rh a n d ，t h ed e v i c em a k e st h e n e e d l ep u n c h i n gm a c h i n er u n sm o r es a f e t y , w h e na na i r - p r e s s u r ed e t e c td e v i c ei s i n s t a l l e do nt h ed e v i c e s on e e d l eb o a r df i x e db ya i r b a gw i l lt a k ep l a c et h ef i x e dm o d e w h i c hu s e st h eb o l t ss t e pb ys t e pi nf u t u r e k e yw o r d s ：n e e d l ep u n c h i n g m a c h i n ea i r b a g n e e d l e b o a r dn o n - w o v e nf a b r i c 目录 第一章绪论1 1 1 针刺机的发展1 1 1 1 国外针刺机发展概况1 1 1 2 国内针刺机发展概况2 1 2 课题国内外的研究现状3 1 3 课体研究的内容4 第二章气囊夹紧装置力学分析及计算5 2 1 针刺法非织造工艺的原理一5 2 1 1 2 针板速度7 2 1 1 3 针板的最大速度8 2 1 1 4 针板平均速度8 2 1 1 5 针板的加速度9 2 1 1 6 针板加速度的极值。9 2 1 1 7 针板组的往复惯性力1 0 2 1 1 8 曲柄连杆机构的当量质量l l 2 2 气囊受力分析。1 2 2 2 1 气囊夹紧装置的工作原理1 2 2 2 2 针刺机空载时气囊受力分析1 2 2 2 3 针刺机负载工作时气囊受力分析1 4 2 2 4 纤网阻力f 3 的测试1 7 2 2 5 气囊内气压值的计算2 l 2 3 本章小结2 2 第三章气囊夹紧装置的机械结构设计2 3 3 1 螺栓式针板固定方式。2 3 3 1 1 螺栓式针板圃定方式的结构2 3 3 1 2 螺栓式针板固定方式的安装方法2 3 3 1 3 螺栓式针板固定方式的特点2 3 3 2 针板气囊夹紧装置的设计。2 4 3 2 1 针板气囊夹紧装置的结构2 4 3 2 2 气囊的选择2 4 3 2 3 挂板的设计2 5 3 2 3 1 挂板厚度b 值的计算2 8 3 2 3 2 挂板厚度a 值的计算2 9 3 2 3 3 挂板厚度b 值的计算3 0 3 2 4 针板梁横板强度的校核3 2 3 2 5 压紧弹簧的设计3 4 3 2 6 挡块的设计3 6 3 2 7 气嘴和压紧螺母部分的设计3 6 3 2 8 压板的设计3 6 3 2 9 定位柱的设计3 7 3 3 本章小结。3 7 第四章气动系统和气压检测保护装置部分简述3 9 4 1 气动系统3 9 4 1 1 气动系统原理图3 9 4 1 2 空压机的选择4 0 4 2 气压检测保护系统工作方法。4 0 4 3 压力传感器的选择4 l 第五章结论与展望4 3 5 1 结论4 3 5 2 展望4 3 发表论文和科研情况说明4 5 参考文献4 7 致谢5 l 第一章绪论 1 1 针刺机的发展 第一章绪论 针刺技术源于1 9 世纪后半期是非织造布纤维网的一种机械固结方法，其原 理简单，工艺流程短，适用于生产中厚型产品。针刺非织造布广泛用于工业造纸 毛毯、高档服装衬、汽车内衬、揩布、皮革基布、装饰材料、过滤材料等产品。 针刺技术可与多种生产工艺相结合进行深加工和精加工，使非织造布产品的技术 性能和质量档次有所改善与提高。近年来，在新技术与新需求的带动下，国内外 针刺非织造技术与设备水平在不断提升。 针刺技术是第一代传统的非织造布生产技术，现已发展得比较成熟，但在很 多方面还有待于完善与提高。例如针刺机植针密度、针刺频率、冲程、有效工作 幅宽、刺针形状和质量、机器运转的平稳性和能耗、产品的针刺密度和厚度及均 匀性、产品的表观风格与质量等方面。 1 1 1 国外针刺机发展概况 早在1 8 7 0 年，英国一家公司就曾经制造出针刺机的样机。但是，直到2 0 世 纪4 0 年代，英国拜瓦特( b y w a t e r ) 对老式针刺机做了重大改进后，才为现代针 刺技术的发展奠定了基础。1 9 5 7 年，詹姆斯亨特( j a m e sh u n t c r ) 公司，对针 刺机的主轴传动偏心轮平衡机构作了进一步改进，使针刺机的频率达到了8 0 0 次 分。随着新技术、新材料的不断应用，现代针刺机各项性能已有很大提高。最 高针刺频率达到3 5 0 0 次m i n ，最大幅宽可达1 6 m 。2 0 世纪6 0 年代，菲勒 ( f e h r e r ) 公司设计出了世界上第一台组合式全封闭传动机构的高速针刺机，采 用了连续送网与其它措施，使针刺机的速度达到1 0 0 0 次m i n 。目前，由于针刺 机采用了碳纤维增强复合材料做成针板梁和针板，使针刺机速度达到了3 5 0 0 次 m i n ，生产速度超过6 0 m m i n 心1 。国外先进国家采用刺针椭圆形运动轨迹的高性 能针刺机已相当普遍。德国d i l o ( 迪罗) 公司的d 卜- l o u 刚v h s c l 2 5 花纹绒面针 刺机，幅宽6 m 针刺频率达2 4 0 0 次m i n 。国外一些公司研制了增强型针刺非织 布工艺与设备如奥地利f e h r e k 菲勒) 公司的n 22 1 s r v 型绒面针刺机，法国 n s c 公司的a 5 0 s s d b 型针刺机，适合生产汽车内饰用针刺毯，可取代成本较 高的机织布。 天津t 业大学硕士学位论文 近些年国外非织造布行业公司纷纷兼并重组，针刺工业也是如此，如t e m a f a 控股d i1 0 公司，o e r li k o n & n e u m a g 兼并f e h r e r 公司，t r u e t z s c h l e r 控股e r k o 公司等。这在设备研发方面具有更多的优势，国外先进国家采用刺针椭圆形运动 轨迹的高性能针刺机已相当普遍。最高针刺频率达到3 0 0 0 次分b 1 。t e m a f a 公司 控股德国d i l o ( 迪罗) 的一款花纹绒面针刺机幅宽6 m ，针刺频率达2 4 0 0 次分。 国外一些公司研制了增强型针刺非织布工艺与设备，如f e h r e r 公司的新型绒面 针刺机、法国n s ca s s e l i n 公司的a 5 0 一s s d b 型针刺机，适合生产汽车内饰用针 刺毯可取代成本较高的机织布；辊筒型针刺机适用于高克重产品“1 。 f e h r e r 公司是世界上最早研制成功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s a u r e r 苏拉集团并购。该公司主要的针刺技术有 h 1 针刺技术、最大针刺频率达到3 0 0 0 次分以上的高速针刺机以及起毛针刺技 术、地毯针刺机、造纸毛毯针刺技术等。f e h r e r 公司在造纸毛毯环形针刺机上 也已使用椭圆形针刺说明椭圆形针刺的使用在不断扩大。h 1 针刺技术的特点是 弧形针板+ 垂直刺针。其优点是针刺深度增加，针板方向不断改变纤维进行再排 列、杂乱及缠结效果较传统的平板针刺为优。 d i l o 公司的椭圆形针刺机是近些年来针刺技术上的最大突破。针刺工艺过 程一般都会出现断针现象，特别是在预刺方面导致针刺机生产效率下降和非织造 布质量恶化。h y p e r p u n c h 技术克服了这个缺点。其主要特征是针板横梁由2 个 偏心机构驱动，刺针不再单纯垂直向运动，在旧( 纵) 向的子午面内作垂直和水 平向二维运动其轨迹由一条直线改变为近似于椭圆状其水平向的移距适应纤网 步进量在时空上与其很好配合，从而显著减少纤网的拉伸，实现优质高产晦1 。针 板的专用传动机构是系统确保刺针在针刺纤网过程中的运动轨迹为椭圆形。d i l o 公司设计了在托网板和针刺机剥网板上的孔眼，并使其具有沿着被加工材料运动 方向排列且呈长腰形的特征。h y p e r p u n c h 原理可使构架材料受到的来自刺针的 损伤大大降低刺针折断数显著减少，针刺非织造布的质量得以改善。 1 1 2 国内针刺机发展概况 我国的针刺技术与针刺设备起步较晚，针刺技术与针刺设备水平与国外先进 技术和先进设备有较大差距，但近些年来已取得较大的进步，除了引进世界上先 进的针刺设备外，近几年，我国也涌现了一批有推广前景的针刺新设备、新技术 与新产品，如针刺频率为1 0 0 0 - - - 1 2 0 0 次m i n 的主刺机、6 m 宽的土工布针刺生 产线、8 m 宽的造纸毛毯针刺机等。但是，与国际先进水平比，我国在针刺工艺 技术水平、产品种类及质量、特别是技术开发创新能力等方面还存在一定的差距。 2 课题国外研究发展情况：近两年来，国外大型非织造布设备厂家投入了大量 的资金和人员对此课题进行了相关的研究，世界非织造布设备生产巨头德国 d i l o 公司、f e h e r 公司现在已经在一些针刺设备上采用此项技术，但是这些公 司都采取了严格保密措施。 国内研究发展情况：目前国内尚未发现独立研发此项技术的报道和相关的文 献研究报道，国内的非织造布设备生产厂商尚无此领域的研究。国内的个别厂家 采用技术合作的形式在其生产的设备上使用了此项技术，并未对此技术进行系统 地分析和研究，其技术仍属于国外大型非织造布设备生产商家所有。因此，对该 课题进行系统的理论研究和生产实验研究，将会填补国产针刺机在此领域的空 白，也是使国产针刺机与国际技术接轨的一项重要的、必不可少的研究项目之一。 针刺机是针刺非织造布生产的最关键的设备之一，其自动化水平和装配操作 的简易性是影响针刺非织造布生产效率的重要因素之一，也是衡量针刺机设计制 造水平的因素之一。 本课题所研究的是一种新型针刺机针板固定的方式气囊夹紧装置，用以取 代原有的螺栓固定针板的方式，使针板的安装操作简易而快速，从而大大提高了 针板的安装速度，节约了时间，提高生产效率。 针板气囊夹紧装置可采用高效的电气安全保护措施，在安全性上也比传统的 螺栓固定方式高，从而进一步提高了针刺机生产的安全性。 此项研究将自主研发国内首创的气囊夹紧装置，使针刺机的设计制造水平逐 3 天津1 ：业大学硕士学位论文 步向国际水平看齐，进一步提高我国针刺机设备生产的技术水平和在国际市场上 的竞争力。 1 3 课体研究的内容 通过对针板运动规律及受力的分析、计算和试验，计算出空载及正常工作状 囊夹紧装置全套图纸设 刺。倒钩穿 过纤网时，将纤网表面和局部里层纤维强迫刺入纤网内部。由于纤维之间的摩擦 作用，原来蓬松的纤网被压缩。刺针退出纤网时，刺入的纤维束脱离倒钩而留在 纤网中，这样，许多纤维束纠缠住纤网使其不能再恢复原来的蓬松状态。经过许 多次的针刺，相当多的纤维束被刺入纤网，使纤网中纤维互相缠结，从而形成具 有一定强力和厚度的针刺法非织造材料盯1 。 针刺非织造工艺形式有预刺、主刺、花纹针刺、环式针刺和管式针刺等。 针刺机主传动通过曲柄连杆机构驱动针梁、针板和刺针一起作上下往复运 动。蓬松的纤网在喂给帘夹持下送入针刺区。当针板向下运动时，刺针刺入纤网， 纤网紧贴托网板。当针板向上运动时，纤网与刺针之间的摩擦使纤网和刺针一起 向上运动，纤网紧贴剥网板。喂入和输出速度相配合，可以间歇步进，也可连续 运动陋1 。纤网通过针刺区后，具备一定的强力、密度和厚度，然后再送至主针刺 或花纹针刺加工。 针刺机针刺部分的结构图如2 1 所示： 图2 - 1 针刺部分结构图 5 天津工业大学硕士学位论文 如图所示，针刺机曲柄箱的核心零件是由中心轴、偏心轮，连杆，导向杆、 针板梁、针板等件组成。由图可以看出，针刺机的曲柄箱的工作原理是曲柄滑块 机构，我们可以将针板梁与针板和导向杆可一起看作为滑块，由此，我们将针刺 机的曲柄箱简单的简化为图2 - 2 所示的结构。 针刺机针板作具体的 第二章气囊夹紧装置力学分析及计算 式中：，曲柄半径，即曲柄销中心到曲轴中心之间的距离 卜一连杆长度，即连杆大小头轴线之间的距离 口曲轴转角 图2 - 3中心曲柄连杆机构运动分析图 在实际计算中取前两项已足够精确。则针板的位移可写成 x = ( ，+ ，) 一 r c o s t z + 1 ( 1 一a 2 s i n 2 a ) = ，( 1 - c o s c t + i 1 s h 2 口) 由图像和公式都可以看出：曲轴转角从o o 和9 0 0 时针板的位移值，比从9 0 0 和1 8 0 。时针板的位移值大，而且入值越大，其差值也越大。 2 1 1 2 针板速度 针板速度的精确数值为 d x d xd a ，力s i n 口、 1 ，= 一= = ，叫s i n 口+ 一l d id ad t 、 2 c o s8 。 对针板的速度也可以进行近似计算，其近似值由对位移的近似计算式微分得 到： ，= ，缈( s i n 口+ 害s i n2 口) = r i o s i n a + r i o 兰2 8 i n2 口= ，l + v 2 因此，针板速度是两个速度分量之和，可以看成是由和v ：两个简谐部分 组成。 7 天津工业大学硕士学位论文 2 1 1 3 针板的最大速度 第二章气囊央紧装置力学分析及计算 上反映了曲柄轴和箱体之间相互摩擦的强烈程度。随着针板平均速度的提高，曲 柄轴和箱体磨损加剧。 图2 _ 4 针板加速度曲线 2 1 1 5 针板的加速度 针板加速度的精确值由下式求出 ，=瓦dvida=，国2c。s口+害三!竺竺!竺二兰挚 2 2 c o s 2 a + 等 针板加速度的近似值由下式求出 j = r 2 ( c o s a + 见c o s 2 a ) = r 2 c o s c t + r 2 c o s 2 a 因此针板加速度也可以看作是两个简谐运动之和，如图2 - 4 所示。 2 1 1 6 针板加速度的极值 针板加速度的极值是指针板的最大正加速度和最大负加速度，由下式求得： j m a x = 老= r i 0 2 ( s i n 口埘s 访2 口) = 。 s 访口( 1 + 4 2 c o s o t ) = 0 s i n 口= 0 或l + 4 2 c o s a = 0 若s i n 口= 0 ，口- - 0 。或窿= 1 8 0 。相应的加速度为 j m 懿= ，缈2 0 + a ) 或，m a ) 【= 一，2 ( 1 一名) 天津1 ：业大学硕士学位论文 若l + 4 五? 。s 口= 。则口= 扯c c 。( 一击 ，相应的加速度为 k 2 c o s c z + 1 ( 2 c o s 2 口- 1 ) 叫百1 力陆列 2 ( 名+ 击) 或针板最大正加速度 j m a x = r e 0 2 ( a + 面1 ) 二工， 了l 似皇且日 j 1 工互i 贝。1 2 j 往复惯性力f 等于往复运动质量m 与针板加速月 速度的方向相反。即 f ，= 一m ，r c 0 2 ( c o s 口+ 五c o s 2 口) 若令c = - - m ，缈2 则 f ，= c ( c o s a + 彳c o s 2 a ) = c c o s a + c c o s 2 a = j f j l 称为一阶惯性力，f _ ，2 称为二阶惯性力 一阶往复惯性力 一阶往复惯性力f _ ，l 由下式定义：f j l = c c o s a f f 1 是曲柄转角口的余弦函数，即按曲轴转角变化f 为了确定f 1 在任一曲轴转角下的大小和方向，司 2 - 5 所示。 箩盐迤哇时 c 灯逄祗腻 ； 2 7 0 1 、_， u l i盯 下止点 f n 图2 5 确定的旋转矢量法l l o 向与加 量) 。 ，如图 第二章气囊央紧装置力学分析及计算 fi l 就是曲轴旋转角速度国的转动矢量c 在曲柄箱轴线上的投影值。 二阶往复惯性力 二阶往复惯性力f ，2 由下式定义： f j 2 2 肥c o 姒 f ，2 也是曲轴转角口的余弦函数，即按曲轴转角变化的力。 为了确定，2 在任一曲轴转角下的大小和方向，也可利用旋转矢量法。 图2 6 确定的旋转矢量法2 f _ ，2 就是2 倍的曲轴旋转角速度( 2 0 j ) 的转动矢量a c 在曲柄箱轴线上的 投影值。其大小与方向如图2 - 6 所示。 2 1 1 8 曲柄连杆机构的当量质量 曲柄连杆机构中的连杆可以用无质量的刚性杆件联系的两个集中质量( 连杆 小头质量m l 和连杆大头质量m 2 ) 组成的当量系统来代替。 这样往复运动质量m i 为 m j = l = i l p + m 1 2 m p 十m c a l l 式中：m 广滑块组的质量 = 针板质量+ 针板梁质量+ 滑动轴质量 m i 连杆的质量 a 1 连杆的重心位置距连杆大头中心的尺寸 旋转运动质量为m r m r m k 十m 2 司n k + m c b l 式中：m l ( - 曲柄上不平衡部分且相当几种在曲柄销中心的质量 卜连杆的重心位置距连杆小头中心的尺寸 r 天津工业大学硕士学位论文 2 2 气囊受力分析 2 2 1 气囊夹紧装置的工作原理 针刺机气囊夹紧装置如图2 7 所示： 第二章气囊夹紧装置力学分析及计算 互= n u t 2 当l + 4 a c o s a = 0 时， 口= ，= r 0 2 ( 兄+ 击) 或当s i n a = 0 ，口2 0 。最大加速度为：口= 歹，嬲= ，矿( 1 + 旯) 或0 r - - 1 8 0 。相应的最大加速度为口= 黝= 嗍2 ( 卜力 m 2 m l4 - m 2 - i - m 3 其中： m 。针板质量 m ，刺针质量 m ，挂板的质量 e o s = p o m w 其中：卜标准大气压值( 单位：帕) i 广气囊长度( 单位：米) l 挂板长度( 单位：米) w 气囊受力部分宽度( 单位：米) p _ t 囊内气压值( 单位：帕) f 2 挂板由于气压作用对上气囊壁的压力( 单位：牛顿) f 5 - 压紧弹簧的压力( 单位：牛顿) 注：挂板与针板梁之间的摩擦力因其较小，在此忽略不计。 显然，针刺机在正常工作时，f i + f 2 + p 。s + f s = p s ，且f 2 0 。 若取f 2 = o ，即可算出在正常工作时，气囊内最小气压值p 。 即：f i + p o s + f 5 = p s m a 2 + f 5 + p o w = p l d w 即当l + 4 2 c o s a = 0 时。 ( + m 2 + 鸭) r ( 0 2 ( a + 击) 2 + f 5 + p o , d w = p p d 矿 天津工业大学硕士学位论文 肚【( 埘，+ m 2 + m 3 ) r ( 0 2 ( 肌击) 2 + t o ，l d w p l d w + f 5 p d w 或当s i n 口= 0 ，口= 0 。时： a = k = ，国2 ( 1 + 名) p = 【( 碍+ + 鸭) ，缈2 ( 1 + 五) 2 + 昂p 卅p 椰+ f 5 弘。d w 或口= 1 8 0 。相应的加速度为 = 一r ( 0 2 ( 1 一力) 尸= 【( ，+ + ，鸭) ，2 ( 1 - 2 ) 2 + f 4 + p o f l d w f l d w + f s l d w 下刺针刺机在针板向下运动时，针板受到针板梁的作用力，向下加速运动， 此时，气囊受到的力小。而下刺针刺机在向上运动时，在气囊的作用下，针板和 挂板做向上加速减速运动，此时气囊受到力最大，此时可以计算针刺机在向上运 动时气囊内相应的气压值。 因此，下刺针刺机在针板向下运动时，气囊内气压较大。结合3 2 1 计算， 以针板针数5 0 0 0 针，针频1 2 0 0 次分，动程( r ) = o 0 2 米为例，f 4 在针刺机工 作时的设计压力为2 0 0 n ，可以算出空载时气囊内最小气压值： p = - 【( 1 2 + 6 + o 5 ) xo 0 2 x ( 2nx 1 2 0 0 6 0 ) 2 x ( 2 2 7 + 2 7 1 6 ) + 2 0 0 ( 2 x o 0 4 ) + 1 3 3 x 1 0 5 + p o = 3 6 1 p 0 若动程为o 0 3 m ，即针刺机为预刺机时，空载时气囊内最小气压值： p = ( 1 2 + 6 + 0 5 ) x0 0 3 x ( 2 x 1 2 0 0 6 0 ) 2x ( 2 2 7 + 2 7 1 6 ) ( 2 x o 0 4 ) + p 。 = 4 2 7 p o 其中，p 。r 一标准大气压。 2 2 3 针刺机负载工作时气囊受力分析 针刺过程中，刺针的钩刺带着- 4 , 束纤维刺入纤网，该作用使刺针受到的阻 力称为针刺力。 刺针经过反复穿刺，把部分水平纤维通过钩刺的“携带”作用引入到垂直方 向上，这些纤维与水平方向上的纤维相互缠结、相互约束，形成了具有一定强度 和独特结构的预制体。 钩刺穿刺纤网时首先接触的是纤网表面层纤维，此时钩刺的抓取、容纳能力 最强，随着针刺深度的增加，钩槽逐步为纤网表面层纤维所充满，继续下刺，钩 刺的握持能力便明显下降。对于针叶上各钩刺，由于位置关系，进入纤网的次序 有先有后，所面对的纤网结构也因前面钩刺对纤网的作用而不同，接触各层次纤 1 4 第二章气囊夹紧装置力学分析及计算 维的机率不同，在一定针刺深度下，先进入纤网的钩刺到达的位置较深，所携带 的纤维转移程度也较大。 刺针钩刺在对纤网巾纤维抓取、携带的过程中同时存在着对纤维的损伤。钩 刺将直接切断、划伤与之接触的平面内纤维。对于所引入的纤维，随针刺深度的 增加，钩刺所握持的纤维受到的牵拉力、挤压力不断增大，钩刺的棱角、毛刺对 纤维也出现较大的损伤。纤维过多的损伤甚至断裂，直接影响预制体的结构和性 能，在提高纤维转移数量的同时应尽量避免纤维损伤n0 。一般来讲，针叶粗、钩 刺大的刺针对纤维损伤较大；制品密度大，刺针穿刺时阻力大，纤维损伤也会增 加；针刺深度过大，被握持纤维的断裂会增多；针刺频率过大，纤维受到的冲击 力大而易被损伤。 针刺力是动态变化的。当刺针开始刺入纤网时，针刺力增加很缓慢；当刺针 逐渐深入纤网时，进入纤网的钩刺数也逐渐增加，针刺力剧增并达到最大值；当 刺针穿出纤网后，针刺力以波动方式逐渐下降。针刺力可间接地反映出针刺过程 中刺针对纤维的转移效果和损伤程度，因此，可通过针刺力的测试来进一步研究 针刺频率、针刺深度、针刺密度等工艺参数的合理性。 普通刺针的最大针刺力可达到7 1 0 n ，叉形针则有3 0 5 0 n 。 影响针刺力的因素： 纤维长度增加、细度减小、摩擦系数增加时一针刺力增大； 纤网单位面积质量增加一针刺力增大； 铺设基布一针刺力增大： 纤网密度增大一针刺力增大； 针刺频率增大一针刺力增大； 针刺深度增大一针刺力增大； 针刺密度增大一针刺力增大。 针刺机在正常工作时，刺针在对纤维层进行针刺加固时，即下刺针刺机向下 刺纤维时( 或上刺针刺机向上刺纤维时) 受到纤维层的阻力f 4 ( 针刺力) ，此 针刺力作用于针板刺针上，同时，根据力的作用力与反作用力关系，针板梁对针 板施加一个大小相等，方向相反的反作用力f 4 ，如图2 - 9 所示。此作用力f 4 ， 作用于针板梁上，在下刺针刺机向下运动时( 或上刺针刺机向上刺纤维运动时) ， 此作用力对气囊并没有作用力，因此，气囊内压力的大小对此工作过程并无影响。 当下刺针刺机针板向上运动时( 或上刺针刺机向下刺纤维时) ，由于刺针上 带倒钩，刺针倒钩将刺过的纤维通过倒钩作用，拉着纤维作与刺针同向的运动。 此时，刺针受到纤维的摩擦力和部分纤维的拉力作用，此两个力的作用合力可以 计为f 3 ，f 3 作用于针板上，通过挂钩的作用，作用于气囊之上，如图2 1 0 所示。 1 5 力为f 3 2 。 第二章气囊夹紧装置力学分析及计算 即：当l + 4 2 c o s 口= 0 时： ( + m 2 + 鸭) x r ( _ 0 2 ( 名+ 击) 2 + f 5 + p o f l d w = p p 椰 p = 【( 朋- + m 2 + 鸭) x r e o = ( a + 击) 2 + p o p c ，】4 - f 3 ( 2 ，l d w ) + f 5 p d w 或当s i n 口= 0 ，口= 0 。时： l 挂板长度 a = j m a x = r c 0 2 ( 1 + 力) 尸= 【( 玛+ ，吃+ ，鸭) x r o ) 2 ( 1 + 2 ) 2 + p o f k 形+ e 2 】f k 缈+ f 5 p d w 或= 1 8 0 。相应的加速度为 = 一r g _ 0 2 ( 1 一五) 尸= 【( m + + ) x t o ) 2 ( 1 2 ) 1 2 + p o p 挪+ e 2 】p 删+ 乃p d w 由上式可以看出，气囊内的压力值与m 1 ，m 2 ，m 3 ，a l ，l ，r ， ) ，q ，f 3 ， l ，w ，l 共同决定。在确定了曲柄箱的结构、针板、针板梁的结构后，也就是 曲柄滑块的结构后，m p ，m c ，a l ，l ，r ，q 都可以算出，都已经确定了，而( ) 为 曲柄的转速，根据生产情况的不同，c a ) 的值也可以确定。在确定了气囊夹紧装置 的结构后，气囊的作用长度l 也随之可以确定，w 也可以随之算出。因此，在 正常工作下气囊内的压力值就由不定参数f 3 的数值来约束大小了。 根据纤维厚度的不同，阻力合力f 3 的大小也会不同：纤维层越厚，f 3 的绝 对值越大；纤维层越薄，f 3 的绝对值越小。随着针频的不同会有变化，针刺频 率越高，f 3 的绝对值越大；针刺频率越低，f 3 的绝对值越小。随着纤维网密度 的不同，也会有变化：纤维网密度越大，f 3 的绝对值越大；纤维网密度越小， f 3 的绝对值越小。针板上针密越大，此力也将越大。因此，此力f 3 是一个变量， 受到较多因素的影响。 2 2 4 纤网阻力f 3 的测试 测试系统通过测试针梁推杆所受的合力间接分析主轴系统的受载形式。将推 杆截断，通过螺纹连接将拉压力传感器安装其中。传感器采用拉压传感变送器 c l j t - 5 0 0 0 n ，输入为拉力或压力，量程5 0 0 0 - - - 5 0 0 0n ，输出为电平电压一5 v + 5 v 。数据的采集硬件选用p c 卜- 6 2 2 l 数据采集卡，通过采集卡把传感器的模拟 信号转换成数字信号，由于在数据采集的硬件中没有滤波处理单元，信号中一般 存在噪声信号，不便于分析。利用l a b v i e w 软件的信号处理功能对信号进行滤 1 7 天津工业大学硕士学位论文 波处理，将处理好的数据存储并显示，便于分析和总结规律。 1 、实验测试及工艺分析 试验设备：q b g 4 11 f 一2 6 型下刺针刺机，针密5 0 0 0 ，动程4 0 m m ；拉压传感 变送器c u t 5 0 0 0 n 。 针刺机刺针型号为4 0 号m 齿距的刺针，生产厂家为台州市幼龙刺针有限公 司。 试验材料：3 0 0 9 革基布( 试验测试数据为第5 台针刺机测试数据) ( 1 ) 测试系统可行性验证 实验对象是青岛纺织机械股份有限公司生产的q b g 4 1 1 f - 2 6 型下刺针刺机，针 梁与2 个推杆连接。在空车运转、没有纤网的状态下，针梁推杆上只受连杆机构 的作用力f ，也即表现为惯性力。通过比较测试系统测得的和a d a m s 仿真得到的惯 性力，可以判断测试结果与实际情况是否吻合，以此验证测试系统的可行性。 图2 一1 1 绘出由测试数据绘制的曲线，图2 一1 2 绘出利用a d a m s 仿真软件仿真数据拟 3 0 2 0 、 豳 粤 1 o u u 6 j 、4 。八。 2 ，“ 耋- 三2 v v m 7 5v 可l 刍 观察图2 1 1 、图2 1 2 可以发现：2 个图的波形基本上一致，因为装传感器 第二章气囊央紧装置力学分析及计算 后，受针梁自重和安装传感器与零件之间的预紧力的影响，传感器的初始值不为 零。根据测量的数据，波峰到波谷大约相差2 3 6v ，根据传感器的标定参数，测 得的力应该是2 3 6 0 n 。加速度波峰到波谷大约相差8 4m 2 s ，针梁以及连接附件 的质量是3 0k g ，那么可以算出实际的力是2 5 2 0 n ，所以可以判断，用传感器测量 的信号基本上反映实际的情况，测试方案是可行的。 ( 2 ) 主轴r 内推杆受力测试与分析 当针刺机主轴转速为1 6 0r m i n ，在针刺机正常工作时测得主轴转内针梁推 杆的受力情况，如图2 - 1 3 所示。图中正方向表示压力，负方向表示拉力，纵坐标 表示传感器的电压输出值，可以按f = 1 0 0 0 v 计算出受力值。横华标为主轴转过的 角度，取刺针在上止点时为信号的测试起点，此时主轴角位移为零。从图2 - 1 3 可看出： 1 ) 图中的a 点，此时刺针在上止点，由于针梁的自重和传感器安装时的预紧所产 生的拉力，导致出现负值，传感器输出约一0 9v ，为9 0 0 n 力。 芝 善 ， 0撕7 2 l 1 4 4l 的2 1 6 2 鳃嚣i3 秘3 圭簟走位，( 。j 图2 - 1 3 单周期针板推杆受力图 2 ) 当刺针由上止点往下正行程运动到b 点，此时刺针针头即将刺入布面，从a 点到 b 点过程中，刺针未与布面发生力的作用，推杆受力主要来自连杆机构的驱动力 f ，所以受力表现为压力，且逐渐增加。 3 ) 刺针刺透底布的过程中，即从b 点n c 点，受力急骤下降，出现一个波谷，但仍 表现为压力。这是由于刺针刺入具有一定张力处于绷紧状态的底布时，底布对刺 针的瞬时正压力和摩擦力较大，使刺针受到一定的冲击，而正压力和摩擦力方向 向上，与连杆驱动力，方向相反，使推杆受到的合力骤然减小。 4 ) 从e 点到f 点的时间里，刺针基本处在下止点附近，位移变化很小，连杆机构表 现出停顿特性，有利于刺针钩取纤维，所以推杆受力迅速减小，同时推杆的受力 也由压力变为拉力，推杆由正行程转为反行程。 1 9 ，3 2 i o l 2 3 - 一 _ 天津工业大学硕士学位论文 5 ) 从f 点以后，推杆运动在反行程，纤维张力和摩擦力均表现为拉力，与驱动力f 方向相反，相互抵消，使合力变化比较平缓，但推杆受力表现为拉力。 6 ) 从推杆在主轴回转的受力图看，在推杆正行程，推杆所受合力表现为压力，在 反行程中表现为拉力，这与连杆机构的驱动力f 的变化规律相同，说明连杆机构 对推杆的作用力f 占了主导地位，刺针刺入布面时受到冲击，离开布面时由于纤 维一端已被固定在布中而受约束，所以纤维的张力对刺针的作用表现比较明显， 这些力的作用和力f 合成后表现出力的峰值移动和削弱。 ( 3 ) 不同转速下推杆受力测试与分析 针刺机在不同工作频率下工作时，所受到的非织造布的阻力是不同的，通过 以上分析可知，需要分析测试针刺机在工作状态下针板返程运动时所受到的非织 造布的阻力大小。我们以3 0 0 9 革基布( 试验测试数据为第5 台针刺机测试数据) 为试验测试对象