（机械设计及理论专业论文）四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究.pdf

四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究摘要 四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究 摘要 疏密纬织物是指纬纱疏密分布的机织物，与目前均匀纬密的织物相比，具有外观 丰富多彩、能张扬个性、透气透湿性好等优点，。作为一种新型的服装面料，具有良好 的市场前景。 本课题的研究内容为国家自然科学基金项目“疏密纬织物及其织造实现( 项目 编号：5 0 5 7 5 1 5 4 ) 的研究内容之一。由于疏密纬织物的纬纱是疏密分布的，所以在织 物的织造过程中，各纬纬纱及织物对打纬筘的作用力是变化的，从而各纬的打纬筘前 心位置也是变化的。为织造出具有预期纬密变化规律的疏密纬织物，应该且必须分析 和研究疏密纬织物织造中各种因素打纬筘前心位置的影响，并据此调整卷取辊的各纬 卷取量。本文以w g 2 0 0 0 型喷气织机四连杆打纬机构为研究对象，研究疏密纬织物织 造中打纬筘前心位置的影响因素及其影响大小，为疏密纬织物的织造提供理论依据和 生产指导。 本文的主要工作如下： 1 ) 定性分析了运动副间隙、打纬阻力、车速和构件的结构与材料等因素对打纬 筘前心位置的影响。 2 ) 介绍了打纬过程，分析了打纬阻力的作用区间、大小及作用区间的影响因素。 3 ) 针对w g 2 0 0 0 型喷气织机四连杆打纬机构，建立了曲柄、连杆和摇杆等组成构 件的三维模型；利用有限元和k e d 理论，建立了考虑打纬阻力和车速的弹性动力学数 学模型，在相同车速和不同打纬阻力的情况下，用振型叠加法求出了打纬筘在前心位 置时的弹性变形量；导出了一定车速下打纬筘弹性变形量随打纬阻力的变化关系。 4 ) 在相同打纬阻力和不同车速的情况下，利用打纬机构的弹性动力学模型，通 过振型叠加法求出了打纬筘前心位置时的弹性变形量；导出了一定打纬阻力下打纬筘 弹性变形量随织机车速的变化关系。 关键词：疏密纬织物；疏密；前心位置；打纬阻力；四连杆打纬机构 作 者： 彭伟 导师：钱志良 a b s t r a c t 四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究 s t u d yo nf r o n te x t r e m ep o s i t i o no fb e a t i n g u pr e e do f f o u r - b a r b e a t i n g - u pm e c h a n i s m a b s t r a c t d e n s i t yv a r i a b l ef a b r i c i st h ef a b r i cw h o s ew e f ti sd i s t r i b u t e da s y m m e t r i c a l l y c o m p a r e dw i t ha c t u a l l ys y m m e t r i c a ld e n s i t yf a b r i c ，d e n s i t yv a r i a b l ef a b r i ch a sal o to f a d v a n t a g e ss u c ha sp o l y c h r o m ea p p e a r a n c e ，d i s p l a y i n gp e r s o n a l i t y , g o o db r e a t ha n dd a n k p e r f o r m a n c e a san e wc l o t h i n gm a t e r i a l ，i th a sa n i c em a r k e tf o r e g r o u n d t h er e s e a r c hc o n t e n to fp r o b l e mi so n eo fc o n t e n t so ft h en a t i o n a ln a t u r a lf u n d i n g p r o j e c tw h o s en a m ei sd e n s i t yv a r i a b l ef a b r i ca n dp r o d u c t i o n , a n dt h en u m b e ro fi ti s 5 0 5 7 515 4 b e c a u s et h ew e f to fd e n s i t yv a r i a b l ef a b r i ci sd i s t r i b u t e da s y m m e t r i c a l l y , t h e f o r c ef r o mw e f to rf a b r i ct ob e a t i n g - u pr e e di sv a r i a b l ei nt h ep r o d u c i n gc o u r s eo fw e f t , a c c o r d i n g l yt h ef r o n te x t r e m ep o s i t i o no fb e a t i n g u pr e e di sa l s ov a r i o u s i no r d e rt o p r o d u c ee x p e c t e dd e n s i t yf a b r i c ，w es h o u l da n dm u s ta n a l y z et h ee f f e c tf a c t o r st of r o n t e x t r e m ep o s i t i o no fb e a t i n g - u pr e e di nt h ep r o d u c i n gc o u r s eo fd e n s i t yv a r i a b l ef a b r i ca n d t h ea c t u a le f f e c tt ob e a t i n g - u pr e e d t h i sp a p e rr e s e a r c ht h ee f f e c tf a c t o ra n de f f e c te x t e n t t of r o n te x t r e m ep o s i t i o no fb e a t i n g - u p ，t a k i n gf o u r - b a rb e a t i n g - u pm e c h a n i s mo fw g 2 0 0 0 a i r - j e ta sr e s e a r c ho b j e c t ， t h em a i nr e s e a r c hw o r k so ft h i sp a p e ra r el i s t e da sf e l l o w s ： 1 ) a n a l y z e dt h e m a i ne f f e c ta c t o r st of r o n te x t r e m ep o s i t i o no f b e a t i n g - u p r e e ds u c ha sc l e a r a n c eo f j o i n t sr e s i s t a n c eo fb e a t i n g - u p ，r o t a t i n gs p e e da n dc o n f i g u r a t i o n o fc o m p o n e n t s 2 ) i n t r o d u c e dt h ec o u r s eo fb e a t i n g - u p ，a n a l y z et h er a n g ea n dn u m e r i c a lv a l u eo f r e s i s t a n c eo f b e a t i n g - u pa n dt h ee f f e c tf a c t o r st ot h er a n g eo f r e s i s t a n c eo f b e a t i n g - u p 3 ) t h ed y n a m i cm o d e lo ft h ec o m p o n e n t so fb e a t i n g u pm e c h a n i s ma sr i g i db o d i e si s e s t a b l i s h e da c c o r d i n g l yt of o u r - b a rb e a t i n g - u pm e c h a n i s mo fw g 2 0 0 0a i r - j e t ；e l a s t i c d y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nf e aa n dk e dt h e o r yo nt h ec o n d i t i o no fe q u a l r o t a t i n gs p e e da n dd i f f e r e n tr e s i s t a n c eo fb e a t i n g - u p ，e l a s t i cd e f l e c t i o no fb e a t i n g - u pr e e d i nt h ef r o n te x t r e m ep o s i t i o ni so b t a i n e d , e l a s t i cd e f l e x i o no fb e a t i n g u pr e e da l o n gt o r e s i s t a n c eo fb e a t i n g - u pi se d u c e do nt h ec o n d i t i o no fe q u a lr o t a t i n gs p e e d 4 ) e l a s t i cd e f l e c t i o no fb e a t i n g - u pr e e di nt h ef r o n te x t r e m ep o s i t i o ni so b t a i n e d m a k i n gu s eo fe l a s t i cd y n a m i cm o d e lo nt h ec o n d i t i o no fe q u a ld i f f e r e n tr o t a t i n gs p e e da n d i l 四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究a b s t r a c t e q u a lr e s i s t a n c eo fb e a t i n g u p ，e l a s t i cd e f l e c t i o no fb e a t i n g u pr e e da l o n gt or e s i s t a n c eo f b e a t i n g u pi se d u c e do nt h ec o n d i t i o no fe q u a lr o t a t i n gs p e e d k e yw o r d s ：d e n s i t yv a r i a b l ef a b r i c ；d e n s i t yv a r i a b l e ；f r o n te x t r e m ep o s i t i o n ； r e s i s t a n c eo fb e a t i n g - u p ；f o u r - b a rb e a t i n g - u pm e c h a n i s m n l w r i t t e nb y ：p e n gw e i s u p e r v i s e db y ：q i a nz h i l i a n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其他教育机构的学位证书 而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在本文中以明 确的方式注明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名： 弦逮日期：2 望2 翌： 尹 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、 中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大 学学位办办理。 研究生签名：彭传日期：型! 兰：点! z 导师签名：瓣日期：2 璺园鼬 四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 织物的织造有着悠久的历史，其发展过程经历了原始手工织造、人力织机织造、 普通织机织造、自动织机织造和无梭织机织造五个阶段。在原始手工织造阶段，人们 发明了由原动机件、传动机件和工作机件三部分组成的人力织机，这种人力织机为近 代织机及织物的工业化大批量生产创造了条件。1 8 世纪英国人发明了能完成开口、 透梭和卷布三个基本动作的动力织机，标志着织造技术进入了工业化织造时代，其后， 经过自动换纡和自动换梭的改进，织造技术进入了自动织机织造的新时代。普通织机 用传统的梭子作为载纬器，称为有梭织机。有梭织机梭口尺寸大，织机的零部件损耗 多、振动大、劳动强度高，这些缺点限制了车速和入纬率的进一步提高。 从2 0 世纪初开始，针对梭子引纬的载纬体过于笨重、车速较低等缺点，人们提 出了由引纬器直接从固定筒子上将纬纱引入梭口的新型引纬原理，并把采用新型引纬 原理引纬的织机统称为无梭织机或新型织机。新型织机通常按引纬方式或引纬载体命 名。目前，得到广泛应用的新型织机有片梭织机、剑杆织机、喷水织机和喷气织机等 四大类型。 片梭织机具有引纬稳定、织物质量好、纬纱回丝少等特点，但机器价格较高；剑 杆织机的最大优点是换色方便，适合多色纬织造，但是纬纱受力较大，单位产量占地 面积也略大，价格较贵；喷水织机具有生产率高、能耗及占地面积较少、价格低等优 势，但主要适用于表面光滑的疏水性长丝类织物的生产，并且水的循环还存在环境污 染等环保问题；喷气织机劳动生产率高、能耗低、低噪环保，目前正在成为主流织机。 据有关资料介绍，喷气织机、剑杆织机、喷水织机和片梭织机等新型织机占织机的比 例，在全世界已达3 0 以上，在德国、英国、美国、俄罗斯、瑞士和意大利等国已达 8 0 以上，在我国棉纺织行业已从1 9 9 9 年的8 4 3 提高到2 0 0 1 年的1 2 5 3 。 喷气织机是当今发展较快、应用日益广泛的一种新型织机，是一种利用喷射的高 速气流对纬纱所产生的摩擦牵引力进行引纬的新型无梭织机。它采用压缩空气替代笨 重的梭子作为载纬体实现引纬。由于压缩空气的喷射速度高，提高了纬纱的飞行速度， 第1 章绪论四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究 在相同筘幅情况下缩短了引纬时间，为织机采用小高度开口和小动程打纬创造了有利 条件。喷气织机的引纬属于自由引纬，它在新型织机中引纬率最高，特别是异型筘和 主副喷嘴接力牵引技术的成熟，减少了气流速的散失，进一步提高了引纬效率。日本 丰田公司和德国多尼尔公司生产的喷气织机的引纬率已达到2 5 0 0 r r d m i n 以上，而日本 的津田驹公司生产的喷气织机入纬率更是高达3 2 0 0 m d m i n 。喷气织机不但已成为棉纺 织厂的首选机型，而且丝织生产中织制长丝为经、短纤粘胶为纬的产品时显示出特别 高的效率和优良的质量。 喷气织机有五大部分组成，它们分别是开1 ：3 机构、打纬机构、引纬机构、卷取机 构、送经机构，其中打纬机构的作用是通过筘座的摆动将纬纱打向织口，形成织物。 由于打纬机构主要靠筘座的惯性作用完成打纬，所以打纬机构的动态性能直接影响到 织物的质量，因此分析打纬机构的动态性能非常有必要。但是，迄今为止对打纬机构 的动态分析都以织造均匀纬密织物为前提，通常忽略纬纱、织物等对打纬筘的反作用 力，也不考虑车速对打纬机构的影响。 目前织造和使用的织物都是均匀纬密织物即纬纱和经纱都均匀分布的织物， 这种织物各部分物理性能基本相同、结实耐用、裁剪制衣比较方便，但外观平实单调、 缺乏变化。随着社会的进步和生活水平的提高，人们对服装的耐用性要求日益降低， 对服装的个性化要求则越来越高，传统的均匀纬密织物面料已难以满足人们张扬个性 的服饰要求。为满足个性化服饰要求，人们于2 0 世纪九十年代开始了疏密纬织物的 探索与研究。郝振东、段俊瑞等用t p 8 0 l 单片机控制的步进电机驱动的卷取装置替 代机械式卷取装置进行了变纬密织物的织造尝试【3 0 】，黄亚雄介绍和分析了两种不同的 电子卷取装置，并讨论了变纬密产品的效果和设计方法【3 l 】，张国平概述了带有电子卷 取、电子提花等功能的织机进行在机可变产品开发的可能性【3 2 1 ，窦玉坤等利用配备电 子卷取和电子送经装置的f a s t 挠性剑杆织机进行了变纬密织物的织造实蹦1 1 ，陈革 等开发了一种步进电机驱动的、能织造变纬密织物的同步电子送经和卷取控制系统 1 3 3 ，何安民、李彩利用z a x - e - 1 9 0 型喷气织机成功地进行了经纬密双变织物的织造 尝试【4 3 1 ，朱广平、单文红介绍了s u i i i 型全自动剑杆小样织机的特点、变纬密织样的 实现方法及纬密控制程序瞰】，冯秋玲，肖键设计了双变密度透气隐格产品并介绍了该 产品的特点【3 5 1 ，金淑风、曹宗满进行了多经多纬变密度织物的织造实践【3 6 1 ，钱志良 进行了疏密纬织物的织造方法、纬密变化方式及其输入方法、各纬卷取量的确定方法 2 四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究第1 章绪论 等方面的研究【3 7 。3 9 】。 窦玉坤对疏密纬织物的织造实践和分析研究表明：变纬密产品具有独特的特征和 性能，不同的织物组织配以连续变化的纬纱密度，将使布面产生特殊的效果。对于平 纹织物，适当长度的纬密连续变化，一方面可以改变产品的透气性和透光性，改善产 品的服用特性，使其更适合用作夏季服装的面料；透气性的改变，则更加适合于窗帘 织物的应用，在不影响着遮挡性能的前提下，增加透光量，改善室内环境，同时增加 其悬垂性，节约用料，降低成本。另一方面，由于纬密采用的是连续渐变，由于织物 紧度的改变，加上后整理以及经纱张力的变化，可使变纬密初始阶段部分纬纱呈不规 则波浪排列，如再配以不同的颜色，即可达到颜色的渐变，同时也可以造成色彩排列 在视觉上的波浪效应，进一步增加装饰类产品的可欣赏性。此外，通过调节纬密变化 段的长短，再配以不同的穿筘方法，由于密度的连续或间断变化，可使产品产生不规 则的隐条隐格效应。对于斜纹类织物，通过纬密的连续变化，可使布面上的斜路呈现 曲线斜纹或是曲折效果，以达到特殊的外观效应【l j 。 我国是世界上最大的纺织品生产大国和出口大国，但远不是纺织品强国。我国服 装业赖以生存的是廉价的劳动力，利润空间极其狭窄。加入w t o 后，我国纺织业迎 来了新的发展机遇，但要使我国从纺织大国变成纺织强国，还必须加强技术改造，加 快新型织机的推广步伐，提高新技术、新工艺、新材料等的自主研发能力。疏密纬织 物作为一种新型织物，国外研究较少，这有助于提高我国纺织品的附加值。 由上可见，疏密纬织物具有独特的风格特征和广阔的市场前景，但疏密纬织物的 织造与均匀纬密织物的织造存在着明显的差异。对于均匀纬密织物，由于纬纱是均匀 分布的，所以在各纬的织造过程中，经、纬纱及织物对打纬筘的作用力可以认为是相 同的，正常织造过程中打纬筘的前心位置可以认为固定不变的。但是，对于疏密纬织 物，由于纬纱是疏密分布的，所以在织造过程中，各纬纬纱及织物对打纬筘的作用力 无疑是变化的，从而各纬的打纬筘前心位置也是变化的。为织造出具有预期纬密变化 规律的疏密纬织物，应该并且必须分析和研究疏密纬织物织造时打纬筘前心位置的影 响因素及其对打纬筘前心位置的实际影响。本文以江苏万工科技股份有限公司生产的 w g 2 0 0 0 型喷气织机的四连杆打纬机构为研究对象，分析研究织造疏密纬织物时打纬 筘前心位置的影响因素及其影响大小，以期对疏密纬织物的生产提供理论基础。 3 第1 章绪论四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究 1 1 1 织造过程及打纬机构简介 1 1 1 1 织造过程 织造过程由织机的五大机构( 开口、引纬、打纬、送经、卷取) 组成。它们的作 用如下： 开口机构：根据织物组织点的变化规律，来控制综框升降交替的秩序，使经纱分 为上下两层，形成梭口。 引纬机构：将纬纱牵引通过梭1 ：3 ，以便与经纱交织形成织物。 打纬机构：将引入梭口的纬纱推向织口，与经纱交织并被打紧，形成具有规定纬 密的织物。 卷取机构：纬丝被引入梭口并打入织1 3 后，将已形成的织物离开织1 3 ，卷取到织 轴上。 送经机构：送出适量的经纱以补充经纱。 织口 梭 l 一经纱；2 一织轴：3 后梁；4 停经片；5 一综框 6 一综眼；7 钢筘：8 梭子；9 一胸梁；1 0 卷取辊；1 l 一导布辊：1 2 一卷布辊 图1 - 1 织造过程 织造过程如图1 1 所示：经纱l 自织轴2 上引出，绕过后梁3 ，穿过停经片4 和 综框5 上的综眼6 ；织机主轴旋转时，综框作上下运动，使穿入综眼的经纱分成两层， 形成梭口，引纬载体( 如图中梭子) 将纬纱引入梭口，钢筘7 将引入梭1 ：3 的纬纱打向织 口，使经纱与纬纱交织成织物，织物绕过胸梁9 、卷取辊1 0 、导布辊ll ，最后卷绕 在卷布辊1 2 上。 4 四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究第1 章绪论 1 1 1 2 打纬机构 喷气织机打纬机构的作用：1 ) 利用装在筘座上的异形筘把纬纱推向织口，使之与 经纱交织，形成符合设计要求的织物。2 ) 控制纬纱的密度和织物的幅宽。3 ) f l t 异形筘 和上下层经纱形成引纬有效通道。 常用的打纬机构有四连杆、六连杆和共轭凸轮打纬机构。四连杆打纬机构虽然机 构简单，制造容易，但不能保证在打纬后心位置有较长的停顿时间。当曲柄在后心位 置附近时，筘座无静止时间，引纬期间由于筘座的运动使织机的可引纬时间减小，宽 幅化受到限制。六连杆打纬机构经合理的设计，能保证既在打纬后心有较长的停顿时 间以及惯性打纬，因此在高速或宽幅织机上，为了增加筘座在后心位置的相对静止时 间，让引纬器从容通过梭口，多采用六连杆打纬机构。共轭凸轮打纬机构的筘座摆动 运动规律依凸轮外型曲线运行，可按工艺要求来设计静止时间和打纬点的惯性力，但 是它对制造精度及共轭精度要求很高，否则机构振动大，使织物产生“开车疏密路刀 疵点，反而限制了车速的提高【2 9 】。 四连杆打纬机构是织机普遍采用的机构，尤其是幅宽在1 9 0 c m 之内的织机。按 照牵手长度三与曲柄长度尺的比值可分为长牵手、中牵手、短牵手三种。l r 6 为长牵手。 图1 2 打纬机构装配示意图 四连杆打纬机构如图l - 2 所示，其工作过程为：当曲柄回转时，通过牵手带动摇 杆作往复摆动，最后由固连在摇杆上的筘座的往复摆动来完成打纬运动。在打纬过程 中，一般将筘座在机前的极限位置称谓前心位置( 如图1 3 所示) ，在机后的极限位 5 第1 章绪论四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究 置称谓后心位置( 如图1 4 所示) 。 图l - 3 前心位置示意图图1 _ 4 后心位置示意图 三偎这个参数对打纬筘运动具有重要的影响：牵手越长，打纬运动越接近简谐运 动；牵手越短，引纬时间越长，在后心位置停留时间越长，在前心位置加速度越大， 有利于惯性打纬 2 9 1 。早期的织机由于车速低，引纬时间长，故常采用中长牵手。但随 着现代喷气织机对高速的要求，短牵手引纬时间长的优点凸显，所以，现代高速无梭 织机很多采用短牵手四连杆打纬机构。 1 1 2 弹性连杆机构动力学的发展现状 由于本文主要研究打纬机构在不同的打纬阻力情况下打纬筘前心位置的影响及 变化规律，因此分析打纬机构各构件的弹性变形必不可少。虽然目前针对四连杆打纬 机构的弹性动力学研究不多，但对于简单弹性四连杆机构的研究却很多，而且也取得 了很大的进展。下面简述弹性连杆机构的发展与现状： 连杆机构向高速、轻型、精密、重载化方向发展促使连杆机构动力学研究计入构 件的弹性变形，因此，从2 0 世纪7 0 年代开始，研究者开始考虑连杆机构的弹性变形 的影响，并在动力学建模、分析和计算方面进行了大量的研究，逐步形成了机械动力 学的一个重要分支连杆机构弹性动力学，简称k e d ，使得机构的分析研究克服 了早期模型过于简化的缺陷，走上了精密研究的发展道路。近三十年来，许多研究者 致力于弹性动力分析与综合的理论、实验和应用研究。“k e d 已成为世界机构学研 究的一个前沿领域。k e d 研究的_ 个重要目的是在给定机构名义运动( 即机构刚体 6 四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究 第1 章绪论 运动) 规律的前提下，确定机构的弹性运动响应。因此在k e d 分析中均采用机构弹 性运动不影响机构名义运动这一基本假设1 4 , 5 】。我国自2 0 世纪8 0 年代开始研究机构 弹性动力学，二十多年来，发展迅速，在弹性连杆机构的分析、综合、材料、控制、 平衡、误差分析、间隙的影响等多方面都做出了不少成绩。下面分别从模型的分析和 运动方程的求解两个方面介绍： 在模型分析方面：连杆机构的弹性动力分析常采用质量离散化的方法，建立了两 类近似模型：1 ) 集中参数模型。这种将弹性体的质量按照某种简单原则聚缩于若干点 上，形成集中质量和集中转动惯量。用节点处的有限个自由度代替连续弹性体模型的 无限个自由度，建立的是常微分方程，但由于质量分布简化较多，模型较为粗糙，精 度较差。2 ) 有限元模型。该模型也承认质量和弹性是分布的，但对单元内的位移分布 建立了某种假设，并由此假设为基础导出了单元的动力学特性。该模型有三大优点： 模型精确；适应性广( 能提供多种平面单元和空间单元的建模) ；运算模式统一( 可用 统一的模式来形成单元与系统的运动方程，并对方程采用统一的算法) 。b a g c i 6 j 以集 中参数模型建立的运动方程，求解较为容易。文献【7 8 】分别采用了有限元中的力法和 位移法。b a l l 龇【9 】则首次采用五次埃尔米特插值函数作为梁单元的横向位移函数，求 出单元中的最大应力。文献【1 0 , l q 给出了一般单元分析模型的建立方法，并在单元刚度 矩阵中直接计入了几何非线性的影响。文献【1 2 】直接从能量法推导了刚体位移和弹性变 形的刚弹耦合动力学模型。 运动微分方程的求解方法主要有：振型叠加法【1 3 】、逐步积分法【1 4 】等。振型叠加 法是求解特征值问题得到系统的固有频率和振型，求出几个最低阶的振型坐标，然后 反求物理坐标。逐步积分法的基本思想是把时间离散化，将本来要在任何时间都满足 的运动方程，代之以只要在时间离散点满足的方程，但此法易产生较大误差。 对于四连杆打纬机构的弹性动力学研究有：欧阳斌【4 9 】对筘幅1 9 0 c m 的高速四连 杆打纬机构进行了k e d 分析，在考虑弹性的情况下得到了打纬机构的前三阶固有频 率，并通过实验予以验证。陈静【1 6 】对w g 2 0 0 0 型喷气织机打纬机构进行了柔性多体 动力学分析，得到了在工况转速( 6 0 0 r m i n ) 下，该机构的主轴和摇轴的扭转弹性变 形几乎不影响打纬工艺。魏圆副2 8 】对w g 2 0 0 0 型喷气织机四连杆打纬机构进行弹性 动力学分析，通过理论分析和实验的对比，得到了利用有限元技术和k e d 建模理论 对打纬机构进行弹性动力学是可行的结论。但是，以上对打纬机构的分析都是在忽略 7 第1 章绪论四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究 打纬阻力的情况下，没有考虑打纬阻力对打纬机构的影响，也没有考虑车速对打纬机 构的影响，因此，无法体现打纬机构的真实运动。 1 1 3 考虑含间隙连杆机构的分析 含间隙连杆机构动力学的系统研究，开始于2 0 世纪7 0 年代初。在此之前，考虑 运动副间隙的机构分析，多属于运动学问题，如误差分析等。d u b o w s k y 等人在1 9 7 1 年提出了一维冲击副模型瞄，2 3 】，对运动副元素接触表面的刚性特性、阻尼特性以及冲 击力特性等，进行了基础性研究。之后，他又提出了一维冲击杆模型 2 4 1 ，二维冲击 环模型【2 5 阗，之后对两种模型进行了补充和完善【2 7 1 7 1 ，形成了一套比较完整地研究运 动副间隙的体系。 从2 0 世纪7 0 年代开始至今，考虑运动副间隙机构动力学的分析方法可分为以下 三类： 第一种方法是以牛顿力学为基础建立系统运动方程的方法【1 8 乏0 】。这种分析方法考 虑了运动副元素接触表面的弹性变形，是一种定量的分析方法。以d u b o w s k y 、 f u n a b s h i 为代表的研究者分别按自由状态和接触状态进行研究，考虑了副元素接触表 面的线弹性变形和阻尼，也考虑了间隙对构件加速度的影响，对于连杆机构，得到了 二阶强非线性微分方程组，但是，计算比较麻烦并且很难确定接触状态和分离状态过 渡时机构的各项运动参数。 第二种方法是根据冲量概念和动量定理建立的系统运动方程，所得到的是一、二 阶相混合的非线性微分方程。由于碰撞的作用时间无法确定，无法求出冲击力，所以 多用于定性分析。以b m i e d e m a 和w m m a n s o u r 为代表的研究者将一个运动周期中 机构运动副的相对运动关系分为接触、分离和碰撞三种状态进行建模【2 。这种方法优 点是准确地反映了含间隙机构运动副之间的运动关系，更加符合实际，但是在实际研 究中，准确地处理由_ 种状态到另一种状态转化原则( 既要保持算法上的连续性，又 要切实地反映机构各状态的真实运动) 实现起来比较困难，此为缺点一。缺点二，由 于数值求解过程对初值敏感，所以难以求得稳定解。 第三种方法是根据连续接触模型建立的动力学模型。由于运动副间隙很小，且碰 撞与分离的实际时间很短，所以为了简化计算，可以将间隙值假定为一个定值，这样 四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究第1 章绪论 便可以用连续接触来分析。在副元素接触表面无弹性变形和间隙为一无质量杆的前提 下，含间隙机构转化成了无间隙多杆多自由度系统。此法可以避开运动副中的一些物 理参数，如刚度系数、阻尼系数和恢复系数等，为动力学研究带来很大方便，但该模 型对副元素的碰撞特性反映不够精确，分析结果有一定的误差，所以多用于低速机构 的动力学建模。这种方法国外以e a r l c s 和w u 为代表，国内以唐锡宽【2 引，余跃庆 2 9 1 ， 冯志友【3 0 】为代表。同时随着机构学的不断深入，同时考虑运动副间隙和构件弹性影响 的动力学1 3 l 】和扩展到空间的机构也受到了研究者关注。 在考虑运动副间隙机构动力学方程求解方面，由于方程为非线性方程组，所以此 类方程的求解一般采用数值积分求解的方法，主要数值积分方法有逐步积分法、有限 差分法。有限差分法可分为中心差分法、h o u b o l t 法、w i l s o n - 0 法等，这些方法都不 适合求解非常复杂的强非线性方程。逐步积分法有e u l c r 法和r u n g k u t t a 法等。冯志 友等人还提出了摄动法，该解法简单，但难以求得精确解。 1 2 本文的主要工作： 本课题的研究内容为国家自然科学基金项目“疏密纬织物及其织造实现 ( 项目 编号：5 0 5 7 5 1 5 4 ) 的研究内容之一。由于与各纬卷取量相等的均匀纬密织物不同，疏 密纬织物的各纬卷取量是变化的，各纬织造过程中打纬筘的受力情况也是变化的，所 以必须分析与研究影响打纬筘前心位置的各种因素，并据此对卷取辊的卷取量进行适 当的微调，才能织造出具有预期纬密变化方式的疏密纬织物。本课题以w g 2 0 0 0 喷 气织机的四连杆打纬机构为研究对象，进行了如下研究： 1 ) 定性分析了运动副间隙、打纬阻力、车速和构件的结构与材料等因素对打纬 筘前心位置的影响。 2 ) 介绍了打纬过程，分析了打纬阻力的作用区间、大小及作用区间的影响因素。 3 ) 针对w g 2 0 0 0 型喷气织机的四连杆打纬机构，建立了曲柄、连杆和摇杆等组成 构件的三维模型；利用有限元和k e d 理论，建立了考虑打纬阻力和车速的弹性动力学 方程，在一定车速和不同打纬阻力的情况下，用振型叠加法求出了打纬筘在前心位置 时的弹性变形量；导出了一定车速下打纬筘弹性变形量随打纬阻力的变化关系。 4 ) 在一定打纬阻力和不同车速的情况下，利用打纬机构的弹性动力学模型，通 过振型叠加法求出了打纬筘在前心位置时的弹性变形量；导出了一定打纬阻力下打纬 9 第l 章绪论 四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究 筘弹性变形量随织机车速的变化关系。 以上，以w g 2 0 0 0 型喷气织机四连杆打纬机构为研究对象，研究疏密纬织物打 纬筘前心位置的影响因素及其影响大小，不但完善了w g 2 0 0 0 型喷气织机打纬机构 的弹性动力学分析，而且可为疏密纬织物的织造提供理论依据和生产指导。 1 3 小结 本章介绍了本课题的研究背景，织物的织造过程，分析了现有连杆机构的研究现 状，提出了进行疏密纬织物织造时分析打纬筘前心位置的目的及意义，最后简述了本 文的主要工作。 1 0 四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究第2 章疏密纬织物织造时打纬筘前心位置的影响因素 第2 章疏密纬织物织造时打纬筘前心位置的影响因素 对于均匀纬密织物，由于纬纱是均匀分布的，所以在各纬的织造过程中，经、纬 纱及织物对打纬筘的作用力可以认为是相同的，正常织造过程中打纬筘的前心位置可 以认为是固定不变的，这样喷气织机卷取机构在一个运动周期卷取量是相等的。但是， 对于疏密纬织物，由于纬纱是疏密分布的，相邻两纬线之间的距离是变化的，所以在 各纬的织造过程中，各纬对打纬筘的作用力也是变化的，考虑到打纬机构的弹性变形， 上述作用力的变化无疑会影响打纬筘的前心位置；其次，织机的车速不同，打纬机构 中各运动构件的加速度也不同，构件的惯性力和惯性力偶也不同，这种惯性力的改变 同样会影响打纬筘的前心位置，“开车横档疵点实际上就是惯性力对打纬筘前心位 置影响的具体体现；再者，打纬机构中各构件的几何形状、尺寸及材料等的不同，各 构件的质量、转动惯量及刚度等也不同，各构件在相同受力情况下的弹性变形量也会 随之改变，所以构件的材料与结构对打纬筘的前心位置也有影响；最后，纬纱疏密分 布引起的打纬阻力的变化还会改变打纬机构中各运动副的接触状态，而运动副接触状 态的改变最终也会改变打纬筘的前心位置。 由上可见，疏密纬织物打纬机构打纬筘前心位置的主要影响因素有：运动副间隙、 打纬阻力、车速及构件结构材料，下面详细分析上述四个因素对打纬筘前心位置的影 响及其影响的方式和大小。 2 1 运动副间隙对打纬筘前心位置的影响 由于运动副两组成构件之间相对运动的需要，机构的运动副中必须存在适当的间 隙。若规定的运动副间隙过小，一方面会提高构件的制造要求，增大机器的制造成本， 另一方面会增加运动副的润滑和散热的难度，甚至可能出现运动副的热胀卡死或运转 不灵活。反之，若规定的运动副间隙过大，虽然能降低构件的制造难度和机器的制造 成本，但不可避免地会降低机构的运动精度和动力性能，机器运转过程中较易产生运 动副冲击，增加构件的动应力、动应变及机器的振动和噪音，降低机器的机械效率， 降低机器的使用寿命和工作可靠性，严重时会影响机器的正常运行。因此，在打纬机 构的设计与分析过程中，必须考虑运动副间隙对机构运动和动力性能的影响。 l l 第2 章疏密纬织物织造时打纬筘前心位置的影响因素四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究 在低速机械中，运动副间隙对机械运动和动力性能的影响较小，运动副间隙可取 得大一些；在高速精密机械中，随着速度的提高，运动副间隙对机械运动和动力性能 的影响越来越大，设计中必须对运动副间隙进行严格地控制。喷气织机四连杆打纬机 构属于高速精密机构，机构中存在四个运动副，每个运动副间隙都对机构的运动及动 力性能存在影响，四个运动副间隙的联合作用能明显改变打纬筘的前心位置。由于运 动副间隙存在制造和安装误差，运动副元素相对运动引起的磨损也会加大运动副间 隙，而制造、安装误差及运动副元素的磨损量等都是不可控的随机量，而且打纬机构 是惯性力打纬，打纬机构各运动副在前心位置时的接触状态是一致的，运动副间隙对 打纬筘的前心位置影响很小。所以运动副间隙对打纬筘前心位置的影响本文不作定量 分析。 2 2 打纬阻力对打纬筘前心位置的影响 由于疏密纬织物的纬纱是疏密分布的，织造过程中疏密分布的各纬纬纱对打纬筘 的作用力无疑也是变化的，所以研究打纬阻力的组成及其对打纬筘前心位置的影响， 对疏密纬织物的织造具有很重要的意义。从织造工艺的角度看，打纬阻力对打纬过程 中的经纱张力和打纬区的大小起决定性的作用；而经纱张力和打纬区又标志着经纱在 织机上的工作条件，在很大程度上会影响经纱的断头率。从织机的制造角度看，打纬 阻力的大小是织机的一个重要设计参数，筘座的转动惯量应该根据打纬阻力来确定。 若筘座的惯性力矩小于打纬阻力矩，筘座在打纬时将不得不通过牵手自电动机和主轴 取得补充能量，这样，每打纬一次，牵手和曲柄、牵手与摇杆等运动副元素之间会产 生碰撞与冲击，一方面会加速轴承的磨损；另一方面会改变运动副的接触状态，进而 改变打纬筘的前心位置。相反，若筘座的惯性力矩大于打纬阻力矩过多，则会增加主 轴回转的不均匀性，加速运动副元素的磨损。 打纬阻力由打纬筘与经纱之间的摩擦阻力、纬纱相对于经纱移动时产生的摩擦阻 力以及经纱受纬纱挤压屈曲引起的弹性阻力等合成。在整个打纬过程中，筘片与经纱， 之间的摩擦阻力、纬纱相对于经纱移动产生的摩擦阻力和经纱屈曲引起的弹性阻力在 打纬过程中是变化的，在打纬开始阶段，打纬阻力主要来源于筘片与经纱之间的摩擦 阻力与纬纱相对于经纱移动产生的摩擦阻力，随着打纬的进行和纬纱向织口推进，经 纱对纬纱的包围角越来越大，弹性阻力迅速增加。对于大多数织物，弹性阻力一般大 1 2 四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究第2 章疏密纬织物织造时打纬筘前心位置的影响因素 于摩擦阻力。但在织高经密织物时，经常会出现“三跳”织疵的问题，其主要原因是 在织高经密品种时纱线之间及纱线与织机有关部件之间的摩擦严重，使得织造过程中 打纬阻力与经纱张力剧增，造成织机上有关部件变形增大【4 0 】。 对于疏密纬织物来说，织物纬密的改变会改变打纬阻力，而打纬阻力的变化会使 打纬筘在前心位置附近各频率的振型增大，使得实际前心位置与理论前心位置( 即不 计打纬阻力时的前心位置) 出现偏差，也会使得实际前心位置与打纬阻力恒定时求得 的前心位置有所差异。这种差异对于直径很小的纱线来说，可能影响纬纱的预期分布 方式。 2 2 1 影响打纬阻力的因素 2 2 1 1 纬密与打纬阻力 纬密的获得是纬纱相对于经纱移动的结果，在打纬过程中，纬纱相对于经纱的移 动包括以下两部分：一部分是刚筘到达前心位置时纬纱的移动量墨；而另一部分是刚 筘离开前心位置后纬纱相对于经纱的倒退量& 。根据我国学者陈瑞隆的研究【4 2 】，打 纬过程中新纬纱的相对移动量s 的表达式为： s = s + 最 ( 2 1 ) 打纬阻力的表达式一般为阳】 f = - a ( e b s - 1 ) + r ( 2 2 ) 其中：p 一打纬阻力； a ，b - - 实验常数； j 卜打纬开始瞬间，筘与经纬纱之间的摩擦力。 由式( 2 1 ) 可知，打纬阻力的大小与纬纱移动量s 或纬密成指数关系，纬密越 高，打纬阻力越大。王鸿博【4 川在o a 6 1 1 机型上对打纬阻力和纬密的关系做了实验， 得到了如下结论：打纬阻力的大小在很大程度上取决于织物的纬密，纬密越高，打纬 阻力越大。但对某一组织结构的织物，存在一个临界纬密，低于临界纬密，打纬阻力 随着纬密的变化缓慢( 类线性变化规律) ，一旦超过临界纬密，打纬阻力则急剧增加 ( 类指数变化规律) ，并且得到在低纬密阶段，实测纬密与设计纬密的差异很小，而 1 3 第2 章疏密纬织物织造时打纬筘前心位置的影响因素四连杆打纬机构打纬筘前心位置的分析与研究 在高纬密阶段，实测纬密明显达不到设计要求。最后对实验数据采用最小二乘法处理 得到了打纬阻力和纬密成指数关系，从而验证了理论分析的正确性。 2 2 1 2 经纬纱性质与打纬阻力 纱线的物理性质是影响打纬参数的主要因素之一。在纱线的物理性质中，影响较 大的是纱线的弹性伸长和经纬纱的表面状态，二者又分别决定着纱线的刚性系数和摩 擦系数。在打纬过程中，纬纱相对于经纱的移动由二部分组成：一部分是钢筘到达前 心位置时纬纱相对于经纱的位移量s l ，另一部分是钢筘离开织口后纬纱相对于经纱的 倒退量& 。由纱线的表面状态决定的摩擦系数越大，& 的值越小；当织物紧密程度改 变时，摩擦系数对纬纱的相对移动量岛的影响有所不同，对打纬阻力f 的影响也随 着变化，并且随着织物紧密程度的增大，纱线摩擦系数对蜀和，的影响相对地减小。 纱线的刚性系数越小，打纬阻力的值也越小，因为随着刚性系数的减小，打纬过程中 纬纱的屈曲张力减小，所以纬纱对于经纱的压力降低，经纬纱间的摩擦阻力减小，从 而提高了打纬开始系数，降低了s l 的大小；同时，当纬纱向前作相对移动时，打纬 阻力的增长速度也降低，这些都促使打纬阻力的最大值减小。在其他条件相同的情况 下，纱线的摩擦系数和刚性系数增大，打纬阻力也增大。 当纱线表面毛糙、摩擦系数大时，打纬时的摩擦阻力也大；经纬纱的刚性系数愈 大，交织时不容易屈曲变形，导致经纬纱之间的正压力增加，因而打纬阻力增大。研 究结果表明，纱线刚性系数对打纬阻力f 的影响比纱线摩擦系数的影响大 4 0 l 。 2 2 1 3 织物组织与打纬阻力 织物的组织结构不仅影响打纬阻力和纬纱相对于经纱的移动量，而且影响打纬过 程中打纬阻力的增长速度。当织造不同组织的织物时，打