超宽幅织机综框结构设计及振动特性分析

姚 超，王益轩，刘婷婷(西安工程大学 机电工程学院，西安 710048)

超宽幅织机综框结构设计及振动特性分析

姚 超，王益轩，刘婷婷
(西安工程大学 机电工程学院，西安 710048)

为了解决综框横梁变形、断裂等问题，改进超宽幅织机综框的结构设计，利用Ansys 软件中Beam 188梁单元对1000 cm幅宽的综框横梁与侧档的连接方式、中间支撑结构、横梁与侧档的截面形状及各构件用材料进行设计与动态分析研究，并分别计算出铝合金无支撑、铝合金有支撑、碳纤维有支撑三种结构的综框在无约束状态下的自由振动与xoy,zoy,zox平面内的自由振动的固有频率值。结果表明：综框增加中间支撑结构后有助于使其具有较好的动态特性；在低阶频率下，综框的主要振型是横梁上下同步或异步振动，横梁的前后同步或异步振动，为宽幅织机在各种工况下稳定运行提供依据；提高综框刚度可减小综框的横向振动，建议综框上、下横梁采用碳纤维复合材料。

超宽幅织机；幅宽；综框；结构设计；振动特性；动态分析；Ansys软件

0 引言

在高速公路、铁路、机场等交通运输领域的基础建设工程、大型结构工程及建筑工程领域中，幅宽大于5 m的宽幅机织物应用广泛。综框不仅是织机开口机构的重要构件之一，也是开口系统中的薄弱构件[1-2]。随着对织机入纬率要求的不断提高，织机转速及上机幅宽也在不断增大。通常，服装、装饰和一般产业用机织物幅宽不超过5 m，其织机和综框的设计研究和生产比较成熟；而特种产业用机织物的幅宽均超过5 m，因此，其织机及综框的设计和开发成为新的研究课题。国外开发的特种产业用织机综框的最大幅宽已达到30 m。

织机在高速运转时，综框作为一个薄臂板梁结构件，在提综臂的作用下做上下往复运动，加上相邻综框间的振动，往往会造成经纱断头，导致综框横梁严重变形，甚至产生断裂、脱筘等问题[3-5]。对此，笔者通过改变传统横梁和侧档的接合方式，增加中间支撑杆结构，合理设计横梁和侧档截面，选配综框各构件材料等方法，对超宽幅综框进行综合设计研究，以期综框性能达到最佳效果。

超宽幅综框较常规综框要承受更大的经纱载荷和更多的干扰频率。笔者利用Pro/E虚拟样机技术建立幅宽为1000 cm综框的模型，并利用Ansys中Beam188梁单元进行动态特性分析，通过研究分析综框横梁和侧档结构，以综框的最佳动态特性为根据，使综框的振动最小，为超宽型特种产业用织物织机综框的设计提供依据。

1 结构设计

综框的主要部件包括上横梁、下横梁、左右侧档和穿综杆等，综框是空腔型扁管型材，利用Pro/E软件建立综框的几何模型，如图1a)所示。设计改进了传统横梁和侧档之间的连接方式，如图1b)所示，上接合件通过综框型腔内两平面凸缘壁定位安装到综框横梁上，并采用4枚铆钉与综框横梁连接；下接合件与横梁之间的连接方式同上。侧档的上耳在安装时，通过上耳上、下两个凸凹导向槽与上、下两个接合件上各自的导向槽进行配合安装。为了防止扭转，利用铰制孔用螺栓杆把上、下接合件与侧档连接在一起。综框横梁左右两端1/4处各采用支撑杆连接，如1c)所示，支撑杆上、下两端通过可调节的2个螺钉安装在内壁上，当4个沉头螺钉预紧后可起到支撑作用。

a) 几何模型

b) 横梁与侧档连接

c) 中间支撑

利用Pro/E虚拟样机技术建立幅宽为1000 cm的综框模型，分别选用质量轻、强度高的铝合金和碳纤维复合材料作为综框材料。铝合金的主要参数：密度为2705 kg/m3，弹性模量为69 GPa，泊松比为0.33，屈服强度为125 MPa。上、下横梁材料采用青岛SK化工有限公司生产的碳纤维平纹预浸料，材料性能参数见表1。

表1 碳纤维平纹预浸材料性能参数

材料弹性模量/GPa剪切模量/GPa泊松比E11E22E33G12G13G23μ12μ23μ13密度ρ/(g·cm⁃3)碳纤维68．4916．8168．488．757．318．750．290．340．191．452

2 梁单元有限元模型

利用Ansys软件Beam 188梁单元建立有限元模型，上、下横梁主要采用自定义梁截面，如图2所示，而侧档采用普通实心矩形梁截面，中间支撑采用普通空心圆梁截面，并进行无约束状态的自由振动模态分析。由于综框振动主要发生在上、下横梁及侧档处，为了提高运算效率，对结构进行模型优化，忽略了螺栓、螺纹孔及综框上细小特征，如综耳、穿综杆及综丝夹等[6]。建立综框的有限元模型，如图3所示，图中xoy平面为综框平面；其中，有中间支撑和无中间支撑的有限元模型，分别见图3a)和图3b)，并采用不同的材料进行分析。具体从以下3种结构进行计算与分析：① 全铝合金无中间支撑；② 全铝合金有中间支撑；③ 上、下横梁为碳纤维复合材料，侧档和中间支撑为铝合金材料，且有中间支撑。

图2 自定义梁截面

图3 综框有限元模型

a) 无支撑结构 b) 有支撑结构

3 无约束状态下的振动特性

实验室中，综框自由振动的频率一般是通过外激励得到的，因此，无法准确测到综框无约束状态下自由振动的前30阶固有频率值。利用Ansys软件对幅宽为1000 cm的综框模型进行无约束状态下的动态特性分析，前30阶自由振动的固有频率值见表2。

由表2数据可以看出，综框的固有频率属于低频振动，而自由振动的前6阶频率几乎为0 Hz；而铝合金无支撑综框的第7阶固有频率为0.781 Hz，幅宽为1000 cm的铝合金综框增加支撑结构后，固有频率有所增加；第8阶固有频率由无支撑结构时的1.278 Hz提高到2.168 Hz；当上、下横梁采用碳纤维复合材料时，各阶固有频率之间的频宽范围也相应增大，而且第7阶固有频率明显提高。综框的固有频率越高，刚度越大，织机运转越不容易引起综框振动，越有利于织机的运转。从不同视角观察3种综框结构的前30阶固有频率的模态振型图可以看出，主要振型为上、下横梁上下同、异步振动和上、下横梁前后同、异步振动，如图4～图7所示。

综框的振动主要体现在前后方向的横向振动和

上下方向上的振动[7]。为了更加清楚说明整个综框模态变化的振型，下面将限制各个平面的有限约束，观察无支撑结构综框的振型变化。笔者将从xoy平面(即图1综框平面)、zox平面(垂直于综框平面的水平面)和zoy平面(即综框平面的侧视投影面)3个方向进行分析。

表2 无约束状态下综框前30阶固有频率单位：Hz

a) 轴测方向

b) xoy平面

c) xoz平面

a) 轴测方向

b) xoy平面

c) xoz平面

a) 轴测方向

b) xoy平面

4 xoy平面的振动特性

xoy平面(综框平面)内的振动，即运动方向上的振动。在不限制xoy平面内的有效移动和转动自由度，其余的自由度全部施加固定约束时，计算得出此平面内前20阶的固有频率见表3。

表3 xoy平面综框前20阶固有频率单位：Hz

由表3可知，铝合金无支撑结构的第4阶固有频率为3.957 Hz，铝合金有支撑结构的综框固有频率提高为9.535 Hz，而碳纤维材料的综框在该阶的固有频率为12.349 Hz。在织机转速为740.94 r/min(即织机运转频率为12.349 Hz)以上的工况下，易引起该平面的振动，模态振型云图见图8～图9。由振型云图可以看出，综框上、下横梁上下异步振动是在运动平面内上、下横梁振动的相位差为180°，而上、下横梁同步振动是整体绕z轴的同步弯曲。无支撑结构自由振动下第11，16，20，23，29阶模态振型云图与对应的xoy平面内自由振动第 4，5，6，7，8 阶模态振型云图基本相近；有支撑结构的自由振动下第14，21，23，29阶模态振型云图与对应的xoy平面内自由振动第4，5，6，7阶模态振型云图基本相近；有支撑的碳纤维复合材料综框自由振动下第15，21，24阶模态振型云图与对应的xoy平面内自由振动第4，5，6阶模态振型云图基本相近。

a) 铝合金无支撑

b) 铝合金有支撑

c) 碳纤维有支撑

a) 铝合金无支撑

b) 铝合金有支撑

c) 碳纤维有支撑

5 zox平面的振动特性

zox平面内振动，即综框绕y轴方向前后的横振动。不限制zox平面内有效的移动和转动自由度，其余的自由度全部施加固定约束，经计算得该平面内前20阶固有频率见表4。

由表4可知，zox平面前20阶固有频率和无约束自由振动的前30阶频率值重合度比较高，主要是上、下横梁前后振动的同步模态振型。首先，铝合金无支撑结构综框在前30阶无约束自由振动第7，15，21，24，26阶频率与zox平面内自由振动第5，11，15，17，19阶频率很接近，振型基本吻合；其次，前30阶自由振动第9，10，12，18阶与zox平面内自由振动第6，7，9，13阶频率接近，振型相互补。铝合金有支撑结构综框在前30阶无约束自由振动第7，8，10，13，15，17，22，25，27阶振型与zox平面内自由振动第4，5，7，9，12，13，15，17，20阶频率很接近，振型基本吻合；有支撑碳纤维结构综框在前30阶无约束自由振动第7，8，11，13，16，19，22，25，28阶振型与zox平面内自由振动第4，5，7，9，12，13，15，17，20阶频率很接近，振型基本吻合，如图10所示。

表4 zox平面综框前20阶固有频率单位：Hz

a) 无支撑第11阶

b) 有支撑第15阶

c) 碳纤维第20阶

此外，zox平面内振动还出现上、下横梁前后振动异步振型。

6 zoy平面的振动特性

在zoy平面内，即垂直于综框平面的侧平面(综框平面的侧视投影面)的横向振动，不限制zoy平面内有效的移动和转动自由度，其余的自由度全部施加固定约束，计算得前20阶固有频率见表5。

表5 zoy平面综框前20阶固有频率单位：Hz

由表5可以看出，各阶固有频率明显增大，第4阶的固有频率为18.688 Hz，也说明只有织机转速在1 121.3 r/min(即织机运转频率在18.688 Hz)以上时，才会出现综框在该平面的振动。铝合金无支撑结构第10阶模态振型云图，如图11所示。

从图11可以看出，织机的主要变形发生上、下横梁前后同异步振动及侧档绕x轴的同、异步转动的振型。

a) 轴测图

b) zox平面

c) zoy平面

7 结语

在幅宽为1000 cm综框的结构设计中，通过改变传统综框横梁和侧档的连接方式，增加中间支撑结构等改进措施，对综框结构设计进行动态分析。分别计算出综框在无约束状态下的自由振动和xoy,zoy,zox平面内自由振动的固有频率值。结果表明：综框在zox平面的刚度最小，其次是xoy平面，而zoy平面的刚度最大；综框在低阶干扰频率下，主要振型是上、下横梁的上下异步或同步振动、前后的异步和同步振动，只有在高阶干扰频率下，才会出现侧档同步和异步振动；中间支撑可明显改善综框的刚度和动态特性。为了改善综框的横向振动，主要加强上、下横梁和侧档的刚度与强度，只有增加横梁和侧档截面的厚度和高度尺寸或者选用比强度和比模量高的高性能复合材料，就可明显改善综框在zox平面的刚度，如采用碳纤维材料。同时，研究结果为超幅宽综框的总体设计提供了参考依据。

[1] 祝章琛．综框的模态结构特性及其能量分布[J]．中国纺织大学学报，1997，23(2)：94-99.

[2] 董学武，张启峰，陈光明，等.综框动态性能CAT系统研究[J].棉纺织技术，2002，30(9)：16-18.

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[7] 祝章琛.综框模态特性对综框运动的影响[J].中国纺织大学学报，1997，23(3)：89-95.

Structural Design and Vibration Characteristic Analysis of the Heald Frame for the Loom with Super Width

YAO Chao,WANG Yixuan,LIU Tingting
(School of Mechanical and Electrical Engineering Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China)

To solve the problems with the heald frame for the loom with super width such as the beam deformation or fracture,the Beam 188 unit in the software of Ansys is used to do dynamic analysis of the connecting mode and the support between the beam with width 1000 cm and the side bar,the sectional profile and the structural parts.Free vibration of the alu-alloy heald frames with support or without support,and the carbon fiber heald frame with support are worked out comparing the inherent frequency value of the planes ofxoy,zoyandzox.It proves that the heald frame with support in the interface layer have good dynamic charcteristics.In the low frequency,the main vibration forms of the heald frames are charcterized as up-and-down synchronization or asynchronization while the vibration of the beams is in back-and-forward synchronization or asynchronization forms,providing information for the heald frame of the loom with super width for constant performance.Rigidity increase of the heald frame reduces longitunal vibration.It is recommended that both the top and bottom beams of the heald frame are made of carbon composite material.

loom with super width;width;heald frame;structural design;vibration characteristic;dynamic analysis;Ansys software

2016-08-06

陕西省科技攻关项目(2015GY137)；陕西省教育厅产业化培育项目(2013JC17)

姚 超(1989—)，男，陕西宝鸡人，硕士研究生，主要从事机械CAD/CAE/CAM及虚拟样机技术的研究。

TS103.82+4

A

1001-9634(2017)02-0013-06