剑杆织机惯性载荷变化规律及提速试验

周香琴， 杨胜皎， 王琴龙， 蒋 辉， 唐存满

(1. 浙江理工大学 教育部现代纺织装备技术工程研发中心， 浙江 杭州 310018；2. 万利纺织机械研究院， 浙江 杭州 311243)

剑杆织机惯性载荷变化规律及提速试验

周香琴1,2， 杨胜皎1， 王琴龙2， 蒋 辉2， 唐存满2

(1. 浙江理工大学 教育部现代纺织装备技术工程研发中心， 浙江 杭州 310018；2. 万利纺织机械研究院， 浙江 杭州 311243)

为提高剑杆织机的车速，通过研究其传动系统各构件的主轴等效转动惯量变化规律、分布规律，织机惯性载荷的变化规律等，获取了织机各运动构件对主轴等效转动惯量的占比规律。针对幅宽360 cm的WL680型剑杆织机，通过结构优选，剑头剑带的质量减轻28.26%，传剑轮的转动惯量减少45.73%，设计样机。经仿真验证：优化后的样机降低等效惯性载荷约27%，织机幅宽减小，其效果明显下降。经实物样机测试验证：相同车速条件下，优化后样机振动和功耗明显降低，最高运行速度提高约7%～8%。研究结果表明：虽然剑头剑带的质量、传剑轮的转动惯量较小，但对主轴等效转动惯量的影响敏感，减小其质量和转动惯量能有效减小织机惯性载荷、降低织机振动和功耗、提高织机车速。

剑杆织机； 主轴等效转动惯量； 惯性载荷； 振动； 功耗

剑杆织机提速是行业的一个共同目标，是一个复杂的系统问题，剑杆织机车速和入纬率是衡量剑杆织机技术水平的重要指标。满机车速与织物品种密切相关；空机车速与织机的技术水平相关，涉及织机的整体结构和制造水平，与运动机构的构型、运动副配合精度、运动构件的质量属性密切相关。现有对剑杆织机的研究以运动学研究为主，研究机构的工艺特征、机构的运动规律以及设计相关的机构参数等[1-2]。近年来，剑杆织机机构精确度的研究逐渐被重视，研究运动副配合精度对运动规律的影响[3]。为提高织机的速度，动力学研究也正在兴起，包含织机各种工作载荷的研究[4]，惯性载荷的分析计算[5-7]，考虑构件弹性的动力学分析[8-9]、织机墙板的动载荷研究[10]等。在现有研究基础上，本文试图通过剑杆织机惯性动力学的研究，获取各构件的主轴等效转动惯量的变化规律及分布规律，通过对比分析各构件的主轴等效转动惯量、织机引纬系统和打纬系统对主轴的等效惯性力矩等性能参数，优化相应零件结构，降低其主轴等效转动惯量，减小织机的等效惯性力矩，达到剑杆织机提速的目的，并通过实物样机试验，测试不同车速条件下整机的振动和功耗，验证结构优化的效果，为织机的提速提供一种有效途径。

1 引纬和打纬传动机构工作原理介绍

以浙江万利纺织机械有限公司生产的WL680型剑杆织机为研究对象，其织机引纬和打纬传动机构简图如图1(a)所示。电动机轴组件2在电磁力的作用下匀速转动，通过齿轮啮合带动主轴组件1、开口传动轴组件3匀速转动。主轴组件1通过由构件1、4、0组成的共轭凸轮打纬机构，带动打纬轴组件4定轴摆动，实现打纬动作；主轴组件1通过构件1、5、6、0组成的空间连杆机构，构件6、7、8、0组成的平面连杆机构，构件8、9、10、0组成的齿轮机构带动剑头剑带组件10做往复直线运动，实现引纬动作。通过改变构件7上F点在构件8上的位置实现引纬动程的调节。三维模型如图1(b)所示。

注：0—机架； 1—主轴组件； 2—电动机轴组件； 3—开口传动轴组件； 4—打纬轴组件； 5—引纬连杆组件； 6—摇摆座组件； 7—调节连杆组件； 8—扇形齿轮组件； 9—传剑轴组件； 10—剑头剑带组件。图1 剑杆织机引纬和打纬传动机构Fig.1 Weft insertion and beat-up driving mechanism of rapier loom. (a) Mechanism sketch; (b) 3-D Model figure

2 引纬和打纬机构等效转动惯量分析

运用Pro/E软件，分析织机的引纬、打纬机构中各构件的运动规律、质量属性，运用后处理软件分析各构件的主轴等效转动惯量变化规律,幅宽为360 cm织机的分析结果如图2所示。

图2 等效转动惯量变化规律(幅宽360 cm)Fig.2 Changing rules of equivalent moment of inertia (loom width with 360 cm). (a) Changing rules of J1, J2, J9, J10, Jy, Jz; (b) Changing rules of J3, J4, J5, J6, J7, J8

从图2可知，等效转动惯量较大的组件有：主轴组件、电动机轴组件、传剑轴组件、剑头剑带组件。运用各构件的主轴等效转动惯量，计算其等效转动惯量的占比为

计算结果如图3所示。其中主轴组件1占整机等效转动惯量最大，最大占比45.40%；其次为电动机组件2，最大占比42.99%；第3位为传剑轴组件9，最大占比22.32%；第4位为剑头剑带组件10，最大占比16.53%。引纬系统各构件主轴等效转动惯量之和最大占比49.97%。

图3 等效转动惯量分布规律(幅宽360 cm)Fig.3 Distribution rules of equivalent moment of inertia (loom width with 360 cm). (a) Changing rules of η1, η2, η9, η10, ηy; (b) Changing rules of η3, η4, η5, η6, η7, η8

等效转动惯量波动情况见表1。筘座组件等效转动惯量波动最大，大约达到614.6%，引纬系统中各组件的等效转动惯量波动均比较大，其中剑头剑带、传剑轴、扇形齿轮等组件的等效转动惯量波动较大，叉形连杆的等效转动惯量波动相对较小。等效转动惯量波动大的构件对织机车速的影响较大。

表1 等效转动惯量波动及占比

注：波动量=(最大值-最小值)/平均值 ×100%。

3 引纬机构结构优化及样机验证

3.1 剑头剑带及传剑轮结构优选

在WL680型剑杆织机惯性载荷特征研究的基础上，结合其他剑杆织机引纬[5]、打纬[6]、开口[7]等机构的惯性载荷特性研究结果，获得以下结论：1)剑杆织机惯性载荷以引纬和打纬系统为主；2)筘座组件的等效转动惯量较大、波动也大，降低筘座组件的等效转动惯量对提高织机车速有利，但低速时打纬力降低；3)剑头剑带组件、传剑轴组件等效转动惯量较大，减少其质量和转动惯量对织机提高运行速度比较有利。经分析，WL680型剑杆织机传剑轴组件的转动惯量主要取决于传剑轮，剑头剑带组件的质量与剑头结构相关，因此通过合理设计结构，减轻其质量和转动惯量，达到提高织机车速的目的。优化前后剑头剑带及传剑轮质量属性对比如表2所示。

表2 质量对比

3.2 优化前后织机性能仿真分析

针对幅宽360 cm的WL680型剑杆织机， 以370 r/min的主轴转速仿真运行，获得空机(不含多臂)的主轴等效惯性力矩，结果如图4所示。优化后与优化前相比，剑头剑带质量减轻28.26%，传剑轮转动惯量减轻45.73%，引纬等效转动惯量下降25.7%，整机等效转动惯量下降12.9%。

图4 织机性能参数对比(幅宽360 cm)Fig.4 Loom performance parameters contrast (loom width with 360 cm). (a) Equivalent moment of inertia comparison； (b) Equivalent inertia torque comparison

织机的主轴等效惯性力矩有4个峰值，其中2个峰值出现在打纬区域，2个峰值出现在引纬区间，引纬区域的峰值大约是打纬区域的峰值的184%。优化后，打纬区域主轴等效惯性力矩极值基本未发生变化，但在引纬区域主轴等效惯性力下降明显，约下降27%。

3.3 优化前后织机实物样机测试验证

根据惯性载荷研究结果，经优化设计，获得幅宽360 cm的WL680型剑杆织机(升级版)。根据行业FZ/T 94004—2009《挠性剑杆织机》，运用振动加速度测试仪，在织机墙板表面分别取4个位置测试其振动加速度，运用功率表，测试主驱动电机的功率消耗，测试结果如表3所示。

表3 振动及功耗测试结果对比

注：—表示该位置处没有测量。

当织机以370 r/min运行时，优化前后，织机的振动加速度差异不大，优化后织机的功耗比优化前下降7.5%。当织机运行速度超过370 r/min时，优化后织机的振动加速度明显下降，织机的最高运转速度大约提高7%～8%。

4 幅宽对织机性能参数的影响

针对同款机型，幅宽190 cm的织机，运用仿真分析获得如图5所示主轴等效转动惯量变化规律。

图5 等效转动惯量变化规律(幅宽190 cm)Fig.5 Changing rules of equivalent moment of inertia (loom width with 190 cm).(a) Changing rules of J1a, J2a, J9a, J10a, Jya , Jza；(b) Changing rules of J3a, J4a, J5a, J6a, J7a, J8a

等效转动惯量分布规律如图6所示。织机幅宽从360 cm减小到190 cm，整机等效转动惯量明显减小，减小幅度达33.21%，引纬系统的等效转动惯量下降幅度更大，达到64.99%。引纬系统的等效转动惯量占比也明显下降，最大占比为31.86%。采取与360 cm幅宽相同的剑头剑带及传剑轮结构(参数见表2)，假设与360 cm门幅同等入纬率设置190 cm门幅织机的运转速度，即以710 r/min(开口机构不运动)仿真运行，获取优化前后织机性能参数，结果如图7所示。

图6 等效转动惯量分布规律(幅宽190 cm)Fig.6 Distribution rules of equivalent moment of inertia (loom width with 190 cm).(a)Changing rules of η1a, η2a, η9a, η10a, ηya;(b)Changing rules of η3a, η4a, η5a, η6a, η7a, η8a

图7 织机性能参数对比(幅宽190 cm)Fig.7 Loom performance parameters contrast (loom width with 190 cm). (a) Equivalent moment of inertia comparison; (b) Equivalent inertia torque comparison

相比优化前，优化后最大主轴等效惯性力矩下降约15%，下降幅度明显小于360 cm幅宽织机，因此，减轻剑头剑带质量及传剑轮的转动惯量，对减小织机主轴等效转动惯量、织机主轴等效惯性力矩的影响程度不明显，由此可见，针对窄幅织机，通过该方法提速效果将不明显。

5 结 论

惯性载荷是剑杆织机空机运行的主要载荷，对织机的振动、车速、功耗等运行性能指标影响较大。通过分析织机各构件的主轴等效转动惯量的分布规律，减少主轴等效转动惯量占比较大的构件的质量或转动惯量，达到提高织机空机运转速度的目的。经过分析获得以下结论。

1)剑杆织机的剑头剑带组件、传剑轴组件、扇形齿轮组件、打纬轴组件等处于运动链末端的高速运动构件的主轴等效转动惯量较大。

2)减小主轴等效转动惯量占比较大的构件的质量或转动惯量，对降低主轴等效惯性载荷、减轻织机振动、降低织机功耗、提高织机车速有明显效果。

3)随剑杆织机幅宽的减小，通过减小织机剑头剑带组件、传剑轴组件等传动链末端构件的质量和转动惯量来提高剑杆织机车速的方法，其效果明显下降。

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Inertial load change rule and speed increasing test of rapier loom

ZHOU Xiangqin1,2， YANG Shengjiao1， WANG Qinlong2， JIANG Hui2， TANG Cunman2

(1.TheResearchCenterofModernTextileMachineryTechnology,MinistryofEducation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China; 2.WanliTextileMachineryResearchInstitute,Hangzhou,Zhejiang311243,China)

In order to increase the speed of a rapier loom, the change rule and the distributions of the equivalent moment of inertia on main shaft of all components of its driving system as well as the change rule of the inertial load on the loom were studied, and the proportion rule of the motion components of the loom to the equivalent moment of inertia on main shaft was obtained. For a WL680 type rapier loom with a reed width of 360 cm, by the structure optimization, the weight of rapier and ribbon is reduced by 28.26%, and the moment of inertia of the rapier wheel is reduced by 43.73%. A prototype was designed. The simulation results showed that the equivalent moment of inertia on main shaft of the optimized loom is reduced by 27%, and as the loom width decreases, the effect of this method reduces obviously. The physical prototype test showed that the vibration and power consumption of the optimized loom reduce obviously when running at the same speed, the highest speed of the optimized loom increases by 7%-8%. The results show that although the weights from rapier and ribbon are light and the moment of inertia of the rapier wheel is small, their influences on the equivalent moment of inertia on main shaft are sensitive, and it is great helpful to increase the loom speed and to reduce the vibration and power consumption of the loom by reducing its weight and moment of inertia.

rapier loom; equivalent moment of inertia on main shaft; inertial load; vibration; power consumption

10.13475/j.fzxb.20160805506

2016-08-25

2017-04-24

浙江省重大科技专项项目(2013C01027)

周香琴(1965—)，女，副教授,硕士。主要研究方向为剑杆织机、机构学、机械振动测试等。E-mail:zhouxiangqin@zstu.edu.cn。

TH 112.1； TS 103.3373

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