基于虚拟样机的空间连杆引纬机构运动特性

高维升,李 晶,邢 宇,付莎莎,张银飞

(西安工程大学 机电工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

碳纤维是国家建设不可缺少的新型战略材料,具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、导电传热等优异性能。不仅运用在国防军工和高技术, 而且在民用工业中也广泛使用[1-2]。 但国产碳纤维布的质量与国外相比还有很大的差距,而且生产碳纤维布的剑杆织机在引纬过程中易出现纬纱起毛、 断纱等问题,因此,提高引纬机构的动态性能非常重要。

许多学者对引纬机构运动学和动力学作了较为深入的研究。金国光等[3]为更加准确地反映剑杆织机空间四连杆引纬机构在高速运转时的动力学性能,对其进行刚柔耦合的动力学建模与仿真。王生泽等[4]对剑杆织机传剑机构进行了弹性动力学分析,设计了全部为转动副的空间连杆复合型运动引纬机构。Zhang等[5]以引纬机构中剑头的运动为研究对象进行仿真分析,探讨连杆材料特性对剑头引纬运动的影响,并采用ANSYS分析连杆的应力应变,得出了当连杆为铝合金材料时,剑头的运动曲线是最理想的结论。赵雄等[6]提出了一种新型剑头运动规律曲线,运动平稳、无冲击且最大加速度较低，跃度无突变,剑头动力学性能优越。Chen等[7]分析了椭圆齿轮引纬机构的运动规律,证明了剑头引纬运动的可靠性。Xu等[8]阐述了空间四连杆引纬机构的运动规律,建立了运动学方程,通过调节连杆长度以改变剑头运动。上述研究大多是构件参数、机构刚性和柔性对运动规律的影响,没有涉及构件之间的接触作用对机构运动规律的影响。文献[9-13]分别采用虚拟样机研究剑杆织机的引纬机构。唐朝飞等[14]运用有限元分析软件 ANSYS和机械动力学分析软件 ADAMS,对空间连杆引纬机构关键构件进行结构优化。这些研究是通过对零件参数设计、零件结构轻量化等优化机构的运动规律，以提高机构的动态性能，没有考虑零件之间的接触关系对机构运动规律的影响。

本文通过建立空间连杆引纬机构虚拟样机模型,分析剑道和滑块之间滚动接触对剑杆加速度曲线的影响。在ADAMS中进行运动学和动力学分析[15-17],验证了在剑道和滑块之间添加滚轮可以降低剑杆加速度曲线峰值,并利用Workbench软件对修改前后的剑道做静力学分析,以保证强度要求。

1 虚拟样机的模型

1.1 引纬的几何建模

在Pro/E三维软件中对空间连杆引纬机构各零件进行建模以及装配、干涉检查及验证。空间连杆引纬机构的三维模型如图1所示。运动原理为：通过给齿轮添加驱动，齿轮1绕着运动轴2做圆周运动,连接在齿轮上的空间摇杆3的上端通过球面副连接做空间运动；空间摇杆3的下端与插座轴4上的小球通过球面副连接，使得平面机构中的底座5绕着销轴6上下摆动,使固连在底座上的平面摇杆7摆动并带动平面连杆10运动；平面连杆10与滑块9通过转动副连接,滑块带动剑杆11沿着剑道8来回往复运动。

1.2 引纬的物理建模

把在 Pro/E 三维软件中建立的几何模型保存为 Parasolid 格式,导入 ADAMS 有限元软件中。 为了进一步研究,建立物理模型,给各个零件添加材料属性。把平面连杆的材料设置为铝合金, 其他零件的材料都为结构钢, 然后给各个零件之间添加约束, 如表1所示。

表 1 零件约束关系Tab.1 Constraint relation of parts

注：表中“0”为ground。

2 空间连杆引纬机构的运动仿真

2.1 ADAMS中的引纬机构

在ADAMS中,对空间连杆引纬机构进行刚体仿真。本引纬机构用于织造碳纤维布,主轴的转速在40～120 r/min,比其他生产棉布等引纬机构转速都要低。设置齿轮的电机转速为100 r/min,仿真时间1 s,步数为100。假设剑杆是刚性的,剑头又固定在剑杆的一端,因此只需要分析剑杆的运动特性。剑杆的位移、速度和加速度曲线如图2所示。

从图2可以看出,空间连杆引纬机构仿真曲线加速度运动规律属于多项式加速度运动规律，与文献[18-19]结论相同,从而验证了建立虚拟样机的正确性。加速度曲线与其他引纬机构的梯形加速度曲线[20-21]相比较更为平滑,在进入梭口和退出梭口过程中,没有出现波动,性能也更好。剑杆的加速度曲线周期为0.6 s。在0～0.1 s，剑杆的剑头取纬并夹持纬纱进入梭口,加速度基本保持不变,机构运动较平稳；剑杆移动到0.3 s时刻,位移达到最大为0.82 m,速度为0,加速度达到最大54 m/s2,完成引纬。左右剑杆对称,织造碳纤维布的布宽为1.64 m。在0.4～0.5 s退出梭口,速度快,且速度的最大值为4.4 m/s,0.5～0.6 s剑杆退出了梭口继续取纬。空间连杆引纬机构的位移曲线比较光滑,没有突变,符合设计曲线。

2.2 改进的引纬机构

上述空间连杆引纬机构符合织造碳纤维布的要求,但剑杆上的剑头加速度峰值较大。由于碳纤维是脆性材料，抗剪切能力低,会出现纬纱的断头、起毛,因而要求剑头在夹持纬纱的过程中惯性力小。因此，改进了连杆引纬机构以降低剑头加速度峰值，如图3所示。

在Pro/E中建模并装配,在剑道和滑块之间添加滚轮。滚轮是通过转动副连接在滑块上,随着滑块的移动滚轮在剑道上滚动。

在ADAMS中进行仿真,材料保持不变,滚轮材料设置为结构钢,仿真时间设置为1 s,得到改进后剑杆的速度以及改进前后加速度曲线，如图4所示。

在图4中可以看出,改进后的引纬机构的剑杆速度峰值为4.3 m/s,与改进前的速度基本一致。在主轴转到180°位置,剑杆移动到0.3 s时,改进后剑杆加速度最大值为48 m/s2,小于改进前的加速度，峰值降低了11.11%。表明滚动接触对剑杆的加速度曲线的峰值影响比较显著,从而降低了剑头的惯性力,与最初的设想是一致的。因为滚轮在滚动时所需要的启动力矩比滑动摩擦的启动力矩小,把滑动转换成滚动可减小惯性力。滚动的缺点是承载能力较滑动低,但由于在剑道处所负担的载荷并不大,所以滚动副可以代替滑动副。改进后的机构提高了引纬的效率,更有利于碳纤维布的生产织造。

3 引纬机构剑道的强度

3.1 剑道的动力学分析

在改进机构的过程中,对剑道的参数进行了修改,故需要对剑道做受力分析。在改进前后Y轴方向的作用力改变最大,只需要对Y轴进行动力学分析。在上述条件下,利用ADAMS仿真分析，得到剑道的受力曲线，如图5所示。

从图5可以看出,改进前剑道受力最大值为140 N,改进后剑道受力的最大值为92 N,改进后的受力较改进前减少了34%,相对变化比较显著。从图5还可看出，改进后剑杆的整个运动过程中受力减小,波动亦减小,即减小了剑道、剑杆的疲劳失效,提高了剑杆运动的平稳性。

3.2 剑道的静力学分析

由于把剑道的Y轴参数值由30 mm改为26 mm,为了保证剑道的强度,有必要对其进行静力学分析。剑杆材料选用结构钢,密度为7 850 kg/m3,弹性模量为2×1011Pa,泊松比为0.3。采用四面体网格划分,不考虑倒角的影响,使用Patch Independent算法划分网格。网格单元类型为Solid187,施加的力为140 N和92 N,分析得到的云图如图6、7所示。

从图6可以看出,改进前剑道的最大应力为5.434 MPa,在结构钢的许用应力之内。最大形变量为0.081 89 mm,可以忽略,更进一步说明零件设计的可靠性。从图7可以看出，改进后剑道的最大应力为3.473 8 MPa，最大形变量为0.083 mm。查找材料性能手册得知,结构钢的抗拉强度σb一般在900 MPa以上；设定安全系数为 3,材料的许用应力[σ]为300 MPa。可见，改进后剑道的最大应力在许用应力范围之内,符合要求。剑道的应力比原来降低了36%,形变比原来增加了1.3%,即改进后的剑道应力有了很大的改善,形变的增加对机构正常工作的影响可以忽略不计,提高了整体机构的动态性能,表明此机构改进具有一定的可行性。

4 结 论

1) 改进后剑头的加速度幅值比改进前降低了11.11%,降低了剑头的惯性力。说明滚动接触影响着剑杆的运动特性,可以提高机构运动的平稳性,降低纬纱的断头、断尾率。可见，为提高机构的动态性能,改进并优化引纬机构构件间的接触形式是不可忽视的因素。

2) 与改进前相比,改进后的剑道在满足机构正常运动的前提下，应力比原来降低了36%,形变比原来增加了1.3%,剑道强度满足要求。可见，改进的剑道结构是合理的,为今后制造出性能优良的引纬机构提供了参考。