弹性连杆对平行打纬机构前死心位置的影响

刘艳哲 杨建成 黄子文 赵全鹏 刘健

摘 要：随着织机转速提高，共轭凸轮与四连杆组合的平行式打纬机构中的连杆构件会在惯性载荷的作用下变形加大，从而导致钢筘前死心位置与理想位置产生偏差，影响打纬精度。针对该问题采用虚拟仿真与实验结合的方法对机构进行研究，建立了平行打纬机构柔性连杆下的动力学模型，并运用ADAMS软件进行仿真，探究不同凸轮转速和连杆不同材料对钢筘前死心位置的影响，同时搭建实验平台对仿真结论进行验证。结果表明：凸轮转速对钢筘前死心位置的影响是非线性的，凸轮转速在180 r/min以内钢筘的前死心位置稳定且偏差值较小。弹性连杆构件选用比刚度更大的材料有助于减小钢筘前死心位置偏差。研究结果可为高速共轭凸轮平行打纬机构的设计和优化提供参考。

关键词：平行打纬机构；弹性连杆；刚柔耦合模型；前死心位置；响应偏差；比刚度

中图分类号：TH112

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2023）03-0063-07

基金项目：国家重点研发计划（2018YB1308801）; 国家科技支撑计划重点项目（2011BAF08B02）

作者简介：刘艳哲（1997—），男，河北承德人，硕士研究生，主要从事纺织机械设计及自动化方面的研究。

通信作者：杨建成，E-mail：yjcg589@163.com

共轭凸轮打纬机构按照从动件的运动方式可分为摆动式打纬机构和平行式打纬机构。平行打纬机构主要应用于高速大间隔织物双剑杆织机中，间隔织物多个织口内的纬纱并列排布在不同水平高度，摆动式打纬机构钢筘做轨迹为圆弧的摆动运动，导致打纬时不同层纬纱受力不均匀，无法保证使每层纬纱顺利进入织口，从而影响织物品质。平行打纬方式有效解决了织造间隔织物时要求每层纬纱所受打纬力应均匀的问题。当前国产双剑杆间隔织物织机织造效率稳定运转下仅80～85纬/min，转速普遍不高，而相关国外产品可达180纬/min，因此研究打纬机构的动力学特性对加快国产间隔织物双剑杆织机的高速化进程具有重要意义。目前这方面的研究主要集中在摆动打纬机构，金国光等［1］通过仿真实验探索了改变打纬机构的结构参数来减小机构振动的方法。魏展等［2］应用凯恩方程建立了共轭凸轮摆动打纬机构的动力学模型，为剑杆织机打纬机构的高速化设计提供了理论依据。此外，杨建成等［3］总结了平行打纬机构的参数化设计流程，并对设计结果进行了刚体机构的仿真验证，但针对共轭凸轮平行打纬机构的动力学分析尚处于起步阶段。

本文通过对平行打纬机构进行动力学仿真和模态分析，探究弹性连杆下凸轮转速和连杆材料对钢筘前死心位置的影响，搭建实验平台对仿真结论进行验证。研究结果可为共轭凸轮平行打纬机构的设计优化提供参考。

1 系统描述

以比利时范德维尔某型号双剑杆天鹅绒织机中的共轭凸轮平行打纬机构为分析对象，其结构原理如图1所示。打纬过程分为3个阶段：推程阶段时主凸轮1对滚子8施加正压力，推杆3与摆臂4固结并绕回转轴逆时针转动，从而带动钢筘由后死心向前死心运动。回程阶段时副凸轮1＇对滚子2施加正压力，从而带动钢筘由前死心向后死心运动。静止阶段时滚子不受凸轮正压力，钢筘在打纬后死心位置静止。后死心为打纬运动的起始位置，前死心为钢筘在水平方向上向前运动的极限位置。对从动连杆机构参数进行设计和优化，可以使钢筘打纬时处于竖直状态并短时间内做水平运动，即實现钢筘的平行打纬运动。

打纬机构的作用是推动纬纱移向织口并与经纱交织形成一定纬密的织物，若钢筘不能实现预定动程，则打纬力不足，无法实现打纬功能，若钢筘过摆，则打纬力过大，有可能造成经纱与纬纱的结连，影响织物品质。所以应对钢筘的前死心位置响应进行深入探究。

从图1可以看出，平行打纬机构主要由共轭凸轮机构和四连杆两部分构成，由于凸轮和滚子的刚度较大，其刚度变形对钢筘末端位置响应影响极小，故将凸轮机构各构件假定为刚性体。随着织机主轴转速的提高，摆臂、连杆、摇杆构件在惯性负荷的作用下变形加大，从而使钢筘的真实动态响应与期望运动产生偏差，影响打纬精度和织机的可靠性。传统的将连杆从动件看作刚体的分析和设计方法已不满足实际打纬机构的设计要求，故本研究将机构中的摆臂、连杆、摇杆作为弹性体进行分析。

2 仿真分析

首先对机构进行参数化设计，使用作图法，根据织机尺寸和工艺要求确定从动连杆机构的尺寸和摆臂动程，得到摆臂、连杆、摇杆的长度分别为0.29、0.11、0.20 m，摆臂角动程33.49°。共轭凸轮从动件选用改进梯形运动规律，结合共轭凸轮机构的设计公式，运用MatLab编程得到共轭凸轮廓线数据和凸轮从动系统的几何尺寸。按照工程要求对机构进行结构设计，在SolidWorks中建立虚拟样机模型。将三维模型的x_t文件导入ADAMS软件中得到机构的刚体动力模型。分别将看作弹性体的摆臂、连杆、摇杆构件模型的x_t文件导入ANSYS中进行离散化，设置材料参数，其中摆臂、连杆、摇杆的材料均选用球墨铸铁，材料密度为7000 kg/m3，弹性模量为1.62×1011 N/m2，泊松比0.293。图2示出为摆臂的离散化模型，选用四面体单元对构件划分网格，包含了224272个节点，130218个单元，检查网格划分质量后生成模态中性文件。

将ADAMS中的连杆从动件用有限元软件离散后生成的模态中性文件进行替换，即得到共轭凸轮平行打纬机构的刚柔耦合模型如图3所示。

对机构刚柔耦合模型进行材料设置，添加约束和驱动力后即可对系统进行动力学仿真和数据处理。以凸轮轴设计转速进行仿真，图4和图5示出为柔性连杆从动件下的刚柔耦合系统和刚性系统在打纬推程和回程阶段时钢筘打纬点的水平线性位移和速度响应的对比。

如图4、图5所示，将刚性从动件下的仿真结果记作理论值，柔性从动件下的筘座水平速度响应在理论值附近波动，筘座水平最大位移大于理论值，筘座水平最大位移位置即为钢筘的前死心位置。从图4可以看出弹性连杆条件下钢筘向前打纬的过程存在过摆现象。

假设打纬运动的起始位置即钢筘后死心位置不变，将柔性连杆条件下钢筘前死心位置与理论位置之间的差值记为钢筘前死心位置的响应偏差。在凸轮转速80～300 r/min范围内每隔20 r/min为一个数据点对柔性连杆下的机构模型进行仿真，图6示出凸轮轴不同转速下钢筘座于前死心位置的响应偏差。

从图6可以看出，凸轮转速的提高对弹性连杆条件下平行打纬机构钢筘前死心位置的影响是非线性的。凸轮转速在80～180 r/min范围内，钢筘位移偏差数值无剧烈波动，呈现了凸轮转速越高，位移偏差缓慢增大的规律。凸轮转速180 r/min后钢筘位移偏差数值波动明显，总体呈曲折上升的趋势。为了探究钢筘前死心位置产生偏差变动的原因，对弹性连杆机构进行模态分析。

在ADAMS软件中创建柔性化的连杆机构模型，在各回转铰链处添加旋转副，求解连杆机构运动到前死心时的线性模态。弹性连杆机构前10阶固有频率如表1所示。

共轭凸轮通过主轴与凸轮轴的一级齿轮减速带动转动，齿轮啮合频率为：

式中：n为凸轮轴转速，z为从动齿轮齿数。

由机构的理论设计可得主轴与凸轮轴间减速齿轮的齿数为97/19，将表1中模态分析计算的各阶固有频率带入式（1），得到连杆机构各阶固有频率与齿轮啮合频率相等时的凸轮转速，记入表1。

利用软件中的线性模态工具求解连杆机构在前死心位置时的各阶阵型，与未变形部分对比，如图7所示，可知各阶模态下连杆机构的振动趋势。对振型图7分析可得，在前死心位置时，连杆机构前4阶振型主要为沿轴向的弯曲变形，对钢筘在水平方向上的位置影响有限，且此时凸轮转速不高，低于180 r/min，惯性力较小，故钢筘的前死心位置偏差不大且较为稳定。第4阶以后，弹性连杆机构的各阶振动变形复杂，连杆机构沿水平方向的变形对钢筘前死心位置影响较大。由表1可见，弹性连杆机构第5阶到第7阶及第9阶第10阶模态数值相近，根据振动的叠加原理，在周期性激振力的作用下系统响应由各阶简谐振动而合成。随着织机转速的提高，弹性连杆机构往复质量不平衡产生的惯性力增大，与连杆构件的复杂振动变形共同作用下导致了钢筘前死心位置与期望位置产生偏差，并呈现无规律性。基于机器稳定运转和打纬机构可靠性的角度考虑，凸轮转速不应超过180 r/min。

探究不同连杆材料对钢筘前死心位置的影响，在ADAMS软件中，连杆材料分别选用球墨铸铁、铸铝、中碳结构钢和合金结构钢，同一转速下对耦合模型进行仿真。图8和图9示出连杆选用不同金属材料，钢筘的前死心位置响应偏差。

由图8可见，不同金属材料的选择，柔性从动件下的钢筘座水平最大位移不同，从图9可知，柔性连杆构件选用比刚度更大的材料，钢筘前死心的位置偏差越小。相较选用QT500，连杆构件选用42GrMo，钢筘的前死心位置偏差减小43％，由机构的振动理论分析得知，构件材料的比刚度越大，说明相同刚度下材料的重量更轻，从而提高机构的固有频率，使机构固有频率与激振力频率远离，减小弹性构件的振动。更轻的质量还有助于减小惯性载荷冲击，并满足了机构设计轻量化的要求。

从减小钢筘前死心位置偏差的角度考虑，选用比刚度更大的金属作为柔性连杆的材料更有优势。

3 实验验证

为了验证虚拟仿真所得的凸轮转速对钢筘前死心位置影響的结论，及其对实际机械设计和工程的指导意义，需进行实际的实验验证。

3.1 实验平台搭建

实验的目的是测量不同转速下钢筘实际前死心位置与理论位置之间的偏差，图10示出为检测钢筘前死心位置的实验原理，钢筘前死心位置设计参数为钢筘距离织物压板前端面10 mm，钢筘水平方向动程160 mm，将激光位移传感器安装固定在图10所示的织物压板上方墙板上，检测原理是将理论前死心位置时传感器到筘面的距离定义为测量零点，实际传感器检测的到筘面动态距离的最小值即为该转速下钢筘前死心实际位置与理论位置之间的偏差。

图11（a）示出为本实验选用的某型号激光测距传感器，检测距离100 mm，检测范围±35 mm，精度0.075 mm，图11（b）示出的共轭凸轮平行打纬机为本实验的实验对象。

3.2 实验的结果

对打纬机构进行初始参数设置，打纬等待区开始、结束角度及打纬影响引剑开始角度、结束角度均采用默认值。在凸轮轴转速80～300 r/min范围内每隔20 r/min为一次实验点分别运行机器，传感器选择模拟量输出模式，通过计算机对检测结果进行保存和数据处理，多周期下测量的多个数据取均方根作为实验数据的有效值。实验测量凸轮轴不同转速下钢筘前死心位置偏差如图12所示。

从图12可以看出，实验和仿真所得的钢筘前死心位置偏差曲线都表现出非线性和无规律性，位移偏差值均大于零，即实际钢筘在打纬过程中存在过摆现象，与仿真结果相符，可见柔性连杆从动件下的刚柔耦合系统模型的钢筘动态响应更能反映该平行打纬机构的真实运动；两结果得出的钢筘前死心位置偏差随凸轮转速的变化总体趋势是一致的，都表现为：凸轮转速180 r/min以内钢筘前死心位置稳定且偏差值较小，180 r/min以后偏差值波动明显，可见，柔性连杆下的虚拟仿真结论：基于机器稳定运转和打纬可靠的角度考虑，凸轮轴最高转速不应超过180 r/min的建议合理；仿真结果相较实验所测数值偏大，这是由于仿真实验未计入纱线阻力和材料内部阻尼等因素的影响。两结果在数值上不完全相等，原因是仿真未计入筘丝变形和箱体振动对钢筘前死心位置的影响，且弹性连杆在实际运动中存在着复杂的谐振现象，含间隙的机械系统中还存在着混沌现象，这些都是无法用线性系统的理论来透彻说明的。

4 结 论

通过对平行打纬机构进行仿真分析和实验验证，深入探究了凸轮转速和构件材料对弹性连杆条件下钢筘前死心位置的影响和偏差产生原因，并得出如下结论：

a）钢筘向前打纬的运动过程存在过摆现象，弹性连杆条件下的刚柔耦合模型的钢筘动态响应更能反映打纬机构的真实运动。

b）仿真与实验结果得出的钢筘前死心位置偏差随凸轮转速的变化总体趋势是一致的，都表现为凸轮转速在180 r/min以内钢筘的前死心位置稳定且偏差值较小。研究结果对实际的工程项目具有一定的指导意义。

c）基于仿真分析得出，连杆从动件选用比刚度更大的金属材料有助于减小钢筘前死心的位置偏差，研究结果对共轭凸轮平行打纬机构的设计和优化提供了参考。

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Abstract： The double-rapier loom is a kind of weaving machine that is mainly used for weaving spacer fabrics. The research on double-layer rapier looms in China started in the middle and late 1980s. The domestic double-rapier looms have been restricted by the limited technical level， the low reliability of the equipment， and the low speed. The general weaving efficiency is only 80-85 weft/min， and the industrial production has not been realized. The relevant foreign products can reach 180 weft/min. Therefore， it is of great significance to study the dynamic characteristics of the beating-up mechanism for speeding up the high-speed process of domestic spacer double-rapier looms.

With the increase ofthe loom speed， the connecting rod components in the parallel beating-up mechanism with a conjugate cam and four connecting rods will deform more under the action of the inertial load， resulting in deviation between the reed front dead center position and the ideal position， and affecting the beating-up accuracy. To solve this problem， we adopted the method of combining virtual simulation and experiment to study the mechanism. First， we discretized the link components that are regarded as elastomers based on ANSYS software， and jointly used ADAMS software to establish the rigid flexible coupling dynamic model of the parallel beating-up mechanism under the flexible link. The model was simulated every 20 r/min as a data point within the range of 80-300 r/min of the cam speed， modal analysis of the driven link mechanism was carried out， and the influence of different cam speeds on the reed front dead center position was investigated. Then， nodular cast iron， cast aluminum， medium carbon structural steel and alloy structural steel were selected as the connecting rod materials. At the same speed， the mechanism model was simulated to explore the influence of different materials of the elastic connecting rod on the dead center position of reed. At the same time， the experimental platform was built， and the laser displacement sensor was used to measure the deviation between the actual front dead center position and the theoretical position of the reed under different cam speeds， so as to verify the conclusions of the simulation on the impact of the cam speed on the reed front dead center position. The results show that there is overswing phenomenon in the process of the reed beating-up， and the reed dynamic response of the rigid flexible coupling model under the condition of elastic linkage can better reflect the real motion of the beating-up mechanism. The simulation and experimental results show that the overall trend of reed front dead center position deviation is consistent with the change of cam speed. It can be seen that the influence of cam speed on reed front dead center position is nonlinear， and the reed front dead center position is stable and the deviation value is small when the cam speed is within 180 r/min. Based on the simulation analysis， it is concluded that the selection of materials with greater stiffness than elastic connecting rod components is helpful to reduce the reed front dead center position deviation.

The research results have a certain guiding significancefor the actual engineering practice， and provide a reference for the design and optimization of high-speed conjugate cams and four-bar parallel beating-up mechanisms.

Keywords： parallel beating-up mechanism; elastic linkage; rigid flexible coupling model; front dead center position; response deviation; specific stiffness