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东华大学硕士学位论文 地毯簇绒机簇绒针传动机构动力学分析 地毯簇绒机簇绒针传动机构动力学分析 摘要 生活水平的提高，使得人们对地毯的需求量不断增长。根据统计， 簇绒地毯占整个地毯市场份额的8 0 以上，但我国簇绒地毯的产量 仅仅是全世界的3 。究其原因在于国内地毯装备的研究、设计与制 造方面较比国外存在差距。一方面，国内还没有形成具有自主知识产 权的簇绒技术，地毯织机严重依赖进口，但根本无法满足整个地毯市 场的需求。另一方面，只有少数国家拥有地毯织机的关键技术，严重 制约了我国地毯织机技术的发展。因此，针对地毯业的巨大市场潜力， 各企业开展核心技术研究，簇绒技术的国产化已经迫在眉睫。本文研 究的对簇绒机簇绒针传动机构的动力学分析正是基于这个背景提出 的。在传动机构中，细长轴作为其核心，承受着多点交变载荷，更是 研究的重中之重。 本文以研究簇绒机簇绒针的传动机构机械结构为出发点，对现有 的簇绒针传动结构进行了s o l i d w o r k s 三维建模，a d a m s 运动学 仿真，以及a n s y s 动力学分析。针对分析结果，对传动机构进行改 进设计和后续的动力学分析，以较比改进后参数的变化，以验证改进 设计的可行性。主要研究内容有： 1 针对一簇绒机型，在s o l i d w o i 水s 中建立簇绒针传动机构进 行三维建模。对模型进行四杆简化，得到机构中各杆件的位置、角速 地毯簇绒机簇绒针传动机构动力学分析 度和加速度及杆件上各点的位置、速度和加速度。通过运动分析，指 导参数设计和受力分析。 2 借助虚拟样机技术，运用运动学分析软件a d 蝴s 对簇绒机传 动机构进行运动学仿真分析，并将分析数据导入动力学分析软件 a n s y s 进行动力学分析。动力学分析过程中，主要对传动机构的细 长轴进行了载荷分析。 3 针对动力学分析结果，分别提出三种方案：重新设计长轴、重 布局轴上连接点和增加轴承支撑。综合考虑方案的可实行性、复杂程 度和改进后效果，选择最为方便、效果最好的一个方案优化即改进簇 绒机上横箱结构。对新设计进行运动学仿真和动力学分析，将分析结 果与原设计进行比较，验证改进设计效果。 4 集中阐述模型从建立到分析过程中的缺陷以及对分析结果的影 响大小。进一步说明本文提出的设计方案的不足以及对传动机构优化 设计的展望。 本文首先对簇绒机现有传动机构运动学仿真和动力学分析，得到 轴受力变形情况。根据分析结果，重新设计上横箱结构，再次对轴进 行动力学分析后，比较轴的受力情况，达到了簇绒机传动机构改进的 目的。不足之处是没有结合轴的修改和结构布局的优点，进行整体优 化。 关键词：地毯簇绒机，四杆机构，建模，运动学仿真，动力学分析， 改进设计 东华大学硕士学位论文 地毯簇绒机簇绒针传动机构动力学分析 d y n a m i ca n a l y s i so fd r i v i n gm e c h a n i s mf o r f = fk i nt h f t i n gm a c h i n e a b s t r a c t t h er e q u i r e m e n tf o rc a r p e ti sc o n t i n u a l l yi n c r e a s i n gw i t hb e t t e rl i f e a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c s ， t u r i n gc a r p e ti ss u p p l i e dm o r et h a n8 0 o fm a r k e ts h a r e ，h o w e v e rc h i n ao n l yo c c u p i e s3 o f t u r i n gc a r p e tp r o d u c t i o ni nw h o l ew o r l d t h es t a t ea t 仃i b u t e st ot h et u r i n gt e c h n o l o g ya b o u t r e s e a r c h d e s i g na n dm a n u f - a c t u r i n gi sf a rb e h i n do t h e r s a b r o a d o n er e a s o ni si n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t o fc a 叩e tt e c h n o l o g yh a sn o tb e e nf o n n e di nc h i n as om a tw i t h i m p o r t i n gt h ec a 印e tm a c h i n e ，t h er e q u i r e m e n ti ss t i l lm o r et h 加t h ep r o d u c t i o n t b eo t h e rr e a s o n i st h ea d v a n c e dt e c h n o i o g yi so w n e di ns e v e r a lc o u n t r i e st ol i m i tt h ed o m e s t i ct e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n t t h e nt oc h a n g em es i t u a t i o n ，m a n yc o m p a n i e sd e v e l o pc o r et e c h n o l o g yt oh a v e i n d e p e n d e n tt u 崩n gt e c h n o l o g y t h ed y n a m i ca 1 1 a l y s i so fd r i v i n gm e c h a n i s mi nt u r i n gm a c h i n ei s r a i s e da t 也eb a c k g r o u n d i n “v i n gm e c h a l l i s n l ，t h es l e n d e rs p i n d l ei sp r i o rt od e v e l o p ，b e c a u s ei t a st h ec o r es y s t e mi ss u 腩r e dw i t ht h ev a r i a b l el o a d s t a r tf b mr e s e a r c h i n gt i l es 仃u c t u r eo fd r i v i n gm e c h a i l i s mt od r a wt h e3 dm o d e i i n gi n s o l i d w o r k s ，t os i m u l a t ek i n e m a t i c a lm o v e m e n ti na d a m sa i l dt oa n a l y z ed y n a m i c a ll o a di n a n s y s o nt l l eb a l s i so f 柚a i y s i s ，i m p r o v e l em e c h a i l i s m 锄d 锄a l y z et t l en e w0 n et oc o m p a r e w i t ht h e o l dl o a dr e s u l t m e nv e r i 匆m ea v a i l a b i l i 够o f i m p r o v e dd e s i g n t h ec o n t e n ti n c l u d e s ： 1 a c c o r d i n gt ot 1 1 e r e a lt u 俞i i l gm 犹h i i l e ，d r a wm es 锄ed i m e n s i o n a lm o d e l i n gi n s o l i d w o r k s s i m p “矽t h em o d e l i n gt 0f o u r - b a rm e c h a n i s mt og e tt l l ep o s i t i o l l v e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o no fi i n k e dp o i n to ne a c hb 她t h ed a ：t ac 锄g u i d em e a n a l y s i so f d e s i g na n dl o a d 2 w i t hv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n 0 1 0 9 y u s ea d a m st os i 舢l a t ek i n e m a t i c a lm o v e m e mo f “v i n gm e c h a n i s ma 1 1 d 锄m y z et h el o a do ns p i n d l et oe x p o r tt l l el o a dd a t a i m p o nt h e s ed a t at o a n s y st oa n a i y 臻t h el o a ds t a t e t h e s ea n a i y s e sa r em o s td e v e l o p e do ns p i n d l e 3 w i t ht h e1 0 a da n a l y s i s ，m a k en l r e ep r o p o s a l sr e s p e c t i v e l y ：r e d e s i g n i n gt h es p i n d l e r e a d j u s t i n gt h el a y o u tt h el i i l l ( e dj o i n to ns p i n d l 以l d d i n gan e wb e a r i n g c o n s i d e r i n gt h e a v a i l a b i l i 叫c o m p l e x 时a n di m p r o v e de f f e c t ，c h o o s em em o s tc o n v e n i e n ta n db e s tp r o p o s a l i t m e 锄sm o d i 矽i n gm eh o r i z o n t a ls 饥j c t u r et 0b e 撕n gh o u s e k i n e m a t i c a ls i m u l a t i o n 锄dd y n 锄i c a l l i i a n a l y s i sf o rn e wd e s i g na r er e s e a r c h e da n dc o m p a r e d t ot h eo l do n et ov e r i 矽h o wt h ed e s i g ni s 4 e l a b o r a t ew h a tt h el a c ki sa n dh o wb i gt h ei n f l u e n c ei s i nt h ep r o c e s s 疗o mc 。e a t m g m o d e l i n gt oa n a l y s i s m a k ef u r t h e re x p l a n a t i o na b o u t t h ed e f i c i e n c i e so fi m p r o v e dd e s i g na n dt h e p r o s p e c to no p t i m i z a t i o nd e s i g n - r e s e a r c ht h ek i n e m a t i c a ls i m u l a t i o na n dd y n 帅i c a la n a l y s i so fd r i v i n gm e c h a n i s m t og e tt h e d e f o r m a t i o ns i t u a t i o no ns p i n d l e r e d e s i g nt h em e c h a n i s m s t r u c t u r et od e c r e a s et h ed e t o m l a t l o n t h e na n a l y z et h en e wd e s i g ni na n s y s a n dc o m p a r ew i t ht h eo l do n et ov e 。i 母h e1 m p m v e d s t r u c t u r e t h el a c k i sw i t h o u tc o n s i d e r i n gi m e g r a t i o nt h e m o d i f i c a t o no fs p i n d l e i n t ot h e a d j u s t m e n to fs t r u c t u r e ，o p t i m i z et h ev m o l e s t r u c t u r e c h e n gh a n g - h a n g ( m e c h a n i c a ld e s i g na n d t h e o 巧) s u p e r v i s e db yg uh o n g - b o k e y w o r ds ：t u 衔n gc a r p e t m a c h i n e ，f o u r b a r m e c h a n i s h l ，m o d e l ，k i n e m a t i c a l s i m u l a t i o n ，d y n a m i c a la n a l y s i s ，i m p r o v e dd e s i g n i v 东华大学硕l ? 学位论文 第章绪论 第一章绪论 1 1 地毯生产发展的历史 地毯作为软质铺地材料，拥有悠久的历史发展过程，可以追溯到上古巴比伦 和古埃及时代。1 8 世纪的英国工业革命，蒸汽机的发明，促成了以其为动力的 纺纱机、织布机的出现，使纺织机械迅速崛起。从第一台的布鲁赛尔地毯织机到 后面的威尔顿织机和阿克明斯特织机，这些织机一直沿用至今，并代表着机制地 毯的开始。 之后的1 0 0 多年，地毯织机一直不断改进，解决了毯面提花及色彩搭配问题， 但由于其生产效率地下，花色、品种单调等问题，生产总量及规模上远不及手工 编织地毯。手工纺织地毯仍然占地毯市场的主导地位。 直到2 0 世纪4 0 年代，英国发明簇绒机，彻底结束了手工纺织的时代。因为 簇绒机是采用类似缝纫机那样用绒纱植入已有的织物上，改变了在织机上既织布 又植绒的传统方法，在一定程度上摆脱了生产速度的限制。因此，这种新方法大 大提高了生产效率，又是一次地毯生产技术的革命。与此同时，美国杜邦公司发 明了尼龙纤维，在地毯用绒纱的领域里，开始取代羊毛、黄麻等纤维的传统地位。 到2 0 世纪8 0 年代，美国9 5 以上的地毯是由各种合成纤维为原料所制。所以， 簇绒机和各种合成纤维原料的搭配，使机制地毯在生产规模、品种开发、新技术 移植等方面都是一个很大的飞跃。 我国生产地毯的历史可以追溯到2 0 0 0 年前的东汉时期，那时的地毯，不仅 其外观组织紧密，毛绒平齐，而且编结技法相当精细。手工编织地毯流传至今， 已经形成各种不同层次和艺术图案风格，并在各地方分别形成了各自的流派。手 工地毯不仅作为室内铺地、装饰甚至当作艺术品欣赏，大量出口海外。2 0 世纪 8 0 年代后，以簇绒机为首的机制地毯，席卷了世界市场，同时也终结了我国手 工地毯辉煌的时代。 1 2 研究背景 随着生活水平的不断提高，对地毯的需求量不断增长，手工纺织地毯已经严 重不能满足需求。簇绒机行业的兴起，在很大程度上解决了这个问题。但由于我 国簇绒技术起步比较晚，目前大多数的簇绒机都是依赖进口，且并非国外的先进 机型。这就促使我们一定要开展簇绒机核心技术的研究，从根本上掌握地毯装备 设计方法。尤其是我国加入世贸组织后，世界地毯市场的一体化进程明显加快， 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 地毯的竞争更加激烈。生产簇绒地毯的厂家只有提高簇绒地毯生产效率，改善产 品质量，增加簇绒地毯花色品种和科技含量，才能在地毯市场竞争中居于有利地 位。 我国的地毯产业是一个新兴的朝阳产业，虽然地毯产量一直以两位数增长， 但主要都是中低档产品，中高档产品仍然基本靠进口。究其缘由，一部分在于我 国的地毯装备产业起步晚，地毯簇绒装备全部依赖进口。另一部分在于先进的簇 绒装备制造技术被少数国外厂商垄断，严重制约了我国地毯产业的发展，因此我 国地毯簇绒机的设计理论的空白急待填补。 目前，地毯行业在国内市场的竞争日趋激烈，拥有先进的设备，生产出的地 毯物美价廉，是企业抢占市场份额，赢得良好经济效益的直接途径。所以，企业 人力开展簇绒机技术研发，对企业的持久发展具有十分重要的意义。同时，也能 使企业拥有良好的竞争优势，积极地抢占国内外地毯市场份额。 现在，国内大部分的企业都是生产一些小型台式簇绒机，如特思特机械制造 有限公司、天龙公司和梦都美公司等。与国外生产的大型簇绒机如带提花功能的 宽幅机类似的机型，在国内很难找相关的成熟产品。因此，国内簇绒地毯生产企 业不得不以高昂的市场价格从国外进口技术先进的簇绒机。但是，这种大型的簇 绒机的进口价格每台都要几十万，有的甚至需要上百万。这样，问接地增长了簇 绒地毯的生产成本，不利于企业的市场竞争。 在国内，地毯行业正处于蓬勃的发展阶段，有待提升的空间还很大。因为， 无论规模上，还是产量上，现在都远不及国外任何一家大型的地毯厂家。每年， 还是要从国外进口十几台甚至几十台织机。因此，提高我国的地毯簇绒技术水平， 是降低簇绒地毯生产成本，提高企业市场竞争力的根本。本文研究簇绒机旨在改 进传动机构设计，减小细长轴的受力变形，提高生产效率。这对提升我国地毯装 备技术水平，具有指导性的意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国际簇绒机技术现状 2 0 世纪4 0 年代，簇绒地毯的商业化生产大规模开始，但主要集中于英美等 国家。国际上的簇绒装备生产技术以英国的c o b b l e 公司，美国的t u f t c o 公司、 c m c 公司和日本的山口产业株式会社、平岗株式会社等主导世界先进水平，且技 术上各有优劣心3 。随着科学技术的不断飞跃，地毯簇绒机正逐步迈向高速化、数 字化和信息化。 1 c o b b l e 公司作为英国老牌簇绒机制造商，其簇绒地毯技术处于全球前沿， 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 并始终专注于生产纺织品特别是地毯的多针缝纫机的制造。c o b b l e 的机器与一 般的簇绒机不同在于，它们其实专门针对特定的最终用户使用。其生产的超级簇 绒者( s t ) 系列和潘特拉( p a n t e r a ) 系列可以为客户提供较大的灵活性和生产的准 确性。c o b b l e 与贝加莱的合作研发，生产出包括c 0 1 0 r t e c ，l c l ( l e v e lc u tl 0 0 d ) ， f r s ( f u l lr e p e a ts c r o l l ) 和其它要求有伺服电机或模式控制的机器。这种研 发合作的模式巩吲了c o b b l e 公司在地毯簇绒技术上的领先优势。 2 t u f t c o 公司自上世纪6 0 年代，已经成为美国主要的地毯编织技术供应 商，并不断推出先进的簇绒生产技术。公司主要致力于根据市场需求为客户提供 完备的地毯技术解决方案。该公司的全幅宽控制喂纱提花附件采用每一根纱线由 一个独赢的伺服附件来控制，可实现数层绒头高度，在全幅宽上实现不重复图案。 3 c m c 公司是世界项级的簇绒地毯设备制造商之一，在美国仅次于t u f t c o 的簇绒机生产企业。c m c 公司大力发展多种提花技术，例如单针床单排针、细隔 距、罗拉( 卷轴离合器) 多绒高提花技术。同时，该公司可制造隔距为1 2 0 英 寸超细隔距毛圈簇绒机，其突出的特点是主轴和驱动之问是同步带传动，机架采 用的是整体铸造的方法。公司一直秉承以客户为中心，不断研发创新，关键精密 零部件坚持自己生产的三大原则，成功跻身于世界簇绒技术的前沿。 4 日本山口产业株式会社虽然发展比较晚，却拥有世界领先的簇绒控制技 术，尤其在平割平圈技术方面。簇绒机带有平割平圈控制附件，不仅可以织出全 幅宽、变化复杂的圈绒割绒组合地毯图案，也可织出类似c o b b l e 公司生产 m i n i l c l 机器织出的小图案。该机器可生产纯毛圈、纯割绒、平割平圈三种地毯， 其最大的优势是价格比欧美企业生产的具有类似功能的机器要低得多。h 1 。 国外簇绒技术的不断革新，带动了全球地毯行业的发展。各簇绒地毯设备制 造商，都分别有自己的发展特点，以及市场优势。在和平良好的竞争环境中，簇 绒技术正朝着控制速度高、编织簇绒地毯的图案和花型复杂化的方向发展。 1 3 2 国内簇绒机技术现状 我国簇绒技术的发展很晚，直到在2 0 世纪8 0 年代后期才起步。而国外早已 经有比较成熟的簇绒地毯生产线。所以，一些企业从国外引进多条配套的生产线， 并对其进行研究。最近的十多年，在簇绒技术的研发方面，已有了比较显著地成 效。据统计，国内已拥有簇绒机3 0 0 台，且大部分具有当前国际先进水平。 国内研发簇绒机技术的企业不多，其中，比较出名的几家是，威海的特思特 机械制造有限公司、浙江的天龙公司和广东的梦都美有限公司。近几年，许多地 毯厂家结合自己的情况，对簇绒机进行了许多改造，促进了簇绒地毯技术在我国 的发展。但由于自主研发簇绒技术起步晚，投入相对也少，所以我国的簇绒技术 东华大学硕士学位论文 第- 一章绪论 相比国外著名厂家还相差甚远。随着我国加入w t o ，国内的地毯厂家正在不断壮 大自身，提高竞争能力。 目前国内企业主要还是生产一些小规格的台式簇绒机，系统控制的针数多在 1 2 针以内。由于产品技术比较简单，售价不高，故企业获利较小。而宽幅簇绒 机，虽然也有，但技术停留在平割机或者圈绒机的水平上，不能达到市场对宽幅 花形地毯的需求。而利用宽幅平割机或者圈绒机生产出来的簇绒地毯是没有花形 图案的，要想得到带有花形的地毯还得通过印染技术把图案印上去，这与通过捉 花簇绒机直接编织出花形图案的原理是不一样的k 曲1 。 东华大学与簇绒生产厂家联合，共同研究簇绒机技术。自主研发的簇绒地 毯织机系列成套装备，在复杂提花时，主轴转速可以达到每分钟5 0 0 转，整机机 械效率达到9 7 ，图案分辨率精确度达到1 针，这些技术指标都：人人超越了国外 装备。其关键技术一一台织机上实现多种电子罗拉任意组合提花，是我国所独有 的。 另外，我国还独创了在线复合提花机构。将多种提花方式集成到一台簇绒 地毯织机上，集成了各种提花方式的特点，通过超越离合器机构和提花方式选择 控制器组件。根据花型在线优选提花方式和在线进行提花方式的组合，极大拓展 了花型的可织范围，使我们能织造出国内外现有织机无法织造的大型复杂花型， 并有效提高了织造精度。 自主研发簇绒地毯织机技术，虽已有丰硕的理论研究成果，但仍然存在技 术难点。为提高我国的簇绒技术水平，一定要加大相关企业、科研院的开发力度， 形成一个创新能力强大的团队，依托项目成果，解决簇绒技术难题。 1 4 簇绒机传动机构的研究现状 1 4 1 簇绒机传动机构设计 根据地毯簇绒运动的工作原理，设计了由曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构组合 而成的簇绒针传动机构，并对连杆机构进行数学分析，着重对簇绒针刺入底基布 时的运动和受力状况进行讨论，确定了曲柄的最优设计值，已应用到d h t 一2 0 0 地毯 簇绒机中。 图1 是簇绒机传动机构的四杆简化，共分为两部分。第一部分是一个曲柄摇 杆机构，由l 。，l 。，l ：组成，将主轴0 。的旋转运动转化为轴o 。在一定角度内的往 复运动。第二部分是偏置曲柄滑块结构，由l 。，l 。组成，将轴o 。的往复运动转化 为滑块的往复直线运动。在机械装配上，簇绒针和滑块是固连在一起的。这样就 最终将主轴的旋转运动转化为簇绒针的上下运动。其中，曲柄摇杆机构中转动副 4 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 0 。为周转副，根据四杆机构理论，最短杆长度+ 最长杆长度要小于其余两杆长度 之和的杆长条件n 。3 ，杆0 。a 为最短杆。根据主动杆件0 a 的运动，求出机构中其 他杆件的角位置、角速度和角角加速度以及杆件上各点的位置、速度和加速度。 根据其运动分析，指导参数设计，为受力分析提供理论基础。 图1 簇缄针的驱动机构 由构件l e ，l l ，l 2 组成的曲柄摇杆机构 咛2 钮n 1 型篙 岛= 毒，兰纂 审3 = ( j i ) ( 卜】) ( 卜弓) 【l l 毒2 2 + l e 毒l s 沁( 圣1 圣2 ) + l e 毒1 2 c o s ( 审l 一2 ) - l 2 南3 2 c o s ( 由3 - 巾2 ) 】【l 2 s j n ( 屯- 审2 ) 】 其中，e = l o l 。c o s 零1 ( i 一4 ) f = 一l e s i n 由l g = ( e 2 + f 2 一l 2 2 l 1 2 ) 2 l 2 再以曲柄滑块机构的运动分析方法【i o 】，得到滑块速度和加速度 s = l 3 c o s 由4 + l 4 c o s 由5 毒4 堡坐兰笋 c o 暑p 矗 ci 一箩) 一6 ) ( | 一7 ) ( 7 一寥) l 3 蒂4 s i n ( 由4 审5 ) + 毒4 2c 。s ( 4 5 ) 】+ l 4 毒5 ) c 。s 由5 【1 6 1( - j 一7 ) 对机构作运动分析，利用a d a m s 仿真软件，建立参数化模型，运动约束，分 析机构中零件的位移、速度、加速度、作用力和力矩。以曲柄l 。为参数，在同 主轴转速、保持簇绒针动程不变的前提下分析，得到如表1 ，l 。变化时，簇绒针 刺入底基布时的速度和角速度。 1 翌塑圭_ ：垒：兰坚一一一鎏塞f ；l l 銎兰：! ! l i l i 塞窒：l ；墨坠童：2 1 0 8 3 7 0 5 l l4 s 3 4 1 | 1 5 2 0 一 - - 3 0 9 2 4 。8 5 0 9 4 2 2 7 0 9 5 4 。8 1 5 9 5 2 6 5 2 19 8 1 1 6 6 1 3 9 4 9 4 20 8 1 s 5 3 25 4 0 。6 5 0 l 。以每5 咖的增长速度，簇绒针刺入底基布的速度和加速度变化，并不是一 直降低。随着l 。的增大，针速先增大后减少。l 。大于或等于1 5 咖时，基本不变。 而簇绒针刺入底基布时的加速度变化成波浪形，先负后正。这里的负加速度为惯 性力方向于刺入底基布的运动方向相同，有利于克服刺入时的阻力，反之为正。 加速度的绝对值相比于织布机并不大，系统的振动也较小。 所以，根据分析，l 。应小于2 0 咖。太小时，工艺难，与之配合的l 。较长，会 存在主轴箱内布局不合理性。故选取曲柄长度为1 5 肿。l 。的确定，其他杆杆长也 随之确定，传动四杆机构基本设计完成u 州。 1 4 2 簇绒机轴系动力学问题 轴系作为地毯簇绒机的核心，其动力学特性决定着地毯的织造质量。轴系的 振动会引起地毯毯面不平，绒高不到位，甚至有可能使针钩的成圈动作失调或毯 面无绒圈而产生废品。所以，簇绒机轴系的振动是制约簇绒技术发展的一个关键 因素。轴系问题的解决，将在很大程度上提升簇绒地毯的成品率，降低生产成本， 织造出精细的，整平的优质地毯。 主轴系统，主要由电机、主轴、连杆机构和簇绒针组成。以电机驱动主轴， 主轴上套有多组连杆机构，以其为执行机构，带动簇绒针做上下往复运动。轴系 驱动簇绒针，刺入具有一定张力的底布时，底布和纱线的张力是变化的。所以， 6 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 主轴系统中的细长轴承受着多点交变载荷，为时变系统n 引。轴系的动力学特性复 杂，研究方向多样。 国外的研发机构，针对高速主轴机械系统的动力学问题，主要从四个方面进 行研究。 1 从轴系动力学角度研究轴系质量偏心对轴系变形和振动的影响，提出将偏 心曲柄安装在从动轴上，使主轴没有偏心载荷两仅仅传递扭矩，完全不承受径向 交变应力，不存在主轴疲劳断裂问题，该主轴最高转速可达到1 3 2 0r m i nj 。 2 通过分析轴系旋转不平衡及对轴系振动的影响机制，提出多组曲柄滑块机 构由2 根平行的、转动方向相反的主轴驱动，改变了系统的受载方式，主轴系统 达到动态平衡，减弱了系统的振动，该主轴最高转速近2 0 0 0 r m i n 且不失稳，。 3 依据轴系激振的原因，提出将执行连杆机构的输出末端通过气缸与针、钩 连接，主轴系统通过多组气缸的阻尼作用，使系统的激振大大减弱2 ”。 4 针对国内进口装备的主轴系统，采用多组四连杆机构串联方式，为6 杆或8 杆机构，执行连杆机构组合简单，利用平衡块方式解决连杆机构不平衡问题，但 只能局部动平衡，主轴最高转速一般不超过9 0 0 r m i nm - 。 国外设计地毯簇绒机的轴系，主要是通过改变支承、轴和连杆的数量和结构 配置方式，或者是引入先进的气动伺服控制技术等方式，使主轴系统有不同的动 力学特性，继而主轴所达到的转速也有不同。 国内对轴系动力学问题研究是用轴系的建模法和振动问题分析方法，来分析 其载荷特性和影响因素。研究的主要内容有 1 主轴系统上的变载荷及其对轴系振动的影响。主轴上套有多组多套连杆机 构，簇绒运动过程中，连杆机构会对主轴产生周期性的扭矩。主轴系统主要是通 过一连串的杆连接，将轴的旋转转化为簇绒针带着纱线在底布上作往复穿刺运 动。由于纱线和底布都具有变化的张力，因此产生作用于主轴的变化载荷。这种 交变载荷和扭矩，能激发出轴系的一个或几个模态的振动响应。 2 主轴系统的动平衡问题。簇绒机中，轴系的不平衡，有两部分的原因。一 部分是由于地毯簇绒机中主轴长径比可达1 5 0 ，有轴承，自重等，另一部分是由 于各种材质的不均匀，安装上的误差等。除了主轴自身的质量不平衡原因外，另 外一个原因是连接其上的多组多套连杆机构，存在不平衡情况。这些轴系的不平 衡，会引起轴的弯曲振动。因此，轴系的动平衡很值得研究。地毯簇绒机轴系的 不平衡情况比较复杂，一方面需要进行轴转子平衡，另一方面，还要对机构进行 平衡调整，分析局部平衡后，残余的不平衡量对轴系振动的影响。 3 轴系建模和弯扭耦合问题。轴系建模首先是建立轴系的力学模型，然后应 用有限元法，将主轴离散化，计算轴系固有扭振特性、刚度和阻尼特性，分析轴 系的弯曲振动、扭转振动以及弯扭耦合问题。 东华大学硕= l 学位论文 第一章绪论 4 执行机构的优化。地毯簇绒机中多组的连杆机构，导致分析引起激振的因 素复杂化，且难以用模型或实验获知。所以，执行机构的新型设计需从简化结构 形式方面着手，力求从机构设计角度减少激振凶素1 4 1 。 1 5 课题的研究意义 地毯行业前景广阔，但我国的簇绒地毯技术起步晚， 投入相对也少，所以 企业在市场上得竞争力不够。由于簇绒技术的落后，企业主要还是生产一些小规 格的台式簇绒机。先进的簇绒制造技术和大型的地毯装备都要依赖进口。为打破 这种市场格局，地毯簇绒技术的创新与研发已经势在必行。本课题的研究工作对 提高地毯簇绒技术，加快簇绒机生产效率具有指导意义。 本课题的目的就是在现有落后簇绒机的基础上，对簇绒针的传动机构改进。 针对长轴的受力分析结果，提出三种方案：一是从长轴的几何形状上加以考虑， 改变长轴直径或者将其设计为阶梯轴，在受力最严重区域，增加其直径以减缓受 力变形状况。二是从簇绒机传动机构的结构入手，调整长轴上各个连接处位置， 可以在一定程度上减少变形。三是不用对轴做任何的变动，直接在轴最脆弱区域 增加一个轴承支点，直接修改其中一个箱体的结构就能再很大程度上改善轴变形 问题，改动较为简单，且效果显著。综合分消息三种方案后，最终确定了第三个 方案为改进的设计，并加以建模，动力学分析，与原结果进行对比，以验证方案 的可行性。 本文利用s o l i d w o r k s 对簇绒机进行实体造型，a d a m s 对模型进行仿真运动 分析，a n s y s 进行动力学分析。为簇绒机传动机构改进，提供一定的理论支持， 为设备的进一步开发和生产开辟了新的研究方向。 1 6 本文的研究内容 本课题所研究的是簇绒机传动机构，是针对当前国内落后的簇绒生产技术， 做出在机构上的改进设计。在现有的技术基础上，在满足工艺等要求的条件下进 行传动机构的结构改进。主要从两方面进行，一方面是对主轴进行重设计，包括 改变轴直径或者长度等，另一方面是，对长轴上连杆机构进行重新布局或者是增 加支撑点。对改进后的机构进行动力学仿真分析，提高簇绒设备结构合理性。 本课题是在原有的传动机构上进行改进，在参照对簇绒机轴系问题的研究， 利用三维软件建立力学模型，利用有限元法，在仿真软件a d a m s 和分析软件a n s y s 中，对长轴的振动、弯曲变形进行分析。从而针对现有的长轴存在的变形问题， 进行优化设计。从两方面进行考虑设计，并对两方案进行比对，得到较优的改进 方案，进而改善簇绒工艺。 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 论文的主要工作如下： 1 研究簇绒机的工作原理、簇绒工艺流程和机理，并了解簇绒机的结构组成、 各部件功能、工作参数和功能模块 2 根据现有的簇绒机实体，在三维软件s o l 工d w 0 r k s 中，建立力学质量模型。 研究模型简化后，四杆机构的各杆件之间的位置、速度和加速度以及受力载荷的 联系。 3 借助接口文件，将力学模型顺利导入到运动学仿真软件a d a m s 中，通过运 动学分析，得出模型中，长轴所受的交变载荷的情况。将各个时刻点对应的受力， 以数组的形式导出，通过a p d l 命令，将数据输入到动力学分析软件a n s y s 中， 进行力学和模态的分析，得出长轴的受力图、固有频率以及相应的振型。 4 根据分析结果，提出三种改进设计方案，选择其中一种为最终设计方案， 并加以分析验证方案可行性。 5 从各个角度分析理论结果与实际结果之间的误差，确定优化方案是否可以 应用于现有簇绒机。 9 东华大学硕i j 学位论文第二章簇绒机的机构研究 第二章簇绒机的机构研究 地毯作为软质铺地材料，拥有悠久的历史发展过程，可追溯到上古巴比伦和 古埃及时代。但直到2 0 世纪4 0 年代，英国才发明了簇绒机，堪称地毯生产技术 的重大革命。因为簇绒机大大提升了地毯生产效率，不再是织布与植绒一起，而 是通过簇绒针上下往复运动，将绒纱植入机织物或非织造织物的底布上，原理类 似于缝纫机，只是簇绒机的横向排上有成千上万根簇绒针。 2 1 簇绒机的构造 地毯簇绒机分为六部分，分别是绒纱架、输纱管、簇绒机构、检查与修织和 成卷机构，如图2 示。 图2 地毯簇绒机的组成 1 簇绒架；2 输纱管；3 _ 盎筵绒机构： 4 检查与修织机构；5 一成卷机构 l o 东华大学硕士学位论文 第二章簇绒机的机构研究 2 2 簇绒机工艺流程 卜绒纱筒子2 输纱管3 绒纱4 _ 喂纱罗拉5 导纱张紧装置6 偏心轴7 针床8 - 鑫蓐绒针 9 - 压板1 0 _ 卷布刺辊1 1 地毽1 2 成圈钩1 3 摆动装置1 4 托板1 5 底布 图3 缬副洼产沛：程图 簇绒机生产流程比较复杂，如图3 所示。绒纱从筒子架上引出，穿过架顶部 的输纱管，每管穿一根纱可以防止绒纱在小张力下互相缠结。输纱管的内径1 4 i n ，用压缩空气喷枪将绒纱穿引进长长得输纱管之中十分方便。绒纱成片穿出输 纱管后经过一对喂纱罗拉之后穿进两组导纱孔，喂纱罗拉对绒纱是积极带动的， 喂纱罗拉的速度决定了绒纱的喂入量和张力，从而确定了地毯绒头的高度。两组 导纱孔中的一组是固定在针床上，使每一根绒纱正确地导入相应的簇绒针，而另 一组导纱孔是摆动的，两组导纱孔相对位置的变化时当簇绒针上提时防止绒纱突 然松弛，有一个蓄纳的机会，同时也起到调节绒纱张力的作用。簇绒针由偏心轴 传动穿过梳状托板的齿隙作上下往复运动，其动程是固定的。簇绒用的底布是以 成卷的方式提供，底布布卷由卷布刺辊回转时引出，并在梳形托板的上面通过。 此时簇绒针往下运动时呆着绒纱穿过底布，簇绒针往上提针时又将绒纱从底布中 拔出。在簇绒针的周边装有固定的压脚，防止底布随簇绒针上提时防止底布浮起。 两个卷布刺辊与底布的行走速度是同步的，底布行进的长度，就确定了地毯在一 定长度内簇绒针扎入底布的针迹数，同样也确定了毯面直向的簇绒密度【l 5 1 。 2 3 簇绒机工作原理 图4 平割高低圈簇燃织地毯黼械原理结构 机器上有两组送线筒，分别为高速送线筒组和低速送线筒组。且各组有两个 送线筒分别与另一组的两个送线筒分成上下两排间隔排列，每根纱线间隔地穿过 高、低速送线筒的槽。开启电气阀2 ，气缸2 推动助动片2 动作，同时带动压轮 把纱线压紧在送线筒上。这样，当送线筒转动时，纱线就可以以一定的线速度向 下运动，且纱线的运行速度将取决于送线筒的转速。在纱线往下运动的过程中， 底基布由刺筒2 向刺筒1 运动。当簇绒针引入纱线后，开始下降，直至最低位置， 同时电气阀1 开启，气缸1 带动助动片1 ，推动着钩刀，穿过针与纱线之间的间 隙向刺筒2 的方向运行至最左端位置，形成新绒圈。之后，簇绒针开始向上运动， 钩刀则抓住新绒圈开始后退。当割刀与钩刀形成的夹口闭合时，钩上的绒圈将被 割开，这样在底基布上就织出割绒u 7 。 圈绒的编织与割绒稍有不同。圈绒簇绒机中，没有割绒刀，且钩刀安装的方 向正好与割绒相反。成圈钩的在簇绒针向上运动时，控制钩刀后退速度，使其大 于底基布移动速度，新的绒圈将在没有被簧片钩住的情况下从勾刀上脱离出来， 这样就形成了圈绒。圈绒的绒毛高度，受制于纱线的运行速度，进而受制于送线 筒的转速。 整个簇绒过程，实际上是送纱一钩纱一脱纱的运动循环。簇绒针带着纱线刺 穿底基布做上下直线运动，钩刀在气缸作用下作左右运动，以一定规律关系进行 运动合成，最终达到了在底基布背面形成绒圈的目的。 1 2 东华大学硕士学位论文 第二章簇绒机的机构研究 2 4 簇绒地毯的成圈工艺 图5 圈绒的成圈过程示意图 簇绒针；2 绒纱；3 底布；4 - 成圈钩 当簇绒针引入绒纱后开始下降，如图( a ) 所示，与此同时底布前行，成圈 钩向左移动，准备钩住即将形成的绒圈，原来钩上的绒圈顺次沿着成圈钩滑动而 离开倒钩部分。当簇绒针继续下降到最低点，图( b ) 所示，成圈钩在绒纱与簇 绒针之间穿过。成圈钩是一薄钢片，钩尖所指的方向与底布运动方向相反。同时， 割绒刀下降，让先前的绒圈沿着成圈钩向右滑动。成圈钩在抓住新绒圈后，开始 后退，如图( c ) ，割绒刀于同一时刻开始上升直至最高位置。在刀片上升过程中， 将成圈钩上最后一个绒圈割开，至最高位时，成圈钩与割绒刀都推到各自最后的 位置。无论何时，成圈钩上一直保持有三个绒圈，一个刚从簇绒针上钩住，而原 来钩上的，处于最前端的那个绒圈则被割绒刀所割断，并随底基布移动而退出割 绒区。为保证割绒顺利，割绒刀通常采用高强度的钢材制就，且需经常磨砺。 2 5 地毯簇绒机的成圈原理 地毯簇绒成圈的方式有两种，分别是直接成圈方式和调节成圈方式，且形成 的高、低绒都受控于绒纱的喂入量和张力。 直接成圈方式：绒纱喂入量较少时，簇绒针下降，绒纱张力较大，处于紧绷 状态。因此，当绒圈从成圈钩上脱出，会产生回弹收缩量，随即形成一个低绒圈。 相反，绒纱喂入量较多时，簇绒针下降，绒纱张力较小，处于松弛状态，因此在 成圈钩上形成一个高绒圈。 调节成圈方式：先形成一个高绒圈，之后减少绒纱喂入量，只提供低绒圈所 需的量。因簇绒针的动程固定，供纱量的不足，会从上一个绒圈中抽出部分绒纱 弥补，而不会改变绒纱张力。这样，上一个绒圈就从高绒圈变为低绒圈。如果下 一个绒圈仍为低绒圈，则继续提供低绒圈的喂纱量。由此，高绒圈变为低绒圈时， 需多做一个高绒圈，利用补偿方式使最后一个高绒圈变为低绒圈。该种成圈方式 东华大学硕士学位论文第二章簇绒机的机构研究 是当前新型簇绒机上普遍采用的。 ( b ) ( c )( 由( e ) l - 上支点2 针鼻3 成圈钩4 簇绒针孓- 下支点酬黼次低点 图6 成圈过程示意图 图示为簇绒机调节成圈过程，其中簇绒针先下至最低后上至最高。图( a ) 为 簇绒针在次低位置，成圈钩尖与簇绒针眼的中心位于一条水平线上，且与簇绒针 尖端的距离为0 8 m m 。图( b ) 为簇绒针在最低位置，成圈钩尖与簇绒针眼的中心 位于一条垂直线上，且直线距离为4 咖。此时绒纱的张力最大，会从上一个绒圈 中抽出部分绒纱，到此，上一次成圈过程才算结束，绒高不再发生变化。图( c ) 为簇绒针由最低位置向上运动至次低位，成圈钩的针臂与簇绒针位于一条垂直线 上。此时成圈钩钩住绒纱，开始形成新的绒圈。图( d ) 为簇绒针继续上升，直至 离开底布，成圈钩向右摆动到极致，开始向左摆动。图( e ) 为簇绒针上升到最高 位置，此时成圈钩继续向左摆动，与底布的运动一起使绒圈脱离成圈钩。由于绒 纱的喂入量为低绒圈所需的量，小于底布与成圈钩的距离，促使其脱离成圈钩时 会产生回弹收缩量。成圈钩运动至极左，簇绒针开始下降至次低位，状态如图( a ) 。 簇绒针这样从下支点到相邻下支点的不断循环的运动称为成圈过程，包含两 个阶段，从下支点到上支点的收缩阶段和上支点到下支点的抽取阶段。收缩阶段， 纱线脱离成圈钩时，由于绒纱有一定的张力，会产生一个弹回量s ，而该值的大 小由当时的张力决定。抽取阶段，簇绒针运动至下支点，绒纱张力大于其与底布 之间的摩擦力，会从上一次形成的绒圈中