高速织机综框的动态特性分析与设计

1、高速织机综框的动态特性分析与设计作者：邱海飞王益轩林力刘欣论文关键词:织机综框振动特性动态设计有限元方法COSMOS论文摘要:综框是开口机构的主要工作部件,其动态性能的好坏会直接影响织机的正常工作。针对不同筘幅的综框,在SolidWorks软件中建立有限元模型,并计算求出综框的各阶模态振型,分析了其动态特性对织机的影响。提出了综框设计时改进其动态特性的措施和方法。综框是织机中的一个重要部件，织机经纱断头主要发生在综框邻近区域。近年来各种织机的入纬率不断提高。高速织机转速已达3000m/min以上。织机门幅也达380cm以上，这对综框的设计要求进一步提高。观察综框在织造中的运动状况，其动态受力有

2、综框上下运动的冲击力，织物张力所致的弯曲力，综框在环境温度变化下所产生的变形力等。这些因素都会使综框在织机运转过程中发生不同程度的振动。综框的振动不但会造成断经。影响生产效率；而且当其与织机转速发生共振时。还会造成横梁断裂甚至框架脱开口。所以在进行综框设计时，有必要研究其动态特性，进一步提高和改进综框的动态性能。本文通过对3种不同幅宽(190，230，280cm)综框的动态特性研究，对它们的模态振型进行对比分析.从而改善综框的结构设计，使其动态性能达到优良，适合各种高速织机的工作转速。本项研究在SolidWorks软件中建立综框的数字化模型，通过COSMOS块对其进行动态分析。获得综框的模态和

3、振型。在此过程中，综框模型完全按照国标(FZT94009-1992)规定所建立。保证了综框几何结构的准确性，具有生产实用价值。而COSMOS是当今世界上最快的有限元分析软件。它与SolidWorks无缝集成，不用考虑数据交换所产生的模型误差并且高精确的分析结果也已被业界所认可。这确保了本项研究结果的正确性。1几何模型综框的主要部件包括上横梁、下横梁、左右侧档、导板、穿综杆和综丝夹。本项研究先在SolidWorks中建立190cm幅宽织机上的数字化综框模型，然后在此模型基础上通过参数化技术方法，分别建立230cm与280cm幅宽织机的综框模型，其中综框的各部件及整体结构尺寸都是按照国标FZT94

4、009-1992所确立。建好的综框模型如图1所示。2有限元模型建立有限元模型时根据分析对象的结构特点，需要对已完成的几何模型进行简化处理，以便节省计算机资源。更加快捷地建立有限元模型。在此，去掉几何模型中一些关系不大的局部特征。就可以直接对综框划分网格。COSMOSWorks用高品质实体网格，网格单元为10节点四面体要素，如图2所示。网格划分过程中对综框各部件进行网格控制，使要素大小都适合各部件自身的形状结构，从而建立正确的有限元分析模型，保证获得精确的分析结果。网格化后的综框模型如图3所示。在对综框进行有限元分析之前必须定义它的材料特性，综框属于薄形框架类结构，织机工作时综框上下往复运动，承

5、受经纱张力动载荷，并且把剧烈振动传递给经纱。加剧了经纱在综眼中的摩擦。考虑到综框工作时的承载和变形情况，在综框设计时使用的材料必须要保证它的刚度和强度。本项研究在进行有限元分析时，对综框的上下横梁、左右侧档、导板及综丝夹选择COSMOSWorks料库中的铝合金材料1060-H18Rod(ss)。此型号铝合金材料具有质量轻强度高的特点，可满足综框工作时的性能要求。而对于穿综杆则采用强度高韧性好的弹簧钢65MN综框材料的主要参数如表1所示。至此，综框的有限元模型已建立完成，接下来就可以在COSMOSWorks对已完成的有限元模型进行求解分析。本项研究先对190cm幅宽织机的综框进行分析，然后通过参

6、数化技术手段改变综框的几何模型，分别对230cm和280cm幅宽织机的综框进行有限分析。COSMOSWor3种不同箝幅综框的分析数据如表2所示。由表2数据可知，以190cm箝幅综框为例。整个综框被划分为86048个单元，共157048个节点，每个节点有X、Y、Z方向3个自由度,最多可获得471144阶固有频率及相应振型。建立综框振动方程为：MX+KX=0此系统振动方程是一组二阶常系数齐次线性微分方程组，其中质量矩阵M为单位阵刚度矩阵K为对称阵，且M和K均为471144阶方阵。此振动方程可通过线性变换解耦合来求其解，而COSMOSWorkS用的是FFE(FastFiniteElement)求解器

7、。即快速有限元法，一种可以保证结果收敛的快速迭代法。其他两种综框振动方程的建立方法与此相同，但是由于有限元模型自由度的增多，振动方程组的维数也随之增大。3结果与分析运行求解后，获得了综框的固有频率和振型。由于织机的工作转速只与综框前面的部分模态有关故本文只考虑综框的前20阶模态，去除综框的刚体模态，得到1到20阶固有频率如表3所示。由表3数据可知。随着筘幅的增大，综框的各阶固有频率显著降低，在工况条件下就容易与织机的工作转速频率发展共振，产生很大的振幅使综框结构受到破坏，影响综框的使用寿命。对于190cm箝幅的综框，当织机工作转速到达1200r/min时，对其影响最大，因为它有2个20Hz左右

8、的频率。极其容易发生共振。它的2、3阶振型如图4(a)与(b)所示。由图4可以看出，对于190cm箝幅综框。其2、3阶振型都是横梁和穿综杆在发生不同程度的弯曲振动而综框的其他部件都未振动。由第2阶振型可以看出。综框的上下横梁及穿综杆都在振动如图4(a)所示。其中上下横梁发生较大的弯曲振动，而且相位恰好相反，最大振幅出现在横梁中部位置.此时织机转速频率如果停留在19.776Hz。那么综框横梁及穿综杆就极易发生断裂。故织机工作转速尤其要避开综框的第2阶固有频率。而其第3阶振型表现为横梁和穿综杆的横向振动振动幅度没有第2阶振型大。且最大振幅发生在距横梁右端约13处，如图4(b)所示。此时如果与织机转

9、速发生共振同样会对综框的结构造成破坏。由以上分析可知190cm箝幅织机工作转速应避开第2、3阶固有频率，以免横梁和穿综杆由于共振产生过大振幅而使其断裂。由表3数据可知当转速在600rmin和1800r/min时，对190cm综框没有什么影响；但如果织机要在1200rmin的转速下工作时就必须改进此综框的动态特性，以消除其第2、3阶振型。此时可以通过改变综框的结构特征，或者在综框上安装吸振装置来消除其共振频率和振型。对于230cm箝幅综框，由表3可知影响其600rmin工作性能的主要是第1阶模态。其振型如图5所示。综框上下横梁和穿综杆发生较大的弯曲振动横梁的中间部位是最薄弱、最容易断裂的地方。与

10、190cm箝幅综框不同的是，230cm箝幅综框完全可以用在转速为1200r/min的织机上，因为其没有20Hz左右的周有频率；但是当织机转速达到2000rmin左右时此综框就容易发生破裂，影响其动态特性的主要是第5阶振型。由图6可看出。综框的整个边框都出现振动。其中上下横梁及穿综杆发生垂直方向的振动，而侧档则发生左右方向的振动，此综框如果直接用于2000rmin的高速织机。将对综框造成致命性的破坏，即整个综框结构可能发生解体。图6中变形前和变形后的综框形成鲜明对比，准确且明显地预测了此综框在共振频率下的破坏程度和趋势。以此为依据。在进行综框动态设计时就可以有针对性地优化综框结构，使其动态特性适

11、合高速织机的工作要求。280cm箝幅综框的第2阶振型如图7(a)所示，与图5中振型相似，主要都是综框边框及穿综杆的弯曲振动，在此不再分析。而第7阶振型中上下横梁及穿综杆振动都很厉害，由图7(b)可知当织机开到1800rmin时。此综框的上下横梁将会发生剧烈振动，极有可能从横梁中问部位断裂，而且穿综杆与横梁的振动趋势一致，在织机工作频率接近29.549Hz时也会遭到破坏。从表3可以看出，280cm箝幅综框与230cm箝幅综框一样.也没有靠近20Hz左右的频率，所以完全可以在1200rmin的高速织机上使用此综框。4结语通过对3种不同筘幅综框的几何建模及有限元计算分析，可以看出综框动态特性的好坏对织机的正常运转影响很大，可从以下几个方面对其进行设计和改进：(1)改变综框的结构，比如改变横梁或者侧档的结构尺寸等此时综