邱 海 飛

(西京學院 機械工程學院，西安 710123)

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研究與技術

織機機架結構減振技術研究

邱 海 飛

(西京學院 機械工程學院，西安 710123)

針對以往的織機減振措施，將先進的數(shù)字化技術應用于機架動態(tài)性能改進。以某型機架為研究實例，綜合運用有限單元法、參數(shù)化建模及動態(tài)優(yōu)化技術等現(xiàn)代設計手段，建立機架結構動力學優(yōu)化數(shù)學模型，以實現(xiàn)機架組件的結構改進與動態(tài)性能提升，有效增強了機架結構抗振性能。通過響應面分析和局部靈敏度分析，為實際機架減振實驗指明方向，即：上撐檔與前下?lián)螜n位置對機架抗振性能敏感度較大，可重點予以控制與改造。為織機系統(tǒng)減振和機架結構改進提供了重要技術參考。

機架；減振；織機；優(yōu)化；有限元；響應面；靈敏度

近年來，隨著紡織機械裝備的高速、高精度化發(fā)展，新型織機的車速已經(jīng)高達2 000 r/min。生產(chǎn)實踐表明，良好的機架結構對于織機的穩(wěn)定運行至關重要，它不僅有利于提高織物表面質量和織造效率，而且能夠有效延長織機的使用壽命[1]。在當前推動紡織工業(yè)振興的大環(huán)境下，中國紡織企業(yè)都在積極地進行產(chǎn)業(yè)升級，而且在不斷淘汰落后產(chǎn)能和技術裝備。這種背景下，為了適應新型織機的發(fā)展要求，有必要提高織機系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，同時需要探索更為有效的機架結構及其減振技術，以促進紡織企業(yè)的轉型與升級。

隨著現(xiàn)代CAD/CAE技術的日益成熟，數(shù)字化技術為織機機架的設計提供了新的手段。通過在計算機平臺上綜合應用各種現(xiàn)代設計方法，如參數(shù)化建模、動態(tài)分析、有限單元法及結構優(yōu)化算法等[2]，不僅保證了機架組件的標準化與完整性，而且可以在數(shù)字化運行模式下方便、快捷地實現(xiàn)機架性能優(yōu)化，避免了機架結構的二次改造和再裝配，有利于機架減振設計和織機系統(tǒng)集成化發(fā)展。

1　機架減振措施

機架是織機的支撐基礎和主要承載部件。在織造生產(chǎn)過程中，織機各運動機構產(chǎn)生的動態(tài)沖擊載荷經(jīng)由機架向機體各部位傳播，由此形成的激振會引發(fā)織機系統(tǒng)產(chǎn)生不同幅度的振動和噪聲[1]。例如，打緯主軸曲拐旋轉時形成的偏心力、筘座和鋼筘產(chǎn)生的慣性打緯力及綜框往復運動形成的周期性沖擊載荷等，均會直接或間接地作用于機架[2]，從而弱化機架結構穩(wěn)定性，使其在織造過程中發(fā)生振動，影響織機的穩(wěn)定運行和正常生產(chǎn)。

以往對于織機機架的減振措施主要有：對曲軸添加配重或減振裝置，采用抗振性強的材質制成墻板或向墻板內部填充減振材料(如鑄礦石)，在機架基礎部位安裝減振裝置或消振器等。例如黃富貴等[3]將豆包消振器應用于織機機架減振，在較寬頻帶范圍內有效增強了機架結構的抗振性能。織機整機是一個復雜的機電集成系統(tǒng)，其五大機構均安裝于機架之上，傳統(tǒng)的減振措施多以添加額外減振裝置為主，這樣不僅增加了機架的承載負擔，而且容易造成各運動機構之間產(chǎn)生載荷傳遞，影響織機系統(tǒng)穩(wěn)定性。

實際情況下，由于受到機架裝配工藝限制，而且難以準確把握減振裝置的添加部位，傳統(tǒng)的減振措施往往不能獲得較為理想的減振效果。此外，減振器屬于消耗易損件，且價格較貴，長期在高頻強振狀態(tài)下工作會縮短其使用壽命[4]，不利于紡織企業(yè)生產(chǎn)節(jié)約、降低成本，這種情況下就需要創(chuàng)新思路，探索和嘗試新的機架結構減振技術。

2　機架數(shù)字化模型

織機機架一般由墻板、胸梁、后梁及撐檔構成[5]，如圖1所示為某型織機機架結構的數(shù)字化CAD模型，其中左、右墻板呈對稱分布，中間由矩形或圓形截面的空心梁件連接。以機架各零部件的幾何點(圖1中矩形標識)為參考，分析和建立機架結構數(shù)字化模型，并通過幾何點坐標來控制各零部件的位置分布，為機架參數(shù)化設計與結構優(yōu)化奠定基礎。

基于參數(shù)化驅動的數(shù)字化模型大大提高了機架設計的可塑性。以此模型為平臺，可以無限次對機架進行結構優(yōu)化與深入研究，避免了實際物理機架的改造實驗，不僅有效提高了機架設計的效率和質量，而且減少了實驗次數(shù)和成本，為織機機架性能研究與改進提供了有力支持。

1.左墻板，2.右墻板，3.胸梁，4.后梁，5.上撐檔， 6.下?lián)螜n(機前)，7.下?lián)螜n(機后)圖1　機架結構數(shù)字化模型Fig.1　Digital model of frame structure

3　動態(tài)計算與分析

3.1有限元模型

織機機架為連續(xù)實體結構。根據(jù)有限單元法和振動力學理論，可將具有無限自由度的實體近似等效為有限自由度的離散結構[6-7]。采用Solid186單元對機架進行結構離散，如圖2所示。Solid186是高階的三維六面體20節(jié)點實體單元，每個節(jié)點有3個自由度，即沿節(jié)點坐標系X、Y、Z方向的平動[8-9]。此外，該單元具有二次位移，可適用于不規(guī)則的網(wǎng)格模型，同時具有塑性、超彈性、蠕變、應力剛化、大變形和大應變等功能。

圖2　Solid186單元結構Fig.2　Structure of element Solid186

為了提高計算效率和網(wǎng)格質量，對機架結構進行簡化處理，忽略緊固件聯(lián)接及墻板上一些無關緊要的結構特征[5]。根據(jù)實際工況，在左、右墻板底部設置固定約束。機架有限元網(wǎng)格模型如圖3所示，共包括8 124個單元和57 183個節(jié)點。選用吸振性強的灰鑄鐵作為墻板材質，其余連接部件材質均采用結構鋼[10]，材料性能參數(shù)見表1。

圖3　機架有限元模型Fig.3　Finite element model of the frame表1　材料屬性Tab.1　Material property

材質密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比灰鑄鐵72001100.28結構鋼78502000.33

3.2模態(tài)頻率與振型

根據(jù)振動理論，低階模態(tài)對結構的動力學特性最為敏感[8]，故在此只關心機架前兩階模態(tài)頻率和振型，如圖4所示。由圖4可知，機架在第一階模態(tài)頻率f1(20.079 Hz)下的振動模式主要表現(xiàn)為左右橫向擺動，最大變形區(qū)域出現(xiàn)在胸梁與墻板連接處；機架第二階模態(tài)頻率f2增大到了27.058 Hz，此時機架上部位置發(fā)生扭轉振動，最大變形出現(xiàn)在后梁、上撐檔及其與墻板連接區(qū)域。

圖4　機架1、2階模態(tài)振型Fig.4　Top 2 moding shape of the frame

由模態(tài)分析結果可知，當織機車速頻率在20 Hz或27 Hz附近時，機架容易發(fā)生劇烈的橫向或扭轉振動，并有可能在墻板與胸梁、后梁及上撐檔連接處出現(xiàn)嚴重破壞，由此為織機的車速控制與減振設計提供了重要依據(jù)。

4　結構優(yōu)化

4.1優(yōu)化基本原理

優(yōu)化設計是建立在近代數(shù)學規(guī)劃論和計算機程序開發(fā)基礎上的現(xiàn)代設計方法，其基本原理是運用各種優(yōu)化方法，通過滿足一定約束條件下的迭代計算來獲得最優(yōu)化設計方案?？棛C機架優(yōu)化設計數(shù)學模型如下式所示：

(1)

式中：f(X)為目標函數(shù)，gi(X)為狀態(tài)變量函數(shù)，X為設計變量。

在模態(tài)分析基礎上，采用Response Surface算法對織機機架進行結構優(yōu)化，搭建如圖5所示的機架優(yōu)化流程，通過有限元計算建立設計空間的響應面/曲線，然后分析獲得最優(yōu)化設計方案。

圖5　機架優(yōu)化流程Fig.5　Optimal process of the frame

圖6　定義設計變量Fig.6　Set design variable

4.2定義設計變量

考慮到機架的抗振性，以提高第一階模態(tài)頻率f1為尋優(yōu)目標。保證機架結構及其組成部件尺寸不變，通過調整胸梁、后梁及撐檔在兩側墻板上的安裝位置來實現(xiàn)機架動態(tài)性能改進。以墻板左下角為坐標原點建立直角坐標系，如圖6所示，沿底面水平方向定義X軸，沿左端面垂直方向定義Y軸，各部件初始安裝位置以坐標原點為參照。

將機架上各部件的安裝位置坐標定義為設計變量。由圖6可知，共存在10個設計變量，即DV_1～DV_10，其中DV_1、DV_3、DV_7、DV_9為X方向變量，DV_2、DV_4、DV_6、DV_8、DV_10為Y方向變量，各設計變量的初始值和取值區(qū)間如表2所示。

表2　設計變量取值Tab.2　Value of design variable

5　結果分析

5.1頻率極值

執(zhí)行Response Surface優(yōu)化計算過程，利用Min-Max Search函數(shù)統(tǒng)計獲得機架前兩階模態(tài)頻率極值以及與其對應的設計變量值。如表3所示，共有五組機架結構設計方案，其中A為初始頻率，B為f1取最小值，C為f2取最小值，D為f1取最大值，E為f2取最大值。

由表3可知，對于方案B和方案C，機架前兩階模態(tài)頻率均小于優(yōu)化前的初始頻率值，不利于提高機架結構抗振性，故設計機架時盡量不選取這兩種方案的設計變量組合。方案D和方案E的前兩階模態(tài)頻率大小非常接近，而且均高于方案A，說明在這兩種設計變量組合方案下皆可實現(xiàn)機架結構優(yōu)化，但實際當中往往更關心第一階模態(tài)頻率f1。比較可知，D方案的f1比E方案高0.47 Hz，因此選D方案為最優(yōu)化設計方案。

表3　優(yōu)化前后結果比較Tab.3　Result comparison before and after optimization

計算并提取機架在方案D下的前兩階模態(tài)振型，如圖7所示。分析可知，優(yōu)化后的機架振型與圖4所示機架振動模式相似，即均表現(xiàn)為一階橫向振動、二階扭轉振動，只是變形區(qū)域和振動幅度不同。但是與優(yōu)化前(方案A)相比，D方案的第一模態(tài)頻率f1為22.37 Hz，相對A方案增大了2.29 Hz，提高幅度約11.40%，有效增強了機架抗振性，相當于將織機主軸轉速提高了近138 r/min，降低了機架振動對織造生產(chǎn)的不利影響，有利于織機高速化發(fā)展。

圖7　D方案下的機架1、2階振型Fig.7　Top 2 moding shape of the frame for project D

5.2響應面分析

實際工程設計中，響應面法(Response Surface)主要用于結構的可靠性分析和優(yōu)化設計[9]，其基本原理是利用合理的試驗設計(DOE)方法及實驗得到相關分析數(shù)據(jù)，并通過多元二次回歸方程來擬合影響因素與響應值之間的函數(shù)關系，在此基礎上解決多變量問題的優(yōu)化問題。

織機機架的響應變量為低階模態(tài)頻率f1、f2，影響因素為機架各零部件的安裝位置坐標，即：DV_1～DV_10，故定義響應函數(shù)如式(2)所示。

fi=η(DV_1，DV_2，…，DV_10)

(2)

通過優(yōu)化計算獲得機架結構與模態(tài)頻率f1、f2之間的3D響應面，如圖8所示，其中垂直方向坐標表示模態(tài)頻率fi，其余兩個方向坐標分別表示各零部件在墻板平面上的位置坐標。

3D響應面可直觀反映各連接部件位置對機架前兩階模態(tài)頻率的影響，例如對于機架后下?lián)螜n，減小DV_9、增大DV_10可提高f1、f2，如圖8(h)(i)所示。

圖8　機架結構響應面分析Fig.8　Response surface analysis of frame structure

響應面分析結果為機架結構優(yōu)化設計和靈敏度分析提供了重要依據(jù)。

5.3局部靈敏度

靈敏度分析主要用于定性或定量地評價模型參數(shù)誤差對模型結果產(chǎn)生的影響，在模型參數(shù)化過程和校正過程中具有重要作用[9]。局部靈敏度(Local Sensitivity)分析檢驗單個參數(shù)變化對模型運行結果的影響程度，如圖9所示。在各設計變量的變化范圍內，總體來看，DV_8對機架前兩階模態(tài)頻率f1、f2的影響最大，其靈敏度分別為-0.105和-0.102，而DV_7、DV_4的影響程度次之，分別為0.029和0.039，說明上撐檔和前下?lián)螜n的安裝位置會對機架動力學性能產(chǎn)生重要影響。相比之下，DV_1、DV_5及DV_6對f1的影響較小，DV_5、DV_6對f2的影響較小，說明胸梁和后梁位置對機架模態(tài)特性影響較小。

局部靈敏度分析為織機機架結構改進和可靠性設計指明了方向。由分析結果可知，對機架進行結構設計時，可重點考慮調節(jié)上撐檔、前下?lián)螜n的安裝位置，這樣可以快速、有效地實現(xiàn)機架結構優(yōu)化和性能改進。

圖9　局部靈敏度分析Fig.9　Local sensitivity analysis

6　結　語

現(xiàn)代設計方法為紡織機械裝備研發(fā)提出了新的思路，革新傳統(tǒng)設計模式、降低技術成本和提高產(chǎn)品性能，對于中國紡織工業(yè)的振興與技術升級具有重要現(xiàn)實意義。通過綜合運用多種現(xiàn)代設計手段，如有限元方法、參數(shù)化設計、動態(tài)優(yōu)化、響應面分析及靈敏度分析等，實現(xiàn)了織機機架的結構改進和動態(tài)性能提升，不僅將機架基頻提高了約11.40%，同時計算和明確了機架結構局部靈敏度，為機架結構設計和紡織機械裝備數(shù)字化改造提供了重要技術支持。

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Research of damping technology for the structure of loom frame

QIU Haifei

(College of Mechanical Engineering, Xijing University, Xi’an 710123, China)

In view of traditional vibration mitigation measures for the loom, advanced digital technology is applied to improve its dynamic performance of loom frame. A certain type of frame is used as the research example, and its optimized dynamic mathematical model is set up based on comprehensively applying various modern design methods such as finite element method, parametric modeling and dynamic optimization technique. Then, the structure and dynamics performance of the frame components are improved, and its damping property is also effectively strengthened. Besides, the direction of the frame’s damping experiment is pointed out through response surface analysis and local sensitivity analysis, that is, the upper supporting pin and lower supporting pin in front should be mainly controlled and reformed, because they are very sensitive to frame vibration damping property. In result, some important technical reference is provided for loom damping and frame structure improvement.

frame; vibration damping; loom; optimizing; finite element; response surface; sensitivity

10.3969/j.issn.1001-7003.2016.07.007

2016-01-08;

2016-06-02

陜西省教育廳科研計劃項目(15JK2177)；西京學院科研基金項目(XJ150216)

TS103.3

A

1001-7003(2016)07-0032-06引用頁碼: 071107