陳 晨,李 晶，劉 站,毛世凱,楊茜寧

(西安工程大學 機電工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

由于碳纖維的高強度、高模量和耐腐蝕性,其復合材料越來越多地用于工程加固[1-4]。在碳纖維布層之間使用黏合劑可以延遲剝離損傷的發(fā)生[5]。然而,這類加工方法成本較高,不僅層與層之間斷裂韌性差且抗損傷能力低[6]。通過縫紉技術,對碳纖維疊層布進行縫紉加工可以降低成本,有效解決層間斷裂問題[7]。當碳纖維布用高強度復合纖維縫制時,其縫紉質量取決于縫紉線的物理機械性能以及縫制的材料[8]。若縫紉線的材料與碳纖維織物的材料不一致,在后處理過程中碳纖維疊層布的整體質量將受到嚴重影響。為了提高疊層布的整體質量,應首選碳纖維為縫紉線。然而碳纖維單絲本身具有高脆性和低斷裂韌性的特點[9],在縫紉時會被布料和針眼等機器部件磨損,進而造成縫紉線的纖維損傷和結構破壞[10]。因此,碳纖維縫紉線一旦受到過大的動態(tài)張力或剪切力時,就會產(chǎn)生斷裂[11-12],影響縫紉工作的順利進行。目前，有很多學者針對此問題做了相關研究。在碳纖維表面處理方面，通過上漿的方法在碳纖維表面形成一層薄膜,對纖維起到保護作用,減少絲束在織造、縫合過程中的摩擦,但過量的漿料會增加纖維脆斷的幾率,反而降低其力學和耐磨性能[13];通過對碳纖維線加捻的方式,加大絲束抱合力,改善斷線產(chǎn)生,但在加捻過程中纖維會受到一定的損傷并且隨著縫合線捻度的增加,樹脂浸潤縫合線的效果變差,縫合纖維絲束與樹脂結合情況變差[14-15]。除了針對碳纖維本身的改性研究外,國外有專門縫紉碳纖維的設備,但價格昂貴。在國內，通過改進機械機構來降低碳纖維斷線率方面的研究文獻較少。有學者在縫針中加裝滾輪,變滑動摩擦為滾動摩擦；或改進縫紉機,在縫紉過程中減少碳纖維所受的剪切應力[16-18],以降低斷線率。本文結合工業(yè)縫紉機特點，通過設計適合碳纖維縫紉的輔助機構消除或減小縫紉中的動態(tài)張力和剪切力[19]，以降低斷線率，并應用Pro/E軟件時行仿真分析[20]。

1 輔助機構的設計

1.1三維設計與仿真

輔助機構設計的基本要求:在縫制厚度為16 mm的碳纖維疊層布時,其縫紉線跡為3 mm,使碳纖維縫紉線不受剪切力的作用或僅受極小剪切力的作用。

為除去碳纖維縫紉線在縫紉過程中出現(xiàn)的高頻率動態(tài)張力和剪切力,在原有普通工業(yè)用縫紉機的基礎上增加一套輔助機構,輔助機構有單獨的動力源。其三維模型見圖1。動力由獨立電機輸出給輔助機構皮帶輪1,皮帶輪1帶動軸10轉動。軸10一方面帶動移凸輪2推動繞線叉7前移、后移運動(前移繞線叉使之回轉繞線、放線,后移繞線叉使縫紉線能順利地形成線跡);一方面,軸10帶動圓柱齒輪9把動力傳遞給軸5。軸5的回轉帶動槽型圓柱凸輪6和槽型圓柱凸輪12同時運轉,2個槽型圓柱凸輪分別帶動兩對齒輪齒條3，11往復運動,進而完成輔助機構中繞線環(huán)14和繞線叉7的回轉。繞線叉和繞線環(huán)分別與齒輪4和齒輪13固定在一起,其回轉軸線分別與其對應的齒輪軸線重合。

圖 1改進的輔助機構的三維模型Fig.1 Three-dimensional model of improved mechanism

此輔助機構安裝在原有縫紉機機頭下方左側位置,繞線環(huán)在縫紉針的一邊。與之配合的繞線叉在縫紉線線跡形成的一邊,輔助機構的獨立原動機與工業(yè)縫紉機的原動機以相同的運轉速度帶動皮帶輪1運轉,以使繞線叉、繞線環(huán)與縫針相互配合并保持相同的運動周期。碳纖維縫紉線未放松與放松受力的對比如圖2所示。由圖2可知，在刺布階段,未放松的碳纖維縫紉線相對于放松后的縫紉線需要承受更大的張力和剪切力。

1.2輔助機構運動配合

碳纖維疊層布縫紉機的縫紉針頭自由度為1,做垂直直線的上下運動；輔助機構中繞線叉自由度為2,做回轉運動及前移、后移運動；繞線環(huán)自由度為1,做回轉運動。首先以機器上的縫紉針為主體,繞線環(huán)和繞線叉周期性地配合縫紉針運動并放松碳纖維縫紉線,以消除或減小縫紉中的動態(tài)張力、剪切力,保證縫合工藝的順利進行,進而提高碳纖維疊層布的力學性能。凸輪配合縫針運動循環(huán)見圖3；凸輪各階段轉角見表1。

(a) 未放松 (b) 放松圖 2未放松與放松碳纖維縫紉線受力對比Fig.2 Unrelaxed and relaxed carbon fiber sewing thread

圖 3機構運動循環(huán)圖Fig.3 The cycle of the mechanism movement

表1凸輪各階段轉角

Table 1 Cam rotation angle at each stage rad

凸輪類型φi1φi2φi3φi4φi5移凸輪7π6π3π6π3—圓柱凸輪aπ4π929π365π6—圓柱凸輪bπ4π3π935π36π3

注：i=1,2,3分別表示移凸輪及圓柱凸輪a,b

由圖3,表1可知,該工作循環(huán)由4部分組成?？p針由最上端位置1開始進針工作,到達位置2時,縫針剛好與縫料接觸。到達位置3時,縫針處于最下端?？p針由最下端位置3開始回針工作,到達位置4時,縫針剛好與縫料分離。到達位置1時,縫針處于最上端。在該機構中,各凸輪軸以相同的轉速勻速運轉?？p針由位置1到達位置3,移凸輪處于遠休止狀態(tài)?？p針由位置3到達位置1,移凸輪依次完成回程、近休止、推程運動來帶動繞線叉的前移、后移運動。繞線叉后移、靜止,保證線跡順利形成?？p針由位置4到達位置1,移凸輪完成推程工作,控制繞線叉前移、靜止。縫針由位置1到達位置3,移凸輪遠休止,控制繞線叉先后完成繞線、放線工作。在圓柱凸輪(繞線叉) 推程結束后(即繞線叉繞線完畢),圓柱凸輪(繞線環(huán))開始完成推程、遠休、回程以及近休,控制繞線環(huán)完成繞線、放線運動?？p針由位置1到達位置2,繞線叉和繞線環(huán)先后進行繞線,同時挑線機構復位;繞線叉和繞線環(huán)先后開始放線。當縫針處于位置4時,繞線叉和繞線環(huán)完成最終送線轉動。

1.3輔助機構放松量的控制

通過小齒輪4和小齒輪13的分度圓直徑、圓柱凸輪(a,b)推程及繞線叉和繞線環(huán)的尺寸大小可對輔助機構的放松量進行控制。在機構送線時,根據(jù)碳纖維疊層布的最大厚度和縫針的行針位置來調節(jié)繞線環(huán)和繞線叉的轉動幅度,使供線量和需線量相一致,在收線時,輔助機構配合挑線桿工作。這樣在整個縫紉過程中既避免了放松量不夠引起的斷線問題,又防止因放松量過大造成縫紉后的碳纖維布不牢固。

在控制放松量時,不僅需要考慮一個線跡長度(3 mm)及碳纖維疊層布厚度(16 mm),還應涉及到勾線、引線機構及旋梭的需線量,即總需線量45 mm。經(jīng)計算,繞線叉與繞線環(huán)的轉動幅度約為2π,繞線叉與繞線環(huán)轉1周的繞線量分別為24 mm和21 mm,因此縫紉時將提供 45 mm 的放松量,滿足45 mm的供線需求。

2 輔助機構的運動分析

傳動過程中產(chǎn)生的加速度對機構運動曲線的光滑性及連續(xù)性有著重要影響。為了降低凸輪產(chǎn)生的加速度沖擊,保證機構平穩(wěn)運轉,凸輪選用正弦加速度運動規(guī)律,可使曲線具有良好的運動特性。

將凸輪的運動規(guī)律與其他傳動組合后得到運動規(guī)律, 該運動規(guī)律表達式為分段函數(shù),表達式為

(1)

式中:sf為繞線叉前后位移；ω1為移凸輪軸的角速度，rad·s-1;t為輔助機構運動的時間，s;h1為移凸輪的行程，mm;T1j為移凸輪各階段時間終止點，角速度ωf表達式為s。

(2)

式中:ω2為圓柱凸輪軸的角速度， rad/s， (ω2=-ω1);d1為小齒輪4分度圓直徑, mm;h2為圓柱凸輪a的行程，mm;T2j為圓柱凸輪 a 各階段時間終止點，s。繞線環(huán)的角速度ωr為表達式為

(3)

式中:d2為小齒輪13分度圓直徑，mm;h3為圓柱凸輪b的行程，mm;T3j為圓柱凸輪b各階段時間終止點，s。

以上不同運動規(guī)律的時間初始點均為0,但各階段時間終止點的Tij取值各不相同,通過時間Tij(i=1,2,3;j=1,2,3,…)的變化,運動曲線也隨之改變,其中各階段時間終止點Tij值為

(4)

根據(jù)數(shù)學知識,可對角速度ω求導,求導后所得表達式即為角加速度α。同理,對繞線叉位移sf求一階導、二階導可以分別得出繞線叉前后移動的速度vf與加速度af。即

(5)

利用Matlab軟件對解析法編程處理后得出繞線叉與繞線環(huán)運動規(guī)律曲線,并與Pro/E仿真的運動曲線進行對比,結果見圖4～6。

由圖 4～6 可以看出, 解析法與仿真結果具有相同的運動規(guī)律, 且一致性比較好, 驗證了建模的正確性。

(a) Matlab解析法

(b) Pro/E仿真法圖 4繞線叉角速度與角加速度曲線Fig.4 The curve of velocity and acceleration of the dial fork

2.1繞線叉的角速度與角加速度分析

繞線叉的角速度、角加速度曲線如圖4所示?？梢钥闯觯?.012 s時,繞線叉開始繞線,角速度達到最大值168.8 rad·s-1;在0.007 s和0.018 9 s時,角加速度有最大值404.2 rad·s-2; 在0.04 s時,繞線叉開始放線,此時的速度與角速度都趨向平穩(wěn)且數(shù)值不大,此階段有利于放線工作。

2.2繞線叉的位移、速度與加速度分析

由圖5繞線叉位移運動曲線可知，繞線叉伸縮運動周期為0.2 s。在該工作循環(huán)周期內,結合凸輪配合縫針運動循環(huán)圖得知,在0 s～0.117 s時間內,為縫針進針工作時間，而移凸輪處于遠休止狀態(tài)。在移凸輪的控制下繞線叉遠離線跡并靜止在位移最大值處,其位移最大值為10 mm。在0.117 s～0.2 s時間內,繞線叉依次完成前移、靜止、后退工作。在0.133 s及0.183 s時,速度達到最大為275.32 mm·s-1。

(a) Matlab解析法

(b) Pro/E仿真法圖 5繞線叉位移圖Fig.5 The displacement diagram of the dial fork

2.3繞線環(huán)的角速度與角加速度分析

由圖6繞線環(huán)角速度與角加速度曲線可知,在t=0.041 s時,繞線環(huán)的角速度達到最大值為 130.82 rad·s-1,同時繞線環(huán)開始繞線;在t=0.036 s和0.055 s時,繞線環(huán)的角加速度達到最大值為223.34 rad·s-2,之后繞線環(huán)開始放線。為配合縫針工作,角速度及角加速度逐漸降低趨于平緩。由圖4～6可以看出,曲線光滑連續(xù),機構運轉平穩(wěn),各部件之間配合緊密,繞線叉、繞線環(huán)運動既無剛性沖擊,也無柔性沖擊,有利于繞線、放線工作。

(a) Matlab解析法

(b) Pro/E仿真法圖 6繞線環(huán)角速度與角加速度曲線Fig.6 The curve of velocity and acceleration of the dial pole

3 結 語

本文設計了一套便于碳纖維縫紉線放松的輔助機構,在縫紉過程中能減少縫紉線所受的動態(tài)張力和瞬時沖擊力,以降低碳纖維縫紉線在縫紉過程中的斷線率,提高效率,降低成本。為了更好地解決碳纖維縫紉線在縫制過程中出現(xiàn)的斷線問題,后續(xù)要加強兩方面的研究：一方面輔助機構中傳動件的尺寸參數(shù)需要進一步優(yōu)化；另一方面還應提高碳纖維縫紉線本身的耐磨性能。