弭俊波，楊建成

（天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；天津市機(jī)械基礎(chǔ)及紡織裝備設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心：天津 300387）

0 引言

國(guó)內(nèi)碳纖維織機(jī)是在傳統(tǒng)織機(jī)基礎(chǔ)上，結(jié)合碳纖維紗線基本特性及其生產(chǎn)工藝要求，對(duì)傳統(tǒng)劍桿織機(jī)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化發(fā)展而來(lái)的。如國(guó)內(nèi)某企業(yè)對(duì)國(guó)產(chǎn)GA747－Ⅱ型劍桿織機(jī)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，創(chuàng)造性地提出了模擬整經(jīng)的方法來(lái)織造碳纖維布，著重優(yōu)化了紗線張力控制系統(tǒng)、綜平角度分配、綜框開(kāi)口量和引緯時(shí)間等碳纖維布的織造工藝，在應(yīng)對(duì)碳纖維紗線脆性高、起毛多等問(wèn)題上效果明顯。由于打緯機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)稍大，使織物偶爾產(chǎn)生疵點(diǎn)，為此天津工業(yè)大學(xué)積極響應(yīng)國(guó)家邁向制造強(qiáng)國(guó)的號(hào)召，開(kāi)發(fā)出具有國(guó)際先進(jìn)水平的碳纖維多層角聯(lián)織機(jī)［1］。該裝備能織造幅寬為1200 mm、經(jīng)紗層數(shù)為30 層的碳纖維多層織物，然而面對(duì)厚重的碳纖維多層織物，其打緯機(jī)構(gòu)存在打緯力不足的問(wèn)題。國(guó)外一些制造業(yè)大國(guó)在碳纖維織造領(lǐng)域也取得了傲人成績(jī)，德國(guó)多尼爾（Dornir）公司研發(fā)的多尼爾碳纖維專用劍桿織機(jī)，運(yùn)行穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、幅寬大，非常有代表性［2］，但該織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)不適用厚度大的碳纖維立體織物的織造。此外，日本東麗公司、韓國(guó)三星集團(tuán)紡織分社、美國(guó)赫氏公司、法國(guó)博舍（Porcher Industries）公司等也設(shè)計(jì)出了碳纖維專用織機(jī)，且自動(dòng)化水平極高，這些織機(jī)往往只用于織造某一特定結(jié)構(gòu)碳纖維織物，產(chǎn)品覆蓋率稍低?？梢哉f(shuō)，我國(guó)在碳纖維專用織機(jī)研究方面任重道遠(yuǎn)。

1 擺動(dòng)打緯機(jī)構(gòu)

1．1 六連桿擺動(dòng)打緯機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)打緯機(jī)構(gòu)常采用連桿式或共軛凸輪式，筘安裝在擺臂筘座腳上，筘與擺臂同步繞擺臂擺動(dòng)中心做圓弧擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)［3］。國(guó)內(nèi)某公司引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)織機(jī)技術(shù)，結(jié)合自身相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備，設(shè)計(jì)制造了多款高速噴氣織機(jī)，以G1756型織機(jī)為例，該織機(jī)的設(shè)計(jì)以玻璃纖維紗線的物理化學(xué)特性為基礎(chǔ)，優(yōu)化后開(kāi)發(fā)出新一代玻璃纖維織機(jī)，為盡量減少筘與玻璃纖維紗線的摩擦，該織機(jī)按最小打緯動(dòng)程設(shè)計(jì)，織物幅寬為190cm～250cm 時(shí)應(yīng)用四連桿打緯機(jī)構(gòu)，而當(dāng)織物幅寬大于280cm 時(shí)應(yīng)用六連桿打緯機(jī)構(gòu)［4］（見(jiàn)圖1）。在工藝允許的前提下盡可能地減小打緯動(dòng)程，不僅減少了筘對(duì)玻璃纖維、碳纖維紗線的摩擦損傷，而且提高了打緯頻率、減小了織機(jī)振動(dòng)，使織機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)可靠，但由于該織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的限制，不能織造厚度大的立體織物，且連桿機(jī)構(gòu)剛性較差。

圖1 六連桿擺動(dòng)打緯機(jī)構(gòu)示意

1．2 共軛凸輪式擺動(dòng)打緯機(jī)構(gòu)

目前，常用的高速噴氣織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)主要為連桿（四連桿和六連桿）式打緯機(jī)構(gòu)和共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)［5］。根據(jù)機(jī)織物生產(chǎn)工藝要求，打緯和引緯兩大運(yùn)動(dòng)需協(xié)調(diào)配合、避免產(chǎn)生干涉，引緯時(shí)筘應(yīng)在后死心位置（筘運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)）保持靜止或合理的低速運(yùn)動(dòng)，以提供足夠的引緯時(shí)間。關(guān)于主流打緯機(jī)構(gòu)方式，各不相同。日系織機(jī)常應(yīng)用連桿式打緯機(jī)構(gòu)，而歐美國(guó)家大多選擇共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)，這與設(shè)計(jì)制造理念不同有關(guān)。然而，共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)相比連桿式打緯機(jī)構(gòu)有諸多優(yōu)勢(shì)，更容易滿足引緯時(shí)間的要求，且打緯動(dòng)力學(xué)性能更優(yōu)、主軸同轉(zhuǎn)速下輸出的打緯力更大，更適用于寬幅織機(jī)，在高速織機(jī)上共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖2）表現(xiàn)更佳，響應(yīng)快、慣性小、織機(jī)振動(dòng)?。?］。

圖2 共軛凸輪式擺動(dòng)打緯機(jī)構(gòu)示意

相比連桿，共軛凸輪加工工藝要求更高，制造復(fù)雜，成本更高，由于資源緊缺，日系織機(jī)制造商在設(shè)計(jì)層面更多考慮成本問(wèn)題，這也導(dǎo)致許多日本織機(jī)制造商選擇放棄使用共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)。目前，歐洲制造商推出的機(jī)型趨于模塊化設(shè)計(jì)，可在一定程度上降低成本。

擺動(dòng)式打緯機(jī)構(gòu)以其成熟的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在碳纖維織物織造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，根據(jù)碳纖維紗線特有的屬性如抗拉能力強(qiáng)、橫向易折斷、摩擦易起毛等，對(duì)擺動(dòng)式打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，適當(dāng)降低筘打緯動(dòng)程，來(lái)減少筘齒對(duì)碳纖維經(jīng)紗的磨損。擺動(dòng)式打緯機(jī)構(gòu)僅僅能夠滿足碳纖維單層織物的織造，面對(duì)碳纖維多層及中空織物，擺動(dòng)式打緯機(jī)構(gòu)無(wú)法為織口內(nèi)每層緯紗提供相同的打緯力，因此織造碳纖維多層及中空織物時(shí)筘需做平行打緯運(yùn)動(dòng)。

2 平行打緯機(jī)構(gòu)

玻璃纖維紗線的抗拉能力強(qiáng)、抗剪切能力弱、摩擦易起毛等與碳纖維紗線比較類似，因此，許多碳纖維織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)都參考了玻璃纖維織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)［7－8］。如前所述，碳纖維立體織物包括碳纖維多層織物和碳纖維中空織物，其與常見(jiàn)的服飾面料布匹最大區(qū)別在于，碳纖維立體織物厚度往往較大，織口內(nèi)緯紗并列排布在不同水平高度，普通布匹織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)筘做軌跡為圓弧擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，若碳纖維立體織機(jī)筘仍做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，打緯時(shí)碳纖維立體織物不同層緯紗受力將不均勻，無(wú)法保證每層緯紗能順利進(jìn)入織口，這就大大降低了碳纖維立體織物的品質(zhì)［9］。為使碳纖維立體織物不同層緯紗受力均勻，保證每層緯紗能順利進(jìn)入織口，設(shè)計(jì)出連桿平行打緯機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 連桿平行打緯機(jī)構(gòu)示意

為實(shí)現(xiàn)平行打緯，國(guó)內(nèi)外學(xué)者給出了不同的解決方案，比如BADAWI M S S S提出利用氣缸的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)筘的水平打緯［10］，但由于氣缸的驅(qū)動(dòng)力不易控制，沖擊較大且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，不利于碳纖維織物的生產(chǎn)；國(guó)內(nèi)學(xué)者也提出用四連桿結(jié)合曲柄滑塊的組合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平行打緯，且通過(guò)優(yōu)化各桿件之間的尺寸關(guān)系可以得出比較適宜的打緯運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但這種方案存在打緯力不足等問(wèn)題；平行打緯機(jī)構(gòu)還有增力機(jī)構(gòu)、正弦機(jī)構(gòu)和導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)的六桿機(jī)構(gòu)等［11］，雖然解決了平行打緯的問(wèn)題，但存在機(jī)構(gòu)振動(dòng)大、速度慢等缺點(diǎn)。

3 打緯機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置

打緯機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置在近20多年的發(fā)展過(guò)程中也有一定變化，20世紀(jì)90年代末比利時(shí)必佳樂(lè)公司展出了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，用于織機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)，這類交流同步電機(jī)適用于低速大扭矩啟動(dòng)環(huán)境，目前相關(guān)技術(shù)已十分成熟，特別適用于高速噴氣織機(jī)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和可變磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制電路簡(jiǎn)單、工作可靠、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、頻繁啟動(dòng)工況下性能良好等特點(diǎn)，特別適用于做碳纖維立體織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力。

4 打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析概況

陳建能等學(xué)者對(duì)非圓齒輪行星輪系利用三次埃爾米特插值多項(xiàng)式對(duì)劍桿織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，用于求解加速度曲線，為打緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究提供了理論參考［12］。林萬(wàn)煥等人以Hermite多項(xiàng)式為基礎(chǔ)，采用運(yùn)動(dòng)學(xué)方程反求法對(duì)打緯機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行求解，并利用最小二乘法擬合出打緯機(jī)構(gòu)共軛凸輪輪廓線，為打緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析奠定了理論依據(jù)［13］。袁汝旺等學(xué)者利用基本桿組法對(duì)軸向六連桿打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了尺度綜合，求得了打緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，為提高打緯機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率、降噪等奠定了理論基礎(chǔ)。

姜海濤利用閉環(huán)矢量法對(duì)四連桿—曲柄滑塊打緯機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并在Simulink中建立了運(yùn)動(dòng)仿真模型，得出筘座滑塊的位移、速度和加速度特性曲線［14］。Li Z J等借助MATLAB對(duì)共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析，將三角函數(shù)和線性函數(shù)相結(jié)合，為優(yōu)化打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供參考［15］。CELIK H I等人對(duì)地毯織機(jī)四桿曲柄搖桿打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了尺度綜合分析，為提高織機(jī)速度提供了理論依據(jù)。

5 打緯機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析概況

共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)適用于高速織機(jī)，有學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了柔性動(dòng)力學(xué)分析，為高速打緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)［16］。鄧威進(jìn)將打緯機(jī)構(gòu)筘座系統(tǒng)簡(jiǎn)化為均質(zhì)簡(jiǎn)支梁模型，對(duì)筘座系統(tǒng)建立動(dòng)力學(xué)方程，分析了打緯過(guò)程中筘座系統(tǒng)的振動(dòng)情況，并利用ANSYS對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，得出筘座系統(tǒng)前十階固有頻率，為研究打緯機(jī)構(gòu)筘的振動(dòng)提供了思路［17］。

鄭明亮利用Lie對(duì)稱性理論對(duì)曲柄滑塊式打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性分析，在分析力學(xué)理論基礎(chǔ)下建立了二自由度打緯機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，為織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)［18］。金國(guó)光等學(xué)者運(yùn)用Rayleigh－Ritz法對(duì)劍桿織機(jī)共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)柔性從動(dòng)件進(jìn)行離散化處理，并利用Lagrange方程建立了共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)柔性從動(dòng)件動(dòng)力學(xué)方程，為減小打緯機(jī)構(gòu)振動(dòng)造成的筘座角偏差、提高共軛凸輪壽命等奠定了理論基礎(chǔ)［19］。

秦凱旋利用Adams對(duì)共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)滾子與凸輪之間的碰撞及接觸力變化規(guī)律做了理論研究，提供了通過(guò)改變筘座材料以減小滾子與凸輪之間接觸力的方法來(lái)提高共軛凸輪壽命的理論方法［20］。魯寧等基于Adams虛擬樣機(jī)對(duì)四連桿式打緯機(jī)構(gòu)建立動(dòng)力學(xué)模型，分析了往復(fù)擺動(dòng)的筘座工作效率及打緯機(jī)構(gòu)對(duì)織機(jī)墻板的振動(dòng)影響，為研究織機(jī)振動(dòng)特性及優(yōu)化提供了參考［21］。

NOWAKOWSKI C等學(xué)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸建立了柔性動(dòng)力學(xué)方程，分析了曲軸高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的變形情況，為研究高速打緯機(jī)構(gòu)柔性變形提供了理論參考［22］。Xue W L 等學(xué)者對(duì)四連桿式打緯機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了間隙動(dòng)態(tài)分析，研究了連桿關(guān)節(jié)處的間隙振動(dòng)，為提高四連桿式打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度指明了方向［23］。Tang X M 等學(xué)者基于有限元軟件ANSYS對(duì)打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性研究，計(jì)算出了打緯機(jī)構(gòu)搖桿振動(dòng)模態(tài)，為設(shè)計(jì)高性能打緯機(jī)構(gòu)提供了參考［24］。

針對(duì)擺動(dòng)式打緯機(jī)構(gòu)及滑塊式平行打緯機(jī)構(gòu)在織造碳纖維多層及中空織物時(shí)的不足，衍生了一種共軛凸輪與四連桿相結(jié)合的組合式平行打緯機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 共軛凸輪—四連桿平行打緯機(jī)構(gòu)示意

利用目前對(duì)打緯機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)等的研究結(jié)果，對(duì)該共軛凸輪—四連桿平行打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其在打緯前死心位置鋼筘處于豎直狀態(tài)，不僅可實(shí)現(xiàn)平行打緯，且該機(jī)構(gòu)響應(yīng)快、輸出打緯力充足，不僅能用于普通單層碳纖維織物織造，而且能滿足碳纖維多層及中空織物的生產(chǎn)要求，適用性強(qiáng)。

6 結(jié)論

實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中打緯機(jī)構(gòu)種類的選擇因織機(jī)工況及織物產(chǎn)品類型而定，連桿式打緯機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、加工及日常維護(hù)成本低、技術(shù)成熟可靠性高，多用于低速織機(jī)；相比連桿，共軛凸輪剛度更高、高速時(shí)不易變形、響應(yīng)快且輸出運(yùn)動(dòng)規(guī)律可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，因此在高速重載織機(jī)上常選用共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)。隨著機(jī)加工水平的不斷提高，共軛凸輪的制造精度也得到了保證，這也進(jìn)一步促進(jìn)了共軛凸輪在打緯機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用。中空織物及多層織物由于其各層緯紗不在同一水平面，為使鋼筘對(duì)織口內(nèi)每層緯紗作用相同的打緯力，鋼筘筘面必須與織口內(nèi)織物橫截面平行，因此中空及多層織物織機(jī)必須選用平行打緯機(jī)構(gòu)，共軛凸輪—四連桿平行打緯機(jī)構(gòu)產(chǎn)品適用性更強(qiáng)、輸出打緯力更大。當(dāng)前各類織機(jī)不斷朝著高速化、智能化方向發(fā)展，共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)越來(lái)越普遍，打緯機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)形式也從傳統(tǒng)主軸統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)發(fā)展到更智能的伺服系統(tǒng)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。

7 結(jié)語(yǔ)

打緯機(jī)構(gòu)是整套織機(jī)中極為重要的一環(huán)，在織物織造過(guò)程中起著紐帶作用。通過(guò)對(duì)打緯機(jī)構(gòu)類型及研究方法的闡述，提高了對(duì)打緯機(jī)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)開(kāi)展打緯機(jī)構(gòu)方面的研究做出鋪墊。關(guān)于各類打緯機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究，特別是對(duì)共軛凸輪—四連桿平行打緯機(jī)構(gòu)的研究，對(duì)提高碳纖維織機(jī)的整體性能及我國(guó)紡織行業(yè)技術(shù)水平有著深遠(yuǎn)意義。