高維升,李 晶,邢 宇,付莎莎,張銀飛

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

碳纖維是國家建設(shè)不可缺少的新型戰(zhàn)略材料,具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、導(dǎo)電傳熱等優(yōu)異性能。不僅運(yùn)用在國防軍工和高技術(shù), 而且在民用工業(yè)中也廣泛使用[1-2]。 但國產(chǎn)碳纖維布的質(zhì)量與國外相比還有很大的差距,而且生產(chǎn)碳纖維布的劍桿織機(jī)在引緯過程中易出現(xiàn)緯紗起毛、 斷紗等問題,因此,提高引緯機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能非常重要。

許多學(xué)者對(duì)引緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)作了較為深入的研究。金國光等[3]為更加準(zhǔn)確地反映劍桿織機(jī)空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能,對(duì)其進(jìn)行剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)建模與仿真。王生澤等[4]對(duì)劍桿織機(jī)傳劍機(jī)構(gòu)進(jìn)行了彈性動(dòng)力學(xué)分析,設(shè)計(jì)了全部為轉(zhuǎn)動(dòng)副的空間連桿復(fù)合型運(yùn)動(dòng)引緯機(jī)構(gòu)。Zhang等[5]以引緯機(jī)構(gòu)中劍頭的運(yùn)動(dòng)為研究對(duì)象進(jìn)行仿真分析,探討連桿材料特性對(duì)劍頭引緯運(yùn)動(dòng)的影響,并采用ANSYS分析連桿的應(yīng)力應(yīng)變,得出了當(dāng)連桿為鋁合金材料時(shí),劍頭的運(yùn)動(dòng)曲線是最理想的結(jié)論。趙雄等[6]提出了一種新型劍頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無沖擊且最大加速度較低，躍度無突變,劍頭動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)越。Chen等[7]分析了橢圓齒輪引緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,證明了劍頭引緯運(yùn)動(dòng)的可靠性。Xu等[8]闡述了空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,通過調(diào)節(jié)連桿長度以改變劍頭運(yùn)動(dòng)。上述研究大多是構(gòu)件參數(shù)、機(jī)構(gòu)剛性和柔性對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響,沒有涉及構(gòu)件之間的接觸作用對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。文獻(xiàn)[9-13]分別采用虛擬樣機(jī)研究劍桿織機(jī)的引緯機(jī)構(gòu)。唐朝飛等[14]運(yùn)用有限元分析軟件 ANSYS和機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析軟件 ADAMS,對(duì)空間連桿引緯機(jī)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。這些研究是通過對(duì)零件參數(shù)設(shè)計(jì)、零件結(jié)構(gòu)輕量化等優(yōu)化機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以提高機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，沒有考慮零件之間的接觸關(guān)系對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。

本文通過建立空間連桿引緯機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型,分析劍道和滑塊之間滾動(dòng)接觸對(duì)劍桿加速度曲線的影響。在ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析[15-17],驗(yàn)證了在劍道和滑塊之間添加滾輪可以降低劍桿加速度曲線峰值,并利用Workbench軟件對(duì)修改前后的劍道做靜力學(xué)分析,以保證強(qiáng)度要求。

1 虛擬樣機(jī)的模型

1.1 引緯的幾何建模

在Pro/E三維軟件中對(duì)空間連桿引緯機(jī)構(gòu)各零件進(jìn)行建模以及裝配、干涉檢查及驗(yàn)證。空間連桿引緯機(jī)構(gòu)的三維模型如圖1所示。運(yùn)動(dòng)原理為：通過給齒輪添加驅(qū)動(dòng)，齒輪1繞著運(yùn)動(dòng)軸2做圓周運(yùn)動(dòng),連接在齒輪上的空間搖桿3的上端通過球面副連接做空間運(yùn)動(dòng)；空間搖桿3的下端與插座軸4上的小球通過球面副連接，使得平面機(jī)構(gòu)中的底座5繞著銷軸6上下擺動(dòng),使固連在底座上的平面搖桿7擺動(dòng)并帶動(dòng)平面連桿10運(yùn)動(dòng)；平面連桿10與滑塊9通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接,滑塊帶動(dòng)劍桿11沿著劍道8來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1.2 引緯的物理建模

把在 Pro/E 三維軟件中建立的幾何模型保存為 Parasolid 格式,導(dǎo)入 ADAMS 有限元軟件中。 為了進(jìn)一步研究,建立物理模型,給各個(gè)零件添加材料屬性。把平面連桿的材料設(shè)置為鋁合金, 其他零件的材料都為結(jié)構(gòu)鋼, 然后給各個(gè)零件之間添加約束, 如表1所示。

表 1 零件約束關(guān)系Tab.1 Constraint relation of parts

注：表中“0”為ground。

2 空間連桿引緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 ADAMS中的引緯機(jī)構(gòu)

在ADAMS中,對(duì)空間連桿引緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛體仿真。本引緯機(jī)構(gòu)用于織造碳纖維布,主軸的轉(zhuǎn)速在40～120 r/min,比其他生產(chǎn)棉布等引緯機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速都要低。設(shè)置齒輪的電機(jī)轉(zhuǎn)速為100 r/min,仿真時(shí)間1 s,步數(shù)為100。假設(shè)劍桿是剛性的,劍頭又固定在劍桿的一端,因此只需要分析劍桿的運(yùn)動(dòng)特性。劍桿的位移、速度和加速度曲線如圖2所示。

從圖2可以看出,空間連桿引緯機(jī)構(gòu)仿真曲線加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律屬于多項(xiàng)式加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，與文獻(xiàn)[18-19]結(jié)論相同,從而驗(yàn)證了建立虛擬樣機(jī)的正確性。加速度曲線與其他引緯機(jī)構(gòu)的梯形加速度曲線[20-21]相比較更為平滑,在進(jìn)入梭口和退出梭口過程中,沒有出現(xiàn)波動(dòng),性能也更好。劍桿的加速度曲線周期為0.6 s。在0～0.1 s，劍桿的劍頭取緯并夾持緯紗進(jìn)入梭口,加速度基本保持不變,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)；劍桿移動(dòng)到0.3 s時(shí)刻,位移達(dá)到最大為0.82 m,速度為0,加速度達(dá)到最大54 m/s2,完成引緯。左右劍桿對(duì)稱,織造碳纖維布的布寬為1.64 m。在0.4～0.5 s退出梭口,速度快,且速度的最大值為4.4 m/s,0.5～0.6 s劍桿退出了梭口繼續(xù)取緯。空間連桿引緯機(jī)構(gòu)的位移曲線比較光滑,沒有突變,符合設(shè)計(jì)曲線。

2.2 改進(jìn)的引緯機(jī)構(gòu)

上述空間連桿引緯機(jī)構(gòu)符合織造碳纖維布的要求,但劍桿上的劍頭加速度峰值較大。由于碳纖維是脆性材料，抗剪切能力低,會(huì)出現(xiàn)緯紗的斷頭、起毛,因而要求劍頭在夾持緯紗的過程中慣性力小。因此，改進(jìn)了連桿引緯機(jī)構(gòu)以降低劍頭加速度峰值，如圖3所示。

在Pro/E中建模并裝配,在劍道和滑塊之間添加滾輪。滾輪是通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接在滑塊上,隨著滑塊的移動(dòng)滾輪在劍道上滾動(dòng)。

在ADAMS中進(jìn)行仿真,材料保持不變,滾輪材料設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼,仿真時(shí)間設(shè)置為1 s,得到改進(jìn)后劍桿的速度以及改進(jìn)前后加速度曲線，如圖4所示。

在圖4中可以看出,改進(jìn)后的引緯機(jī)構(gòu)的劍桿速度峰值為4.3 m/s,與改進(jìn)前的速度基本一致。在主軸轉(zhuǎn)到180°位置,劍桿移動(dòng)到0.3 s時(shí),改進(jìn)后劍桿加速度最大值為48 m/s2,小于改進(jìn)前的加速度，峰值降低了11.11%。表明滾動(dòng)接觸對(duì)劍桿的加速度曲線的峰值影響比較顯著,從而降低了劍頭的慣性力,與最初的設(shè)想是一致的。因?yàn)闈L輪在滾動(dòng)時(shí)所需要的啟動(dòng)力矩比滑動(dòng)摩擦的啟動(dòng)力矩小,把滑動(dòng)轉(zhuǎn)換成滾動(dòng)可減小慣性力。滾動(dòng)的缺點(diǎn)是承載能力較滑動(dòng)低,但由于在劍道處所負(fù)擔(dān)的載荷并不大,所以滾動(dòng)副可以代替滑動(dòng)副。改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)提高了引緯的效率,更有利于碳纖維布的生產(chǎn)織造。

3 引緯機(jī)構(gòu)劍道的強(qiáng)度

3.1 劍道的動(dòng)力學(xué)分析

在改進(jìn)機(jī)構(gòu)的過程中,對(duì)劍道的參數(shù)進(jìn)行了修改,故需要對(duì)劍道做受力分析。在改進(jìn)前后Y軸方向的作用力改變最大,只需要對(duì)Y軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。在上述條件下,利用ADAMS仿真分析，得到劍道的受力曲線，如圖5所示。

從圖5可以看出,改進(jìn)前劍道受力最大值為140 N,改進(jìn)后劍道受力的最大值為92 N,改進(jìn)后的受力較改進(jìn)前減少了34%,相對(duì)變化比較顯著。從圖5還可看出，改進(jìn)后劍桿的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中受力減小,波動(dòng)亦減小,即減小了劍道、劍桿的疲勞失效,提高了劍桿運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

3.2 劍道的靜力學(xué)分析

由于把劍道的Y軸參數(shù)值由30 mm改為26 mm,為了保證劍道的強(qiáng)度,有必要對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析。劍桿材料選用結(jié)構(gòu)鋼,密度為7 850 kg/m3,彈性模量為2×1011Pa,泊松比為0.3。采用四面體網(wǎng)格劃分,不考慮倒角的影響,使用Patch Independent算法劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格單元類型為Solid187,施加的力為140 N和92 N,分析得到的云圖如圖6、7所示。

從圖6可以看出,改進(jìn)前劍道的最大應(yīng)力為5.434 MPa,在結(jié)構(gòu)鋼的許用應(yīng)力之內(nèi)。最大形變量為0.081 89 mm,可以忽略,更進(jìn)一步說明零件設(shè)計(jì)的可靠性。從圖7可以看出，改進(jìn)后劍道的最大應(yīng)力為3.473 8 MPa，最大形變量為0.083 mm。查找材料性能手冊(cè)得知,結(jié)構(gòu)鋼的抗拉強(qiáng)度σb一般在900 MPa以上；設(shè)定安全系數(shù)為 3,材料的許用應(yīng)力[σ]為300 MPa?？梢?，改進(jìn)后劍道的最大應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍之內(nèi),符合要求。劍道的應(yīng)力比原來降低了36%,形變比原來增加了1.3%,即改進(jìn)后的劍道應(yīng)力有了很大的改善,形變的增加對(duì)機(jī)構(gòu)正常工作的影響可以忽略不計(jì),提高了整體機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能,表明此機(jī)構(gòu)改進(jìn)具有一定的可行性。

4 結(jié) 論

1) 改進(jìn)后劍頭的加速度幅值比改進(jìn)前降低了11.11%,降低了劍頭的慣性力。說明滾動(dòng)接觸影響著劍桿的運(yùn)動(dòng)特性,可以提高機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性,降低緯紗的斷頭、斷尾率?？梢?，為提高機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能,改進(jìn)并優(yōu)化引緯機(jī)構(gòu)構(gòu)件間的接觸形式是不可忽視的因素。

2) 與改進(jìn)前相比,改進(jìn)后的劍道在滿足機(jī)構(gòu)正常運(yùn)動(dòng)的前提下，應(yīng)力比原來降低了36%,形變比原來增加了1.3%,劍道強(qiáng)度滿足要求。可見，改進(jìn)的劍道結(jié)構(gòu)是合理的,為今后制造出性能優(yōu)良的引緯機(jī)構(gòu)提供了參考。