梅寶龍，袁汝旺

(1.中國紡織機械協(xié)會，北京 100028；2.天津工業(yè)大學 機械工程學院，天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室：天津 300387)

0 引言

凸輪機構(gòu)一般是由主動件和從動件組成的高副機構(gòu)，可將凸輪連續(xù)回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為從動件往復移動或擺動。凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，可實現(xiàn)從動件預期的復雜運動規(guī)律，高速運動可靠性高。凸輪機構(gòu)主要包括平面凸輪機構(gòu)與空間凸輪機構(gòu)[1]等，在紡織機械中應用廣泛，如織造機械的開口機構(gòu)、打緯機構(gòu)和引緯機構(gòu)[2-4]，以及經(jīng)編機梳櫛橫移機構(gòu)[5]、卷繞機卷繞頭[6]和絡筒機槽筒[7]等。目前，國內(nèi)紡織機械用凸輪多采用三維掃描技術(shù)獲取凸輪廓線數(shù)據(jù)，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后進行凸輪廓線加工，導致實際工作車速不足、振動噪聲大、可靠性差等問題，與國外同類產(chǎn)品相比存在較大差距。因此，設計滿足紡織工藝需求的凸輪機構(gòu)有利于增強國產(chǎn)紡織裝備領(lǐng)域研發(fā)實力，對提升技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量及核心競爭力具有重大意義[8]。

凸輪是紡織裝備領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件，而國內(nèi)紡織裝備制造企業(yè)與相關(guān)科研院所或高校對紡織機械用凸輪設計與制造的基礎理論研究不足；主要體現(xiàn)在：凸輪機構(gòu)運動特性與紡織工藝分析耦合關(guān)系不清楚，凸輪機構(gòu)從動件運動規(guī)律產(chǎn)品系列化不足，紡織工藝可靠性的動力學分析不足等方面。筆者從紡織工藝與凸輪機構(gòu)運動特性耦合的視角，提出凸輪從動件運動規(guī)律反求、擬合與重構(gòu)方法，探討從運動規(guī)律角度開展凸輪機構(gòu)系列化設計，分析凸輪機構(gòu)運動可靠性。凸輪機構(gòu)實現(xiàn)預定的紡織工藝，其工藝變化需更換凸輪，故產(chǎn)品多樣性的關(guān)鍵是依據(jù)工藝需求將含凸輪機構(gòu)部件或單元系列化，包括從動件運動規(guī)律系列化、結(jié)構(gòu)形式與參數(shù)模塊化、關(guān)鍵部件單元系列化等，有助于實現(xiàn)紡織機械產(chǎn)品系列化。

1 凸輪機構(gòu)設計原則

1.1 以實現(xiàn)紡織工藝為根本目標

以紡織工藝為出發(fā)點，分析紡織工藝與凸輪機構(gòu)構(gòu)型及其運動特性的關(guān)系，確定凸輪機構(gòu)構(gòu)型。結(jié)合工藝參數(shù)與特征值對凸輪機構(gòu)進行設計，如考慮速度與紗線張力的關(guān)系、扭矩與電機特性的關(guān)系、凸輪運動特征值峰值對紡織品力學性能的影響等，有利于提高紡織品質(zhì)量。

1.2 以凸輪機構(gòu)運動規(guī)律特性為核心

凸輪機構(gòu)可實現(xiàn)預定的運動規(guī)律，從動件運動采用三角函數(shù)或多項式函數(shù)，凸輪運動規(guī)律可實現(xiàn)簡單運動。但簡單運動規(guī)律不適用于紡織機械用凸輪設計，因此復雜從動件運動采用分段組合函數(shù)或傅里葉級數(shù)運動規(guī)律，該運動規(guī)律靈活性大，可根據(jù)不同工藝進行相應參數(shù)調(diào)整，當工藝發(fā)生變化時，修改特定參數(shù)得到符合工藝變化后的凸輪輪廓線，有助于將凸輪機構(gòu)從動件運動特性系列化。

1.3 以紡織機械系統(tǒng)設計動力學分析為手段

紡織品既是被加工的對象，又是力和運動的傳遞媒介，以紡織品與機械耦合作用的凸輪設計方法，對凸輪機構(gòu)進行紡織品與機械耦合作用下的多物理場分析，從紡織品力學性能和產(chǎn)品質(zhì)量方面提出凸輪機構(gòu)設計參數(shù)?；谕馆啓C構(gòu)構(gòu)型進行運動可靠性及動力學分析，提高從動件運動精度，減少高速工況下的振動、噪聲等，切實提高紡織機械裝備質(zhì)量。

2 劍桿織機用凸輪機構(gòu)設計

劍桿織機的開口機構(gòu)、引緯機構(gòu)和打緯機構(gòu)，通常采用共軛凸輪或圓柱凸輪實現(xiàn)其運動規(guī)律，滿足織造工藝需求。國產(chǎn)劍桿織機用凸輪從動件運動規(guī)律主要采用分段函數(shù)或簡單的三角函數(shù)，在高速運轉(zhuǎn)條件下織機停車故障率高、振動噪聲大。筆者以一組正弦或余弦函數(shù)為基礎，基于傅里葉級數(shù)構(gòu)造，設計了滿足不同織造工藝需求的凸輪從動件運動規(guī)律，其計算公式見式(1)。

式(1)中：S(θ)為從動件角位移；v(θ)為從動件角速度；a(θ)為從動件角加速度；θ為織機主軸轉(zhuǎn)角；θ0為從動件升程所對應的織機主軸轉(zhuǎn)角；a0，bn，cn分別為傅里葉級數(shù)的系數(shù)，由邊界條件確定；ω為織機主軸轉(zhuǎn)速；k為傅里葉級數(shù)的階數(shù)；h為從動件角位移最大幅值。

式(1)為傅里葉級數(shù)的基本形式，依據(jù)織造工藝的差異性，合理選擇傅里葉級數(shù)的構(gòu)成及其階數(shù)和從動件升程對應的織機主軸轉(zhuǎn)角是十分重要的。

2.1 旋轉(zhuǎn)式電子多臂開口凸輪設計

旋轉(zhuǎn)式電子多臂開口機構(gòu)為復動式開口，多臂機主軸旋轉(zhuǎn)360°形成2次開口，且經(jīng)紗滿開到綜平(H0至H1)與綜平到滿開(H1至H2)的所有多臂機主軸轉(zhuǎn)角均為90°，圖1為經(jīng)紗開口過程示意。

圖1 經(jīng)紗開口示意

旋轉(zhuǎn)式電子多臂機的變速運動由多臂機主軸勻速轉(zhuǎn)動與凸輪從動件繞鉸接點的往復擺動2部分組成，圖2為旋轉(zhuǎn)變速運動的合成原理。由圖2可知，在運動周期φ0內(nèi)，轉(zhuǎn)子臂與偏心連桿的牽引與角位移為連續(xù)變化的直線或曲線，且幅值與運動周期φ0相等，而相對角位移由初始位置開始在正負極限位置之間連續(xù)往復擺動，振幅為φrimax。相對角位移是關(guān)于點(φ0/2，0)的對稱曲線，絕對角位移是關(guān)于點 (φ0/2，φ0/2)的對稱曲線。凸輪從動件的往復擺動規(guī)律對綜框靜止時間、經(jīng)紗張力與機構(gòu)的動態(tài)特性影響很大，設計合理凸輪從動件運動規(guī)律并形成系列化以滿足不同車速與幅寬織機的開口需求。

a) 牽引角位移

圖3為織機主軸旋轉(zhuǎn)1圈的旋轉(zhuǎn)變速運動規(guī)律的運動特性。由圖3可知，旋轉(zhuǎn)變速運動的角速度和角加速度連續(xù)變化無突變，有利于織機綜框的平穩(wěn)運動。

a) 絕對運動角位移

旋轉(zhuǎn)變速運動經(jīng)曲柄搖桿機構(gòu)傳動，實現(xiàn)提綜臂具有一定停頓時間的往復擺動運動。圖4為不同速度參數(shù)下提綜臂的運動特性。由圖4可知，提綜臂的運動特性由調(diào)節(jié)系數(shù)b控制，系數(shù)b越小，綜框相對靜止時間越長，但綜框運動的速度和加速度越大，易引起經(jīng)紗斷頭與機器振動，不利于高速。因此，需合理選擇調(diào)節(jié)系數(shù)b且平衡開口時間與動態(tài)特性的關(guān)系，并開發(fā)設計系列化凸輪，才能滿足不同幅寬與車速的織造需求。

a) 提綜臂角位移

2.2 變導程螺旋引緯凸輪設計

變導程螺旋引緯機構(gòu)利用曲柄滑塊機構(gòu)驅(qū)動變導程螺桿往復擺動，并通過傳劍輪驅(qū)動劍桿帶的直線往復運動。為滿足織機不同車速與幅寬的需求，在不改變曲柄滑塊機構(gòu)與傳劍輪尺寸的條件下，合理調(diào)節(jié)螺桿的導程以適應不同的織造條件。

圖5和圖6是幅寬分別為320 cm與380 cm的螺桿導程與劍桿帶動程，可知，不同幅寬螺桿導程變化和劍桿帶動程具有相似的運動特性；在曲柄滑塊機構(gòu)動程不變的條件下，合理調(diào)節(jié)螺桿導程的變化規(guī)律可滿足不同幅寬(170 cm～430 cm)的織造需求，且可通過調(diào)節(jié)曲柄的尺寸以滿足緯紗交接條件。

圖5 旋轉(zhuǎn)多臂運動合成

圖6 劍桿運動特性

2.3 共軛凸輪打緯機構(gòu)設計

從織物形成角度看，打緯機構(gòu)為劍桿織機5大機構(gòu)的核心，通過調(diào)節(jié)打緯機構(gòu)慣性力來滿足不同織物負載與緯密要求，而打緯機構(gòu)加速度是影響慣性打緯力的關(guān)鍵。圖7為3種不同幅寬織機打緯運動規(guī)律曲線。

由圖7可知，幅寬相同時，織造產(chǎn)品不同應選擇不同的凸輪輪廓線；幅寬不同時可調(diào)節(jié)打緯運動所占織機主軸轉(zhuǎn)角的比例，調(diào)節(jié)遠休止角時間及其動態(tài)特性以滿足不同幅寬、車速與品種的織造需求。

a) 筘座腳角位移

3 結(jié)論

凸輪機構(gòu)及其系統(tǒng)是紡織裝備的關(guān)鍵部分，其廓線形狀與紡織工藝密切相關(guān)。因此，應從紡織工藝的差異化需求出發(fā)，探索凸輪機構(gòu)的動態(tài)特性與紡織工藝的耦合關(guān)系，通過凸輪機構(gòu)建模及其動態(tài)特征參數(shù)、機構(gòu)尺寸參數(shù)和從動件運動規(guī)律的系列化配置，開發(fā)系列化凸輪，在滿足紡織工藝差異化需求的前提下，進一步提升裝備的可靠性、穩(wěn)定性和核心競爭能力。