摘"要：為解決雙層劍桿織機質量的雙層引緯機構振動問題，建立雙層引緯機構的劍輪-劍桿-氣墊導軌沖擊振動剛柔耦合動力學模型，進行劍桿的瞬態(tài)振動特性仿真分析，設計振動測試實驗平臺對仿真模型參數(shù)進行修正，為后續(xù)雙層劍桿織機設計和改進提供了精準的仿真模型。

關鍵詞：雙層劍桿織機；振動系統(tǒng)；建模；仿真

中圖分類號：TP391.9""文獻標志碼：B""文章編號：1671-5276（2024）02-0139-05

Research on Vibration Modeling of Double-Layer Weft Insertion Mechanism

WANG Shui1， FANG Bo2， WANG Minqi1， WANG Hanzhu1， GAO Zhikai1， ZHANG Wei2

（1. Changzhou Wuyang Textile Machinery Co.， Ltd.， Changzhou 213164，China；

2. School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094，China）

Abstract：To solve the vibration problem of double-layer weft insertion mechanism of double-layer rapier loom， this paper establishes the rigid-flexible coupling dynamic model of double-layer weft insertion mechanism of sword wheel-rapier-air cushion guide impact vibration， conducts the simulation analysis of rapier transient vibration characteristics， and designs the vibration test platform to modify the parameters of the simulation model. The reserch presents an accurate simulation model for the design and improvement of double-layer rapier loom.

Keywords：double-layer rapier loom；vibration system；modeling；simulation

0"引言

工程織物用雙層劍桿織機是目前較先進的制造設備，由于齒輪齒條的嚙合振動與傳動軸的往復扭轉振動［1］，高速往復運動的劍桿會發(fā)生劇烈振動，嚴重影響了雙層劍桿織機的工作穩(wěn)定性，降低了織物質量和生產效率。楊建成等［2］提出減小齒輪模數(shù)與增加異相位齒輪的方法能夠提升劍桿的傳動穩(wěn)定性。李浩等［3］指出由于齒輪嚙合產生的振動對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產生的影響更大。在振動仿真建模方面，柔性化關鍵部件的多體模型比全剛體多體模型更接近實際樣機［4］。王承登等［5］建立了還原真實工況的動態(tài)嚙合有限元齒輪模型，根據(jù)嚙合沖擊理論求解出嚙入沖擊力與沖擊時間。

本文借助仿真和實驗相結合，先建立雙層劍桿織機雙層引緯驅動組件剛柔耦合仿真模型并分析正常工況下仿真模型中關鍵位置的時域加速度響應，然后建立振動測試實驗獲取真實加速度響應并修正仿真模型的參數(shù)，為后續(xù)改進設計的仿真驗證提供更為精準的雙層引緯機構振動模型。

1"引緯機構振動系統(tǒng)

雙層劍桿織機引緯驅動組件如圖1所示，上下兩層具有相同的結構。引緯機構傳動過程中，驅動輪水平振動對系統(tǒng)性能影響更加明顯，而整個傳動系統(tǒng)對驅動輪的扭振特性影響更明顯。由于該系統(tǒng)的復雜性，仿真模型參數(shù)需要通過實際實驗才能準確地確定。

2"雙層引緯機構振動建模流程

為了建立切合工況的雙層引緯機構振動模型，采用基于剛柔耦合仿真和實際振動實驗相結合的方法建模和參數(shù)修正，具體流程如圖2所示。

3"剛柔耦合仿真建模及分析

本文研究的引緯驅動組件振動系統(tǒng)作為末端執(zhí)行機構，其振動特性受整個傳動系統(tǒng)的影響不可忽視。為此，提取引緯機構多剛體動力學模型中驅動輪角位移時程曲線作為驅動施加到本文建立的剛柔耦合模型中，如圖3所示。

圖3"驅動輪角位移時程曲線

本文選取驅動輪、氣墊導軌為主要柔性元件，劍桿及其他組件為剛性元件。建立劍輪-劍桿-氣墊導軌振動系統(tǒng)動力學模型（圖1）。模型采用實體單元Solid186、梁單元Beam188、剛性耦合Cerig與質量單元Mass21建立，材料參數(shù)如表1所示。網(wǎng)格單元總數(shù)為284 030，節(jié)點總數(shù)為345 782，均為六面體結構化網(wǎng)格，單元質量滿足國家標準GB/T 33582—2017中單元質量檢查控制參數(shù)的要求。在劍輪軸心施加轉動副以及驅動，其余關鍵接觸位置采用Impact碰撞算法模擬非線性接觸并設置相關接觸參數(shù)如表2所示。

該模型包含10組非線性接觸對，這里采用WSTIFF積分器與SI2積分格式進行求解。由于模型的計算規(guī)模較大，為提高計算效率，采用8核并行計算進行求解。為保證計算的準確性，設置仿真總時間為0.5s，總求解步為6 000。求解后通過觀測劍桿運動驗證仿真模型的正確性與合理性，如圖4—圖7所示（本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者）。

由圖4可以看出劍桿在z方向的運動滿足引緯機構的運動規(guī)律，符合圖3中驅動輪角位移時程曲線的走勢。由圖5可以看出劍桿沿z方向的移動速度存在明顯波動，尤其在［0.15 0.19］s內移速出現(xiàn)劇烈變化，不穩(wěn)定性最大。劍桿行程變化如表3所示。

由圖6可以看出引緯過程中劍頭沿x方向發(fā)生明顯的抖動，不同時刻抖動幅度不同，幅值范圍為［-0.976 4 1.010 8］mm，當劍頭抖動幅值過大時容易造成左右側劍桿發(fā)生碰撞，上下層劍頭在x方向的運動趨勢基本一致。由圖7可以看出劍頭沿x方向的速度變化比較劇烈，不同時刻對應程度不同，下層劍頭的速度變化劇烈程度強于上層劍桿，劍頭的運動趨勢如表4所示。

圖8—圖9為氣墊導軌出劍口在x方向的位移時程曲線和加速度時程曲線。

由圖8可以看出，受到劍桿的碰撞，氣墊導軌出劍口位置發(fā)生明顯振動，振動趨勢與劍頭抖動趨勢基本一致，不同點在于振動受劍桿碰撞造成，位移明顯減小，振幅在［-0.221 0"0.439 9］mm內變化。由圖9可以看出氣墊導軌出劍口位置的振動速度與振動加速度在［0.15 0.19］s內有明顯的變化，這與前述相同時段內其他關鍵位置的運動趨勢一致。

綜上，在引緯過程中劍頭發(fā)生不同程度的振動，由于系統(tǒng)振動和劍桿自身振動所造成的劍頭震蕩不可避免；上下層劍桿的運動趨勢基本一致，與上層相比下層更容易發(fā)生振動；氣墊導軌出劍口位置與劍桿質心和劍頭質心的運動趨勢基本吻合，能夠反映出引緯機構的整體振動特性。

為了更加真實地揭示劍桿及其組件間的沖擊振動，設計了如下振動測試實驗方案進行測量，對仿真模型進行修正。

4"劍桿振動特性測試實驗

4.1"測量實驗平臺搭建

本次測量實驗平臺采用IEPE壓電式加速度傳感器、IEPE同步信號采集器和計算機。本次搭建的數(shù)據(jù)采集實測現(xiàn)場如圖10所示。氣墊導軌出劍口位置作為測量點，該測點最能反映系統(tǒng)的振動狀態(tài)，而且便于安裝傳感器。

4.2"振動信號時域和頻域特性分析

通過實驗采集到的氣墊導軌出劍口位置振動加速度信號如圖11所示。圖中可以看到兩組振動信號基本一致，上下層氣墊導軌的振動加速度數(shù)據(jù)規(guī)律性比較明顯，振幅在正負象限內分布均勻。

由于驅動輪的轉速時變導致測量到的振動信號具有時變和頻變特征，在時域內振幅隨時間變化，在頻域內振頻隨時間變化。通過測量獲得的時域信號作為觀測值，對于頻變信號采用基于參數(shù)的AR功率譜估計，對兩種數(shù)據(jù)分別進行功率譜分析。該方法需要確定模型的階數(shù)才能得到比較可靠的結果。通過多次實驗最終確定在5階與6階的AR功率譜估計能夠適應本次分析。仿真與實驗數(shù)據(jù)對比如圖12和表5所示。由圖12可知，仿真與實測的特征頻率存在較大差距。由表5可知仿真值與實測值的時域特征參數(shù)差距較大，故需要對原有的仿真模型進行修正。

4.3"參數(shù)修正

仿真模型與實測數(shù)據(jù)存在的誤差主要來自于模型的簡化誤差、參數(shù)設置誤差與等效替代誤差，因此需要對該仿真模型參數(shù)進行修正，使其盡量準確反映實際系統(tǒng)狀況。修正后的參數(shù)值如表6所示。

對修正后的模型重新進行計算，得到結果如圖13、圖14和表7所示。由圖13可知模型修正后上層氣墊導軌出劍口位置仿真結果與實測結果的振動加速度曲線吻合度較高，其主要區(qū)別是在［0 0.8］s與［0.4 0.5］s區(qū)間內實測數(shù)據(jù)的振動程度高于仿真數(shù)據(jù)。時域特征參數(shù)結果比較接近，相對誤差在10%以內。

由圖14可見調整參數(shù)后的模型經過修正后5階、6階基于參數(shù)的AR功率譜估計、仿真結果與實測結果均有較好的匹配度?？芍?，樣機在正常工作狀態(tài)下，其特征頻率分別為412Hz、568Hz與785Hz，仿真結果的特征頻率與實測對象特征頻率對應誤差均在15%以內，能夠滿足共振帶10%～30%的誤差要求。整體而言，經過修正該模型能夠滿足仿真需求。

5"結語

本文通過仿真分析與實測分析相結合，建立了可用于對雙層劍桿織機引緯機構劍桿的動態(tài)振動特性仿真的更為精準的剛柔耦合模型，確定了較為完善的剛柔耦合建模與仿真參數(shù)修正流程，通過對時域與頻域特征參數(shù)模擬，為解決該機構正常工作時劇烈振動提供了準確的分析數(shù)據(jù)并做出合理的分析與預測；結合現(xiàn)代功率譜分析方法求解出該頻變振動信號的特征頻率，為樣機穩(wěn)定性提高提供準確的數(shù)據(jù)。

參考文獻：

［1］ 吳浩，聶國林. 風電齒輪箱振動響應研究［J］. 機械制造，2021，59（2）：12-16.

［2］ 楊建成，李浩，蔣秀明. 碳纖維多層立體織機引緯機構振動動力學仿真［J］. 天津工業(yè)大學學報，2016，35（5）：83-88.

［3］ 李浩，楊建成，蔣秀明. 考慮齒輪動態(tài)嚙合力的碳纖維立體織機引緯機構設計研究［J］. 機械傳動，2016，40（8）：67-71.

［4］ 周東才，洪海生，馬壬聯(lián). 基于整機剛柔耦合動力學模型的伸縮臂叉車駕駛舒適性分析［J］. 機械設計，2021，38（10）：108-113.

［5］ 王承登，何澤銀，楊震，等. 受載齒輪副嚙入沖擊激勵計算方法［J］. 航空動力學報， 2022（8）：1-10.

收稿日期：20221014