高速織機(jī)綜框的動(dòng)態(tài)特性分析與設(shè)計(jì)

1、高速織機(jī)綜框的動(dòng)態(tài)特性分析與設(shè)計(jì)作者：邱海飛王益軒林力劉欣論文關(guān)鍵詞:織機(jī)綜框振動(dòng)特性動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)有限元方法COSMOS論文摘要:綜框是開口機(jī)構(gòu)的主要工作部件,其動(dòng)態(tài)性能的好壞會(huì)直接影響織機(jī)的正常工作。針對(duì)不同筘幅的綜框,在SolidWorks軟件中建立有限元模型,并計(jì)算求出綜框的各階模態(tài)振型,分析了其動(dòng)態(tài)特性對(duì)織機(jī)的影響。提出了綜框設(shè)計(jì)時(shí)改進(jìn)其動(dòng)態(tài)特性的措施和方法。綜框是織機(jī)中的一個(gè)重要部件，織機(jī)經(jīng)紗斷頭主要發(fā)生在綜框鄰近區(qū)域。近年來各種織機(jī)的入緯率不斷提高。高速織機(jī)轉(zhuǎn)速已達(dá)3000m/min以上?？棛C(jī)門幅也達(dá)380cm以上，這對(duì)綜框的設(shè)計(jì)要求進(jìn)一步提高。觀察綜框在織造中的運(yùn)動(dòng)狀況，其動(dòng)態(tài)受力有

2、綜框上下運(yùn)動(dòng)的沖擊力，織物張力所致的彎曲力，綜框在環(huán)境溫度變化下所產(chǎn)生的變形力等。這些因素都會(huì)使綜框在織機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生不同程度的振動(dòng)。綜框的振動(dòng)不但會(huì)造成斷經(jīng)。影響生產(chǎn)效率；而且當(dāng)其與織機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生共振時(shí)。還會(huì)造成橫梁斷裂甚至框架脫開口。所以在進(jìn)行綜框設(shè)計(jì)時(shí)，有必要研究其動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)一步提高和改進(jìn)綜框的動(dòng)態(tài)性能。本文通過對(duì)3種不同幅寬(190，230，280cm)綜框的動(dòng)態(tài)特性研究，對(duì)它們的模態(tài)振型進(jìn)行對(duì)比分析.從而改善綜框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其動(dòng)態(tài)性能達(dá)到優(yōu)良，適合各種高速織機(jī)的工作轉(zhuǎn)速。本項(xiàng)研究在SolidWorks軟件中建立綜框的數(shù)字化模型，通過COSMOS塊對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。獲得綜框的模態(tài)和

3、振型。在此過程中，綜框模型完全按照國標(biāo)(FZT94009-1992)規(guī)定所建立。保證了綜框幾何結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，具有生產(chǎn)實(shí)用價(jià)值。而COSMOS是當(dāng)今世界上最快的有限元分析軟件。它與SolidWorks無縫集成，不用考慮數(shù)據(jù)交換所產(chǎn)生的模型誤差并且高精確的分析結(jié)果也已被業(yè)界所認(rèn)可。這確保了本項(xiàng)研究結(jié)果的正確性。1幾何模型綜框的主要部件包括上橫梁、下橫梁、左右側(cè)檔、導(dǎo)板、穿綜桿和綜絲夾。本項(xiàng)研究先在SolidWorks中建立190cm幅寬織機(jī)上的數(shù)字化綜框模型，然后在此模型基礎(chǔ)上通過參數(shù)化技術(shù)方法，分別建立230cm與280cm幅寬織機(jī)的綜框模型，其中綜框的各部件及整體結(jié)構(gòu)尺寸都是按照國標(biāo)FZT94

4、009-1992所確立。建好的綜框模型如圖1所示。2有限元模型建立有限元模型時(shí)根據(jù)分析對(duì)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要對(duì)已完成的幾何模型進(jìn)行簡化處理，以便節(jié)省計(jì)算機(jī)資源。更加快捷地建立有限元模型。在此，去掉幾何模型中一些關(guān)系不大的局部特征。就可以直接對(duì)綜框劃分網(wǎng)格。COSMOSWorks用高品質(zhì)實(shí)體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元為10節(jié)點(diǎn)四面體要素，如圖2所示。網(wǎng)格劃分過程中對(duì)綜框各部件進(jìn)行網(wǎng)格控制，使要素大小都適合各部件自身的形狀結(jié)構(gòu)，從而建立正確的有限元分析模型，保證獲得精確的分析結(jié)果。網(wǎng)格化后的綜框模型如圖3所示。在對(duì)綜框進(jìn)行有限元分析之前必須定義它的材料特性，綜框?qū)儆诒⌒慰蚣茴惤Y(jié)構(gòu)，織機(jī)工作時(shí)綜框上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，承

5、受經(jīng)紗張力動(dòng)載荷，并且把劇烈振動(dòng)傳遞給經(jīng)紗。加劇了經(jīng)紗在綜眼中的摩擦?？紤]到綜框工作時(shí)的承載和變形情況，在綜框設(shè)計(jì)時(shí)使用的材料必須要保證它的剛度和強(qiáng)度。本項(xiàng)研究在進(jìn)行有限元分析時(shí)，對(duì)綜框的上下橫梁、左右側(cè)檔、導(dǎo)板及綜絲夾選擇COSMOSWorks料庫中的鋁合金材料1060-H18Rod(ss)。此型號(hào)鋁合金材料具有質(zhì)量輕強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可滿足綜框工作時(shí)的性能要求。而對(duì)于穿綜桿則采用強(qiáng)度高韌性好的彈簧鋼65MN綜框材料的主要參數(shù)如表1所示。至此，綜框的有限元模型已建立完成，接下來就可以在COSMOSWorks對(duì)已完成的有限元模型進(jìn)行求解分析。本項(xiàng)研究先對(duì)190cm幅寬織機(jī)的綜框進(jìn)行分析，然后通過參

6、數(shù)化技術(shù)手段改變綜框的幾何模型，分別對(duì)230cm和280cm幅寬織機(jī)的綜框進(jìn)行有限分析。COSMOSWor3種不同箝幅綜框的分析數(shù)據(jù)如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可知，以190cm箝幅綜框?yàn)槔Ｕ麄€(gè)綜框被劃分為86048個(gè)單元，共157048個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有X、Y、Z方向3個(gè)自由度,最多可獲得471144階固有頻率及相應(yīng)振型。建立綜框振動(dòng)方程為：MX+KX=0此系統(tǒng)振動(dòng)方程是一組二階常系數(shù)齊次線性微分方程組，其中質(zhì)量矩陣M為單位陣剛度矩陣K為對(duì)稱陣，且M和K均為471144階方陣。此振動(dòng)方程可通過線性變換解耦合來求其解，而COSMOSWorkS用的是FFE(FastFiniteElement)求解器

7、。即快速有限元法，一種可以保證結(jié)果收斂的快速迭代法。其他兩種綜框振動(dòng)方程的建立方法與此相同，但是由于有限元模型自由度的增多，振動(dòng)方程組的維數(shù)也隨之增大。3結(jié)果與分析運(yùn)行求解后，獲得了綜框的固有頻率和振型。由于織機(jī)的工作轉(zhuǎn)速只與綜框前面的部分模態(tài)有關(guān)故本文只考慮綜框的前20階模態(tài)，去除綜框的剛體模態(tài)，得到1到20階固有頻率如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可知。隨著筘幅的增大，綜框的各階固有頻率顯著降低，在工況條件下就容易與織機(jī)的工作轉(zhuǎn)速頻率發(fā)展共振，產(chǎn)生很大的振幅使綜框結(jié)構(gòu)受到破壞，影響綜框的使用壽命。對(duì)于190cm箝幅的綜框，當(dāng)織機(jī)工作轉(zhuǎn)速到達(dá)1200r/min時(shí)，對(duì)其影響最大，因?yàn)樗?個(gè)20Hz左右

8、的頻率。極其容易發(fā)生共振。它的2、3階振型如圖4(a)與(b)所示。由圖4可以看出，對(duì)于190cm箝幅綜框。其2、3階振型都是橫梁和穿綜桿在發(fā)生不同程度的彎曲振動(dòng)而綜框的其他部件都未振動(dòng)。由第2階振型可以看出。綜框的上下橫梁及穿綜桿都在振動(dòng)如圖4(a)所示。其中上下橫梁發(fā)生較大的彎曲振動(dòng)，而且相位恰好相反，最大振幅出現(xiàn)在橫梁中部位置.此時(shí)織機(jī)轉(zhuǎn)速頻率如果停留在19.776Hz。那么綜框橫梁及穿綜桿就極易發(fā)生斷裂。故織機(jī)工作轉(zhuǎn)速尤其要避開綜框的第2階固有頻率。而其第3階振型表現(xiàn)為橫梁和穿綜桿的橫向振動(dòng)振動(dòng)幅度沒有第2階振型大。且最大振幅發(fā)生在距橫梁右端約13處，如圖4(b)所示。此時(shí)如果與織機(jī)轉(zhuǎn)

9、速發(fā)生共振同樣會(huì)對(duì)綜框的結(jié)構(gòu)造成破壞。由以上分析可知190cm箝幅織機(jī)工作轉(zhuǎn)速應(yīng)避開第2、3階固有頻率，以免橫梁和穿綜桿由于共振產(chǎn)生過大振幅而使其斷裂。由表3數(shù)據(jù)可知當(dāng)轉(zhuǎn)速在600rmin和1800r/min時(shí)，對(duì)190cm綜框沒有什么影響；但如果織機(jī)要在1200rmin的轉(zhuǎn)速下工作時(shí)就必須改進(jìn)此綜框的動(dòng)態(tài)特性，以消除其第2、3階振型。此時(shí)可以通過改變綜框的結(jié)構(gòu)特征，或者在綜框上安裝吸振裝置來消除其共振頻率和振型。對(duì)于230cm箝幅綜框，由表3可知影響其600rmin工作性能的主要是第1階模態(tài)。其振型如圖5所示。綜框上下橫梁和穿綜桿發(fā)生較大的彎曲振動(dòng)橫梁的中間部位是最薄弱、最容易斷裂的地方。與

10、190cm箝幅綜框不同的是，230cm箝幅綜框完全可以用在轉(zhuǎn)速為1200r/min的織機(jī)上，因?yàn)槠錄]有20Hz左右的周有頻率；但是當(dāng)織機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2000rmin左右時(shí)此綜框就容易發(fā)生破裂，影響其動(dòng)態(tài)特性的主要是第5階振型。由圖6可看出。綜框的整個(gè)邊框都出現(xiàn)振動(dòng)。其中上下橫梁及穿綜桿發(fā)生垂直方向的振動(dòng)，而側(cè)檔則發(fā)生左右方向的振動(dòng)，此綜框如果直接用于2000rmin的高速織機(jī)。將對(duì)綜框造成致命性的破壞，即整個(gè)綜框結(jié)構(gòu)可能發(fā)生解體。圖6中變形前和變形后的綜框形成鮮明對(duì)比，準(zhǔn)確且明顯地預(yù)測了此綜框在共振頻率下的破壞程度和趨勢。以此為依據(jù)。在進(jìn)行綜框動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)就可以有針對(duì)性地優(yōu)化綜框結(jié)構(gòu)，使其動(dòng)態(tài)特性適

11、合高速織機(jī)的工作要求。280cm箝幅綜框的第2階振型如圖7(a)所示，與圖5中振型相似，主要都是綜框邊框及穿綜桿的彎曲振動(dòng)，在此不再分析。而第7階振型中上下橫梁及穿綜桿振動(dòng)都很厲害，由圖7(b)可知當(dāng)織機(jī)開到1800rmin時(shí)。此綜框的上下橫梁將會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)，極有可能從橫梁中問部位斷裂，而且穿綜桿與橫梁的振動(dòng)趨勢一致，在織機(jī)工作頻率接近29.549Hz時(shí)也會(huì)遭到破壞。從表3可以看出，280cm箝幅綜框與230cm箝幅綜框一樣.也沒有靠近20Hz左右的頻率，所以完全可以在1200rmin的高速織機(jī)上使用此綜框。4結(jié)語通過對(duì)3種不同筘幅綜框的幾何建模及有限元計(jì)算分析，可以看出綜框動(dòng)態(tài)特性的好壞對(duì)織機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)影響很大，可從以下幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)：(1)改變綜框的結(jié)構(gòu)，比如改變橫梁或者側(cè)檔的結(jié)構(gòu)尺寸等此時(shí)綜