羅 娟, 郗欣甫, 孫以澤

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

用于簇絨地毯織機(jī)的新型鉤刀割絨機(jī)構(gòu)

羅 娟, 郗欣甫, 孫以澤

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

為解決多色提花鉤刀割絨系統(tǒng)在移針時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的橫移問題，根據(jù)簇絨地毯割絨的形成原理，設(shè)計(jì)了一種新型的用于簇絨地毯織機(jī)上的鉤刀割絨機(jī)構(gòu)，能準(zhǔn)確完成勾紗-脫紗工藝。根據(jù)這套鉤刀割絨機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，分成3個(gè)封閉多邊形，對(duì)每個(gè)封閉多邊形依據(jù)其矢量關(guān)系，建立矢量方程式，并利用歐拉公式簡(jiǎn)化方程，進(jìn)行實(shí)部與虛部分離得到構(gòu)件位移；接著對(duì)相關(guān)方程式討論其一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)分別得到構(gòu)件的速度、加速度的數(shù)學(xué)求解式。通過這些求解式運(yùn)用MatLab進(jìn)行編程，計(jì)算所求量，得到各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及成圈鉤的角位移、角速度和角加速度的變化曲線。

鉤刀割絨機(jī)構(gòu)； 運(yùn)動(dòng)規(guī)律； 數(shù)學(xué)模型； 變化曲線

在簇絨地毯的織造工藝中，成圈鉤握持紗線成圈形成圈絨，或割絨刀割斷紗線形成割絨，根據(jù)不同的工藝方法，簇絨地毯可通過多種方式來實(shí)現(xiàn)地毯的多樣性[1-2]。其中為滿足不斷豐富的花型要求，簇絨地毯織機(jī)橫動(dòng)技術(shù)得到發(fā)展，主要包括底布橫動(dòng)技術(shù)和針排橫動(dòng)技術(shù)，這2種技術(shù)對(duì)鉤刀割絨機(jī)構(gòu)的要求是不同的。底布橫動(dòng)提花只需要移動(dòng)底布，鉤刀割絨機(jī)構(gòu)不需要橫移，比較簡(jiǎn)單，但是由于受到底布運(yùn)動(dòng)的限制，只能織出比較簡(jiǎn)單的花形，而且提花性能不穩(wěn)定，精度較差，而針排橫動(dòng)技術(shù)是針排和割絨系統(tǒng)在進(jìn)行提花的同時(shí)完成整個(gè)機(jī)構(gòu)橫向移動(dòng)提花，地毯花型豐富，適用性廣[3]。

本文針對(duì)多色提花系統(tǒng)中的鉤刀割絨機(jī)構(gòu)進(jìn)行改善，設(shè)計(jì)了一種新型的鉤刀割絨系統(tǒng)，既可完成鉤刀割絨機(jī)構(gòu)勾紗-割絨的功能，而且也可在橫動(dòng)時(shí)避免整個(gè)鉤刀割絨系統(tǒng)的整體橫動(dòng)，減少整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

1 割絨形成原理

割絨絨頭的形成是在簇絨針植絨后，由鉤刀割絨機(jī)構(gòu)完成成圈割絨運(yùn)動(dòng)。割絨機(jī)構(gòu)一般由簇絨針、成圈鉤和割絨刀組成,通過其之間具有一定規(guī)律的配合，以送紗-勾紗-脫紗的循環(huán)性動(dòng)作使絨紗在底布形成絨圈[4-5]。圖1為割絨形成原理的示意圖。首先，簇絨針帶著絨紗開始下降，與此同時(shí)，底布向前進(jìn)，成圈鉤脫紗完畢開始向左擺動(dòng)，為勾住下一個(gè)絨圈做準(zhǔn)備，割絨刀已經(jīng)切割完上一個(gè)絨圈向下運(yùn)動(dòng)。接著，簇絨針繼續(xù)下降直至下止點(diǎn)，成圈鉤從最右端向左邊擺動(dòng)，并從簇絨針和絨圈之間穿過，準(zhǔn)備勾紗，同時(shí)，割絨刀下降到下止點(diǎn)。然后，簇絨針開始上升，成圈鉤已經(jīng)擺動(dòng)到最左端并勾住此時(shí)的絨圈開始向右擺回，而割絨刀則向上運(yùn)動(dòng)開始割斷絨圈。此后，簇絨針繼續(xù)上升，成圈鉤向右擺動(dòng)到最右端，割絨刀上升到最高處,之后重復(fù)前面的動(dòng)作，于是地毯上的割絨就形成了[6]。

2 鉤刀割絨機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)割絨地毯形成的工藝原理，對(duì)鉤刀割絨機(jī)構(gòu)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的鉤刀割絨機(jī)構(gòu)主要完成勾紗-脫紗的循環(huán)動(dòng)作，據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一種新型的簇絨地毯織機(jī)的鉤刀割絨機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖2。圖中，成圈鉤1固連在鉤支承桿3上，和轉(zhuǎn)動(dòng)板件6相連接，直線軸承8和連接板10構(gòu)成滑塊，該滑塊組件的運(yùn)動(dòng)由水平運(yùn)動(dòng)和豎直運(yùn)動(dòng)合成，于是可形成轉(zhuǎn)動(dòng)板件6繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)成圈鉤的左右擺動(dòng)；刀支架4夾住割絨刀2，與刀滑桿5相連，其可在滑槽7內(nèi)滑動(dòng)，由9、10組成的滑塊的水平與豎直的運(yùn)動(dòng)使得割絨刀可實(shí)現(xiàn)隨轉(zhuǎn)動(dòng)板件6的擺動(dòng)同時(shí)上下移動(dòng)完成割絨。

對(duì)于該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，目前基本上采用連桿機(jī)構(gòu)，該套新型的鉤刀割絨機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行鉤刀成圈割絨的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[7]。

3 鉤刀割絨機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

對(duì)鉤刀系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，可從整個(gè)裝備中分離出一組割絨鉤刀機(jī)構(gòu)以及一組成圈割絨傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖3。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)1、2、3作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)滑塊3上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)；滑塊3上固連橫向?qū)к?，滑塊4在該導(dǎo)軌上隨著滑塊3上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還可在導(dǎo)軌上左右移動(dòng)，因此滑塊4在C點(diǎn)處構(gòu)成合成運(yùn)動(dòng)，繞D點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了成圈鉤的左右擺動(dòng)；6為割絨刀，5′為成圈鉤，割絨刀6與板件5之間在K處存在滑動(dòng)副；滑塊7的運(yùn)動(dòng)和滑塊4的運(yùn)動(dòng)類似，F(xiàn)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是合成運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了割絨刀6隨板件5擺動(dòng)的同時(shí)完成割絨。

對(duì)該機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析時(shí)，將其整個(gè)機(jī)構(gòu)分成3個(gè)封閉的多邊形，對(duì)每個(gè)多邊形根據(jù)其矢量關(guān)系式，運(yùn)用復(fù)數(shù)矢量法，建立坐標(biāo)系。首先列出機(jī)構(gòu)的位置方程式，然后對(duì)位置方程式進(jìn)行一次求導(dǎo)和二次求導(dǎo)，分別得到機(jī)構(gòu)的速度和加速度的方程，通過歐拉公式的轉(zhuǎn)換，對(duì)方程式進(jìn)行實(shí)部與虛部分離，得到所求量的數(shù)學(xué)求解式，然后利用計(jì)算器或者M(jìn)atLab等相關(guān)軟件進(jìn)行計(jì)算求解，從而得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性[8-9]。

3.1 連桿2與滑塊3的運(yùn)動(dòng)分析

圖4為割絨鉤刀機(jī)構(gòu)的矢量坐標(biāo)圖。根據(jù)圖示，按三角形O1AB各矢量的方向有：

l1eiφ1+l2eiφ2=iyb

(1)

式中：l1=7 mm，為曲柄1的長度；l2=200 mm，為連桿2的長度；yb為滑塊的位移；φ1為曲柄1的角位移；φ2為連桿2的角位移。

分別取實(shí)部和虛部：

l1cosφ1+l2cosφ2=0

(2)

l1sinφ1+l2sinφ2=yb

(3)

由式(2)、(3)可得

(4)

yb=l1sinφ1+l2sinφ2

(5)

按式(1)對(duì)時(shí)間取導(dǎo)數(shù)

(6)

上式每項(xiàng)乘e-iφ2，取實(shí)部得

(7)

對(duì)式(6)取實(shí)部有

(8)

按式(6)對(duì)時(shí)間取導(dǎo)數(shù)得

(9)

上式每項(xiàng)乘e-iφ2，取實(shí)部得

(10)

對(duì)式(6)取實(shí)部，可得

(11)

3.2 滑塊4、擺桿5與成圈鉤5′的運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)圖4，按多邊形O1BCDM各矢量的方向有

iyb+l4=xd+iyd+l5eiφ5

(12)

式中：l4為滑塊4的位移；xD為D點(diǎn)水平位移；yD=166 mm為D點(diǎn)豎直位移；l5=103.71 mm為桿件5的長度；φ5為桿件5的角位移。

對(duì)上式取虛部：

(13)

由圖4中的幾何關(guān)系可得

φ5′=φ5-(180°-∠CDM)

(14)

式中：φ5′為簇絨鉤5′的角位移；∠CDM為角度，其值為50.48°。

按式(12)對(duì)時(shí)間取導(dǎo)數(shù)

(15)

不考慮D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，所以有

；

于是可得

(16)

上式每項(xiàng)乘e-iφ5，取實(shí)部得

(17)

對(duì)(15)式取虛部得

(18)

由于成圈鉤5′與擺桿5固連，因此有

(19)

按式(15)對(duì)時(shí)間取導(dǎo)數(shù)得

(20)

上式每項(xiàng)乘e-iφ5，取實(shí)部得

(21)

對(duì)式(18)取虛部有

(22)

并且有

(23)

3.3 割絨刀6與滑塊7的運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)圖4，按多邊形O1BFDM各矢量的方向有

(24)

式中：lDK=25 mm為D點(diǎn)到K點(diǎn)的水平位移;φ6為割絨刀6的角位移；l6為K點(diǎn)到F點(diǎn)的距離；l7為滑塊7的位移。

對(duì)上式取虛部

(25)

由圖4中的幾何關(guān)系有

φ6=φ5+∠CDM

(26)

按式(24)對(duì)時(shí)間取導(dǎo)數(shù)

(27)

上式每項(xiàng)乘e-iφ6，取虛部得

(28)

對(duì)式(27)取虛部得：

(29)

將式(27)對(duì)時(shí)間取導(dǎo)數(shù)得：

(30)

上式每項(xiàng)乘e-iφ6，取虛部得：

(31)

對(duì)式(30)取虛部有

(32)

4 結(jié)果與分析

根據(jù)鉤刀割絨機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析建立的數(shù)學(xué)模型，在MatLab中進(jìn)行編程計(jì)算，曲柄的轉(zhuǎn)速為600r/min，可得到相關(guān)構(gòu)件的所求量，計(jì)算得到的部分結(jié)果如表1所示，根據(jù)結(jié)果繪出成圈鉤的角位移、角速度以及角加速度曲線，如圖5所示。

由圖5可知，成圈鉤的擺角行程為10°左右，割絨刀的擺角行程與成圈鉤的擺角行程同步。結(jié)合表中數(shù)據(jù)分析，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)角φ1=0°時(shí)，成圈鉤與水平軸正向的夾角為90.18°(逆時(shí)針方向?yàn)檎?，位于其擺動(dòng)的中間位置，此時(shí)割絨刀隨板件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的上下運(yùn)動(dòng)位移l6的大小為66.17mm；當(dāng)φ1=45°時(shí)，成圈鉤與水平軸正向的夾角為86.63°，夾角變小，說明此時(shí)成圈鉤開始向右擺動(dòng)，l6的大小為62.75mm，值變小，根據(jù)圖4可知，此時(shí)割絨刀向上運(yùn)動(dòng)，割絨完成開始脫紗；當(dāng)φ1=90°時(shí)，成圈鉤與水平軸正向的夾角為85.15°，夾角達(dá)到最小值，說明此時(shí)成圈鉤擺到最右端，脫紗完成，l6的大小為61.33mm，值達(dá)到最小，此時(shí)割絨刀上升到最大高度；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)角φ1=135°時(shí)，成圈鉤與水平軸正向的夾角變?yōu)?6.63°，夾角開始向左增大，成圈鉤向左擺動(dòng)，l6的大小為62.75mm，割絨刀開始下降；當(dāng)φ1=180°時(shí)，成圈鉤擺回中間位置，割絨刀繼續(xù)下降；當(dāng)φ1=225°時(shí)，成圈鉤繼續(xù)向左擺動(dòng)，進(jìn)行勾紗；當(dāng)φ1=270°時(shí)，成圈鉤與水平軸正向的夾角為95.22°，達(dá)到最大值，說明成圈鉤此時(shí)已擺到最左端，紗線已被完全勾住，l6的大小為71.02mm，割絨刀下降到最低處。當(dāng)φ1=270°～360°時(shí)，成圈鉤向左擺動(dòng)，而割絨刀也開始向上運(yùn)動(dòng)，之后重復(fù)上述動(dòng)作。

表1 割絨鉤刀機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果Tab.1 Result of kinematic analysis of cut pile mechanism

根據(jù)簇絨地毯的割絨形成工藝，簇絨針穿過底布下降到最低點(diǎn)時(shí)，成圈鉤勾住紗線，之后繼續(xù)向左擺動(dòng)，然后在適當(dāng)?shù)奈恢酶罱q，放紗[10]。通過以上分析可知，在φ1=180°時(shí)成圈鉤處于中間位置并向左擺動(dòng)，因此根據(jù)簇絨針和成圈鉤的配合要求可知，此時(shí)簇絨針應(yīng)該到達(dá)下止點(diǎn)或運(yùn)動(dòng)到其附近，同時(shí)成圈鉤開始勾紗，之后，簇絨針向上運(yùn)動(dòng)，成圈鉤繼續(xù)之后動(dòng)作，完成放紗。成圈鉤左右的擺動(dòng)角度都大約為5°，割絨刀上下割絨的行程為10mm左右。同時(shí)成圈鉤的角加速度也相對(duì)較小，過渡平滑，不存在突變，因此該機(jī)構(gòu)具有較好的運(yùn)動(dòng)性能，能滿足割絨的功能要求。

5 結(jié) 論

1)分析割絨形成原理，根據(jù)割絨機(jī)構(gòu)的勾紗-脫紗的功能要求，設(shè)計(jì)出了一套新型的鉤刀割絨機(jī)構(gòu)。

2)繪出該鉤刀割絨機(jī)構(gòu)的矢量坐標(biāo)圖，并運(yùn)用封閉多邊形的矢量分析方法，建立數(shù)學(xué)模型，求解成圈鉤、割絨刀等構(gòu)件的位移、速度和加速度，通過MatLab軟件進(jìn)行編程計(jì)算，得到所求量，并繪出了成圈鉤的位移隨主軸擺角變化的曲線、速度隨主軸擺角變化的曲線以及加速度隨主軸擺角變化曲線。

3)根據(jù)所得的數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)曲線，對(duì)成圈鉤和割絨刀的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，得到成圈鉤的擺角行程和割絨刀的割絨行程。成圈鉤的擺角大約為10°,割絨刀的割絨行程大約為10mm：在主軸轉(zhuǎn)角φ1=90°時(shí)成圈鉤擺到最右端，向右擺動(dòng)角度大約為5°，割絨刀上升到最高處；在主軸轉(zhuǎn)角φ1=270°時(shí)成圈鉤擺到最左端，向左擺動(dòng)角度也為5°左右，割絨刀下降到最低處。在主軸轉(zhuǎn)角φ1=0°～45°的范圍內(nèi)，成圈鉤勾住紗線向右擺動(dòng)，割絨刀割絨；在主軸轉(zhuǎn)角φ1=90°～270°范圍內(nèi)，割絨刀向下運(yùn)動(dòng)直至最低點(diǎn)，成圈鉤向左擺動(dòng)直至最左端，此時(shí)成圈鉤完成勾紗運(yùn)動(dòng)。在主軸轉(zhuǎn)角φ1=270°～360°范圍內(nèi)，割絨刀向上運(yùn)動(dòng)為割絨做準(zhǔn)備，成圈鉤勾住紗線向右擺動(dòng)為脫紗做準(zhǔn)備。成圈鉤的角加速度值和割絨刀的角速度值都相對(duì)較小，變化光滑，無沖擊。

FZXB

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Novel cut pile mechanism on tufting carpet loom

LUO Juan, CHI Xinfu, SUN Yize

(College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

To solve the problem of whole mechanism shogging of cut pile mechanism system on multi-color jacquard weaving, according to the principle of cut pile on tufted carpet, a novel cut pile mechanism on tufting carpet loom was proposed, which could accurately complete the processes of snagging and sloughing. By analyzing the kinetic characteristics of cut pile mechanism, according to schematic diagram of cut pile mechanism, it was divided into three closedi-polygons, and for each closedi-polygon, vector equation was obtained on the basis of vector relations. And using Euler formula, reduced equation, separated real part and imaginary part of equation, displacement of component was obtained. Then for the equation, the first and order derivatives were discussed and mathematical formulas about velocity and angular acceleration of component were obtained. Using the software MatLab, on the basis of solving equations, desired value was calculated and the motion law was given, especially the change curve of the loopi-hamulus about its the angular displacement, angular velocity and angular acceleration curve.

transverse jacquard; movement law; mathematical model; change curve

10.13475/j.fzxb.20150404206

2015-04-23

2016-03-02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375084)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT1220)

羅娟(1990—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)槎喾⑿卸嗌峄ǜ罱q塊毯織造系統(tǒng)設(shè)計(jì)。孫以澤，通信作者，E-mail：sunyz@dhu.edu.cn。

TH 112.1；TS 103.3

A