楊建成，王慧勇，何浩浩，劉家辰

（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué)天津市機(jī)械基礎(chǔ)及紡織裝備設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，天津 300387）

由三維機(jī)織物形成的復(fù)合材料因其增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)中存在貫穿厚度方向的紗線，具有優(yōu)異的整體性，克服了傳統(tǒng)二維機(jī)織復(fù)合材料層間強(qiáng)度低、易分層等缺點(diǎn)[1-2]，被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、礦山機(jī)械等重要領(lǐng)域[3-4]。

帶芯劍桿織機(jī)是專門織造用于制作輸送帶骨架的多層立體織物的新型設(shè)備。國(guó)外的先進(jìn)設(shè)備大多采用絞邊原理來(lái)鎖邊，Promatex公司的天馬織機(jī)，使用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子絞邊裝置，所形成的布邊抗拉強(qiáng)度小，且有一定的毛邊[5]。天津工業(yè)大學(xué)成功研制了能夠織造30層的立體織機(jī)[6]]，但是其復(fù)合材料對(duì)于布邊沒(méi)有要求，故對(duì)鎖邊機(jī)構(gòu)沒(méi)有研究；劉健等[7]根據(jù)鉤針鎖邊的原理，設(shè)計(jì)了多劍桿織機(jī)的針織邊紗套圈鎖邊機(jī)構(gòu)，但沒(méi)有對(duì)鎖邊機(jī)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析；董紅坤等[8]利用攜紗器上下移動(dòng)穿過(guò)緯紗三角區(qū)來(lái)對(duì)多層織物進(jìn)行鎖邊，其鎖邊線的長(zhǎng)度受到一定的限制。

本文主要針對(duì)五劍桿織機(jī)的鎖邊機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，針對(duì)五劍桿同時(shí)引緯，設(shè)計(jì)了五鉤針緯紗圈嵌套互鎖工藝，以形成光整堅(jiān)固且具有一定抗拉強(qiáng)度的布邊。創(chuàng)新設(shè)計(jì)了新型鎖邊機(jī)構(gòu)，并利用ANSYS Workbench對(duì)其關(guān)鍵部件送紗叉的剛度及強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析[9-11]，基于響應(yīng)面法[12-18]對(duì)送紗叉的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)各參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，基于六西格瑪分析法對(duì)送紗叉進(jìn)行可靠性分析[19-20]，使送紗叉達(dá)到增強(qiáng)剛度的優(yōu)化目的，使鎖邊機(jī)構(gòu)具有一定的可靠性，以解決現(xiàn)有帶芯織機(jī)的缺陷，為五劍桿織機(jī)等多劍桿織機(jī)鎖邊機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及可靠性分析提供借鑒與參考。

1 新型鎖邊工藝設(shè)計(jì)

針對(duì)五劍桿織機(jī)所織造的五層織物，設(shè)計(jì)了新型五鉤針緯紗圈嵌套互鎖工藝，如圖1所示。

圖1 五鉤針緯紗圈嵌套互鎖工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of nested interlocking process of five crochet weft loops

五鉤針緯紗圈嵌套互鎖工藝是在織造過(guò)程中，由5根劍桿1次引5根緯紗，在每次引緯后利用5根鎖邊鉤針，分別將同一層的緯紗圈嵌套形成互鎖，每引緯一次完成一個(gè)循環(huán)。該工藝每一層的緯紗圈都進(jìn)行互鎖，在長(zhǎng)度方向上有較大的抗拉強(qiáng)度；層與層之間通過(guò)經(jīng)紗交織來(lái)進(jìn)行連接，可以保證織物的強(qiáng)度。此鎖邊工藝所形成的布邊堅(jiān)固光整，與織物的厚度一致，且提高了織造效率。

對(duì)于五劍桿織機(jī)來(lái)說(shuō)，其引緯時(shí)5根劍桿同時(shí)引緯，在布邊的一側(cè)就有5個(gè)緯紗圈需要鎖緊，且需要保證緯紗圈在織物織口鎖緊時(shí)與形成的織物厚度一致，緯紗圈在引緯時(shí)與在織口鎖緊時(shí)的高度差就成為鎖邊的一大難點(diǎn)，以及將緯紗圈傳送到織口處也是一個(gè)難點(diǎn)。具體布邊截面示意圖如圖2所示。其中：m為劍桿與織口之間的距離；n為五劍桿的最大高度差；s為織物厚度。

圖2 布邊截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of selvage section

針對(duì)五鉤針緯紗圈嵌套互鎖工藝，制定鎖邊方案的原理，如圖3所示。

圖3 鎖邊方案的原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of locking scheme

整個(gè)鎖邊過(guò)程由5個(gè)送紗叉將緯紗傳遞至織口，并將5根緯紗圈的高度差降低，由5鉤針將緯紗圈進(jìn)行嵌套互鎖，完成鎖邊。

2 鎖邊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述鎖邊原理對(duì)鎖邊機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，圖4為鎖邊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該鎖邊機(jī)構(gòu)一共由3部分組成：傳遞機(jī)構(gòu)、鉤針機(jī)構(gòu)、脫紗機(jī)構(gòu)。這3部分分別實(shí)現(xiàn)不同的功能，相互配合共同完成鎖邊。

圖4 鎖邊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic diagram of locking mechanism

傳遞機(jī)構(gòu)主要解決五劍桿引緯過(guò)后5個(gè)緯紗圈之間的高度差從大變小，并且將緯紗圈向織口方向傳遞的問(wèn)題。該機(jī)構(gòu)也是整個(gè)鎖邊機(jī)構(gòu)中最大的創(chuàng)新之處，本研究利用傳遞氣缸以及直線滑軌來(lái)實(shí)現(xiàn)緯紗傳送；利用伺服電機(jī)、具有雙旋向的絲杠及一個(gè)移動(dòng)方套來(lái)完成緯紗合攏。

鉤針機(jī)構(gòu)將5個(gè)緯紗圈分別在同一層織口處進(jìn)行圈套圈互鎖。該機(jī)構(gòu)主要利用四連桿的原理，利用氣缸使鉤針進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使緯紗圈進(jìn)行圈套圈的鎖緊。

脫紗機(jī)構(gòu)將緯紗圈從送紗叉脫落到鉤針上，繼而完成鎖邊，該機(jī)構(gòu)主要由一個(gè)“L”形桿和氣缸組成。

整個(gè)鎖邊機(jī)構(gòu)先利用傳遞機(jī)構(gòu)將緯紗圈從送緯劍桿上脫下，并縮小緯紗之間的高度差，同時(shí)向織口方向傳送，到達(dá)一定位置后，由脫紗桿將緯紗圈從送紗叉上脫到鉤針內(nèi)，最后由鉤針往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成鎖邊。整個(gè)系統(tǒng)由PLC控制，配合精準(zhǔn)。

3 鎖邊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化及可靠性分析

3.1 基于響應(yīng)面法的送紗叉優(yōu)化設(shè)計(jì)

本鎖邊機(jī)構(gòu)通過(guò)3個(gè)機(jī)構(gòu)相互配合來(lái)完成鎖邊，關(guān)鍵機(jī)構(gòu)是傳遞機(jī)構(gòu)與鉤針機(jī)構(gòu)。傳遞機(jī)構(gòu)中，送紗叉是其可靠完成鎖邊的關(guān)鍵部件，在高速運(yùn)行過(guò)程中，相鄰2個(gè)鉤針之間的距離為3 mm，為了能夠交接準(zhǔn)確，須使得送紗叉的最大變形不超過(guò)0.5 mm。

基于響應(yīng)面分析法對(duì)關(guān)鍵部件送紗叉進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以送紗叉桿長(zhǎng)度L1、固定部分長(zhǎng)度L2及固定部分直徑D1為變量，以質(zhì)量及最大變形為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化變量的取值如表1所示，送紗叉的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

表1 優(yōu)化變量取值范圍Tab.1 Optimize range of variable values

圖5 送紗叉結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of yarn feeding fork

先對(duì)送紗叉進(jìn)行靜應(yīng)力分析，在實(shí)際工作中，送紗叉頭部受到緯紗施加的壓力約為2 N。故在ANSYS Workbench中，在進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，對(duì)送紗叉尾部固定約束，在頭部施加緯紗對(duì)叉頭的壓力，方向在水平方向且與送紗叉桿成45°。送紗叉材料為軸承鋼，材料屬性如表2所示。

表2 送紗叉材料屬性Tab.2 Material properties of yarn feeding fork

通過(guò)ANSYS分析得到送紗叉應(yīng)力與變形的分布云圖，如圖6所示。由圖6可以看出，送紗叉的最大應(yīng)力為34.423 MPa，位于送紗叉的固定部分與桿連接處。此送紗叉采用軸承鋼制造，軸承鋼的許用應(yīng)力為700 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于送紗叉所受應(yīng)力的最大值。最大變形為0.510 2 mm，位于送紗叉頭部，故需優(yōu)化此最大變形量。

圖6 送紗叉的應(yīng)力與位移分布Fig.6 Distribution of stress and displacement of yarn feeding fork

在ANSYS Workbench軟件中基于響應(yīng)面法進(jìn)行分析，得出的全局敏感性分析結(jié)果如圖7所示。由圖7可以得出，各個(gè)參數(shù)對(duì)于目標(biāo)的影響各不相同。送紗叉最大變形對(duì)于各個(gè)參數(shù)的敏感性程度從大到小可以排列為P3（L1）＞P2（D1）＞P1（L2）；最大應(yīng)力對(duì)于各個(gè)參數(shù)的敏感性程度從大到小可以排列為P2（D1）＞P3（L1）＞P1（L2）；送紗叉質(zhì)量對(duì)于各個(gè)參數(shù)的敏感性程度，從大到小可以排列為P3（L1）＞P2（D1）＞P1（L2）。為判斷擬合出的響應(yīng)面結(jié)果的可信度，進(jìn)行擬合度分析，圖8為擬合度符合性分布圖。

圖7 全局敏感性分析Fig.7 Global sensitivity analysis

圖8 擬合度符合性分布Fig.8 Distribution of conformity of fit

表3為擬合度評(píng)價(jià)值。由圖8及表3可以看出，擬合出的響應(yīng)面結(jié)果是可信的。

表3 擬合度評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 Evaluation results of fitting degree

結(jié)合敏感性分析結(jié)果看，重點(diǎn)關(guān)注L1和D1對(duì)送紗叉最大變形、最大應(yīng)力及質(zhì)量的響應(yīng)曲面，如圖9—圖11所示。

圖9 最大變形量的響應(yīng)曲面Fig.9 Response surface of maximum deformation

圖11 質(zhì)量的響應(yīng)曲面Fig.11 Response surface of mass

由圖9可以看出，L1、D1和送紗叉的最大變形為線性正相關(guān)，隨著L1和D1的增大，送紗叉的最大變形量也相應(yīng)增大。由圖10可以看出，隨著L1的增大，送紗叉所受最大應(yīng)力增大；隨著D1的增大，送紗叉所受最大應(yīng)力值減小。由圖11可以看出，L1、D1和送紗叉的質(zhì)量為線性負(fù)相關(guān)。

圖10 最大應(yīng)力的響應(yīng)曲面Fig.10 Response surface of maximum stress

送紗叉優(yōu)化前后的變量對(duì)比如表4所示。

表4 送紗叉優(yōu)化前后的變量對(duì)比Tab.4 Comparison of variables before and after optimization of yarn feeding fork

由表4可以看出，設(shè)計(jì)變量以及目標(biāo)函數(shù)值都有了相應(yīng)的變化。優(yōu)化后送紗叉的最大變形為0.453 1 mm，減小了11.2%；最大應(yīng)力為31.722 MPa，減小了7.8%；質(zhì)量為0.001 633 9 kg，減小了0.08%。

3.2 基于六西格瑪法的送紗叉可靠性分析

分析送紗叉最大變形在小于0.5 mm情況下的可靠性，根據(jù)分析結(jié)果，該送紗叉最大變形的累積分布函數(shù)如圖12所示，其中的曲線為送紗叉最大變形的累積分布函數(shù)曲線。

圖12 送紗叉最大變形的累積分布函數(shù)Fig.12 Cumulative distribution function of maximum deformation of yarn feeding fork

由圖12可以看出，進(jìn)行1 000次抽樣后，輸出變量的分布柱狀圖沒(méi)有出現(xiàn)較大的間隙和跳躍，符合累積函數(shù)抽樣條件。在上述分析中，送紗叉的最大變形在0.5 mm以內(nèi)，在參數(shù)概率表中插入0.5 mm，分析結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，抽樣分析得出的送紗叉最大變形小于0.5 mm的樣本數(shù)為96.1%，即送紗叉的最大變形小于0.5 mm的可靠度為96.1%，安全可靠。

表5 參數(shù)概率列表Tab.5 List of parameter probability

4 結(jié)論

（1）本文設(shè)計(jì)了新型五鉤針緯紗圈嵌套互鎖的新型鎖邊工藝，織物每層上的緯紗圈都進(jìn)行了互鎖，使得布邊光整且具有較大的抗拉強(qiáng)度；同時(shí)，針對(duì)此鎖邊工藝設(shè)計(jì)了新型鎖邊機(jī)構(gòu)，攻克了5個(gè)緯紗圈從五劍桿所在位置的高度距離縮小至織物厚度的距離，并傳送至織口進(jìn)行鎖邊的難點(diǎn)。

（2）通過(guò)響應(yīng)面法及敏感性分析發(fā)現(xiàn)，送紗叉桿長(zhǎng)L1對(duì)送紗叉最大變形的敏感度最高，且與送紗叉最大變形成線性正相關(guān)；送紗叉桿長(zhǎng)L1和固定部分直徑D1對(duì)送紗叉的最大應(yīng)力的敏感度最高，隨著L1的增大，所受最大應(yīng)力增大，隨著D1的增大，所受最大應(yīng)力值減小。

（3）與原方案相比較，優(yōu)化方案的最大變形減小了11.2%，最大應(yīng)力減小了7.8%，質(zhì)量也減輕了0.08%，達(dá)到了增強(qiáng)送紗叉剛度、強(qiáng)度及減輕質(zhì)量的目的。

（4）基于六西格瑪法的可靠性分析得出，送紗叉最大變形小于0.5 mm的可靠度達(dá)到96.1%，可以保證劍桿與送紗叉的交接配合及送紗叉在后續(xù)動(dòng)作中的可靠性，完成對(duì)多層立體織物的鎖邊。