摘"要：為解決雙層劍桿織機(jī)質(zhì)量的雙層引緯機(jī)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題，建立雙層引緯機(jī)構(gòu)的劍輪-劍桿-氣墊導(dǎo)軌沖擊振動(dòng)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行劍桿的瞬態(tài)振動(dòng)特性仿真分析，設(shè)計(jì)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)仿真模型參數(shù)進(jìn)行修正，為后續(xù)雙層劍桿織機(jī)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了精準(zhǔn)的仿真模型。

關(guān)鍵詞：雙層劍桿織機(jī)；振動(dòng)系統(tǒng)；建模；仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B""文章編號(hào)：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(jī)是目前較先進(jìn)的制造設(shè)備，由于齒輪齒條的嚙合振動(dòng)與傳動(dòng)軸的往復(fù)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)［1］，高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的劍桿會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)，嚴(yán)重影響了雙層劍桿織機(jī)的工作穩(wěn)定性，降低了織物質(zhì)量和生產(chǎn)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(dòng)穩(wěn)定性。李浩等［3］指出由于齒輪嚙合產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響更大。在振動(dòng)仿真建模方面，柔性化關(guān)鍵部件的多體模型比全剛體多體模型更接近實(shí)際樣機(jī)［4］。王承登等［5］建立了還原真實(shí)工況的動(dòng)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(shí)間。

本文借助仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，先建立雙層劍桿織機(jī)雙層引緯驅(qū)動(dòng)組件剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ筒⒎治稣９r下仿真模型中關(guān)鍵位置的時(shí)域加速度響應(yīng)，然后建立振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)獲取真實(shí)加速度響應(yīng)并修正仿真模型的參數(shù)，為后續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)的仿真驗(yàn)證提供更為精準(zhǔn)的雙層引緯機(jī)構(gòu)振動(dòng)模型。

1"引緯機(jī)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)

雙層劍桿織機(jī)引緯驅(qū)動(dòng)組件如圖1所示，上下兩層具有相同的結(jié)構(gòu)。引緯機(jī)構(gòu)傳動(dòng)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)輪水平振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能影響更加明顯，而整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的扭振特性影響更明顯。由于該系統(tǒng)的復(fù)雜性，仿真模型參數(shù)需要通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)才能準(zhǔn)確地確定。

2"雙層引緯機(jī)構(gòu)振動(dòng)建模流程

為了建立切合工況的雙層引緯機(jī)構(gòu)振動(dòng)模型，采用基于剛?cè)狁詈戏抡婧蛯?shí)際振動(dòng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法建模和參數(shù)修正，具體流程如圖2所示。

3"剛?cè)狁詈戏抡娼＜胺治?/p>

本文研究的引緯驅(qū)動(dòng)組件振動(dòng)系統(tǒng)作為末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其振動(dòng)特性受整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響不可忽視。為此，提取引緯機(jī)構(gòu)多剛體動(dòng)力學(xué)模型中驅(qū)動(dòng)輪角位移時(shí)程曲線作為驅(qū)動(dòng)施加到本文建立的剛?cè)狁詈夏Ｐ椭?，如圖3所示。

圖3"驅(qū)動(dòng)輪角位移時(shí)程曲線

本文選取驅(qū)動(dòng)輪、氣墊導(dǎo)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(dǎo)軌振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型（圖1）。模型采用實(shí)體單元Solid186、梁?jiǎn)卧狟eam188、剛性耦合Cerig與質(zhì)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(diǎn)總數(shù)為345 782，均為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元質(zhì)量滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33582—2017中單元質(zhì)量檢查控制參數(shù)的要求。在劍輪軸心施加轉(zhuǎn)動(dòng)副以及驅(qū)動(dòng)，其余關(guān)鍵接觸位置采用Impact碰撞算法模擬非線性接觸并設(shè)置相關(guān)接觸參數(shù)如表2所示。

該模型包含10組非線性接觸對(duì)，這里采用WSTIFF積分器與SI2積分格式進(jìn)行求解。由于模型的計(jì)算規(guī)模較大，為提高計(jì)算效率，采用8核并行計(jì)算進(jìn)行求解。為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，設(shè)置仿真總時(shí)間為0.5s，總求解步為6 000。求解后通過(guò)觀測(cè)劍桿運(yùn)動(dòng)驗(yàn)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(wèn)請(qǐng)咨詢(xún)作者）。

由圖4可以看出劍桿在z方向的運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足引緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，符合圖3中驅(qū)動(dòng)輪角位移時(shí)程曲線的走勢(shì)。由圖5可以看出劍桿沿z方向的移動(dòng)速度存在明顯波動(dòng)，尤其在［0.15 0.19］s內(nèi)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(guò)程中劍頭沿x方向發(fā)生明顯的抖動(dòng)，不同時(shí)刻抖動(dòng)幅度不同，幅值范圍為［-0.976 4 1.010 8］mm，當(dāng)劍頭抖動(dòng)幅值過(guò)大時(shí)容易造成左右側(cè)劍桿發(fā)生碰撞，上下層劍頭在x方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)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(shí)刻對(duì)應(yīng)程度不同，下層劍頭的速度變化劇烈程度強(qiáng)于上層劍桿，劍頭的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)如表4所示。

圖8—圖9為氣墊導(dǎo)軌出劍口在x方向的位移時(shí)程曲線和加速度時(shí)程曲線。

由圖8可以看出，受到劍桿的碰撞，氣墊導(dǎo)軌出劍口位置發(fā)生明顯振動(dòng)，振動(dòng)趨勢(shì)與劍頭抖動(dòng)趨勢(shì)基本一致，不同點(diǎn)在于振動(dòng)受劍桿碰撞造成，位移明顯減小，振幅在［-0.221 0"0.439 9］mm內(nèi)變化。由圖9可以看出氣墊導(dǎo)軌出劍口位置的振動(dòng)速度與振動(dòng)加速度在［0.15 0.19］s內(nèi)有明顯的變化，這與前述相同時(shí)段內(nèi)其他關(guān)鍵位置的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)一致。

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

為了更加真實(shí)地揭示劍桿及其組件間的沖擊振動(dòng)，設(shè)計(jì)了如下振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行測(cè)量，對(duì)仿真模型進(jìn)行修正。

4"劍桿振動(dòng)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

4.1"測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

本次測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用IEPE壓電式加速度傳感器、IEPE同步信號(hào)采集器和計(jì)算機(jī)。本次搭建的數(shù)據(jù)采集實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。氣墊導(dǎo)軌出劍口位置作為測(cè)量點(diǎn)，該測(cè)點(diǎn)最能反映系統(tǒng)的振動(dòng)狀態(tài)，而且便于安裝傳感器。

4.2"振動(dòng)信號(hào)時(shí)域和頻域特性分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集到的氣墊導(dǎo)軌出劍口位置振動(dòng)加速度信號(hào)如圖11所示。圖中可以看到兩組振動(dòng)信號(hào)基本一致，上下層氣墊導(dǎo)軌的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)規(guī)律性比較明顯，振幅在正負(fù)象限內(nèi)分布均勻。

由于驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速時(shí)變導(dǎo)致測(cè)量到的振動(dòng)信號(hào)具有時(shí)變和頻變特征，在時(shí)域內(nèi)振幅隨時(shí)間變化，在頻域內(nèi)振頻隨時(shí)間變化。通過(guò)測(cè)量獲得的時(shí)域信號(hào)作為觀測(cè)值，對(duì)于頻變信號(hào)采用基于參數(shù)的AR功率譜估計(jì)，對(duì)兩種數(shù)據(jù)分別進(jìn)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(jié)果。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)最終確定在5階與6階的AR功率譜估計(jì)能夠適應(yīng)本次分析。仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖12和表5所示。由圖12可知，仿真與實(shí)測(cè)的特征頻率存在較大差距。由表5可知仿真值與實(shí)測(cè)值的時(shí)域特征參數(shù)差距較大，故需要對(duì)原有的仿真模型進(jìn)行修正。

4.3"參數(shù)修正

仿真模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在的誤差主要來(lái)自于模型的簡(jiǎn)化誤差、參數(shù)設(shè)置誤差與等效替代誤差，因此需要對(duì)該仿真模型參數(shù)進(jìn)行修正，使其盡量準(zhǔn)確反映實(shí)際系統(tǒng)狀況。修正后的參數(shù)值如表6所示。

對(duì)修正后的模型重新進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)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(dǎo)軌出劍口位置仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的振動(dòng)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(nèi)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的振動(dòng)程度高于仿真數(shù)據(jù)。時(shí)域特征參數(shù)結(jié)果比較接近，相對(duì)誤差在10%以?xún)?nèi)。

由圖14可見(jiàn)調(diào)整參數(shù)后的模型經(jīng)過(guò)修正后5階、6階基于參數(shù)的AR功率譜估計(jì)、仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果均有較好的匹配度?？芍瑯訖C(jī)在正常工作狀態(tài)下，其特征頻率分別為412Hz、568Hz與785Hz，仿真結(jié)果的特征頻率與實(shí)測(cè)對(duì)象特征頻率對(duì)應(yīng)誤差均在15%以?xún)?nèi)，能夠滿(mǎn)足共振帶10%～30%的誤差要求。整體而言，經(jīng)過(guò)修正該模型能夠滿(mǎn)足仿真需求。

5"結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)仿真分析與實(shí)測(cè)分析相結(jié)合，建立了可用于對(duì)雙層劍桿織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)劍桿的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性仿真的更為精準(zhǔn)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，確定了較為完善的剛?cè)狁詈辖Ｅc仿真參數(shù)修正流程，通過(guò)對(duì)時(shí)域與頻域特征參數(shù)模擬，為解決該機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)劇烈振動(dòng)提供了準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)并做出合理的分析與預(yù)測(cè)；結(jié)合現(xiàn)代功率譜分析方法求解出該頻變振動(dòng)信號(hào)的特征頻率，為樣機(jī)穩(wěn)定性提高提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

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收稿日期：20221014