高速繡花機不同工況振動特性研究

崔衛國，周俊榮，李志飛

(五邑大學機電工程學院，廣東江門529020)

0 前言

高速繡花機是一個多機構、多激勵、多響應的動態力學系統。它具有高速度、高效率的特點，但是，隨著機器工作轉速的提高，繡花機的振動也在迅速的增大，由工作轉速和震動引起的斷線率問起也會不斷的增多，產品質量受到嚴重的影響［1－3］。為了提出解決問題的方向，本文作者通過對某公司生產的高速ZY-EMSD-A920 型繡花機的研究、結構采點及測試、數據處理分析、計算機模擬驗證，探討了不同工況引起的振動位移變化和振動變化程度。為今后繡花機結構改進和新機型的開發提供了新的參考依據。

1 結構采點及測試

1.1 結構采點布置

為了研究橫梁振動幅值與工作轉速的關系以及這些運動對橫梁振動的大小程度，分別測試上轉軸單獨運轉時、下轉軸單獨運轉時、上下轉軸同時運轉時、繡框單獨運轉時、上下轉軸和繡框運轉時、整機運轉時在600、650 、700、750、800、850 r/min 6 種不同工況轉速下橫梁的振動情況。并在橫梁上布置了16個測點，其中1、2、3、4、5、6、7、8 為橫梁垂直彎曲振動測試點，9、10、11、12、13、14、15、16為橫梁水平彎曲振動測試點。采用雙壓電加速度傳感器對不同工況下的振動進行測試。橫梁模型布點如圖1所示。

圖1 橫梁模型布點圖

1.2 程序設計

采用Labview 2011 版采集3 s 內的信號，激振頻率為1 次/s，采樣頻率為5 000 Hz，每通道采樣點數為15 000。橫梁測試程序如圖2所示。

圖2 橫梁測試程序圖

2 數據處理分析

為了便于分析，將測試數據進行可視化處理，如圖3所示為850 r/min 時各測點在不同工況下的振動位移，由圖可知，繡框單獨運轉時橫梁的振動幅值最小，隨著繡花機運轉部件的增多，對橫梁振動影響也不斷增大，所以在整機工況下橫梁的振動幅值最大，同時也可看出各工況都在橫梁中部附近的振動位移響應最大，兩端最小。

圖3 850 r/min 時各測點在不同工況下的振動位移

圖4所示的是整機工況下各測點在不同轉速下的水平振動位移和豎直振動位移，其他工況下各測點的振動位移圖類似。從圖中可以看出，在整機工況下，橫梁在中部附近的測點振動位移響應最大，且隨著工作轉速的升高，振幅位移響應也隨著增大，當工作轉速達到850 r/min 時，增加的幅度更加明顯。另外，從兩圖中還可以看出，橫梁水平方向的振動幅值響應明顯大于豎直方向。

圖4 整機在不同轉速下的振動位移

圖5所示為第4 測點在不同工況不同轉速下的振動位移，其表示的為上轉軸單獨運轉時、下轉軸單獨運轉時、上下轉軸同時運轉時、繡框單獨運轉時、上下轉軸和繡框運轉時、整機運轉時在600、650、700、750、800、850 r/min 6 種轉速下橫梁的位移振幅隨工作轉速的變化。

圖5 第4 測點在不同工況不同轉速下的振動位移

3 計算機模擬驗證

3.1 有限元分析［4－5］

為了驗證6 種情況下哪種情況對振動影響最大，可將高速繡花機的橫梁看作是一個有限個自由度的彈性系統，其目標函數運動方程可用虛功原理來驗證如下:

為了獲得高速繡花機的固有頻率，取載荷列陣{R(t)}= 0;則式(1)就成為無阻尼自由振動方程:

設方程(2)的解為:

令ω2= λ 將式(3)代入(2)，則可得到廣義特征方程:

其中，特征值λ 對應橫梁的固有頻率，振型向量{δ}M對應橫梁的不同固有頻率下的振型。

3.2 模態分析

圖6 為橫梁結構前四階振型。從圖中可以看出，橫梁的1 階振型表現為沿水平方向中間彎曲，2 階振型為沿豎直方向中間彎曲，3 階振型為沿水平方向兩端彎曲，四階振型為沿豎直方向兩端彎曲，當電機工作轉速在850 r/min 左右時，接近橫梁的1 階固有頻率，此時會造成橫梁中部沿水平方向的劇烈振動，從而影響繡花質量和斷線率問題。由此可以看出計算機模擬與實驗測試結果呈現的遞增規律一致，隨著工作轉速的增加，橫梁中部的振動位移急劇增加，其他測點在各方向上的振動位移規律也是如此。

圖6 橫梁結構前4 階振型圖

4 結論

(1)對振動特性分析可知:橫梁豎直方向的振動位移最大不足0.9 mm，而水平方向的振動位移最大達2 mm，對比可知，橫梁水平方向各測點的振動位移比豎直方向各測點的振動位移大，對繡花機斷線率影響較大，故可著重對橫梁水平方向的振動進行后續研究。

(2)當工作轉速由800 r/min 提高到850 r/min左右時，可以看到直線斜率增大，說明橫梁的振動有所加強，其振幅加劇;從6 條曲線對比來看，繡框對橫梁的振動影響最小，整機對橫梁振動影響最大，但從繡花機各部件如上轉軸、下轉軸、繡框對橫梁振動影響來說，上轉軸轉速的影響最大，因此從機構方面來改進的話，上轉軸的運動部件設計應作為重點來研究。

［1］周俊榮，鄭為東.電腦繡花機刺布機構與挑線機構運動分析［J］.上海工程技術學院學報，2008，22(2):136－128.

［2］李志飛.高速電腦繡花機橫梁的動態特性分析與結構改進［D］.江門:五邑大學，2013.

［3］林建龍，王小北，趙麗萍.電腦繡花機的橫梁減振實驗探討［J］.紡織學報，2007，28(12):121－123.

［4］白皛，趙罘，林建龍，等.刺繡機橫梁的模態分析及優化設計［J］.機械設計與研究，2010，26(1):111－112.

［5］馬秋成，胡寧靜，韓利芬，等.21MN 噸油壓機橫梁的有限元分析［J］.機床與液壓，2001(3):71－72.

［6］潘丹丹.某電腦繡花機動力學仿真分析與減振研究［D］.南京:南京理工大學，2012.

［7］陳兆廷，陳鵬.一種減振降噪電腦繡花機機架:中國，00111049.7［P］.2001－05－19.

［8］蔡共宣，林富生.工程測試與信號處理［M］.武漢:華中科技大學出版社，2006.