噴氣織機機架結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性研究

邱 海 飛

(西京學(xué)院 機械工程學(xué)院，西安 710123)

高速化是現(xiàn)代噴氣織機的主要發(fā)展方向。在織造生產(chǎn)過程中，織機機架會受到來自系統(tǒng)內(nèi)部的各種干擾和影響，如主軸運轉(zhuǎn)引起的偏心力、綜框往復(fù)運動形成的周期性沖擊力、以及筘座產(chǎn)生的慣性打緯力等，均會對機架穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[1]。若機架結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，將會很容易使織機系統(tǒng)產(chǎn)生振動與噪聲，由此將引發(fā)諸多不利生產(chǎn)問題，如縮短設(shè)備壽命、降低生產(chǎn)效率、影響織物質(zhì)量及增加生產(chǎn)成本等[2]，所以在機架設(shè)計過程中必須要考慮其動態(tài)特性。目前關(guān)于織機機架的研究文獻并不多見，能檢索到的也都是通過不同的技術(shù)方法來研究機架結(jié)構(gòu)及其力學(xué)特性，如汪群等[3]在考慮慣性力、打緯力、投梭力及換梭力共同作用的條件下，分析了1511織機的振動特性；黃富貴等[4]將豆包消振器應(yīng)用于GA712噴氣織機機架，有效提高了機架的抗振性能；吳鋒等[5]利用ODS法研究織機運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的機架動態(tài)特性，通過確定機架薄弱環(huán)節(jié)為其結(jié)構(gòu)改進提供了可靠依據(jù)；張洪等[6]對織機機架剛度進行了試驗研究，指出通過選擇合理的撐擋截面形狀可有效提高機架剛度。

為適應(yīng)噴氣織機的高速化生產(chǎn)要求，針對以往織機機架設(shè)計的技術(shù)及試驗難度，本文將現(xiàn)代CAD/CAE方法應(yīng)用于某型噴氣織機機架的設(shè)計，通過有限元建模、動力學(xué)計算與仿真分析等，為織機機架結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力學(xué)性能優(yōu)化及相關(guān)試驗研究提供技術(shù)參考。

1 機架結(jié)構(gòu)

噴氣織機機架主要由墻板、胸梁、后梁和橫梁等組成，為了增強機架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，選用抗振性強的灰鑄鐵作為墻板材質(zhì)[7]，其余梁件材質(zhì)均為結(jié)構(gòu)鋼，兩種材料性能參數(shù)見表1。根據(jù)噴氣織機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能原理，在ANSYS/WorkBench平臺上建立如圖1所示的機架有限元模型，其坐標(biāo)系分布為：X軸-沿機架橫向方向；Y軸-沿機架縱向方向；Z軸-沿機架高度方向。

表1 材料性能參數(shù)Tab.1 Material property parameters

圖1 機架有限元模型Fig.1 Finite element model of the frame

機架各部分之間的連接采用實體接觸，通過Solid186單元對機架結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格化處理，建模過程忽略影響不大的緊固件和細小特征，創(chuàng)建完成的機架有限元模型共包括48 171個單和102 897個節(jié)點。根據(jù)生產(chǎn)車間實際布局，在左右墻板底面施加固定約束，使機架與地基完全固定。

2 模態(tài)特性

模態(tài)頻率和振型是結(jié)構(gòu)的固有動力學(xué)特性，也是進行相關(guān)動態(tài)計算與分析的重要基礎(chǔ)。根據(jù)動力學(xué)理論，低階模態(tài)在結(jié)構(gòu)振動過程中起主要作用，高階模態(tài)對動力學(xué)響應(yīng)的貢獻很小，而且衰減很快，故實際當(dāng)中只考慮低階模態(tài)[8]。不考慮外部激振載荷，采用Direct-Block Lanczos法求解機架的自由模態(tài)，并提取前6階固有頻率和振型。

機架1～6階振型如圖2所示，與之對應(yīng)的固有頻率及振動模式特征見表2。分析可知，機架第1階振型為整體結(jié)構(gòu)沿軸向擺動變形，最大位移發(fā)生在胸梁及其與墻板的連接位置處；第2階振型主要為兩側(cè)墻板的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動，最大位移出現(xiàn)在墻板后端上部；其余幾階振型分別表現(xiàn)為后上橫梁的彎曲振動、后梁的彎曲振動、后梁和后上橫梁的彎曲振動，以及左右墻板的前端部彎曲振動。綜上可知，在機架的各階振動模式中，后梁、橫梁及墻板的振動變形較為活躍，為使機架結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)更高工作轉(zhuǎn)速，可從后梁、橫梁及墻板方面進行加強或改進設(shè)計。

圖2 機架前6階振型Fig.2 Top 6 vibration modes of the frame

階次固有頻率/Hz振型特征描述165.01整體沿軸向擺動2128.94墻板彎曲和扭轉(zhuǎn)振動3142.64后上橫梁彎曲振動4178.73后梁彎曲振動5195.68后梁和橫梁彎曲振動6203.77墻板前端部彎曲振動

根據(jù)結(jié)構(gòu)抗振性設(shè)計原則，應(yīng)盡量使外界激振力頻率遠小于機架初階固有頻率，因為隨著模態(tài)階次的升高，機架固有頻率值會逐漸增加，而激發(fā)高階振動的載荷能量會逐漸減弱，使得高階振動不容易被激發(fā)[9]。由此可知，為了保證織造過程的穩(wěn)定運行，織機主軸工作頻率應(yīng)盡量小于65 Hz，而當(dāng)主軸工作頻率在65 Hz以上時，還需要避開128 Hz和142 Hz，以免產(chǎn)生共振和噪聲等不利影響。

3 諧振響應(yīng)

3.1 簡諧載荷確定

諧響應(yīng)分析與結(jié)構(gòu)所受荷載相關(guān)，主要用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受簡諧載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)[10]。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論，可將機架等效為一個質(zhì)量為M的連續(xù)實體結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)剛度為K，阻尼為C，則當(dāng)在X坐標(biāo)方向施加一個激振載荷F時，可建立如圖3所示的等效力學(xué)模型。對于結(jié)構(gòu)離散化的機架有限元模型，當(dāng)機架受到一個頻率為ω的簡諧載荷F作用時，其受迫振動微分方程如式(1)所示，且各節(jié)點位移響應(yīng)如式(2)所示。

圖3 等效力學(xué)模型Fig.3 Equivalent mechanical model

(1)

{x}={X}sin(ωt+φ)

(2)

式中：[M]表示質(zhì)量矩陣；[C]表示阻尼矩陣；[K]表示剛度矩陣；{x}表示位移矢量，m；{F(t)}表示激振力幅值，N；{X}表示位移響應(yīng)幅值，m；φ表示位移響應(yīng)滯后激勵載荷的相位角；t表示時間，s[11]。

將式(2)代入式(1)，得到各節(jié)點諧響應(yīng)位移幅值，如式(3)所示。

(3)

織機運行過程中，打緯主軸產(chǎn)生的周期性慣性力是典型的簡諧載荷，而且會對機架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響[12]。假設(shè)打緯力為1 000 N，初始相位為0，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，機架的固有頻率范圍為65.012～203.77 Hz，激振力的掃頻區(qū)間應(yīng)涵蓋機架的固有頻率，故定義掃頻范圍為50～220 Hz，則作用在機架上的簡諧載荷如式(4)所示。

F=1 000sinωtω∈[50,220]

(4)

3.2 幅頻特性

在機架橫梁中間位置選擇一節(jié)點進行激振，在50～220 Hz內(nèi)進行掃頻計算，設(shè)置采樣點為100，得到如圖4所示的幅頻響應(yīng)曲線。分析可知，在機架的前6階模態(tài)頻率點處，激振區(qū)域在X、Y和Z方向均存在明顯幅頻響應(yīng)，這與模態(tài)分析結(jié)果相吻合；另外，基頻(65 Hz)在X方向的位移響應(yīng)最大，說明機架在X方向的抗振性較差，一旦基頻被簡諧載荷所激發(fā)，機架沿X方向發(fā)生振動的強度會最為劇烈，破壞程度也最為嚴(yán)重。

圖4 機架諧振響應(yīng)幅頻曲線Fig.4 Curves of amplitude-frequency response of the frame

因此，在實際織造生產(chǎn)過程中，為保證機架能夠適應(yīng)更高的織機車速，應(yīng)使噴氣織機主軸盡量避開65 Hz的轉(zhuǎn)速頻率，或者可通過在機架結(jié)構(gòu)上添加消振器來增強其抗振性。此外，機架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是提高其動力學(xué)特性的有效技術(shù)手段，以65 Hz為參考定義目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)變量，將機架宏觀尺寸、橫梁截面形狀或墻板壁厚等作為設(shè)計變量，建立機架參數(shù)化幾何模型和優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，從而實現(xiàn)機架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和動力學(xué)改進。

4 結(jié) 語

動力學(xué)特性是衡量織機機架結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指標(biāo)。通過模態(tài)分析，計算獲得了噴氣織機機架的低階共振頻率，并分析了與之對應(yīng)的振動模式，為織機機架動力學(xué)改進設(shè)計提供了重要參考和依據(jù)；根據(jù)諧響應(yīng)分析，獲得了機架在不同方向和頻率點的位移振動響應(yīng)，明確了簡諧載荷對機架結(jié)構(gòu)的破壞程度和趨勢，為機架的剛度設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有力支持，有利于高速噴氣織機的車速控制與調(diào)節(jié)。