提花機拉刀疲勞壽命分析及優化＊

宋 濤，潘 梁，阮 見，瞿書涯，張 波

（南京玻璃纖維研究設計院有限公司，南京 210012）

0 前言

三維機織物［1］具有織造工藝穩定、可設計性強、整體性好、生產成本低等優點，在航空航天領域受到廣泛的應用。三維機織物的成型包含送經、開口、引緯、打緯、卷取五大運動［2，3］，開口作為機織五大運動的關鍵一環，采用提花機開口方式，是實現三維機織物的結構變化、自動化織造的重要機構。在生產過程中，提花機拉刀出現周期性的斷裂現象，如圖1 所示，增加設備使用和維護成本，同時影響生產效率。經動力學分析，拉刀的受載小于材料屈服強度，從而推測拉刀在長時間使用過程中，受周期載荷作用發生應力疲勞失效。

圖1 拉刀疲勞失效

通常設備在周期載荷下的疲勞失效主要有應力疲勞和應變疲勞2 種，因疲勞帶來的性能損失和使用維護成本提高已越來越受到關注［4］。白傳輝［5］等使用多軸疲勞理論分析副車架疲勞破壞問題；黃偉［6］等建立輸送帶與滾筒接觸模型，并分別從厚度和內撐兩種方式優化滾筒疲勞壽命；朱茂桃［7］等通過循環系數修正法，采用nCode預測膜片彈簧疲勞壽命。拉刀傳動機構一般有曲柄滑塊傳動和凸輪傳動兩種，本文主要分析曲柄滑塊傳動拉刀應力疲勞問題，首先基于Workbench對拉刀在工況下的單周期進行動力學分析，提取拉刀的應力歷程，由于拉刀所受應力遠小于材料屈服強度，推測發生高周應力疲勞破壞，之后采用nCode基于累計損傷理論［8］分析拉刀疲勞壽命，最后采用等截面積優化方案，提高拉刀疲勞壽命、織物生產效率和設備運行穩定性，降低設備維護使用成本。

1 拉刀動力學分析

1.1 拉刀受力分析

提花機拉刀在一對耦合的曲柄滑塊機構驅動下實現拉刀在豎直方向的循環往復運動，如圖2 所示。輸入端由伺服電機經減速器減速后將動力傳遞給慣性輪，在穩定運行狀態下可以視為勻速運動。在傳動末端，拉刀受綜絲的拉力，在彈簧作用下，載荷呈線性變化。

圖2 拉刀傳動原理圖

1.2 基于有限元單周期動力學仿真

以拉刀傳動機構為研究對象，建立機構動力學模型，拉刀采用鋁合金6061 材料，在曲柄處施加勻速驅動，拉刀受綜絲拉力作用，由于斷裂失效敏感位置靠近拉刀中間處，故在Workbench中仿真計算拉刀中點的速度、加速度曲線，并提取拉刀應力云圖，如圖3 和圖4 所示。

圖3 拉刀中點速度、加速度曲線

圖4 拉刀應力云圖

由結果可知，拉刀在豎直方向運行速度平穩，沿正弦規律運動。但在初始階段，拉刀受到沖擊載荷作用，加速度發生波動后趨于穩定。在一個運行周期中，拉刀受到最大應力為37.095 MPa，遠小于鋁合金的屈服強度，可見拉刀并非發生屈服失效，提出猜測可能因疲勞發生失效斷裂，需對拉刀作進一步研究。

2 拉刀疲勞壽命分析

2.1 累積損傷模型

為了驗證拉刀的疲勞失效形式，通過損傷對拉刀的疲勞做出定量的研究，損傷描述的是從材料初期出現微觀上的細紋到后期出現宏觀的裂紋擴展過程，拉刀在工況下持續受循環載荷作用，任何一個周期都會對拉刀造成損傷，損傷具有累積效應，疲勞失效可以看作是拉刀的損傷累積到一定值的過程。

目前主要的累積損傷理論主要有線性法［9］和指數法兩種，本文采用線性Miner法對拉刀進行疲勞分析。假設拉刀的加載應力順序依次為σ1、σ2、……σl，對應次數為n1、n2、……nl，加載應力下的壽命為N1、N2、……Nl，那么損傷可以描述為公式（1）：

式中：

D——拉刀的損傷；

ni——對應次數；

Ni——加載應力下的壽命。

那么，可以得到拉刀的疲勞壽命，如公式（2）所示：

式中：

L——拉刀的疲勞壽命。

2.2 拉刀疲勞壽命仿真

本文應用有限元法進行疲勞分析，定義鋁合金6061 材料的S-N曲線作為疲勞分析的材料屬性，根據動力學仿真獲取拉刀的載荷-時間歷程，計算出載荷激勵下的應力響應。根據求取的載荷-時間歷程與節點處的激勵乘積，經疊加后求得整個應力-應變響應，如公式（3）所示。將上述條件在nCode中計算得結果，如圖5 所示。

圖5 拉刀疲勞壽命結果

式中：

σij——疊加后的應力-應變響應；

l ——載荷數量；

σij，k——激勵下節點應力響應；

Fk——載荷-時間歷程。

由結果可知，拉刀疲勞危險區域分布于拉刀安裝位置和中間下端位置，實際使用時安裝位置較可靠，未發生過斷裂，而中間下端處為疲勞壽命最低點，循環2.35×107后易在此處發生疲勞破壞，與拉刀實際破壞區域吻合。根據設備的運行時間，壽命約為1.49 年，與班組的拉刀更換時間相符。

3 拉刀結構疲勞壽命優化

3.1 等面積優化方案

為了提高拉刀的疲勞壽命，減少更換零部件造成的宕機損失，降低設備的維護成本，對拉刀結構進行優化設計。根據疲勞壽命結果云圖可知，拉刀從下端開始發生疲勞破壞，而兩端區域并未受到影響，綜合拉刀的外形特點、加工成型工藝以及現有設備的互換性，采用等面積方案對其優化。

拉刀結構可以近似看作為一個薄壁長方形，拉刀端面面積為S，增強壽命最低點處剛度，降低應力集中。以三角形穩定結構強化拉刀壽命薄弱區域，保證整體的面積不變，為優化準則，通過設計高h，避免總體質量增加，如圖6 所示。

圖6 等面積優化方案

3.2 優化結果

根據等面積優化方案，選取一組高度值，作為拉刀備選結構，施加相同的材料屬性、邊界條件以及載荷進行仿真計算，如表1 和圖7、圖8 所示。

表1 等面積優化參數及疲勞壽命

圖7 參數h拉刀疲勞壽命

圖8 等面積優化疲勞曲線

由圖8 可知，隨著h增加拉刀疲勞壽命增加幅度呈二次曲線增加，說明等面積優化方案能夠有效地提高拉刀的疲勞壽命。然而，參數h受結構尺寸和成型工藝約束并不能無限增加，最大值取20 mm，選取此結果作為最優方案，此時對應的拉刀疲勞壽命為5.092×107次，相較于初始拉刀的壽命增加了一倍。

4 結論

本文針對提花機拉刀在使用過程中出現周期性的斷裂現象，經動力學校核后發現拉刀最大應力遠小于材料屈服強度，根據拉刀受到的周期性載荷規律，做出拉刀發生疲勞斷裂的推測。通過nCode疲勞分析，發現拉刀疲勞破壞部位與斷裂部位相吻合，拉刀壽命也與更換時間相符，驗證推測有效性。為提高拉刀的使用壽命，提出等面積優化方案，并通過仿真計算不同高度值的疲勞壽命，得到高度值與疲勞壽命呈二次曲線關系的規律。最終選取h=20 mm為優化方案，疲勞壽命相較原先提高一倍。

由結果可知，等面積優化方案能夠有效地提高提花機拉刀的疲勞壽命，避免因定期更換拉刀導致設備宕機造成的損失，提高了生產效率和設備運行穩定性，以及降低設備在使用過程中維護的人力與設備成本，為立體織物的穩定生產與高效制備提供了一種理論支撐。