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織機打緯機構(gòu)的計算機輔助分析
王友江 孫輝
紡織學院化纖工程，佐治亞理工學院，亞特蘭大，佐治亞州30332，美國
摘要：分析和設計打緯機構(gòu)對提高織機性能是極為重要的。計算機輔助設計和分析工具用于研究不同種類的打緯機構(gòu)， 包括四連桿和六連桿機構(gòu)，并且和共軛凸輪機構(gòu)進行比較。從不同的幾何參數(shù)模型可以得到結(jié)果，揭示了合理的操作計算機工具是有效的分析和設計打緯機構(gòu)的方法。可以實現(xiàn)低的噪音和振動，還有更高的速度。
過去十年，紡織產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從勞動密集型轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)率高的資本密集型產(chǎn)業(yè)。在制造織物時，對高性能織機有一個恒定的要求，它是快速，高效節(jié)能，可靠的，高度自動化的，安靜的，耐用，低維修。在過去幾十年中，織機的生產(chǎn)效率大幅度增加，最大引緯效率從200到超過2000米/分鐘。這樣一個在性能上的顯著改善是由于技術(shù)的創(chuàng)新（例如，無梭織），使用新技術(shù)（例如，計算機和材料），及其更好的機械設計。
無論是哪種織機，它的技術(shù)狀態(tài)或者是模式要被編織，基本內(nèi)容包括四個步驟：脫落，采取，打緯，和行動/燃放[2]。脫落操作通過形成一個流束來提高或者降低具體的經(jīng)紗。在采摘步驟，新的緯紗通過棚被插入。開始打緯時，通過筘座的安裝彈簧片把新插入的填充紗被推到位。最后，整理后的織物被卷成布束。但是更多的經(jīng)紗紗線被彎曲。這四個步驟會不斷的重復排列。
打緯對織造過程和產(chǎn)品質(zhì)量非常重要。一個正常的打緯運行會給堅固，統(tǒng)一的織物結(jié)構(gòu)。此外，簧片的運動由筘座帶動，通過打緯的完成，對脫落和采摘操作的光滑度有很打的影響。在高速織造中，采取操作的每個周期相對時間比上采摘應該盡量減少。簧片應該停留盡可能長時間在后面，就可以留下更多的時間引緯，然后可以盡快的打新的緯紗。這對現(xiàn)代寬幅織機是非常重要的。然而，較高的力量和振動是和運動呢相關(guān)的，設計協(xié)調(diào)是實現(xiàn)織機平衡和平穩(wěn)運行所必須的。筘座運動的動態(tài)分析對織布機的設計和制造是十分重要的。
一般有三種基本的打緯機構(gòu)：四連桿，六連桿和共軛凸輪，如圖1所示。四連桿機構(gòu)是用的最廣的，比如梭機，噴氣和劍桿織機。因為他結(jié)構(gòu)簡單，制造簡單。六連桿機構(gòu)可以提供更長的停留時間，主要用在噴氣織機。在無梭織機中共軛凸輪機構(gòu)是應用最廣的，是因為它精密和筘座的可調(diào)停留時間。
圖1 打緯機構(gòu)類型：四連桿（a） 六連桿（b） 共軛凸輪（c）
打緯機構(gòu)的設計，尤其它們的質(zhì)量分布和幾何，對織機的性能有顯著的影響。傳統(tǒng)分析這些機構(gòu)的方法是依據(jù)運動學和動力學原理，但是往往涉及長時間的數(shù)學推導。計算機輔助設計和分析工具為分析復雜的結(jié)構(gòu)的動態(tài)相應提供了一種簡單的方式。
一個關(guān)于知識革命的軟件產(chǎn)品[1]-工作模式，結(jié)合了先進的運動仿真技術(shù)與先進的編輯能力來提供一個有用的工具和動畫模擬。一個機構(gòu)可以轉(zhuǎn)換成一套剛體，在計算機上約束建立模型。這個軟件模擬機構(gòu)議案，基于集合約束和牛頓力學原理。工程量定義在模擬量出來之前，在模擬過程的進一步分析之中。對象的性能可以調(diào)整通過圖形用戶界面以至形成新的模式和理想的結(jié)果。
在這項研究中，我們首先分析了四連桿機構(gòu)使用工作模型軟件。一個參數(shù)的研究探索了筘座運動的幾何影響。我們還建立一個六連桿模型來確定能延長在一個織造循環(huán)中插入時期的集合配置。最后，我們用不同的打緯機構(gòu)來比較筘座的運動。
打緯機構(gòu)
四連桿機構(gòu)
圖2顯示了計算機獲得的圖形，在執(zhí)行了所以四連桿機構(gòu)用這個工作模式，根據(jù)實際尺寸和質(zhì)量和連接類型。通過仿真筘座位移，速度，加速度和力的作用進行數(shù)量測量和記錄。為了驗證模型，我們從模型仿真和運動學分析中比較結(jié)果，發(fā)向沒有明顯差異。
圖2 四連桿打緯機構(gòu)電腦模型
六連桿打緯機構(gòu)
我們根據(jù)采用六連桿驅(qū)動筘座織機的實際機構(gòu)制定了一個模型，如圖3所示。我們試圖通過調(diào)整一些幾何參來增加填充插入時間。在一組實驗后，我們改進了模型，在圖3中顯示。兩個模型之間角位移的比較在圖4中顯示。當筘座的位移到達最大值的一半的時候標記，當位移達到至少最大值的一半的時候，兩個模型被顯示出來。很顯然，在改進模型中，筘座在背面停留的時間比原來的長一些。修改后，插入時期從199°，55%的時間增加到240°，67%的時間在一個織造循環(huán)中。這對高速操作很有幫助。
圖3 六連桿機構(gòu)的電腦模型：原來的配置（左），修改后的配置（右）
圖4 六連桿角位移的比較
在不用的機構(gòu)中比較筘座的運動特性
為了比較筘座在不同機構(gòu)中的運動，我們制定了一個共軛凸輪打緯機構(gòu)的模型[3]。這里，我們比較共軛凸輪引，四連桿和六連桿機構(gòu)筘座的運動特性。圖5顯示了筘座在三個不同驅(qū)動機構(gòu)下的角位移和加速度。
圖5 不同機構(gòu)下的筘座運動比較：（a）角位移 （b）角加速度
在圖5中，我們看到凸輪筘座完成它的運動在130°的回升周期。駐留（保持靜止）在后面的位置230°（確切時間取決具體的設計）。相對四連桿和六連桿，驅(qū)動筘座經(jīng)常移動在整個挑選周期(0°-360°)。連桿機構(gòu)驅(qū)動筘座與共軛凸輪機構(gòu)比，一個類似棚大小緯線，線束要取消/降低到更大距離。因為共軛凸輪允許填充的紗線插入附近的線束。在較高的織機速度或者較寬的引緯比率時，緯線必須穿越棚在更短的時間內(nèi)。共軛凸輪筘座預留更長的時間，大于200°在一個插入循環(huán)中，使引緯更容易，也能允許提高織機速度，縮短線束升降距離，降低經(jīng)紗張力。
另一方面，我們很清晰從圖5中看到，凸輪驅(qū)動的筘座加速度遠遠高于那些連桿驅(qū)動的。因為凸輪驅(qū)動的筘座已經(jīng)完成向前和向后運動，在驅(qū)動筘座不到一半的時間內(nèi)（130°對凸輪驅(qū)動系統(tǒng)而360°對連桿驅(qū)動系統(tǒng)）。高加速度可以適用于凸輪驅(qū)動筘座，這可以更小更輕比那些連桿驅(qū)動的。用超高的剛度和超輕復合材料，筘座機構(gòu)的慣性質(zhì)量可以進一步減少，一提高織機的速度。
總結(jié)
高速織機有一個快速緯線插入和快速脫落和打緯動作。一個關(guān)于織機系統(tǒng)的復雜工程設計是需要快速.平滑和有效的織機操作。計算機輔助設計工具提供了一個快速和可靠的方法研究機床動態(tài)特性的機制。在本文中，我們使用這模型軟件來分析四連桿和六連桿打緯機構(gòu)。通過分析筘座運動特性的幾何參數(shù)的影響，我們論證在計算機模型上調(diào)整某些幾何參數(shù)。在一個織造循環(huán)中，該系統(tǒng)可以很容易的做到調(diào)整來允許一個相對較長時間的填充插入。我們還可以比較連桿機構(gòu)和共軛凸輪驅(qū)動機構(gòu)的運動特性。
引用文獻
[1] Knowledge Revolution. Working Model User’s Manual.1992
[2] Lord, P. R. and Mohamed, M. H. "Weaving: Conversion of Yarn to Fabric," 2nd ed. Merrow Publishing Co. Ltd.1982
[3] Sun, H. Computer Aided Design and Analysis of Loom Beat-ing-up Mechanisms, Masters thesis, School of Textile & Fiber Engineering, Georgia Institute of Technology, 1997.