簇絨地毯織機紗線束-機件系統(tǒng)力學(xué)性能分析.pdf

1、隨著現(xiàn)代社會生活水平的提高，消費者對地毯產(chǎn)量和質(zhì)量提出了更高的要求，即在滿足產(chǎn)量的同時，增加地毯花色品種。隨著我國簇絨地毯業(yè)的發(fā)展，企業(yè)對高效、高速地毯簇絨機的需求也越來越大?；诖?，東華大學(xué)機械工程學(xué)院與國內(nèi)多家企業(yè)聯(lián)合研制出絨高達8個以上、提花分辨率達1針的滿幅大花型循環(huán)數(shù)字化地毯簇絨機，成功解決了多類型電子羅拉群控及解耦，紗線束路徑規(guī)劃、分配，在線復(fù)合提花等關(guān)鍵技術(shù)。
　　 提花簇絨地毯織造過程復(fù)雜，紗線束經(jīng)過穿紗管、分紗

2、架、電子羅拉、導(dǎo)紗羅拉和多層導(dǎo)紗器后喂入簇絨針，由簇絨針往復(fù)運動將紗線束植入底基布。單根紗線束喂入量和張力大小綜合決定了實際絨圈的高度及毯面效果。
　　 本文針對滿幅大花型循環(huán)高端簇絨地毯織造過程中，高旦紗線束粘彈性力學(xué)特性、動態(tài)振動特性、紗線束與機件系統(tǒng)相互作用特性、簇絨針與基布相互作用等內(nèi)容進行研究。
　　 由于紗線束粘彈性對于振動特性分析，單根紗線束喂入量、張力的連續(xù)控制以及消除地毯停機痕有著非常重要的理論和現(xiàn)實意

3、義。首先，基于理論建模與實驗結(jié)合的方法，應(yīng)用非線性LMF擬合紗線束力學(xué)性能實驗結(jié)果，并與之比較，得到表達紗線束力學(xué)性能的粘彈性模型，用于簇絨地毯織造中紗線束振動特性研究時材料物性的表征。同時，從理論上研究消除地毯停機痕現(xiàn)象的方法。為此，提出應(yīng)用四個粘彈性模型分別表征紗線束受動態(tài)加載后的蠕變特性。結(jié)合實驗條件，推導(dǎo)出粘彈性模型的蠕變本構(gòu)關(guān)系式，在INSTRON上編程模擬紗線束受動態(tài)反復(fù)力作用后的蠕變特性，應(yīng)用非線性Marquart回歸法擬

4、合蠕變實驗結(jié)果。通過比較不同模型的擬合曲線和實驗曲線，基于四參數(shù)模型擬合曲線與實驗曲線幾乎一致，且具有較高的相關(guān)系數(shù)和較低的殘差平方和，可用于計算地毯紗線束的蠕變伸長。將理論模型應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，重啟簇絨機時相應(yīng)調(diào)整喂入紗線束長度，可有效避免地毯表面停機痕的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
　　 其次，在提花地毯織造中，紗線束受各種機件的控制而運動，紗線束與控制部件組成一個復(fù)雜的耦合系統(tǒng)。由于羅拉軸偏心、簇絨針往復(fù)帶動、電子羅拉速度瞬變的影

5、響，紗線束發(fā)生振動，進而引起張力的變化，影響既定絨圈高度。本文應(yīng)用第二章驗證后的本構(gòu)關(guān)系表征紗線束粘彈性，同時考慮軸向幾何非線性變形和材料非線性因素，建立紗線束橫向振動方程，經(jīng)無量綱化和一階Galerkin截斷，應(yīng)用四階Runge-Kutta法對常微分方程求解。分析紗線束喂入速度、張力波動幅度、阻尼系數(shù)以及波動頻率對振動特性的影響。由此可得，在紗線束材料確定下，降低紗線束振動振幅從而減少張力波動的方法主要是增加阻尼系數(shù)，如增加電子羅拉表

6、面摩擦系數(shù)。
　　 同時，由于電子羅拉速度瞬變，導(dǎo)致電子羅拉與牽引羅拉間紗線束動態(tài)張力波動，影響提花精度。假設(shè)紗線束截面為圓形，對電子羅拉與紗線束應(yīng)用動量矩定理，基于運動紗線束質(zhì)量守恒定律，建立由電子羅拉控制的運動紗線束動態(tài)振動模型。假設(shè)輸入為階躍信號，應(yīng)用拉普拉斯變換，求出紗線束張力隨時間波動的幅度、頻率及阻尼比等參數(shù)，并對張力波動進行數(shù)值仿真。結(jié)果顯示，阻力矩對紗線束張力波動有很重要的影響。另外，分析了紗線束長度對張力振動固

7、有頻率和阻尼系數(shù)的影響。通過理論建模，研究紗線束張力動態(tài)響應(yīng)，為穩(wěn)定紗線束張力，提高織造精度奠定理論基礎(chǔ)。
　　 簇絨過程中，紗線束張力波動會影響到毯面絨圈的整齊度及花紋效果，而其張力很難檢測，因此建立紗線束動態(tài)張力模型對于設(shè)計張力控制機構(gòu)、穩(wěn)定紗線束張力、提高簇絨地毯質(zhì)量至關(guān)重要。傳統(tǒng)的接觸式張力測試及計算均基于經(jīng)典歐拉公式或Capstan公式，忽略了彎曲剛度及非線性摩擦的影響。本文第四章基于經(jīng)典Capstan公式，綜合紗線束

8、與機件之間的非線性摩擦、紗線束彎曲剛度對張力比的影響，改進經(jīng)典張力比公式。同時，模擬紗線束實際運動工況，應(yīng)用動態(tài)張力儀測試羅拉兩端紗線束張力，計算張力比，并與經(jīng)典張力公式計算結(jié)果及改進張力公式模擬結(jié)果相比較。結(jié)果表明，應(yīng)用改進公式計算的張力比變化曲線與實驗測試曲線更相符。因此，在設(shè)計提花羅拉、牽引羅拉結(jié)構(gòu)實現(xiàn)地毯紗線束張力精確控制時，需要考慮紗線束特有的彎曲剛度及冪律摩擦因素對張力比的影響。改進后的紗線束張力比計算模型，可以準(zhǔn)確表征紗線

9、束張力的變化，應(yīng)用于提花羅拉、牽引羅拉以及簇絨針的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。為精確控制地毯紗張力、地毯絨圈高及實現(xiàn)單針分辨率地毯織造提供理論支持。
　　 成圈運動是簇絨機工作的基本運動，實質(zhì)是簇絨針上下往復(fù)運動和成圈鉤前后擺動配合成圈。簇絨過程中，主要的工作阻力是針梁受到的阻力，即針梁上所有簇絨針在穿過底基布時受到的基布阻力和慣性力總和。簇絨針受力影響其運動狀態(tài)、傳動機構(gòu)的設(shè)計以及主軸轉(zhuǎn)速的提高等。由于不能精確計算簇絨針穿刺基布受到的阻力，機

10、構(gòu)設(shè)計時為保證構(gòu)件強度，安全系數(shù)取的過大，這樣既浪費材料，又導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過于笨重。另外，簇絨針受力不穩(wěn)定會導(dǎo)致絨圈高低不一致、毯面不平，等現(xiàn)象。本文最后，基于簇絨針的結(jié)構(gòu)特點和非織造基布的材料性能，在ABAQUS/CAE中建立簇絨針穿刺基布的有限元模型。假設(shè)簇絨過程中地毯基布變形為彈性變形，根據(jù)非織造布材料本構(gòu)方程在FORTRAN環(huán)境下編寫用戶材料子程序VUMAT表征基布力學(xué)特性和損傷，將VUMAT子程序連接有限元分析軟件ABAQUS/Ex

11、plicit模擬簇絨針刺入基布的動態(tài)過程，計算簇絨針穿刺力并模擬簇絨針刺入過程中基布的接觸損傷。比較簇絨針受力的有限元模擬結(jié)果與傳感器檢測結(jié)果，可知有限元數(shù)值模擬穿刺力與實驗測試結(jié)果近似一致，最大誤差為11％。由此，有限元模型可以代替?zhèn)鞲衅鳈z測方法計算簇絨針的受力以及地毯基布的變形。有限元模型及子程序可以應(yīng)用到更高主軸轉(zhuǎn)速下簇絨針的受力分析中，其結(jié)果對于精確計算簇絨針受力、優(yōu)化傳動機構(gòu)設(shè)計、提高主軸轉(zhuǎn)速及優(yōu)選驅(qū)動電機類型、動平衡分析等至

12、關(guān)重要。
　　 本文針對數(shù)字化地毯簇絨工藝，以精確控制紗線束喂入量、張力，提高毯面質(zhì)量為目標(biāo)。通過研究紗線束粘彈性、動態(tài)振動特性、紗線束.機件系統(tǒng)力學(xué)特性、簇絨針-基布相互作用等，建立紗線束運動張力控制數(shù)學(xué)模型。研究簇絨過程中紗線束-機件運動規(guī)律及相互作用特性，有助于揭示紗線束張力控制機理，解決不同絨高地毯織造中的紗線束張力控制問題。建立了簇絨針穿刺基布的有限元模型，數(shù)值模擬了簇絨針穿刺力。為織制單針分辨率、滿幅大花型循環(huán)簇絨地