高速织机综框的动态特性分析与设计

综框是开口机构的主要工作部件,其动态性能的好坏会直接影响织机的正常工作。针对不同筘幅的综框,在SolidWorks软件中建立有限元模型,并计算求出综框的各阶模态振型,分析了其动态特性对织机的影响。提出了综框设计时改进其动态特性的措施和方法。

　　综框是织机中的一个重要部件，织机经纱断头主要发生在综框邻近区域。近年来各种织机的入纬率不断提高。高速织机转速已达3 000 m／min以上。织机门幅也达380 cm以上，这对综框的设计要求进一步提高。观察综框在织造中的运动状况，其动态受力有综框上下运动的冲击力，织物张力所致的弯曲力，综框在环境温度变化下所产生的变形力等。这些因素都会使综框在织机运转过程中发生不同程度的振动。综框的振动不但会造成断经。影响生产效率；而且当其与织机转速发生共振时。还会造成横梁断裂甚至框架脱开口。所以在进行综框设计时，有必要研究其动态特性，进一步提高和改进综框的动态性能。

本文通过对3种不同幅宽(190，230，280 cm)综框的动态特性研究，对它们的模态振型进行对比分析．从而改善综框的结构设计，使其动态性能达到优良，适合各种高速织机的工作转速。本项研究在SolidWorks软件中建立综框的数字化模型，通过COSMOS模块对其进行动态分析。获得综框的模态和振型。在此过程中，综框模型完全按照国标(FZ／T 94009-1992)规定所建立。保证了综框几何结构的准确性，具有生产实用价值。而COSMOS义是当今世界上最快的有限元分析软件。它与So1idWorks无缝集成，不用考虑数据交换所产生的模型误差．并且高精确的分析结果也已被业界所认可。这确保了本项研究结果的正确性。

1几何模型

综框的主要部件包括上横梁、下横梁、左右侧档、导板、穿综杆和综丝夹。本项研究先在SolidWorks中建立190 cm幅宽织机上的数字化综框模型，然后在此模型基础上通过参数化技术方法，分别建立230cm与280cm幅宽织机的综框模型，其中综框的各部件及整体结构尺寸都是按照国标FZ／T 94009-1992所确立。建好的综框模型如图1所示。

2有限元模型

建立有限元模型时根据分析对象的结构特点，需要对已完成的几何模型进行简化处理，以便节省计算机资源。更加快捷地建立有限元模型。在此，去掉几何模型中一些关系不大的局部特征。就可以直接对综框划分网格。

COSMOSWorks采用高品质实体网格，网格单元为10节点四面体要素，如图2所示。

网格划分过程中对综框各部件进行网格控制，使要素大小都适合各部件自身的形状结构，从而建立正确的有限元分析模型，保证获得精确的分析结果。网格化后的综框模型如图3所示。

　　在对综框进行有限元分析之前必须定义它的材料特性，综框属于薄形框架类结构，织机工作时综框上下往复运动，承受经纱张力动载荷，并且把剧烈振动传递给经纱。加剧了经纱在综眼中的摩擦。考虑到综框工作时的承载和变形情况，在综框设计时使用的材料必须要保证它的刚度和强度。

　　本项研究在进行有限元分析时，对综框的上下横梁、左右侧档、导板及综丝夹选择COSMOSWorks材料库中的铝合金材料1060-H18Rod(ss)。此型号铝合金材料具有质量轻强度高的特点，可满足综框工作时的性能要求。而对于穿综杆则采用强度高韧性好的弹簧钢65MN。综框材料的主要参数如表1所示。至此，综框的有限元模型已建立完成，接下来就可以在COSMOSWorks中对已完成的有限元模型进行求解分析。

本项研究先对190 cm幅宽织机的综框进行分析，然后通过参数化技术手段改变综框的几何模型，分别对230 cm和280 cm幅宽织机的综框进行有限分析。COSMOSWorks对这3种不同筘幅综框的分析数据如表2所示。

由表2数据可知，以190 cm筘幅综框为例。整个综框被划分为86 048个单元，共157 048个节点，每个节点有X、Y、Z方向3个自由度,最多可获得471 144阶固有频率及相应振型。建立综框振动方程为：

[M]{X}+[K]{X}={0}

此系统振动方程是一组二阶常系数齐次线性微分方程组，其中质量矩阵[M]为单位阵．刚度矩阵[K]为对称阵，且[M]和[K]均为471 144阶方阵。此振动方程可通过线性变换解耦合来求其解，而COSMOSWorks采用的是FFE(Fast Finite Element)求解器。即快速有限元法，一种可以保证结果收敛的快速迭代法。

其他两种综框振动方程的建立方法与此相同，但是由于有限元模型自由度的增多，振动方程组的维数也随之增大。

3结果与分析
 

运行求解后，获得了综框的固有频率和振型。由于织机的工作转速只与综框前面的部分模态有关．故本文只考虑综框的前20阶模态，去除综框的刚体模态，得到1到20阶固有频率如表3所示。

由表3数据可知。随着筘幅的增大，综框的各阶固有频率显著降低，在工况条件下就容易与织机的工作转速频率发展共振，产生很大的振幅使综框结构受到破坏，影响综框的使用寿命。对于190cm筘幅的综框，当织机工作转速到达1200r/min时，对其影响最大，因为它有2个20 Hz左右的频率。极其容易发生共振。它的2、3阶振型如图4(a)与(b)所示。

由图4可以看出，对于190 cm筘幅综框。其2、3阶振型都是横梁和穿综杆在发生不同程度的弯曲振动．而综框的其他部件都未振动。由第2阶振型可以看出。综框的上下横梁及穿综杆都在振动．如图4(a)所示。其中上下横梁发生较大的弯曲振动，而且相位恰好相反，最大振幅出现在横梁中部位置．此时织机转速频率如果停留在19．776 Hz。那么综框横梁及穿综杆就极易发生断裂。故织机工作转速尤其要避开综框的第2阶固有频率。而其第3阶振型表现为横梁和穿综杆的横向振动振动幅度没有第2阶振型大。且最大振幅发生在距横梁右端约1／3处，如图4(b)所示。此时如果与织机转速发生共振同样会对综框的结构造成破坏。

　　由以上分析可知190 cm筘幅织机工作转速应避开第2、3阶固有频率，以免横梁和穿综杆由于共振产生过大振幅而使其断裂。

由表3数据可知当转速在600 r／min和1 800 r／min时，对190 cm综框没有什么影响；但如果织机要在1 200 r／min的转速下工作时．就必须改进此综框的动态特性，以消除其第2、3阶振型。此时可以通过改变综框的结构特征，或者在综框上安装吸振装置来消除其共振频率和振型。

对于230 cm筘幅综框，由表3可知影响其600 r／min工作性能的主要是第1阶模态。其振型如图5所示。综框上下横梁和穿综杆发生较大的弯曲振动．横梁的中间部位是最薄弱、最容易断裂的地方。与190 cm筘幅综框不同的是，230 cm筘幅综框完全可以用在转速为1 200 r／min的织机上，因为其没有20 Hz左右的周有频率；但是当织机转速达到2 000 r／min左右时．此综框就容易发生破裂，影响其动态特性的主要是第5阶振型。

由图6可看出。综框的整个边框都出现振动。其中上下横梁及穿综杆发生垂直方向的振动，而侧档则发生左右方向的振动，此综框如果直接用于2 000 r／min的高速织机。将对综框造成致命性的破坏，即整个综框结构可能发生解体。图6中变形前和变形后的综框形成鲜明对比，准确且明显地预测了此综框在共振频率下的破坏程度和趋势。以此为依据。在进行综框动态设计时就可以有针对性地优化综框结构，使其动态特性适合高速织机的工作要求。

280 cm筘幅综框的第2阶振型如图7(a)所示，与图5中振型相似，主要都是综框边框及穿综杆的弯曲振动，在此不再分析。而第7阶振型中上下横梁及穿综杆振动都很厉害，由图7(b)可知．当织机开到1 800 r／min时。此综框的上下横梁将会发生剧烈振动，极有可能从横梁中问部位断裂，而且穿综杆与横梁的振动趋势一致，在织机工作频率接近29．549 Hz时也会遭到破坏。从表3可以看出，280 cm筘幅综框与230 cm筘幅综框一样．也没有靠近20 Hz左右的频率，所以完全可以在1 200 r／min的高速织机上使用此综框。

4结语

通过对3种不同筘幅综框的几何建模及有限元计算分析，可以看出综框动态特性的好坏对织机的正常运转影响很大，可从以下几个方面对其进行设计和改进：

(1)改变综框的结构，比如改变横梁或者侧档的结构尺寸等．此时综框的质量矩阵[M]及刚度矩阵[K]均发生变化，振动方程也随之改变，从而消除对织机工作有较大影响的模态，以避免织机工作时和综框发生共振。

(2)采用不同的材料，材料不同综框的动态特性也不相同，例如采用碳纤复合材料，可以大幅增加综框的各阶振动频率，从而使织机能在更高的转速下稳定工作。

(3)在综框上面增加吸振装置，改变综框的固有频率和振型．使其适合不同工作转速的织机。
 

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