针刺机设计过程中偏心主轴振动与强度计算分析

马民生

（恒天重工股份有限公司技术开发中心，郑州450001）

针刺机设计过程中偏心主轴振动与强度计算分析

马民生

（恒天重工股份有限公司技术开发中心，郑州450001）

针对恒天重工股份有限公司技术开发中心开发的单字头和双字头针刺机在试验过程中存在的针刺频率和针刺密度低的问题，分析了针刺机的针刺频率、针刺密度与设备偏心主轴振动和强度的关系，认为可以通过运动分析、测量及计算使针刺机的振动、强度量化，从而为提高针刺频率和针刺密度提供依据.

非织造布；针刺机；振动

非织造布是一种不需要纺纱织布而形成的织物，它是将纺织短纤维或者长丝进行定向或随机排列，形成纤网结构，然后经过水刺、针刺或热轧加固，最后经过后整理形成的无编织的布料.针刺是众多非织造布生产工艺中开发最早、最成熟的一种传统工艺.针刺机是非织造布生产过程中最关键的设备.随着针刺产品的应用领域越来越广泛、市场需求越来越大，许多设备生产制造商纷纷投入到针刺机及其生产线的开发与研制中，目前国内市场已形成明显的高中低档格局.从现阶段情况来看，不同档次的针刺机都存在一个共同的问题：设备的振动和主轴强度影响到针刺频率和针刺密度的提高.本文就恒天重工股份有限公司开发的单字头和双字头针刺机在试验过程中存在的问题，给出了针对性的解决方法，定量分析了针刺机的针刺频率、设备振动与强度，为上述问题的解决提供了数据支撑.

1 针刺机运动部件的力学分析

针刺机运动部件主要是偏心主轴、连杆、推杆、针板.偏心主轴作旋转运动，推杆、针板作往复运动，连杆作平移和摆动运动，其工作原理类似于曲柄—连杆—活塞系统.

1.1 单字头针刺机动力分析

单字头针刺机工作原理如图1所示.其中，偏心主轴偏心量为r，连杆长度为l，往复运动部件在x方向的位移为x.若偏心主轴以角速度ω稳定旋转，偏心主轴的旋转角度θ＝ωt，则往复运动组件B在x方向的往复惯性力Q为：

图1 单字头针刺机工作原理

其中：Q1为一阶惯性力；Q2为二阶惯性力；M往复为往复组件的总质量，等于针板质量m1、推杆质量m2、连杆往复运动的一部分质量mc1之和，即

连杆可简化为双质量系统，如图2所示.连杆质量mc可分作往复运动质量mc1和旋转运动质量mc2，用公式（3）表示：

图2 连杆质量换算图

1.2 旋转惯性力分析

旋转惯性力Fr由主轴偏心量r、偏心主轴角速度ω和连杆质量mc2产生，即：

式中，mA为主轴偏心量为r时的偏心质量.

Fr也会引起机器振动，但在动平衡机上可被较准确地消除掉.

1.3 针刺作用力分析

针刺作用力F针的计算公式如下：

其中：ΔF针为每根针的针刺力；n为针板上的针数.对于机架来说，F针是内力，作用力与反作用力抵消，不会引起x、y方向的振动，但将产生绕z轴的力矩.

1.4 重力和摩擦力分析

各零件的重力和摩擦副的摩擦力影响较小，在设计时一般可忽略不计，但应适当润滑，避免卡死及因配合间隙过大引起的冲击振动.

1.5 侧向力和对z 轴的侧向倾倒力矩

由于连杆的倾斜，往复运动的惯性力Q和针刺力F针的合力可分解为沿连杆的作用力PC和垂直于推杆轴线的水平分力PN，即

由

可得

则

另外，由于连杆简化为双质量系统，其对重心的转动惯量大于实际连杆的转动惯量.若实际连杆对重心的转动惯量为Jr，连杆简化为双质量系统后对连杆重心的转动惯量为mc1h2＋mc2（1－h）2（见图2），则双质量系统中连杆对重心的转动惯量与实际连杆的转动惯量的差Jr′为：

它对z轴的力矩为：

因此，对z轴的侧向倾倒力矩传至机架：

1.6 作用在主轴上的扭矩

作用在主轴上的扭矩MT的计算公式为：

2 双头针刺机动力学分析

2.1 双头针刺机的结构特点

双头针刺机由并列的2个主轴连杆系统组成，2个主轴连杆系统对称布置，结构和尺寸相同，但主轴的旋转方向相反.其结构的简化模型如图3所示.

如果2个主轴连杆系统的结构、尺寸、重量、重心位置及转速完全相同，则对于整个系统，侧向力及对z轴的侧向倾倒力矩为零，而往复惯性力及作用在主轴上的扭矩等于单个主轴连杆往复系统惯性力及扭矩的2倍，旋转惯性力为2个主轴偏心质量与连杆大端质量旋转产生的惯性力之矢量和.

2.2 双头针刺机的平衡

为减少针刺机的振动和噪声，使其在较高转速下仍能平稳工作，必须细心地考虑平衡问题.

图3 双头针刺机力学模型

2.2.1 旋转惯性力的平衡

主轴、偏心轮、飞轮、联轴器等旋转零部件组装后（不带连杆、推杆等往复运动部件）在平衡机上进行动平衡，平衡精度可按G2.5要求计算.通过计算或实验，得到连杆的旋转运动质量mc2，在飞轮处去重或加重以平衡mc2.

2.2.2 往复惯性力的平衡

飞轮截面如图4所示.

图4 飞轮截面

由于双头针刺机结构对称，主轴旋转方向一正一反，故可在飞轮上去重，以平衡一阶往复惯性力.由公式（1）可得，一阶往复惯性力Q1＝M往复rω2cosωt.在飞轮上削去的重量（图4中阴影线部分）可由阴影部分的面积A或高度h来计算，A和h可用下面的公式计算：

式中，θ0的量纲为弧度.若飞轮轴向长度为l，密度为ρ，则在飞轮上削去的质量为：

下面计算M′产生旋转惯性力的当量半径rc.

扇形部分单位厚度惯性力为：

三角形部分单位厚度的旋转惯性力为：

故

由M′产生的旋转惯性力与一阶往复惯性力平衡：

即

因此，需要先求出 M往复，由式（23）计算 M′rc，然后由式（18）、（19）、（22）进行计算，以确定飞轮应削去的h.应该指出，二阶往复惯性力并没有平衡.当针刺机转速高时，应考虑二阶往复惯性力的平衡问题.另外，为保证针板上下移动时不晃动，针板在装配前应配重，以使针板质心至两推杆中心线的距离相等，并且针板质心应位于两推杆中心的连线上（如图5所示）.

图5 针板的平衡图

3 计算结果

设计如下参数：偏心r＝2cm，连杆长度l＝25cm，连杆比在n＝800、1200、1 500r／min时，往复运动的速度幅值XO－P、加速度幅值X′O－P见表1.

表1 不同转速下往复运动的速度、加速度幅值

每套偏心轮、连杆、推杆、针板的往复质量M往复＝34539.24g＝3.524 4kgf·sec2／m，由此产生的一阶和二阶往复惯性力Q1、Q2见表2.

表2 往复惯性力

［1］ 王延熹.非织造布生产技术［M］.上海：中国纺织大学出版社，1998.

［2］ 郭秉臣.非织造材料与工程学［M］.北京：中国纺织出版社，2010.

4 结论及建议

针刺机的平衡是减小振动的重要手段.按照本文提出的往复惯性力和旋转惯性力的平衡方法、步骤和要求，经计算，飞轮削去部分重量，可以满足平衡旋转质量和往复旋转质量的要求.

（1）在本设计中，考虑了一阶往复惯性力的平衡，但没考虑二阶往复惯性力的平衡.经分析，二阶往复惯性力为一阶往复惯性力的8%，而惯性力的大小与主轴转速平方成正比.因此，建议现阶段不考虑二阶往复惯性力的平衡.

（2）在保证往复运动零件强度、刚度和可靠性的前提下，可通过减轻质量以减少动载荷.

（3）因冲击力大，需要考虑固紧螺钉的防松问题.

The Eccentric Spindle Vibration and Intensity Calculation in Acupuncture Machine Design Process

MA Min－sheng
（Technology Development Center，Hengtian Heavy Industry Co.，Ltd.，Zhengzhou 450001，China）

For the lower needle frequency and needle density problems of the single word head and dual prefix acupuncture machine developed by Technology Development Center of Hengtian heavy industry，the relations between the needle frequency，needle density and the equipment vibration are analyzed，the results have shown that the acupuncture machine vibration and the intensity data can be quantified by the motion analysis measurement，by which the needle frequency and needle density of the acupuncture machine can be improved

non－woven fabric；acupuncture machine；vibration

TH112

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2012.02.017

1671－6906（2012）02－0075－04

2012－03－05

马民生（1978－），男 河南焦作人，工程师.