经编机梳栉的横移振动分析

张 琦，夏风林，刘 念，李怀宇，李 萍，孙黎明

(江南大学经编技术教育部工程研究中心，江苏无锡 214122)

传统机械式经编机的电子化改造是经编装备数字化升级的重要手段之一，导纱梳栉作为经编机成圈机构中的核心部件，其横移运动也改由伺服电动机驱动，但其前后摆动依然由摆臂驱动［1］。由横移运动和前后摆动合成的导纱运动，直接决定了系统运行的效果，但导纱运动的平稳精确与否，却由导纱梳栉本身内在的静态和动态特性决定，因此，对经编梳栉固有特性及动力学特性的分析，是开展经编梳栉减振研究的基础［2］。

此前对经编机横移机构的研究主要集中在横移系统伺服控制［3］，和摆臂机构静力学分析方面［4］，而少见有对经编梳栉本身静态和动态特性分析，以及该固有特性对经编梳栉导纱运动，乃至对整个编织系统运行效果影响的研究。本文通过搭建声学振动测试平台，对经编梳栉的关键动力学参数进行测试并获取幅频特性，评价其抗振性能并验证振动理论分析的正确性，寻找潜在的振动问题并提出有效的减振措施。

1 梳栉振动特性分析

1.1 振动产生原因

梳栉横移是按照织物花型要求进行线性往复运动，本身就是一种振动形式，由于其运动速度快，频率高，且属于停止→动作→停止间歇式启停运动，因而横移电动机对传动机件有节奏的驱动就是一个有效的激振源，使梳栉等作受迫振动而横移。经编机每编织1个横列，梳栉所受的横移驱动力的方向都会发生反向，同时梳栉横移运动的方向也会滞后跟随反向，因此，随着经编机转速的不断提高，梳栉所作受迫振动的频率也不断攀升［5］，激振作用不断加剧，处于高频受迫振动的经编梳栉，当激振频率与其固有频率接近时，就会因机械共振对横移定位产生不利影响。

1.2 振动分析原理

应用实验模态分析技术可得到经编机梳栉的固有频率、阻尼比动力学参数以及反应单位激振力振动幅值响应的幅频特性。通过实验测得梳栉在特定的频率范围内各阶主要模态特性，就可分析梳栉在横移动力装置和摆臂驱动下的实际振动响应［6］。

式中：X作为响应向量，特指梳栉在单一方向的加速度;F作为激振力，特指梳栉受到横移装置的驱动力;Y为梳栉不同部位频响函数矩阵。在振动测试实验过程中，梳栉某一方向的加速度采用粘贴在梳栉不同部位的加速度传感器测量，经编机横移动力装置施加在梳栉上的驱动力可以作为激振力，利用振动频谱分析软件绘制出梳栉各部位的频响函数曲线，通过分析频响函数，获得经编梳栉的固有频率、阻尼比等关键动力学参数。

动刚度测试原理可表示为：

式中：ω为横移激振力频率;A为梳栉受激振幅;Kj为梳栉静刚度;ωn为梳栉固有频率;ξ为梳栉阻尼比。经编机梳栉在被横移驱动装置以一定频率驱动时所表现出来的刚度称为动刚度，是衡量梳栉抗振性的主要指标，当梳栉发生共振时动刚度值最低［7］。在实验中通过对梳栉施加不同频率的激振力，测试梳栉在不同振动频率下的激振力幅值和响应幅值即可计算其动刚度。

2 振动测试及结果分析

2.1 测振平台

搭建声学振动测试平台所用关键设备有：KS4型特里科经编机(Karl Mayer公司)、3560C型四通道声学与振动分析系统(B＆K公司)、4507B型4个加速度传感器和安装有模态分析软件的便携式电脑。基于声学振动测试平台对经编梳栉进行模态分析的实验连线示意图如图1所示。利用经编机空运转时产生的振动作为激励，在梳栉的机尾端、梳栉的轴向质心处、梳栉的机头端、梳栉横移电动机丝杆箱输出端的弯臂铝块上，分别固装1#～4#加速度传感器，并连接至声学与振动分析系统的1～4号信号通道，导纱梳栉各测试点的加速度数据分别由4个通道进行采集处理，再由软件进行模态分析［8］。

图1 测试点位置选取及连线Fig.1 Sensor positions and connection

2.2 测试内容

进行梳栉的减振技术研究，首先要对其进行动态特性测试分析，为评价梳栉的抗振性能以及后续动力学分析的需要，将响应测试、模态测试和动刚度测试作为振动实验内容。首先进行响应测试，在空运转时测定对应不同机速状态下梳栉的响应情况。其次，采用激振法对其进行模态实验，以测得各阶固有频率、阻尼比和振型等模态参数。最后，对梳栉进行动刚度测试，测定其横移和摆动方向的动刚度。

实验工艺为经平组织1-0/1-2//，将横移电动机调试至最佳状态，启动主轴电动机进行空转振动响应测试。转速从零开始直到实验经编机的最高转速1 000 r/min，转速间隔分别为50 r/min，在不同转速下测量梳栉的振动参数［9］。为防止热效应引起的误差［10-11］，响应数据采集要在经编机空运转30 min以后进行。四通道声学与振动分析系统测量的原始数据为加速度信号，通过对时间积分，由该分析系统自带的处理软件可得到速度和位移曲线图谱，用于进一步分析。

实验中，将梳栉的导纱运动进行解耦，通过模拟主轴转动使梳栉只进行横移运动而无摆动，通过加载全零花型使梳栉只有摆动而无横移运动，这样作可将只横移时的横移驱动装置，和只摆动时的摆臂施加在梳栉上的力分解开，并分别作为梳栉在x和y方向的激振力，来测定梳栉这2个方向的动刚度。

2.3 结果分析

借助3560C型声学与振动测试系统分析软件强大的分析处理功能，首先输入1#～4#传感器在被测梳栉上的物理坐标(以4#测量点为原点，指向1#测量点，即机尾方向为正)以及梳栉的几何特征，构建经编梳栉的几何模型［12］，然后以4#测量点作为激励点，并导入4个加速度传感器通道采集到的响应数据，分析处理后得到该梳栉模型的频响函数，最后根据频响函数，确定拟合频段并进行自动曲线拟合，得到梳栉的各阶固有频率和阻尼比。由一阶固有频率可以推算梳栉的共振点，当梳栉的激振频率在固有频率附近时，会产生强烈的颤振。表1示出梳栉前5阶固有频率和阻尼比。

表1 KS4经编机梳栉前5阶固有频率和阻尼比Tab.1 Top 5 order natural frequency and damping ratio

图2 示出实验经编机导纱梳栉只进行横移运动时测得的质心处(2号通道)加速度曲线。因为垫纱组织为1-0/1-2//，因此梳栉横移针前和针背各1次且每次横移距离均为1个针距。理论上2次横移中间时段梳栉应处于静止状态，观测图2曲线可知此时段梳栉的加速度并不为零，梳栉有轻微颤振现象，此时梳栉受到横移动力装置和摆臂在2个方向的连接，改善颤振情况需从提高这2个构件的刚度入手。

图2 只横移不摆动的加速度曲线Fig.2 Acceleration curve of shogging

图3 示出全零垫纱时梳栉只进行摆动，梳栉机尾处(1号通道)测得的位移曲线。梳栉只摆动的时候横移驱动装置对其不施加驱动力，只有摆臂的驱动力作用在梳栉上。观测图3曲线可知，梳栉摆动到偏离织针工作面最远端处的位置并不是梳栉进行横移的位置，因为在最远端梳栉均会先回退适当距离，然后再进行横移运动，且在针前针背梳栉摆动的位移偏离值不同，在针前的位移偏离值稍大。

图3 只摆动不横移的位移曲线Fig.3 Displacement curve of switching

3 减振措施

由振动控制理论可知，减振控制主要有3大类技术：降低共振振幅的阻尼技术，切断振动传递的隔振技术和应用动力吸振器的吸振技术［13］。根据梳栉的结构和运动特点并结合实验设备的具体条件，可以选用解调、改变梳栉质量和调整阻尼结构3种减振措施来改善梳栉的振动。

3.1 解调减振

梳栉的横移运动为周期性受迫振动，振动周期为主轴转动1周完成1次横移运动，由伺服电动机组成的横移动力装置进行周期驱动。目前KS4经编机的工作速度一般都在400～1 200 r/min，工作频率为6.7～20 Hz，由表1振动测试数据可知梳栉的一阶固有频率(12.5 Hz)也在这个范围内。由于在机械构件的频响区域中，一阶固有频率激振幅值最大，对外界的破坏力也最强，这与实验测试结果相吻合，因为当实验经编机机速在700～800 r/min之间，尤其是在750 r/min附近时，测得梳栉的振动加速度幅值有明显异常增幅，但越过此区域后恢复常态，说明当经编机运行在750 r/min附近时，梳栉本身与横移运动产生了机械共振［14］，因此，经编机的正常工作频率必须避开这一频率区域，即正常工作机速要高于或者低于共振机速。

3.2 轻质减振

实验用经编机KS4配置4把梳栉，每把的质量均不相同，可以通过调换梳栉对象来改变测试梳栉质量，以此测定梳栉随质量变化时的振动响应。通过响应特性测试分析，可以确定更为合适的梳栉质量，评价其对横移振动的影响。实验工艺仍为1-0/1-2//，选取机速900 r/min，保证4把梳栉均避开其共振区。表2示出KS4经编机不同梳栉对应频响函数数据。由表2测试数据可以看出，梳栉质量越轻，振动加速度的绝对平均值越大，而频响函数峰值越小，其横移运动平稳度越高。可见，减小质量，即经编梳桎的轻质化(如碳纤维梳桎)设计，可以减少梳桎横移时的机械振动。

3.3 阻尼减振

因实验机台为卡尔迈耶早期生产的特里科经编机，虽原机械结构经过改造后更换为现有的电子横移动力装置，但是梳栉的直线轴承及弹簧阻尼器却没有改变，如图4所示。根据对图2的分析可知，梳栉在横移运动间隙时段，在既无横移又无摆动时仍

表2 KS4经编机不同梳栉对应频响函数数据Tab.2 Frequency response data of four guide bars

有小幅颤振，是由于连接件刚度不够，据此可对阻尼器的弹簧进行更换，增大刚度值，有利于锁紧梳栉，吸收激振能量并减少振动。通过实验测试，采用这一方法，梳栉摆动时横移方向的颤振得到明显改善，加速度幅值降低约40%。

图4 梳栉弹簧阻尼器Fig.4 Spring damper of guide-bar…

4 结论

1)所建声学振动测试平台能对经编梳栉的机械振动进行有效的测试，可作为梳栉的抗振性及稳定性研究平台，是分析梳栉动力学特性，及研究横移运动振动影响因素时可以采用的有效技术手段。

2)经由伺服驱动的经编机其工作频率一般为6.7～20 Hz，而经编导纱梳栉的一阶固有频率在12.5 Hz附近，位于机台工作频域内，因此机台正常生产速度应避开共振速度区域，可有效降低导纱运动时的机械振动。

3)在外界同等激励条件下，质量轻的梳栉表现出更高的运动平稳性，降低梳栉质量可以改善梳栉的横移振动，并可为梳栉的轻质化设计提供理论参考。

4)调整梳栉的阻尼减振结构，更换大刚度系数弹簧后可以降低梳栉横移静止时的颤振，并提高梳栉横移的精度。

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