基于TRIZ理论的双轴向经编机铺纬系统研究

白　颖，李成良

(1.常州机电职业技术学院，江苏常州　213164；2.江苏润源控股集团有限公司，江苏常州　213022；3.河海大学机电工程学院，江苏常州　213002)



基于TRIZ理论的双轴向经编机铺纬系统研究

白颖1，李成良2,3

(1.常州机电职业技术学院，江苏常州213164；2.江苏润源控股集团有限公司，江苏常州213022；3.河海大学机电工程学院，江苏常州213002)

摘要：分析了双轴向铺纬系统的功能需求，针对铺纬系统初始设计存在的问题，采用TRIZ理论对双轴向经编机铺纬系统进行设计。首先针对横移质量与铺纬速度的矛盾关系确定了技术参数，其次分别利用TRIZ理论中的分割原理和抛弃与再生原理，设计两种方案，最后应用工程实践进行方案验证。验证结果表明：根据分割原理得到的设计方案在对机器的整体机构未做较大改动的同时，能大幅提升铺纬系统的运行速度，进而提高生产率。该系统已应用于某纺织企业的实际生产过程。

关键词：TRIZ；经编机；铺纬系统

0引言

将一组或多组平行伸直的增强纱线在织物的纵向、横向衬入织物的轴向类经编机为双轴向经编机[1]。双轴向经编机主要由铺纬系统和编织系统两部分构成，铺纬系统主要包括铺纬装置、输送装置以及张力补偿装置[2]。铺纬系统的主要作用是将纱线按照功能要求铺设到织物中，铺纬系统的铺纬质量直接影响织物的各项性能。因此，开展针对双轴向经编机铺纬系统的研究对提高织物表面质量以及提高我国针织工业整体技术水平具有积极的推进作用。

1TRIZ理论以及铺纬系统的功能需求分析

1.1TRIZ理论

TRIZ是由前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒提出的一种解决发明问题的方法。TRIZ理论核心包括八大技术系统进化路径、最终理想解IFR(ideal final result)、40个发明原理、39个通用工程参数和矛盾矩阵、物理矛盾和分离原理、物-场模型分析、标准解法、发明问题标准算法(ARIZ)、科学效应库9个部分[3-4]。TRIZ理论解决问题的中心思想是做到保留原系统的优点，消除原系统的缺陷和不足，没有使系统变得更复杂，没有引入新的缺陷[5]。

图1是TRIZ的解题流程，在项目筛选阶段，使用树形图、记分卡或画帕累托图等方法筛选出要研究的具体项目，然后用项目的IFR方法描述项目的最终理想解[6]，之后通过因果分析、资源分析、矛盾分析等分析方法尽可能多地找出项目的问题所在，应用矛盾矩阵、分离原理、5Why分析法等工具获得解决问题的初步思路，之后利用20/80法则[7]进行筛选确定设计方案。

图1　TRIZ解题流程

1.2铺纬系统的功能需求分析

通过对双轴向铺纬系统工作原理与铺纬过程的分析可知，在设计双轴向铺纬系统时应关注以下几点：

a)保证在编织系统高效成圈情况时的匀速送纱。由于要保证编织系统的高效成圈，所以铺纬机构的送纱速度一定与编织系统的成圈速度相匹配。

b)高效准确地实现挂纱、铺纱。需要设计一个合理的机构(铺纬小车)来稳定挂纱(不漏纱、不断纱)。

c)保证挂纱时，纱线张力变动幅度很小。由于纱线具有弹性，所以在挂纱过程中，纱线的张力会不断变化，张力过大会导致断纱，张力过小会使得布面松弛，没有平整感且浪费纱线。因此需要设计一套张力补偿装置来控制纱线张力的变化，确保纱线张力变动幅度很小。

2铺纬系统的初始设计以及存在的问题

双轴向经编机铺纬系统的初始设计[8]思路是由小车实现所有的挂纱运动，传送装置只负责将挂好的纱线送入成圈系统。图2所示为铺纬系统的初始设计三维装配图。该套铺纬系统的铺纬小车安装在左右横移导轨上，左右横移导轨整体安装在前后横移导轨上，两个方向的运动都由伺服电机带动同步带的方式运动。

图2　铺纬系统的初始设计三维装配图

该设计的优点在于该铺纬系统的传送部分与铺纬配合方式很简单，机械结构设计较为容易。但是小车的运动轨迹与运动控制较为复杂，小车要同时做X轴与Y轴两个方向的联动，并且在移动过程中，需不停的做加速到匀速到减速再到反向加速的速度循环。

该套铺纬系统在使用中出现了以下几种情况：

第一，由于链传动的多边形效应(即链轮每转过一个齿，链速就从大到小，再从小到大变化一次，同时伴随着链条忽上忽下颤抖，且由于接触部分是多边形而引起的链传动的运动不均匀性称为链传动的多边形效应。)和链条特殊的伸缩效应，导致调整好的铜针块间距会随着工作时间的累积变化，导致撞针，降低开机率。减小链传动多边形效应的方法有增加齿数、减小齿距和降低速度等几种方式，其中在齿数与齿距的设计上考虑到链传动的受力与装配要求采用齿距为12.7mm，齿数为30齿的08A四排链结构，为了保证较高开机率，还同时采取增加检测反馈装置，随时检测铜针块的位置并做出调整，保证在每次穿纱时导纱针能从两针中心穿过。但由于电器检测反馈和做出相应动作需要时间，所以同样要求降低小车的移动速度。这样就降低了机器的生产率。

第二，链传动在运动过程中，平面有微小的抖动(同样由多边形效应导致)，使得纱线在铜针上有窜动，导致布面效果不平整；采取的解决方式是将铜针块的铜针方向由竖直向上改为倾斜，改动后，纱线会沿着倾斜的铜针下滑至一个平面，保证布面在一个平面内。

第三，由于左右横移整体由前后横移电机带动，左右横移机构由直线导轨、挂纱小车、直线导轨支撑机架几部分构成，总质量大约为150kg，导致前后横移很难实现高速铺纬，并且在前后横移时会造成较大的硬性冲击。针对该问题，本文将应用TRIZ理论中的矛盾分析法设计方案，最终解决问题。

3利用TRIZ理论的铺纬系统设计

TRIZ理论解决问题的方法包括最终理想解、矛盾冲突分析法、5Why分析法、九屏幕分析法等，本文应用矛盾分析法[9]来解决横移质量与铺纬速度之间的矛盾冲突，解决过程如下：

a)确定技术冲突，并用39个通用工程参数中的两个来描述该冲突；

b)利用冲突矩阵确定可用的发明原理；

c)由发明原理提供的思路和线索，结合实际确定原理解。

3.1技术参数的选择与发明原理的确定

针对横移质量与铺纬速度的矛盾关系，本文通过查阅TRIZ理论中总结出的39个通用工程参数表[10](表略)找出两个技术参数组合是：a)装置的复杂性【36】(注：此处的标号“【36】”代表在通用参数表中的代号为36，本文下同)与自动化程度【38】；b)速度【9】与装置的复杂性【36】。

通过查阅TRIZ理论中的矛盾矩阵表[11](表略)，由第一组矩阵元素，装置的复杂性【36】与自动化程度【38】确定出来的发明原理是：分割原理【1】、动态特性【15】、借助中介物【24】。

由第二组矩阵元素，速度【9】与装置的复杂性【36】确定出来的发明原理是：增加不对称性【4】、预先作用【10】、机械系统替代【28】、抛弃或再生原理【34】。根据所选定的技术参数和发明原理就可以对铺纬系统机构进行TRIZ创新设计。

3.2利用发明原理找到的创新解

通过对以上发明原理的分析与筛选，本文从【1】分割原理、【34】抛弃与再生原理两个发明原理上获得两种方案。

【1】分割原理得到的方案：通过对分割原理的解读，以虚拟的方式或真实的方式将一个系统分成多个部分，以便分解(分开、分隔、抽取)或合并(结合、集成、联合)一种有益的或有害的系统属性，在本文中，属于分解有害属性，即分解质量，从铺纬系统的功能需求可知，该机构虽要求具有精确的运动控制，但在强度与刚度上无特殊要求，所以根据分割原理，本文将整体横移机构分成两个部分，单独设计一个质量轻便的耙针机构来代替前后横移机构，这样就使横移部分的质量大大降低，进而提高了运动精度和速度。

机构的设计与实现：图3为耙针机构的三维装配图，在这个机构中，耙针座为运动执行部件，伺服电机为动力源，同步带为传送部件，在伺服电机上安装编码器作为反馈部件，加上电器控制就构成了一个闭环的控制系统，控制精度高，运动精准，反馈速度快，可实现高速精确的挂纱运动。图4为耙针细节图，该图中的耙针具有一定的倾斜角度，耙针的所有直角边均要求倒圆角，保证纱线可以从耙针顺利滑落到铜针块上。

【34】抛弃或再生原理得到的方案：通过对抛弃或再生原理的解读，抛弃是从系统中去除某事物，再生是将某事物恢复到系统中以进行再利用。根据该原理的提示，本文的出发点是抛弃现有的铺纬方式，找到一种新的铺纬方式进行替代。

图3　耙针机构的三维装配图

图4　耙针三维图

机构的设计与实现：原有的铺纬系统是平铺式的，平铺式的最大缺点就是需要跨门幅将纱线挂在纬纱钩上，并且只能挂好一边才能挂另外一边，该铺纬方式的大部分时间用于跨门幅运动，导致时间上的浪费，弥补方式就是加快铺纬运行速度，但是加速对整个铺纬机构的要求都提高，铺纬机构的设计难度也增大。旋转式铺纬将电机的转速直接转化为铺纬速度，极大程度地缩减了铺纬时间，完全摆脱了铺纬速度的限制，装配图如图5所示。

图5　旋转式铺纬装配图

由图5中可看出，主电机通过链传动带动整个机构转动，纱线从纱筒送出，经过设计好的路径穿入纬纱架，纬纱架有八个爪子，也可以更多，以八个为例，分别编号1、2、3、4、5、6、7、8，1与5同时挂纱，2与6同时挂纱，3与7同时挂纱，4与8同时挂纱，然后循环。所有纬纱架爪子上的纱线都挂在送纱弹簧上，由送纱弹簧将纱线送出挂入传送系统。该套系统的优点是由电机旋转运动直接铺纬，而且是双边同时挂纱，铺纬速度可以达到很大提升，在电器配合上要求也不高，很容易达到工作要求，但该套系统的缺点是铺纬方向固定，并且不能铺设与经线垂直的纬纱，不适用于有经纬线垂直要求的经编织物。目前该套系统在纱线衔接上还存在问题，由于是靠螺旋弹簧将纱线送入到传送链，会出现纱线在螺旋弹簧内打滑的情况，该情况将导致铺纬不均匀或是漏纱，导致布面不均匀或出现孔洞，使得布面质量大大下降。

4结语

根据矛盾矩阵法所得到的两个创新解，各有利弊。根据抛弃与再生原理所得到的方案从根本上摆脱了铺纬速度的局限性，但是该方案在满足铺纬速度的同时又引入了新的缺陷，并且要推翻现有的铺纬系统重做，对机器的其他部分改动很大。根据分割原理得到的方案虽然没有从根本上摆脱速度的局限性，但是从速度与质量的矛盾出发，该方案在对机器的整体机构未做较大改动的同时，大幅度的提升了铺纬系统的运行速度，进而提高生产率。所以最终确定采用第一个方案，该系统已在某纺织企业得到应用，改动前，该企业的RSM3/1(215英寸)-E6的正常工作转速在800转左右，开机率在90%左右，改动后，该机型的稳定转速提升至1000转左右，开机率也能保证在95%以上，机器的织物质量也有很大的提升。

参考文献：

[1] 刘鑫.经编机成圈机构的运动学分析[J].纺织导报，2012(2)：3-5.

[2] 孙中平.多轴向经编设备及发展方向[J].针织工业，2013(2)：45-47.

[3] 王亮申，孙峰华.TRIZ创新理论与应用原理[M].北京：科学出版社，2010.

[4] 徐起贺，任中普，戚新波.TRIZ创新理论使用指南[M].北京：北京理工大学出版社，2011.

[5] 韩彦良.TRIZ理论在螺旋输送机磨损问题中的应用研究[J].机械设计与制造，2012(3)：201-203.

[6] 韩彦良.基于TRIZ理论斗式提升机托架的优化设计[J].制造业自动化，2013，35(1)：143-15.

[7] 丁聪莉，史翔，贡智兵，等.TRIZ理论及其在机械产品设计中的应用[J].中国制造业信息化，2009，38(21)；67-70.

[8] 闻邦椿.机械设计手册[M].5版.北京：机械工业出版社，2009.

[9] 刘波，梅瑛，李瑞琴.基于TRIZ理论的图书分拣机的设计研究[J].机械设计与制造，2013(2)：23-25.

[10] 杨一鸣，陆怀民，郭秀荣.TRIZ理论在汽车设计中的应用研究[J].机电产品开发与创新，2011，24(3)：35-37.

[11] 付力，王彪，李建，等.TRIZ理论在深孔加工装置创新设计中的应用[J].煤矿机械，2012，33(5)：121-123.

(责任编辑：许惠儿)

Study on Weft Laying System of Biaxial Warp Knitting Machine Based on TRIZ Theory

BAIYing1,LIChengliang2,3

(1.Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, China; 2.Jiangsu Runyuan Holding Group Co., Ltd., Changzhou 213022, China; 3.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hohai University, Changzhou 213022,China)

Abstract：This paper analyzes functional requirements of biaxial weft laying system and designs weft laying system of biaxial warp knitting machine with TRIZ theory in allusion to existing problems of initial design of weft laying system. It first determines technical parameters for the contradictory relation between transverse mass and weft laying speed, then designs two schemes respectively with segmentation principle and rejecting and regenerating principle in TRIZ theory and finally verifies these schemes with engineering practice. The verification result shows that the design scheme obtained according to segmentation principle can greatly improve the operating speed of weft laying system and then increase production rate when the overall structure of machine is not greatly changed. The system has been applied to practical production process of a textile enterprise.

Key words：TRIZ; warp knitting machine; weft laying system

收稿日期：2015-08-28

基金项目：国家自然基金面上项目(51175146)；江苏省 “青蓝工程”中青年骨干教师项目(JSQL2014)

作者简介：白颖(1975-)，女，江苏常州人，硕士，讲师，主要从事机电产品数字化设计研究。

中图分类号：TH122

文献标志码：A

文章编号：1009-265X(2016)04-0008-04