针刺机偏心主轴振动问题探讨

赵珍光

山东日发纺织机械有限公司研发中心，山东 聊城 252000



针刺机偏心主轴振动问题探讨

赵珍光

山东日发纺织机械有限公司研发中心，山东 聊城 252000

基于单曲柄结构和双曲柄结构高速针刺机振动产生的原因，探讨针刺机的针刺频率、针刺密度与设备偏心主轴振动和主轴强度的关系；通过运动分析、测量及计算使设备偏心主轴振动、强度量化；设计消除主要惯性力的配重的计算方法，为提高针刺频率和针刺密度提供理论依据。

针刺机，振动，曲柄，联杆，配重

针刺法非织造技术是利用刺针的穿刺作用，使前道工序加工出的具有一定均匀度的纤网中的纤维相互缠结，形成具有一定强度和厚度的非织造布的一种加固方法[1]。但在实际针刺加固生产中，针刺频率和针刺密度的提高受设备偏心主轴振动和主轴强度的影响。

本文针对单曲柄结构和双曲柄结构针刺机(山东日发纺织机械有限公司生产)在运行过程中存在的问题，运用计算式，定量阐述针刺机的针刺频率、针刺密度与设备偏心主轴振动、强度之间的关系，以期为高频针刺机的开发提供理论依据。

1　曲柄结构介绍

针刺机的振动由曲柄箱驱动针板运动产生。根据工艺配置的不同，针刺机的曲柄箱结构可分为单曲柄结构和双曲柄结构两种(图1)。

(a)单曲柄结构　　(b)双曲柄结构

双曲柄结构较单曲柄结构复杂，但两者主要组成零件及工作原理相同(图2)：电机通过变速箱传动主传动轴(1)，驱动曲柄(3)旋转，联杆(5)在曲柄的作用下做2倍偏距运动，带动推杆(6)在导向套的作用下做上下运动，同时带动针梁和针板上下往复运动。整个运转过程中，曲柄、联杆相互关联运动，加速度和作用力连续变化，但在偏心距的影响下易产生惯性力，这使得设备机械稳定性能欠佳。而合适地加以动平衡可较好地消除振动，改善动平衡，有效提高针刺速度。故选择增加配重块(2)以平衡惯性力，改善设备机械稳定性能，确保针刺机高速、高效运转。

1—主传动轴；2—配重块；3—曲柄；4—滚针轴承；5—联杆；6—推杆

下文就单曲柄结构和双曲柄结构分别进行分析说明。

2　针刺机单曲柄结构力学分析

图3为简化的针刺机单曲柄结构力学示意图。其中，A点表示主传动轴中心、B点表示联杆中心、C点表示推杆中心；R代表主轴中心与联杆中心的距离即曲柄的偏心距、L代表联杆中心到推杆中心的距离、xC代表推杆中心的位移；φ1代表R与水平方向的夹角、φ2代表L与水平方向的夹角。

图3　单曲柄结构运动分析

2.1曲柄箱运动性能分析

针刺机在运转过程中，刺针在针板组件的驱动下对纤网做高速上下穿刺运动，针刺动程取决于曲柄的偏心距。对图3中的单曲柄结构运动进行分解，因R和L为封闭的向量，两者在y轴方向上的投影大小相等、方向相反，故：

Rsinφ1+Lsinφ2=0

(1)

即

(2)

式中：τ为一常数。

设曲柄的角速度为ω1，角加速度为ε1；联杆的角速度为ω2，角加速度为ε2。就式(2)对时间t求导数，得：

(3)

继续对时间t求导数，得：

(4)

将式(2)、式(3)代入式(4)，得：

(5)

式(5)定义了曲柄旋转至不同位置时联杆的角加速度的变化。

2.2针板组件运动性能分析

为简化结构分析，将曲柄、针梁、针板和刺针统称为针板组件，它们皆为刚性联接，工作中相对运动皆为零。当曲柄从φ1=0°的位置即下止点处旋转到图3所示位置时，针板组件的位移(s)：

s=R+L-xC=R(1-cosφ1)+L(1-cosφ2)

(6)

因此，针板组件的速度(vC)和加速度(aC)：

(7)

(8)

则式(7)和式(8)的近似计算式：

(9)

(10)

2.3针刺机构运转惯性力分析

图4为针刺机单曲柄结构的惯性力分析简图。设定曲柄(1)、联杆(2)和滑块(3)的重力分别为G1、G2和G3(质量分别为m1、m2、m3)；R代表主传动轴中心A与联杆中心B的距离即曲柄的偏心距，L代表联杆中心B到推杆中心C的距离；曲柄重心S1距离其主传动轴中心A的距离为e，联杆重心S2到联杆中心B和针板组件中心C的距离分别为a和b。

将联杆质量m2分配到B和C点[图4(a)]，得：

(11)

(12)

在曲柄的延长线上距离A点r长度的位置处安装一重力为G′(质量为m′)的平衡块[图4(b)]:

(13)

当曲柄重心S1和主传动轴中心A重合即e=0时，旋转半径为0，则力矩为0，此时满足动平衡，故：

(14)

(a)　　(b)

(c)　　(d)　　(e)

接着对往复运动的针板组件做动平衡。结合式(10)可得C处的惯性力PC：

PC=-mCaC=

(15)

以曲柄、联杆、滑块、机座为受力体，惯性力PC将在A、C处引起动压力N41和N43[图4(c)]。故机座受力偶矩N34xC和作用于A处的水平动压力N14h的共同作用[图4(d)]，其中N14h=PC。为消除N14h的影响，在曲柄的延长线上距离A点r长度的位置处再加装一重力为G″(质量为m″)的平衡块[图4(e)],且G″r=mCgR。

G″引起的惯性力作用于A处，分解到水平方向和竖直方向分别为P″h和P″v：

(16)

(17)

P″h 与N14h的大小相等、方向相反，故可通过增加平衡块抵消水平惯性力，确保针刺机高频稳定运行；而竖直方向上的P″v，其最大值与P″h 的最大值相等，对机械运转有一定的影响，可利用设备自重来降低影响。

3　针刺机双曲柄结构力学分析

图5为双曲柄结构受力简图。

图5　双曲柄结构运动分析

图5中，m1表示曲柄的质量、m2表示联杆的质量、m3表示推杆和针梁的质量、mE表示配重块的质量；l表示联杆长度，a、b、c分别表示对应质心距A、B、C铰链处的距离，r表示联杆偏心距，c代表联杆重心回转半径，r′表示配重块的回转半径；θ表示曲柄转过的角度。mE产生的惯性力与m1、m2、m3产生的惯性力相平衡时，整个曲柄结构达到动平衡，此时双曲柄结构针刺机不会产生较大的振动。

3.1双曲柄箱分析

双曲柄结构左右相同，故本文选择右半部分用于研究惯性力(图6)。

图6　双曲柄结构质量简图

采用质量代替法，将m1集中于A、B处，则：

(18)

(19)

由于A点为轴心，是静止的，因此m1A不产生惯性力。

同样，将m2集中于B、C处 ，则：

(20)

(21)

于是B、C处集中的质量：

mB=m1B+m2B

(22)

mC=m2C+m3

(23)

另外，设曲柄角速度为ω，则B处的加速度：

aB=-rω2

(24)

图5中曲柄与联杆恰好处于垂直位置，则C点的位移(xC)：

xC=rcosθ+lsinθ

(25)

对时间t求导两次，得C处加速度：

(26)

故B、C两点的惯性力：

PB=-mBrω2

(27)

(28)

3.2配重块的设计分析

将配重块的质量mE分解成竖直方向(mE1)和水平方向(mE2)两部分。其中，mE1旋转产生的惯性力用于平衡PB，则：

mE1r′=mBr

(29)

故：

(30)

mE2在x和y方向上产生的惯性力：

PE2x=-mE2ω2r′sinθ

(31)

PE2y=-mE2ω2r′cosθ

(32)

适当调整式(32)中的mE2和r′，可使其与式(28)中的第一项相同，PC的cosθ项与PE2y相互抵消，但PC中的cos2θ项不能消除，只有依靠设备自身的质量来缓解。而水平方向上，因为是左右双轴驱动，故左右双轴都会产生PE2x，它们数值相等、方向相反，惯性力相互抵消并达到平衡。

4　针刺频率与针刺机振动的实例

以双曲柄针刺机为例，设计偏心距r为2 cm、联杆长度l为25 cm，当针刺频率为800、1 200、1 500 r/min时，测得针板组件往复运动的速度和加速度幅值如图7所示。

图7　不同针刺频率时针板组件往复运动的速度、加速度幅值

针板组件质量m针板为34 kg(即重力约340 N)，其产生的一阶往复惯性力P1和二阶往复惯性力P2的实测值如图8所示。

图8　不同针刺频率时针板组件往复惯性力

由上述数据可知，相同曲柄箱配置的针刺机在针刺设备质量和偏心距恒定的条件下，针板组件的往复惯性力随着针刺频率的上升而上升，针刺设备的振动也随之增加，且往复惯性力增加速率要高于针刺频率的升高速率。但二阶往复惯性力约为一阶往复惯性力的8%，故可不予考虑。可在保证往复运动零件强度、刚度和可靠性的前提下，通过减轻质量来减少动载荷。

5　结论

为实现针刺机高频、高速运转，采用配重块是减小针刺机振动的有效手段。通过科学合理的选择、计算、加工配重块，可平衡设备的往复惯性力和旋转惯性力；在曲柄结构选材方面，应以满足往复运动针板组件的强度、刚度及可靠性为前提，选用质量相对小的材料以减少动载荷、改善动平衡，且曲柄结构组件加工精度应满足技术要求，安装要确保其基准精确、牢固。

Discussion about eccentric spindle’s vibration of needle punching machines

ZhaoZhenguang

Technology Development Center，Shandong Rifa Textile Machinery Co., Ltd.，Liaocheng 252000, China

Based on the reasons for vibration of high-speed needle punching machines with single crank and double crank, the relationship among needle frequency, needle density, vibration and strength of eccentric spindle was discussed. Through the analysis of movement, measurement and calculation, the vibration and strength of eccentric spindle were quantified, and calculation methods of weight which were used to eliminate the main inertial force were designed, in order to provide theoretical basis for improving needle frequency and needle density.

needle punching machine, vibration, crank, joining beam, balance weight

2016-05-03

赵珍光，男，1979年生，工程师，主要从事非织造设备的研发工作

TS173.3

A

1004-7093(2016)07-0017-05