高速工业缝纫机振动分析与减振设计

摘要：社会发展迅速，我国的工业化建设的发展也有了提高。缝纫机主要由刺料机构、挑线机构、钩线机构和送线机构组成。根据缝纫机的工作原理，特别是现代工业高速高效的要求下，对挑线杆、机针的运动有严格的协调要求。此外在高质量要求的大环境下，缝纫材料和缝纫线质量越来越好，特别是尼龙缝纫线的使用，使缝纫时挑线作用力对挑线杆轴承端的反作用力存在破坏机构的可能性增加。本文运用虚拟样机技术，对一种结构相对简单且易于使用的缝纫机进行建模以及对机构进行运动学和动力学仿真，获得机构的运动参数和动力参数，验证了其合理性及可靠性，为此类机构的进一步研究和改进提供理论参考依据。

关键词：高速工业缝纫机;振动分析;减振设计

引言

工业缝纫机是包装工程的基础，缝纫机的工作速度决定了生产包装的效率。追求高效益、低成本是生产制造行业的共同目标，实现生产包装模式向工业化、大规模化转变，促使工业缝纫机的高速化发展。但随着转速的提高，高速工业缝纫机的各运动机构磨损急剧恶化，工业缝纫机是典型的刚柔耦合系统，在高速缝纫过程中，刚性的机构零件（如机针、压脚）与柔性的布料、面线作相对运动，其所受力的大小和方向随着连续的缝纫过程周期性变化，加剧各构件间的磨损和冲击振动，导致缝纫机动态性能不稳定、各机构的构件及运动副受力增大、缝纫机振动加剧、缝纫机噪声增大等问题，严重影响包装质量。

1重要性

缝纫机产生振动的根源，主要是缝纫机构件自身的质量在高速运转的情况下所产生的惯性力引起的。当构件质量一定时，构件惯性力的大小是由它的运动加速度决定的，与它质心的加速度成正比。因此，振动加速度的大小从另一个方面反映缝纫机的惯性力—缝纫机振动力的大小，通过对缝纫机整机振动加速度的测量可以从本质上考察缝纫机中各个子传动机构对整机振动的影响。

2高速工业缝纫机的振动分析

由缝纫机的机构组成可知，曲轴产生的振动向机身传递的路径包含两条，1）从曲轴出发，沿着曲轴连杆大头→连杆体→连杆小头→针杆机构/弯针机构，传遍整个机壳;（2）该振动也从曲轴传递到滑动轴承，然后通过轴承座传递到机壳。彼此相互作用和影响的各种类型的振动，通过振动的叠加效应反映在壳体的表面上，这些振动的频率较低，能量主要集中在频率转换及其倍频上。高速工业缝纫机的运动副多为转动副，连杆大头和曲轴、曲轴和主轴承、针杆和滑动轴承等零部件不仅在缝纫机工作过程中因相互运动产生摩擦，而且还会在运动极位产生冲击效果，引起缝纫机机身振动，同时减少零件的工作寿命。其中，冲击和摩擦所引起的振动的频率处于高频段，而且分布频带很宽。因此，高速工业缝纫机的振动十分复杂，包含了从低频至高频且分布频带很宽的谐波分量。此外，由于针杆在曲柄的带动下作往复周期运动，高速工业缝纫机的阻力矩也随时间周期变化。然而机器工作时电机通常保持着较为稳定的驱动力矩，尽管在机器的每一次转动周期内，阻抗功等于驱动功，但在转动周期的某一时刻，瞬时阻抗功和瞬时驱动功却不相等。在缝纫机设计过程中可以通过增加机构的转动惯量来降低角加速度以实现减轻振动的目的，但因缝纫机本身结构的限制导致机构尺寸不能太大，减振效果并不理想。因此，需要从高速工业缝纫机结构设计出发，研究新的减振方法。

3工业缝纫机中减振降噪的方法

3.1改进曲轴结构

工业缝纫机的曲轴结构在运行时会产生噪声和振动，积极改进曲轴结构，实现减振降噪。缝纫机曲轴工作时最容易引起噪声与振动问题，尤其是主轴结构，曲轴不平衡、质量偏重等都是诱发噪声与振动的因素，高速运转下曲轴结构的噪声和振动更为明显。工业缝纫机减振降噪中改进了缝纫机结构，优化缝纫机的工作过程。分析曲轴结构减振降噪的改进方法，如：（1）刚性转子的平衡精度设计，减震降噪设计中，刚性转子需要满足一个条件，也就是转子剩余不平衡量<许用剩余不平衡量，刚性转子达到这个条件，就可以降低振动并减小噪声，刚性转子需用剩余不平衡量会附加曲轴运动时的动压力，转子动平衡状态下需要平衡校正转子结构，促使平衡校正面可以和转子轴承的平面重合，加强刚性转子的平衡控制，实现有效的减震降噪;（2）曲轴平衡改进，曲轴不平衡不仅会引起振动和噪音，更是增加了工业缝纫机的运行风险，当曲轴发生不平衡问题时就要利用建模的方式改进曲轴平衡，校正原有曲轴中的平衡度，预防振动噪音;（3）多面平衡设计，此类设计是工业缝纫机曲轴结构降噪减震的发展方向，多面平衡设计围绕动平衡设计展开，因为曲轴结构小、质量轻，所以多面平衡设计中重点研究去重对曲轴平衡量的影响，动平衡设计期间可以重新设计曲柄臂重，满足减震降噪的需求。

3.2平衡运动机构

工业缝纫机减震降噪时平衡运动机构，消除缝纫机运动过程中的风险，维持运动平衡，进而提高缝纫机的工作效率。平衡运动机构时一定要注意惯性力平衡，降低惯性对工业缝纫机的影响，解决缝纫机的偏心问题。工业缝纫机高速转动下会引起较强的惯性作用力，增大噪声与振动的现象，容易在工业缝纫机中产生附加动力，引起摩擦和内应力破坏，采用平衡运動机构的方法，起到有效的减震降噪的作用。例如：工业缝纫机振动与噪声的源头分析中，发现上轴结构有明显的问题，上轴为中空结构不会有质量偏心的问题，实际在上轴的针杆曲柄位置处有质量偏心问题，导致针杆机构出现了不平衡的运动，当上轴高速转动时针杆就会产生不平衡的激振作用，研究针杆机构的运动状态和惯性力，平衡整个运动机构，促使其达到减振降噪的目的。平衡运动机构中常用的方法是修改零件的结构，选择配重、去重的方法平衡机构运动时的质量，杜绝发生质量偏心的问题。

3.3完善机壳设计

机壳是工业缝纫机的主要结构，属于非运动部件，机壳体积较大，在运动的作用下也会产生振动或噪音。工业缝纫机减震降噪的过程中完善机壳设计，实现整体的减振降噪。根据工业缝纫机的使用针对机壳构建有限元模型，机壳自身含有一定的振动特征，有限元模型中模拟机壳的振动特性，掌握基坑固有频率、阻尼等信息，实现模态分析，在此基础上完善机壳设计。机壳有限元的模态分析是研究振动与噪音的有效途径，有限元模态分析配合三维绘图软件，模拟出具有减振降噪作用的缝纫机壳体，同时分析机壳上各项零件的特征，致力于提高减震降噪的水平。

结语

本文从高速工业缝纫机实际工作状态出发，围绕高速工业缝纫机振动分析与减振开展研究。分析了高速工业缝纫机的振动机理，设计了振动测试实验，对振动测试实验的数据进行了时域分析和频域分析，获得了不同的电机转速下高速工业缝纫的峰值频率。对高速工业缝纫机的机壳和机壳与底座整机进行了模态仿真，高速工业缝纫整机的一阶固有频率约为100Hz，当电机的振动峰值频率或倍频处在100Hz左右时，会导致电机与机壳产生共振，加大高速工业缝纫的振动，与振动测试实验分析一致。通过增加橡胶垫可以实现改善机体固有频率，且随橡胶厚度的增加机体固有频率随之降低。同时，通过对机壳端部部位进行减重设计也可以实现对高速工业缝纫机机壳固有频率的改善。

参考文献

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作者简介：陈磊，陕西省西安市，身份证号：61012319830426****。