電動(dòng)地毯織槍機(jī)構(gòu)分析

錢志鵬， 孟 婥， 左 碩， 羅 娟

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

電動(dòng)地毯織槍機(jī)構(gòu)分析

錢志鵬， 孟 婥， 左 碩， 羅 娟

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

為掌握電動(dòng)地毯織槍的使用方法和調(diào)試方式，提高織槍的織造質(zhì)量，以常規(guī)電動(dòng)地毯織槍為研究對(duì)象，研究了織槍機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型用MatLab-SIMULINK對(duì)織槍的主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和時(shí)序分析，明確了解針刀的配合要求，獲得了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。結(jié)果表明，壓布板在鋼針尖和剪刀尖運(yùn)動(dòng)曲線交叉點(diǎn)位置之下，可以滿足織槍的工作要求。依據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程得出不同絨高對(duì)應(yīng)的可調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)最優(yōu)值，并得出可調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)的調(diào)節(jié)趨勢(shì)，所得的理論數(shù)據(jù)可用于對(duì)織槍進(jìn)行輔助調(diào)試，減少了調(diào)試時(shí)間。

電動(dòng)地毯織槍； 機(jī)構(gòu)； 雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)； 鋼針

經(jīng)過數(shù)百年的發(fā)展[1]，地毯織造的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、外觀質(zhì)量等產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍[2-3]。但機(jī)制地毯仍不能完全取代手工地毯，特別是手工工藝毯。由于純手工織造效率低，與市場(chǎng)需求形成矛盾，電動(dòng)地毯織槍的出現(xiàn)是手工織造技術(shù)的變革，提高了手工織造的生產(chǎn)效率和織造質(zhì)量。電動(dòng)地毯織槍織造地毯圖案的大小不受織機(jī)限制[4]。目前手工地毯制品主要來自中國(guó)和印度[5]。一直以來簇絨技術(shù)都被少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的廠商所壟斷[6]，國(guó)內(nèi)的研究大多集中在大型簇絨裝備上[7-9]，僅有周虎等[10]針對(duì)地毯織槍進(jìn)行了研究。因此，研究電動(dòng)地毯織槍的織造原理，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析具有現(xiàn)實(shí)意義。本文以某電動(dòng)地毯織槍為對(duì)象，通過對(duì)其有關(guān)參數(shù)與特性的相關(guān)性分析研究，確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，使電動(dòng)地毯織槍工作的穩(wěn)定性提高。

1 織槍機(jī)構(gòu)的工作原理

織槍結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過二級(jí)齒輪降速后帶動(dòng)2個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使鋼針和剪刀交替刺入底布實(shí)現(xiàn)簇絨。

織槍工作過程如下：

1)在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，鋼針先扎入底布，當(dāng)鋼針開始返回時(shí)，剪刀則向前移動(dòng)，此時(shí)剪刀處于開剪狀態(tài)。

2)當(dāng)剪刀移過鋼針孔時(shí)，夾住紗線，剪刀沿著鋼針刺穿的孔繼續(xù)前移通過底布，并將紗線穿入底布；而鋼針則剛好退出底布，底布上的孔自然回縮。

3)剪刀向后移動(dòng)，當(dāng)活動(dòng)剪刀片接觸到閉剪裝置時(shí)，剪刀閉合剪斷紗線；剪刀繼續(xù)后移直至脫離底布，形成的2個(gè)絨頭被夾在底布上逐漸回縮的針孔中。

4)在閉合的剪刀尚未完全退出底布時(shí)，鋼針開始第2次扎入底布，剪刀繼續(xù)后退至活動(dòng)剪刀片接觸到開剪裝置，剪刀片被打開。至此織槍完成1個(gè)動(dòng)作周期，按此循環(huán)。

2 雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)特性分析

2.1 雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是了解機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能的重要手段，同時(shí)也是研究機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能的必要前提。

2.2 雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

由于上下2個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，且二者相關(guān)聯(lián)，因此，本文只分析上曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。由圖3矢量封閉圖形OABE得封閉矢量方程[11-12]為

(1)

即l1·eiθ1+l2·eiθ2+l3·ei0=lOE·ei0

應(yīng)用歐拉公式eiθ=cosθ+isinθ，將式(1)的實(shí)部和虛部分離，即可得位置方程式為

(2)

對(duì)式(2)兩邊對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得到速度方程式為

(3)

對(duì)式(3)兩邊對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得到加速度方程式為

(4)

同理，可得下曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的位置方程為

(5)

速度方程為

(6)

加速度方程為

(7)

2.3 基于Simulink的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和分析

該雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，l1=10 mm、l2=60 mm、l3=100～120 mm、l4=12.5～25 mm、l5=70 mm、l6=100 mm、l=160～170 mm。

選用調(diào)試好的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，即l3=110 mm、l4=20 mm、l=165 mm、n1=120 r/min、θ=180°。將上述設(shè)計(jì)參數(shù)代入雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型中，利用MatLab中的Simulink模塊編程求解[13-15]，得出鋼針和剪刀的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，如圖4～6所示。

由圖4可知，壓布位置處于鋼針尖和剪刀尖運(yùn)動(dòng)曲線交叉點(diǎn)位置之下，1個(gè)循環(huán)周期中有2個(gè)時(shí)間段，鋼針尖和剪刀尖同時(shí)處于地毯下方，2個(gè)時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間相等(約為0.11個(gè)周期)。由圖6可知最大加速度為4 m/s2，2個(gè)滑塊質(zhì)量都在50 g左右，滑塊的慣性力最大為0.2 N，運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)。設(shè)計(jì)考慮到尺寸限制，l2與l5盡可能長(zhǎng)，以起到減小最大加速度和增大傳動(dòng)角的作用。

h=l4+l5+l6-l

(8)

2.4 雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的調(diào)試論證

由式(2)得

(9)

同理由式(5)得

(10)

由織槍機(jī)構(gòu)的工作原理可知，鋼針尚未離開底布剪刀已經(jīng)刺入底布、在剪刀尚未退出底布鋼針已經(jīng)開始了第2次扎入地毯底布，這2種狀態(tài)說明1個(gè)周期有2段時(shí)間鋼針和剪刀同時(shí)插在底布中。由2.3可知，θ=180°時(shí)，這2種狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間相等，實(shí)際操作證明這樣的設(shè)置合理。

根據(jù)上述結(jié)論，進(jìn)行反向推導(dǎo)輔助調(diào)試。設(shè)定θ=180°，h=20 mm，織造中每個(gè)周期鋼針和剪刀刺入織布中的時(shí)間相等且有10%的時(shí)間同時(shí)刺入底布中。

根據(jù)上述條件列出方程

(11)

將式(9)、(10)代入式(11)，利用MatLab編程求解式(11)，結(jié)果為

(12)

同理求得不同絨高時(shí)可調(diào)整參數(shù)的最優(yōu)值如表1所示。

表1 不同絨高時(shí)可調(diào)整參數(shù)的最優(yōu)值Tab.1 Optimal values of adjustable parameters corresponding with different pile heights mm

由表1可知，隨著絨高增大，l3和l應(yīng)調(diào)小，l4應(yīng)調(diào)大。以h=20 mm這組數(shù)據(jù)再次仿真，得到鋼針、剪刀的運(yùn)動(dòng)曲線如圖7所示。

由圖7可知，所得結(jié)果滿足要求，即每半個(gè)周期有10%的時(shí)間鋼針和剪刀同時(shí)刺入底布，且絨高h(yuǎn)=20 mm。

3 結(jié) 論

2)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，運(yùn)用MatLab計(jì)算織造不同絨高地毯時(shí)可調(diào)機(jī)構(gòu)的理論數(shù)據(jù)，為織槍操作者提供了調(diào)試依據(jù)，減少了調(diào)試時(shí)間。

FZXB

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Analysis on mechanical structure of electric tufting gun

QIAN Zhipeng， MENG Zhuo， ZUO Shuo， LUO Juan

(College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620， China)

In order to master the using method and debugging methods of the electric tufting gun and improve the quality of tufting, a type of the electric tufting gun was chosen as the research object. First, the mechanical structure characteristics and working principles of the electric tufting gun are introduced. Then, in order to be familiar with the coordination requirements between needle and scissor, MatLab-Simulink is used for the kinematics simulation and time series analysis of two-slider-crank mechanism. Finally the results of kinematics equation can be used for variable parameter adjustment, which is convenient for tufting gun debugging to satisfy the requirement of weaving the corresponding pile height. The theoretical data can be used to debug the tufting gun and reduce the debugging time.

electric tufting gun; mechanism; two-slider-crank mechanism; steel needle

10.13475/j.fzxb.20150901405

2015-09-07

2015-03-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375084)；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20130075110002)

錢志鵬(1990—)，男，碩士生。主要研究方向?yàn)榇亟q地毯機(jī)械。孟婥，通信作者，E-mail: mz@dhu.edu.cn。

TH 112.1

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