增大間隔織物間距的拖紗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

楊建成，楊超群，岳三旺，劉家辰

（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué)天津市機(jī)械基礎(chǔ)及紡織裝備設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，天津 300387）

以間隔織物為預(yù)制體的三維紡織復(fù)合材料，具有結(jié)構(gòu)多元化、整體成形、質(zhì)量輕、能克服分層等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，廣泛應(yīng)用于建筑、交通、航空航天等領(lǐng)域[4-6]。隨著紡織復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，對(duì)其預(yù)制體間隔機(jī)織物有了更高的要求，小間距間隔機(jī)織物在一些領(lǐng)域已經(jīng)不能滿足應(yīng)用要求，所以織造能滿足更多方面要求的大間距間隔機(jī)織物成為了未來發(fā)展的必要[7]。國外織造較大厚度間隔機(jī)織物的織機(jī)（VSI22 型范德維爾雙劍桿織機(jī)）也只能織造最大間距為80 mm 的間隔機(jī)織物，且需要人工參與，產(chǎn)品類型單一。國內(nèi)的間隔織物織機(jī)多是通過改造二維無梭織機(jī)而制成的，一般只能織造最大間距為40 mm 的間隔織物。因此，對(duì)二維無梭織機(jī)進(jìn)行改造，使其達(dá)到織造大間距間隔織物的要求具有重要意義。

目前，機(jī)織大間距間隔織物的設(shè)計(jì)和織造設(shè)備受到了重視，提出了多種設(shè)計(jì)和織造方法。其中，最典型的2種方法為：①白燕[8]提出一種利用伴織技術(shù)設(shè)計(jì)超厚間隔織物的方法，利用水溶性維綸作為伴織緯紗，織造完成后，在水中加溫溶解掉伴織緯紗，得到較大間距的間隔織物；②文獻(xiàn)[9-10]提出一種采用手工輔助插入鋼條（定寬工具）控制連接紗線的高度以織造大間距間隔織物的方法，該方法在間隔層織造完成后手動(dòng)將鋼條插入織物中將織物間距撐大，待織物間距固定后，再將鋼條抽出，便可以形成較大厚度的間隔織物。然而，上述2種方法自動(dòng)化程度低，不適合大規(guī)模生產(chǎn)大間距間隔織物。

本文設(shè)計(jì)了一種能夠增大間隔織物間距的拖紗機(jī)構(gòu)，并對(duì)核心部件拖紗桿在不同運(yùn)動(dòng)階段的受力情況進(jìn)行研究，利用ANSYS Workbench 對(duì)拖紗桿進(jìn)行有限元分析[11-13]，根據(jù)分析結(jié)果，基于響應(yīng)面法[14-15]對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其達(dá)到減小變形量的優(yōu)化目的，為進(jìn)一步研究提供參考。

1 大間距間隔織物織造技術(shù)

本文對(duì)定距法進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種織造大間距間隔織物的新型織造技術(shù)，通過控制插入織物間隔層的執(zhí)行機(jī)構(gòu)拖拉絨經(jīng)紗線來增大上下兩面層的間距。大間距間隔織物的織造工藝流程如圖1 所示。

圖1 大間距間隔織物織造工藝流程Fig.1 Process flow of weaving large-space spacer fabric

將執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速插入織物，拖拉間隔層的絨經(jīng)紗增大織物間距（圖1（a）），然后將絨經(jīng)紗固定；經(jīng)過整理后，將織物展開就是我們想要的矩形大間距間隔機(jī)織物（圖1（b））。

其織造原理如圖2 所示。首先織造間隔織物上下層表面，然后開始織造間隔層，在織造間隔層時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)插入織口，拖拉連接上下層表面的絨經(jīng)紗線，同時(shí)經(jīng)軸快速放出絨經(jīng)紗，使絨經(jīng)紗伸長(zhǎng)，從而使間隔層高度增大，最后織造出大間距間隔織物。

圖2 大間距間隔織物織造原理Fig.2 Weaving principle of large-space spacer fabric

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

根據(jù)大間距間隔織物的織造工藝過程和織機(jī)的織造原理設(shè)計(jì)了拖紗機(jī)構(gòu)，其主要由送入機(jī)構(gòu)、拖拉機(jī)構(gòu)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3 所示。送入機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)儲(chǔ)存和進(jìn)出織口的機(jī)構(gòu)；拖拉機(jī)構(gòu)是形成大間距間隔織物的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)移動(dòng)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)間隔織物間距增大的直接機(jī)構(gòu)，在拖拉機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下拖動(dòng)絨經(jīng)紗線形成大間距間隔織物。

圖3 拖紗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structure diagram of dragging mechanism

2.1 工作原理

上下層表面織造完成后，拖紗機(jī)構(gòu)開始工作，拖紗機(jī)構(gòu)工作過程如圖4 所示。

圖4 拖紗機(jī)構(gòu)工作過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of working process of dragging mechanism

根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，工作過程可細(xì)分為3 個(gè)階段：

（1）T0為送入階段。此時(shí)經(jīng)紗形成織口，送入機(jī)構(gòu)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速送入織口中，并被拖拉機(jī)構(gòu)交接固定。

（2）T1為拖紗階段。拖拉機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從織口初始位置沿x 軸方向朝設(shè)定位置移動(dòng)，隨著執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移增大，被拖拉出的絨經(jīng)紗變長(zhǎng)。

（3）T2為退回階段。拖拉機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被織物固定的絨經(jīng)紗脫離接觸，從設(shè)定位置返回織口初始位置，最后送入機(jī)構(gòu)牽引執(zhí)行機(jī)構(gòu)退出織口。

2.2 拖拉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

拖拉機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、滾珠絲杠傳動(dòng)部件、橫梁、滑軌和電磁抓手等部件組成，如圖5 所示。拖拉機(jī)構(gòu)通過螺栓固定在織機(jī)兩側(cè)墻壁上，滾珠絲杠通過調(diào)節(jié)絲杠回轉(zhuǎn)速度，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移量。電磁抓手上固定有2 個(gè)電磁鐵模塊，用于吸附固定執(zhí)行機(jī)構(gòu)。采用滾珠絲杠作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，是因?yàn)槠漤憫?yīng)速度快，傳動(dòng)精度高，可以適應(yīng)織物織造過程中行程和載荷多變的工況。

圖5 拖拉機(jī)構(gòu)模型Fig.5 Model of dragging mechanism

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由拖紗桿和銷軸固定裝置組成，其簡(jiǎn)化縮放模型如圖6 所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體形狀狹長(zhǎng)，對(duì)長(zhǎng)度、幾何形體和質(zhì)量都有一定要求。為確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)能拖拉所有絨經(jīng)紗線，拖紗桿的長(zhǎng)度要大于織物的幅寬；拖紗桿兩端設(shè)置光滑斜面，避免紗線向兩端滑移。為了減小執(zhí)行機(jī)構(gòu)在送入織口和拖拉紗線時(shí)的變形量，保證拖紗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)桿件形狀為橢圓形，桿件表面光滑，以減小對(duì)絨經(jīng)紗線的摩擦損傷。兩軸端裝有與拖拉機(jī)構(gòu)連接固定的銷軸固定裝置，銷軸由導(dǎo)向孔固定且底部安裝彈簧，可以使銷軸快速回彈。

圖6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)縮放簡(jiǎn)化模型Fig.6 Diagram of actuator model simplified and scaled

2.4 間隔織物間距的模型預(yù)測(cè)與驗(yàn)算

在織造過程中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位移量決定著間隔織物間距的大小，拖紗過程中絨經(jīng)紗路徑變化如圖7 所示。

圖7 拖紗過程中絨經(jīng)紗路徑變化Fig.7 Variation of warp yarn path during dragging process

為了確定間隔織物間距的取值范圍，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移量x 進(jìn)行分析，由拖紗階段執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可得：

式中：x1為執(zhí)行機(jī)構(gòu)撞線前位移量；x2為執(zhí)行機(jī)構(gòu)撞線后位移量。

當(dāng)織機(jī)開口參數(shù)確定后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在織口的初始位置是確定的，為不影響打緯運(yùn)動(dòng)和卷曲運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，執(zhí)行機(jī)構(gòu)撞線后位移量x2應(yīng)滿足如下條件：

式中：a 為拖紗桿的橢圓長(zhǎng)軸半徑。

由圖6 可知，絨經(jīng)紗總伸長(zhǎng)量λ 為：

可得織物間隔距離為：

式中：λ 為絨經(jīng)紗總伸長(zhǎng)量；λ1為上側(cè)絨經(jīng)紗伸長(zhǎng)量；λ2為下側(cè)絨經(jīng)紗伸長(zhǎng)量；H 為織物間距；l0為表面層織物的厚度，取1 mm；l2為織物間隔層的高度。由式（8）可知，大間距間隔織物的間距取值范圍與織物上下層表面的距離、拖紗桿位移及綜框開口大小相關(guān)。

為驗(yàn)證織機(jī)織造的間隔織物的間距模型，參考文獻(xiàn)[16]中間隔織物織機(jī)的開口參數(shù)[16]，設(shè)定綜框開口量l1為70 mm，織物兩面層的間距2l2為80 mm，綜框到壓布板的距離h1為260 mm，壓布板的長(zhǎng)度h2為150 mm，綜框到執(zhí)行機(jī)構(gòu)側(cè)面頂點(diǎn)的距離ha為116 mm，代入式（1）—式（8），得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移量x 的取值范圍為130～234 mm，從而得到該織機(jī)織造的大間距間隔織物的間距取值范圍為110～322 mm，說明拖紗機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 拖紗桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

拖紗桿作為拖紗機(jī)構(gòu)的核心部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)尺寸影響整個(gè)機(jī)構(gòu)的性能和織物間距。在機(jī)構(gòu)工作中，要保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)順利進(jìn)行交接固定，要求拖紗桿T0階段的最大變形量不應(yīng)超過6 mm；要保證織物間距的精度達(dá)到使用要求，要求拖紗桿在T1階段的最大變形量應(yīng)小于Hmin×1%[17]，即應(yīng)小于1.1 mm。因此，需對(duì)拖紗桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.1 拖紗桿有限元分析

將拖紗桿模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 中進(jìn)行靜應(yīng)力分析，在保證分析精度的條件下，忽略一些無關(guān)緊要的結(jié)構(gòu)，如倒角、圓角等細(xì)小特征。網(wǎng)格類型選用四面體網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)49 168 個(gè)，單元格數(shù)26 193 個(gè)，網(wǎng)格平均質(zhì)量系數(shù)為0.8，網(wǎng)格質(zhì)量較高。拖紗桿材料為合金鋼，材料屬性如表1 所示。

表1 拖紗桿材料屬性Tab.1 Material properties of dragging rod

各運(yùn)動(dòng)階段下拖紗桿的靜力學(xué)分析如下。

（1）T0階段：對(duì)拖紗桿桿件夾持固定端兩側(cè)面固定約束，對(duì)桿件另一端施加集中載荷，大小為4 N，方向豎直向下。

（2）T1階段：對(duì)拖紗桿兩端連接孔固定約束，對(duì)拖紗桿與紗線接觸的橢圓表面施加900 N 的均布載荷，方向在X 軸水平方向。

通過ANSYS 分析得到拖紗桿在2 個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的等效應(yīng)力與變形的云圖，如圖8 和圖9 所示。

圖8 T0 階段拖紗桿等效應(yīng)力與變形云圖Fig.8 Cloud diagram of equivalent stress and deformation of dragging rod in T0 stage

圖9 T1 階段拖紗桿等效應(yīng)力與變形云圖Fig.9 Cloud diagram of equivalent stress and deformation of dragging rod in T1 stage

由圖8 可以看出，在T0階段拖紗桿的最大應(yīng)力為43.78 MPa，位于拖紗桿夾持固定端與空心桿連接處，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力295.60 MPa。最大變形量為4.92 mm，位于拖紗桿桿件固定端，小于允許的最大變形量。

由圖9 可以看出，在T1階段拖紗桿的最大應(yīng)力為221.12 MPa，應(yīng)力較大，這是由于拖紗桿簡(jiǎn)化處理導(dǎo)致，位于拖紗桿兩端與空心桿連接處，小于允許的最大許用應(yīng)力，最大變形量為1.18 mm，位于空心桿中間位置，大于允許的最大變形量，故需選取此處截面形狀作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 基于響應(yīng)面法的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立

以橢圓長(zhǎng)軸半徑a、壁厚d、擋紗板厚度n 為優(yōu)化變量，以質(zhì)量和T0階段拖紗桿的最大變形量為約束條件，以T1階段的最大變形量作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化。截面結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖10 截面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Diagram of sectional structure

建立拖紗桿的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型[18]如式（9）所示。

3.2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化過程

本文采用響應(yīng)面優(yōu)化方法對(duì)拖紗桿進(jìn)行優(yōu)化。響應(yīng)面方法是一種構(gòu)建近似模型的方法，該方法通過對(duì)指定設(shè)計(jì)空間進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，擬合輸出變量的全局逼近來代替真實(shí)響應(yīng)面[19]。利用響應(yīng)面法構(gòu)造近似模型時(shí)，首先利用函數(shù)表達(dá)式構(gòu)建響應(yīng)面模型，通常構(gòu)建2 階響應(yīng)面模型。響應(yīng)面模型的二階多項(xiàng)式表達(dá)式為：

式中：y（x）為目標(biāo)值；zi、zj分別為第i、j 個(gè)設(shè)計(jì)變量，i、j=1，2，…；β0、βi、βij、βii均為待定系數(shù)；ε 為誤差項(xiàng)。

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，要通過回歸分析來判斷二次響應(yīng)面模型的擬合程度[20]。表2 給出了擬合度評(píng)價(jià)值。

表2 擬合度評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.2 Evaluation results of fitting degree

由表2 可知，均方差根σRMSE遠(yuǎn)小于0.05，表明擬合所得回歸模型具有良好的適應(yīng)度。除對(duì)模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)以外，還需通過決定系數(shù)R2進(jìn)行誤差分析，進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合優(yōu)度。由表2 可知，R2值接近1，說明模型擬合合理，響應(yīng)面模型的總體精度滿足要求。

在進(jìn)行30 次試驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算后，得到圖11—圖13所示的響應(yīng)曲面圖。

圖11 模型質(zhì)量響應(yīng)曲面Fig.11 Response surface of model quality

圖12 T0 階段最大變形響應(yīng)曲面Fig.12 Response surface of maximum deformation in T0 stage

圖13 T1 階段最大變形響應(yīng)曲面Fig.13 Response surface of maximum deformation in T1 stage

由圖11 可以看出，隨著a 和d 的增大，模型質(zhì)量增大；由圖12 可以看出，隨著a 減小T0階段最大變形增大；由圖13 可以看出，隨著a 增大T1階段最大變形減小。

3.2.3 優(yōu)化結(jié)果分析

本文采用多目標(biāo)遺傳算法（MOGA）對(duì)變量進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置樣本數(shù)為1 000 個(gè)，最大迭代次數(shù)為20 次，每次迭代樣本數(shù)為100 個(gè)，優(yōu)化圓整后結(jié)果如表3 所示。

表3 優(yōu)化結(jié)果Tab.3 Optimization results

由表3 可知，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化圓整后拖紗桿T0階段最大變形減少了0.70%，T1階段最大變形減少了18.92%，模型質(zhì)量增加了11.11%。優(yōu)化調(diào)整后拖紗桿變形明顯減小，表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化是有效的，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文基于現(xiàn)有的定距法間隔織物織造技術(shù)，提出了一種大間距間隔織物織造技術(shù)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了增大間隔織物間距的拖紗機(jī)構(gòu)，并對(duì)拖紗桿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：

（1）根據(jù)本文建立的間隔織物間距模型，代入織機(jī)參數(shù)可知，該機(jī)構(gòu)能夠織造間距為110～322 mm的間隔織物，達(dá)到了拖紗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的。

（2）對(duì)拖紗桿的2 個(gè)運(yùn)動(dòng)階段分別進(jìn)行有限元分析，并利用響應(yīng)面法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到的優(yōu)化方案與原方案相比，T0階段最大變形減小0.70%，T1階段最大變形減小了18.92%，模型質(zhì)量增加了11.11%，達(dá)到了增強(qiáng)拖紗桿剛度和強(qiáng)度、減小變形的優(yōu)化目的。