楊建成，王慧勇，何浩浩，劉家辰

（1.天津工業(yè)大學機械工程學院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學 天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室，天津 300387；3.天津工業(yè)大學天津市機械基礎(chǔ)及紡織裝備設(shè)計虛擬仿真實驗教學中心，天津 300387）

由三維機織物形成的復合材料因其增強體結(jié)構(gòu)中存在貫穿厚度方向的紗線，具有優(yōu)異的整體性，克服了傳統(tǒng)二維機織復合材料層間強度低、易分層等缺點[1-2]，被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運輸、礦山機械等重要領(lǐng)域[3-4]。

帶芯劍桿織機是專門織造用于制作輸送帶骨架的多層立體織物的新型設(shè)備。國外的先進設(shè)備大多采用絞邊原理來鎖邊，Promatex公司的天馬織機，使用直線電機驅(qū)動電子絞邊裝置，所形成的布邊抗拉強度小，且有一定的毛邊[5]。天津工業(yè)大學成功研制了能夠織造30層的立體織機[6]]，但是其復合材料對于布邊沒有要求，故對鎖邊機構(gòu)沒有研究；劉健等[7]根據(jù)鉤針鎖邊的原理，設(shè)計了多劍桿織機的針織邊紗套圈鎖邊機構(gòu)，但沒有對鎖邊機構(gòu)進行可靠性分析；董紅坤等[8]利用攜紗器上下移動穿過緯紗三角區(qū)來對多層織物進行鎖邊，其鎖邊線的長度受到一定的限制。

本文主要針對五劍桿織機的鎖邊機構(gòu)進行研究，針對五劍桿同時引緯，設(shè)計了五鉤針緯紗圈嵌套互鎖工藝，以形成光整堅固且具有一定抗拉強度的布邊。創(chuàng)新設(shè)計了新型鎖邊機構(gòu)，并利用ANSYS Workbench對其關(guān)鍵部件送紗叉的剛度及強度進行有限元分析[9-11]，基于響應(yīng)面法[12-18]對送紗叉的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，并對各參數(shù)進行敏感性分析，基于六西格瑪分析法對送紗叉進行可靠性分析[19-20]，使送紗叉達到增強剛度的優(yōu)化目的，使鎖邊機構(gòu)具有一定的可靠性，以解決現(xiàn)有帶芯織機的缺陷，為五劍桿織機等多劍桿織機鎖邊機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計及可靠性分析提供借鑒與參考。

1 新型鎖邊工藝設(shè)計

針對五劍桿織機所織造的五層織物，設(shè)計了新型五鉤針緯紗圈嵌套互鎖工藝，如圖1所示。

圖1 五鉤針緯紗圈嵌套互鎖工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of nested interlocking process of five crochet weft loops

五鉤針緯紗圈嵌套互鎖工藝是在織造過程中，由5根劍桿1次引5根緯紗，在每次引緯后利用5根鎖邊鉤針，分別將同一層的緯紗圈嵌套形成互鎖，每引緯一次完成一個循環(huán)。該工藝每一層的緯紗圈都進行互鎖，在長度方向上有較大的抗拉強度；層與層之間通過經(jīng)紗交織來進行連接，可以保證織物的強度。此鎖邊工藝所形成的布邊堅固光整，與織物的厚度一致，且提高了織造效率。

對于五劍桿織機來說，其引緯時5根劍桿同時引緯，在布邊的一側(cè)就有5個緯紗圈需要鎖緊，且需要保證緯紗圈在織物織口鎖緊時與形成的織物厚度一致，緯紗圈在引緯時與在織口鎖緊時的高度差就成為鎖邊的一大難點，以及將緯紗圈傳送到織口處也是一個難點。具體布邊截面示意圖如圖2所示。其中：m為劍桿與織口之間的距離；n為五劍桿的最大高度差；s為織物厚度。

圖2 布邊截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of selvage section

針對五鉤針緯紗圈嵌套互鎖工藝，制定鎖邊方案的原理，如圖3所示。

圖3 鎖邊方案的原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of locking scheme

整個鎖邊過程由5個送紗叉將緯紗傳遞至織口，并將5根緯紗圈的高度差降低，由5鉤針將緯紗圈進行嵌套互鎖，完成鎖邊。

2 鎖邊機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述鎖邊原理對鎖邊機構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計，圖4為鎖邊機構(gòu)簡圖。該鎖邊機構(gòu)一共由3部分組成：傳遞機構(gòu)、鉤針機構(gòu)、脫紗機構(gòu)。這3部分分別實現(xiàn)不同的功能，相互配合共同完成鎖邊。

圖4 鎖邊機構(gòu)簡圖Fig.4 Schematic diagram of locking mechanism

傳遞機構(gòu)主要解決五劍桿引緯過后5個緯紗圈之間的高度差從大變小，并且將緯紗圈向織口方向傳遞的問題。該機構(gòu)也是整個鎖邊機構(gòu)中最大的創(chuàng)新之處，本研究利用傳遞氣缸以及直線滑軌來實現(xiàn)緯紗傳送；利用伺服電機、具有雙旋向的絲杠及一個移動方套來完成緯紗合攏。

鉤針機構(gòu)將5個緯紗圈分別在同一層織口處進行圈套圈互鎖。該機構(gòu)主要利用四連桿的原理，利用氣缸使鉤針進行往復運動，從而使緯紗圈進行圈套圈的鎖緊。

脫紗機構(gòu)將緯紗圈從送紗叉脫落到鉤針上，繼而完成鎖邊，該機構(gòu)主要由一個“L”形桿和氣缸組成。

整個鎖邊機構(gòu)先利用傳遞機構(gòu)將緯紗圈從送緯劍桿上脫下，并縮小緯紗之間的高度差，同時向織口方向傳送，到達一定位置后，由脫紗桿將緯紗圈從送紗叉上脫到鉤針內(nèi)，最后由鉤針往復運動完成鎖邊。整個系統(tǒng)由PLC控制，配合精準。

3 鎖邊機構(gòu)的優(yōu)化及可靠性分析

3.1 基于響應(yīng)面法的送紗叉優(yōu)化設(shè)計

本鎖邊機構(gòu)通過3個機構(gòu)相互配合來完成鎖邊，關(guān)鍵機構(gòu)是傳遞機構(gòu)與鉤針機構(gòu)。傳遞機構(gòu)中，送紗叉是其可靠完成鎖邊的關(guān)鍵部件，在高速運行過程中，相鄰2個鉤針之間的距離為3 mm，為了能夠交接準確，須使得送紗叉的最大變形不超過0.5 mm。

基于響應(yīng)面分析法對關(guān)鍵部件送紗叉進行參數(shù)優(yōu)化，以送紗叉桿長度L1、固定部分長度L2及固定部分直徑D1為變量，以質(zhì)量及最大變形為優(yōu)化目標，優(yōu)化變量的取值如表1所示，送紗叉的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

表1 優(yōu)化變量取值范圍Tab.1 Optimize range of variable values

圖5 送紗叉結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of yarn feeding fork

先對送紗叉進行靜應(yīng)力分析，在實際工作中，送紗叉頭部受到緯紗施加的壓力約為2 N。故在ANSYS Workbench中，在進行靜力學分析時，對送紗叉尾部固定約束，在頭部施加緯紗對叉頭的壓力，方向在水平方向且與送紗叉桿成45°。送紗叉材料為軸承鋼，材料屬性如表2所示。

表2 送紗叉材料屬性Tab.2 Material properties of yarn feeding fork

通過ANSYS分析得到送紗叉應(yīng)力與變形的分布云圖，如圖6所示。由圖6可以看出，送紗叉的最大應(yīng)力為34.423 MPa，位于送紗叉的固定部分與桿連接處。此送紗叉采用軸承鋼制造，軸承鋼的許用應(yīng)力為700 MPa，遠遠大于送紗叉所受應(yīng)力的最大值。最大變形為0.510 2 mm，位于送紗叉頭部，故需優(yōu)化此最大變形量。

圖6 送紗叉的應(yīng)力與位移分布Fig.6 Distribution of stress and displacement of yarn feeding fork

在ANSYS Workbench軟件中基于響應(yīng)面法進行分析，得出的全局敏感性分析結(jié)果如圖7所示。由圖7可以得出，各個參數(shù)對于目標的影響各不相同。送紗叉最大變形對于各個參數(shù)的敏感性程度從大到小可以排列為P3（L1）＞P2（D1）＞P1（L2）；最大應(yīng)力對于各個參數(shù)的敏感性程度從大到小可以排列為P2（D1）＞P3（L1）＞P1（L2）；送紗叉質(zhì)量對于各個參數(shù)的敏感性程度，從大到小可以排列為P3（L1）＞P2（D1）＞P1（L2）。為判斷擬合出的響應(yīng)面結(jié)果的可信度，進行擬合度分析，圖8為擬合度符合性分布圖。

圖7 全局敏感性分析Fig.7 Global sensitivity analysis

圖8 擬合度符合性分布Fig.8 Distribution of conformity of fit

表3為擬合度評價值。由圖8及表3可以看出，擬合出的響應(yīng)面結(jié)果是可信的。

表3 擬合度評價結(jié)果Tab.3 Evaluation results of fitting degree

結(jié)合敏感性分析結(jié)果看，重點關(guān)注L1和D1對送紗叉最大變形、最大應(yīng)力及質(zhì)量的響應(yīng)曲面，如圖9—圖11所示。

圖9 最大變形量的響應(yīng)曲面Fig.9 Response surface of maximum deformation

圖11 質(zhì)量的響應(yīng)曲面Fig.11 Response surface of mass

由圖9可以看出，L1、D1和送紗叉的最大變形為線性正相關(guān)，隨著L1和D1的增大，送紗叉的最大變形量也相應(yīng)增大。由圖10可以看出，隨著L1的增大，送紗叉所受最大應(yīng)力增大；隨著D1的增大，送紗叉所受最大應(yīng)力值減小。由圖11可以看出，L1、D1和送紗叉的質(zhì)量為線性負相關(guān)。

圖10 最大應(yīng)力的響應(yīng)曲面Fig.10 Response surface of maximum stress

送紗叉優(yōu)化前后的變量對比如表4所示。

表4 送紗叉優(yōu)化前后的變量對比Tab.4 Comparison of variables before and after optimization of yarn feeding fork

由表4可以看出，設(shè)計變量以及目標函數(shù)值都有了相應(yīng)的變化。優(yōu)化后送紗叉的最大變形為0.453 1 mm，減小了11.2%；最大應(yīng)力為31.722 MPa，減小了7.8%；質(zhì)量為0.001 633 9 kg，減小了0.08%。

3.2 基于六西格瑪法的送紗叉可靠性分析

分析送紗叉最大變形在小于0.5 mm情況下的可靠性，根據(jù)分析結(jié)果，該送紗叉最大變形的累積分布函數(shù)如圖12所示，其中的曲線為送紗叉最大變形的累積分布函數(shù)曲線。

圖12 送紗叉最大變形的累積分布函數(shù)Fig.12 Cumulative distribution function of maximum deformation of yarn feeding fork

由圖12可以看出，進行1 000次抽樣后，輸出變量的分布柱狀圖沒有出現(xiàn)較大的間隙和跳躍，符合累積函數(shù)抽樣條件。在上述分析中，送紗叉的最大變形在0.5 mm以內(nèi)，在參數(shù)概率表中插入0.5 mm，分析結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，抽樣分析得出的送紗叉最大變形小于0.5 mm的樣本數(shù)為96.1%，即送紗叉的最大變形小于0.5 mm的可靠度為96.1%，安全可靠。

表5 參數(shù)概率列表Tab.5 List of parameter probability

4 結(jié)論

（1）本文設(shè)計了新型五鉤針緯紗圈嵌套互鎖的新型鎖邊工藝，織物每層上的緯紗圈都進行了互鎖，使得布邊光整且具有較大的抗拉強度；同時，針對此鎖邊工藝設(shè)計了新型鎖邊機構(gòu)，攻克了5個緯紗圈從五劍桿所在位置的高度距離縮小至織物厚度的距離，并傳送至織口進行鎖邊的難點。

（2）通過響應(yīng)面法及敏感性分析發(fā)現(xiàn)，送紗叉桿長L1對送紗叉最大變形的敏感度最高，且與送紗叉最大變形成線性正相關(guān)；送紗叉桿長L1和固定部分直徑D1對送紗叉的最大應(yīng)力的敏感度最高，隨著L1的增大，所受最大應(yīng)力增大，隨著D1的增大，所受最大應(yīng)力值減小。

（3）與原方案相比較，優(yōu)化方案的最大變形減小了11.2%，最大應(yīng)力減小了7.8%，質(zhì)量也減輕了0.08%，達到了增強送紗叉剛度、強度及減輕質(zhì)量的目的。

（4）基于六西格瑪法的可靠性分析得出，送紗叉最大變形小于0.5 mm的可靠度達到96.1%，可以保證劍桿與送紗叉的交接配合及送紗叉在后續(xù)動作中的可靠性，完成對多層立體織物的鎖邊。