綜框動態特性影響織機運轉論文
時間:2022-06-21 04:43:00
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論文摘要:綜框是開口機構的主要工作部件,其動態性能的好壞會直接影響織機的正常工作。針對不同筘幅的綜框,在SolidWorks軟件中建立有限元模型,并計算求出綜框的各階模態振型,分析了其動態特性對織機的影響。提出了綜框設計時改進其動態特性的措施和方法。
論文關鍵詞:織機綜框振動特性動態設計有限元方法COSMOS
綜框是織機中的一個重要部件,織機經紗斷頭主要發生在綜框鄰近區域。近年來各種織機的入緯率不斷提高。高速織機轉速已達3000m/min以上。織機門幅也達380cm以上,這對綜框的設計要求進一步提高。觀察綜框在織造中的運動狀況,其動態受力有綜框上下運動的沖擊力,織物張力所致的彎曲力,綜框在環境溫度變化下所產生的變形力等。這些因素都會使綜框在織機運轉過程中發生不同程度的振動。綜框的振動不但會造成斷經。影響生產效率;而且當其與織機轉速發生共振時。還會造成橫梁斷裂甚至框架脫開口。所以在進行綜框設計時,有必要研究其動態特性,進一步提高和改進綜框的動態性能。
本文通過對3種不同幅寬(190,230,280cm)綜框的動態特性研究,對它們的模態振型進行對比分析.從而改善綜框的結構設計,使其動態性能達到優良,適合各種高速織機的工作轉速。本項研究在SolidWorks軟件中建立綜框的數字化模型,通過COSMOS模塊對其進行動態分析。獲得綜框的模態和振型。在此過程中,綜框模型完全按照國標(FZ/T94009-1992)規定所建立。保證了綜框幾何結構的準確性,具有生產實用價值。而COSMOS義是當今世界上最快的有限元分析軟件。它與So1idWorks無縫集成,不用考慮數據交換所產生的模型誤差.并且高精確的分析結果也已被業界所認可。這確保了本項研究結果的正確性。
1幾何模型
綜框的主要部件包括上橫梁、下橫梁、左右側檔、導板、穿綜桿和綜絲夾。本項研究先在SolidWorks中建立190cm幅寬織機上的數字化綜框模型,然后在此模型基礎上通過參數化技術方法,分別建立230cm與280cm幅寬織機的綜框模型,其中綜框的各部件及整體結構尺寸都是按照國標FZ/T94009-1992所確立。建好的綜框模型如圖1所示。
2有限元模型
建立有限元模型時根據分析對象的結構特點,需要對已完成的幾何模型進行簡化處理,以便節省計算機資源。更加快捷地建立有限元模型。在此,去掉幾何模型中一些關系不大的局部特征。就可以直接對綜框劃分網格。
COSMOSWorks采用高品質實體網格,網格單元為10節點四面體要素,如圖2所示。
網格劃分過程中對綜框各部件進行網格控制,使要素大小都適合各部件自身的形狀結構,從而建立正確的有限元分析模型,保證獲得精確的分析結果。網格化后的綜框模型如圖3所示。
在對綜框進行有限元分析之前必須定義它的材料特性,綜框屬于薄形框架類結構,織機工作時綜框上下往復運動,承受經紗張力動載荷,并且把劇烈振動傳遞給經紗。加劇了經紗在綜眼中的摩擦。考慮到綜框工作時的承載和變形情況,在綜框設計時使用的材料必須要保證它的剛度和強度。
本項研究在進行有限元分析時,對綜框的上下橫梁、左右側檔、導板及綜絲夾選擇COSMOSWorks材料庫中的鋁合金材料1060-H18Rod(ss)。此型號鋁合金材料具有質量輕強度高的特點,可滿足綜框工作時的性能要求。而對于穿綜桿則采用強度高韌性好的彈簧鋼65MN。綜框材料的主要參數如表1所示。至此,綜框的有限元模型已建立完成,接下來就可以在COSMOSWorks中對已完成的有限元模型進行求解分析。
本項研究先對190cm幅寬織機的綜框進行分析,然后通過參數化技術手段改變綜框的幾何模型,分別對230cm和280cm幅寬織機的綜框進行有限分析。COSMOSWorks對這3種不同筘幅綜框的分析數據如表2所示。
由表2數據可知,以190cm筘幅綜框為例。整個綜框被劃分為86048個單元,共157048個節點,每個節點有X、Y、Z方向3個自由度,最多可獲得471144階固有頻率及相應振型。建立綜框振動方程為:
[M]{X}+[K]{X}={0}
此系統振動方程是一組二階常系數齊次線性微分方程組,其中質量矩陣[M]為單位陣.剛度矩陣[K]為對稱陣,且[M]和[K]均為471144階方陣。此振動方程可通過線性變換解耦合來求其解,而COSMOSWorks采用的是FFE(FastFiniteElement)求解器。即快速有限元法,一種可以保證結果收斂的快速迭代法。
其他兩種綜框振動方程的建立方法與此相同,但是由于有限元模型自由度的增多,振動方程組的維數也隨之增大。
3結果與分析
運行求解后,獲得了綜框的固有頻率和振型。由于織機的工作轉速只與綜框前面的部分模態有關.故本文只考慮綜框的前20階模態,去除綜框的剛體模態,得到1到20階固有頻率如表3所示。
由表3數據可知。隨著筘幅的增大,綜框的各階固有頻率顯著降低,在工況條件下就容易與織機的工作轉速頻率發展共振,產生很大的振幅使綜框結構受到破壞,影響綜框的使用壽命。對于190cm筘幅的綜框,當織機工作轉速到達1200r/min時,對其影響最大,因為它有2個20Hz左右的頻率。極其容易發生共振。它的2、3階振型如圖4(a)與(b)所示。
由圖4可以看出,對于190cm筘幅綜框。其2、3階振型都是橫梁和穿綜桿在發生不同程度的彎曲振動.而綜框的其他部件都未振動。由第2階振型可以看出。綜框的上下橫梁及穿綜桿都在振動.如圖4(a)所示。其中上下橫梁發生較大的彎曲振動,而且相位恰好相反,最大振幅出現在橫梁中部位置.此時織機轉速頻率如果停留在19.776Hz。那么綜框橫梁及穿綜桿就極易發生斷裂。故織機工作轉速尤其要避開綜框的第2階固有頻率。而其第3階振型表現為橫梁和穿綜桿的橫向振動振動幅度沒有第2階振型大。且最大振幅發生在距橫梁右端約1/3處,如圖4(b)所示。此時如果與織機轉速發生共振同樣會對綜框的結構造成破壞。
由以上分析可知190cm筘幅織機工作轉速應避開第2、3階固有頻率,以免橫梁和穿綜桿由于共振產生過大振幅而使其斷裂。
由表3數據可知當轉速在600r/min和1800r/min時,對190cm綜框沒有什么影響;但如果織機要在1200r/min的轉速下工作時.就必須改進此綜框的動態特性,以消除其第2、3階振型。此時可以通過改變綜框的結構特征,或者在綜框上安裝吸振裝置來消除其共振頻率和振型。
對于230cm筘幅綜框,由表3可知影響其600r/min工作性能的主要是第1階模態。其振型如圖5所示。綜框上下橫梁和穿綜桿發生較大的彎曲振動.橫梁的中間部位是最薄弱、最容易斷裂的地方。與190cm筘幅綜框不同的是,230cm筘幅綜框完全可以用在轉速為1200r/min的織機上,因為其沒有20Hz左右的周有頻率;但是當織機轉速達到2000r/min左右時.此綜框就容易發生破裂,影響其動態特性的主要是第5階振型。
由圖6可看出。綜框的整個邊框都出現振動。其中上下橫梁及穿綜桿發生垂直方向的振動,而側檔則發生左右方向的振動,此綜框如果直接用于2000r/min的高速織機。將對綜框造成致命性的破壞,即整個綜框結構可能發生解體。圖6中變形前和變形后的綜框形成鮮明對比,準確且明顯地預測了此綜框在共振頻率下的破壞程度和趨勢。以此為依據。在進行綜框動態設計時就可以有針對性地優化綜框結構,使其動態特性適合高速織機的工作要求。
280cm筘幅綜框的第2階振型如圖7(a)所示,與圖5中振型相似,主要都是綜框邊框及穿綜桿的彎曲振動,在此不再分析。而第7階振型中上下橫梁及穿綜桿振動都很厲害,由圖7(b)可知.當織機開到1800r/min時。此綜框的上下橫梁將會發生劇烈振動,極有可能從橫梁中問部位斷裂,而且穿綜桿與橫梁的振動趨勢一致,在織機工作頻率接近29.549Hz時也會遭到破壞。從表3可以看出,280cm筘幅綜框與230cm筘幅綜框一樣.也沒有靠近20Hz左右的頻率,所以完全可以在1200r/min的高速織機上使用此綜框。
4結語
通過對3種不同筘幅綜框的幾何建模及有限元計算分析,可以看出綜框動態特性的好壞對織機的正常運轉影響很大,可從以下幾個方面對其進行設計和改進:
(1)改變綜框的結構,比如改變橫梁或者側檔的結構尺寸等.此時綜框的質量矩陣[M]及剛度矩陣[K]均發生變化,振動方程也隨之改變,從而消除對織機工作有較大影響的模態,以避免織機工作時和綜框發生共振。
(2)采用不同的材料,材料不同綜框的動態特性也不相同,例如采用碳纖復合材料,可以大幅增加綜框的各階振動頻率,從而使織機能在更高的轉速下穩定工作。
(3)在綜框上面增加吸振裝置,改變綜框的固有頻率和振型.使其適合不同工作轉速的織機。
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