基于柔性多体系统的经编机梳栉摆动机构动力学分析

第33卷第6期2012年6月纺织学报Journal of Textile Research Vol．33，No．6Jun．，2012文章编号：0253-9721（2012）06-0092-05基于柔性多体系统的经编机梳栉摆动机构动力学分析刘鑫，胡旭东，陈洪立（浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州310018）摘要梳栉摆动机构是经编机的主要机构之一，直接影响经编机的高速运行性能。

为此，仿真分析了梳栉转轴在低速运行时约束反力的变化情况，并借助ADAMS 以及Nastran 分析软件建立了经编机梳栉摆动机构的柔性多体动力学模型。

分析经编机高速运行时的动态响应，得出在高速运行时梳栉允许横移时间角改变的程度，在不同转速下导纱针针尖位置的偏差程度和变化趋势，及梳栉摆动机构振动的变化趋势及其原因。

关键词经编机；梳栉机构；柔性多体动力学；ADAMS ；Nastran中图分类号：TS 183.3文献标志码：ADynamic analysis of warp knitting machine guide bar swing mechanismbased on flexible multi-body systemLIU Xin ，HU Xudong ，CHEN Hongli（Faculty of Mechanical Engineering ＆Automation ，Zhejiang Sci-Tech University ，Hangzhou ，Zhejiang310018，China ）Abstract As one of the key mechanisms ，the guide bar swing mechanism directly impacts the high speed running performance of warp knitting machine．The paper analyzes the changes of constraining force of the guide bar rotating shaft at low speed ，and establishes the flexible multi-body dynamic model of guide bar swing mechanism of warp knitting machine by virtue of the analysis software of ADAMS and Nastran．It analyzes the dynamic response when the warp knitting machine is running at high speed ，and has determined the changing level of allowed shogging angle of guide bar at high speed ，the deviation level and changing tendency of guide needle pinpoint position at different speeds ，and the changing tendency and causes of vibration of guide bar swing mechanism．Key words warp knitting machine ；guide bar mechanism ；flexible multi-body dynamics ；ADAMS ；Nastran收稿日期：2011－05－07修回日期：2012－03－08基金项目：浙江省自然科学基金重大项目（D1080780）作者简介：刘鑫（1984—），男，硕士生。

主要研究方向为纺织装备及机电一体化。

胡旭东，通信作者，E-mail ：xdhu @zstu．edu．cn 。

经编机梳栉的运动由横移和摆动组成。

随着现代经编机生产能力的不断提高，高机号、高速度、轻质化已逐步成为经编机发展的趋势［1］。

研究表明，机构弹性变形的增大对运动精度的影响愈加明显，梳栉横移允许时间以及导纱针的实际运行轨迹都将产生变化，其动力学特性的改变带来了高速运行时稳定性降低等新的问题［2］。

本文以国内某纺织装备厂生产的高速经编机为建模原型，以柔性多体动力学为基础分析其梳栉摆动机构的动态响应特性。

1柔性多体系统及分析流程柔性多体系统一般由互相作用的刚性体与柔性体组成，在动力作用下，系统的刚性运动与其自身的弹性变形相耦合［3］，因此，建立柔性多体系统的动力学方程前首先需要对柔性体部件进行线性模态（实特征值）分析，获取部件的振动特性［4］。

实际分析时，通常采用有限元分析软件对相关部件进行计第6期刘鑫等：基于柔性多体系统的经编机梳栉摆动机构动力学分析算模态分析，然后以此为基础借助动力学分析软件建立机构的多体动力学模型并对其进行求解［5－6］。

本文采用Patran 作为Nastran 的前后处理软件，将部件的CAD 模型导入Patran 中，随后对其进行网格划分、添加基于模态综合技术的MPC 多点约束等模态分析准备工作，然后提交Nastran 进行解算，得到用于建立柔性部件模型的模态中性文件，并以ADAMS 为最终平台建立柔性多体动力学分析模型［7－8］。

具体分析流程如图1所示。

图1柔性多体动力学分析流程Fig．1Flexible multibody dynamic analysisprocedure图2经编机刚体CAD 模型Fig．2Rigid CAD model of warp knitting machine2梳栉柔性多体动力学模型的建立建立梳栉摆动机构的CAD 模型，并将其导入ADAMS 中，得到梳栉摆动机构的全刚体分析模型，如图2所示。

以此作为建立多柔性系统模型的基础［9］，对该模型进行动力学仿真分析，得到梳栉在刚体情况的分析数据，作为柔性动力学分析的参考。

在进行模态分析前，需要确定梳栉系统载荷频率的范围。

通过对全刚体模型进行仿真，得到梳栉摆轴铰接点在单周期内的约束反力随主轴转角的变化曲线，如图3所示。

从而可知其载荷频率近似为经编机工作频率的3倍。

由于现有经编机的工作速度低于3000r /min ，故其工作频率小于50Hz ，因此载荷频率小于150Hz。

图3梳栉摆轴约束反力曲线Fig．3Constraint force curve of guide bar pendulum shaft根据梳栉摆动机构的实际情况，选取梳栉摆动机构中的摆动主臂、摆动副臂和倒纱横移杆作为柔性化部件。

分别将上述部件的CAD 模型导入Patran 中进行线性模态分析。

其中倒纱横移杆的材料选择合金铝5000系列，其余均为45钢。

将分析生成的模态中性文件（*．mnf ）导入之前建立的刚体模型中，替换相应的刚性部件。

然后添加驱动、约束及运动副，最终得到梳栉机构的刚柔耦合多体动力学分析模型。

如图4所示。

图4梳栉柔性多体动力学仿真模型Fig．4Guide bar flexible multi-body dynamics model建立梳栉摆动机构柔性多体动力学模型时，需要在ADAMS 环境下对各柔性部件进行模态的选取。

根据实际经验，模态选取原则是选取模态频率·39·纺织学报第33卷在载荷频率5 10倍范围内的模态［10］，本文选取频率在1000Hz范围以内的各阶模态。

此外，由于Nastran自动生成的前6阶为刚体模态（刚体模态是在约束条件不充足，不产生内部应力载荷的情况下，结构作为一个刚体的运动位移特性），不能反映柔性体结构的振动特性，故在柔性体模态分析时，需要除去这6阶刚体模态。

部件选取的各阶模态频率如表1所示。

表1各部件选取的各阶模态频率Tab．1Selected modal frequency of each component部件名称模态阶数固有频率/Hz模态阶数固有频率/Hz733.08913428.56880.56514435.23991.02015514.36倒纱板10177.89016604.1211220.64017699.9112292.86018798.52摆动主臂7611.3709929.23 8819.72010982.07摆动副臂7901.9608970.803模型仿真分析3.1梳栉横移时间角的变化经编机主轴每转1转梳栉需要进行针前、针背2次横移，而在导纱针进入针平面和离开针平面这段时间内，梳栉的横移会导致打针，因此此段时间是不允许横移的［11］，横移运动必须在允许的主轴转角范围内才能进行［12－13］。

随着机速的提高，机构动态特性的改变会对梳栉的允许横移时间产生影响。

由于经编机在低速运行时，机构的变形较小，可视为刚体情况。

首先研究梳栉是刚体情况下的允许横移时间，故对梳栉的全刚体模型进行仿真分析。

梳栉编号由机前到机后依次为GB1、GB2、GB3。

仿真时以槽针在最低位置对应的主轴转角为起始角0ʎ，对各导纱针与槽针投影在摆动平面上的运动轨迹进行干涉分析，得出在刚体情况下梳栉允许横移的时间分配表，如表2所示。

表2低速时梳栉允许横移时间角Tab．2Allowed shogging angle of guide bar at low speed梳栉编号针前/（ʎ）针后/（ʎ）GB1142 219231 0 130GB2126 236252 0 111GB3112 250267 0 95当机速提高到2000r/min时，机构的动态特性已发生明显改变。

利用建立的柔性多体动力学模型，分析该转速下主轴回转时，在摆动平面上导纱针与槽针的干涉情况，从而得出经编机高速运行时梳栉允许横移的时间分配表，如表3所示。

表3高速时梳栉允许横移时间角Tab．3Allowed shogging angle of guide bar at high speed梳栉编号针前/（ʎ）针后/（ʎ）GB1143 218229 0 131GB2126 236252 0 111GB3112 250267 0 95对比表2、3可看出，经编机在高速运行时动态特性的改变对GB1横移时间的影响最为明显，GB1针前允许横移时间角减小了2ʎ，针背允许横移时间角增大了3ʎ，其余2把梳栉在高速时的允许横移时间角没有变化。

GB1导纱针尖在低速及高速状态下的运行轨迹如图5所示（为便于观察，将高速运行时的实际轨迹偏差值放大20倍）。

图中X、Y坐标为沿针床的投影平面坐标。

由图可看出，梳栉在针背最高位置附近，即横移垫纱时的变形最大，并伴有轻微震颤。

图5GB1导纱针尖轨迹曲线Fig．5GB1guide needle pinpoint track curves图6示出高转速下单周期内导纱针尖各点的偏差值随主轴转角的变化曲线。