喷气织机机架结构动力学特性研究

邱 海 飞

(西京学院 机械工程学院，西安 710123)

高速化是现代喷气织机的主要发展方向。在织造生产过程中，织机机架会受到来自系统内部的各种干扰和影响，如主轴运转引起的偏心力、综框往复运动形成的周期性冲击力、以及筘座产生的惯性打纬力等，均会对机架稳定性产生不利影响[1]。若机架结构设计不合理，将会很容易使织机系统产生振动与噪声，由此将引发诸多不利生产问题，如缩短设备寿命、降低生产效率、影响织物质量及增加生产成本等[2]，所以在机架设计过程中必须要考虑其动态特性。目前关于织机机架的研究文献并不多见，能检索到的也都是通过不同的技术方法来研究机架结构及其力学特性，如汪群等[3]在考虑惯性力、打纬力、投梭力及换梭力共同作用的条件下，分析了1511织机的振动特性；黄富贵等[4]将豆包消振器应用于GA712喷气织机机架，有效提高了机架的抗振性能；吴锋等[5]利用ODS法研究织机运转状态下的机架动态特性，通过确定机架薄弱环节为其结构改进提供了可靠依据；张洪等[6]对织机机架刚度进行了试验研究，指出通过选择合理的撑挡截面形状可有效提高机架刚度。

为适应喷气织机的高速化生产要求，针对以往织机机架设计的技术及试验难度，本文将现代CAD/CAE方法应用于某型喷气织机机架的设计，通过有限元建模、动力学计算与仿真分析等，为织机机架结构设计、动力学性能优化及相关试验研究提供技术参考。

1 机架结构

喷气织机机架主要由墙板、胸梁、后梁和横梁等组成，为了增强机架结构稳定性，选用抗振性强的灰铸铁作为墙板材质[7]，其余梁件材质均为结构钢，两种材料性能参数见表1。根据喷气织机系统结构和功能原理，在ANSYS/WorkBench平台上建立如图1所示的机架有限元模型，其坐标系分布为：X轴-沿机架横向方向；Y轴-沿机架纵向方向；Z轴-沿机架高度方向。

表1 材料性能参数Tab.1 Material property parameters

图1 机架有限元模型Fig.1 Finite element model of the frame

机架各部分之间的连接采用实体接触，通过Solid186单元对机架结构进行网格化处理，建模过程忽略影响不大的紧固件和细小特征，创建完成的机架有限元模型共包括48 171个单和102 897个节点。根据生产车间实际布局，在左右墙板底面施加固定约束，使机架与地基完全固定。

2 模态特性

模态频率和振型是结构的固有动力学特性，也是进行相关动态计算与分析的重要基础。根据动力学理论，低阶模态在结构振动过程中起主要作用，高阶模态对动力学响应的贡献很小，而且衰减很快，故实际当中只考虑低阶模态[8]。不考虑外部激振载荷，采用Direct-Block Lanczos法求解机架的自由模态，并提取前6阶固有频率和振型。

机架1～6阶振型如图2所示，与之对应的固有频率及振动模式特征见表2。分析可知，机架第1阶振型为整体结构沿轴向摆动变形，最大位移发生在胸梁及其与墙板的连接位置处；第2阶振型主要为两侧墙板的弯曲和扭转振动，最大位移出现在墙板后端上部；其余几阶振型分别表现为后上横梁的弯曲振动、后梁的弯曲振动、后梁和后上横梁的弯曲振动，以及左右墙板的前端部弯曲振动。综上可知，在机架的各阶振动模式中，后梁、横梁及墙板的振动变形较为活跃，为使机架结构能够适应更高工作转速，可从后梁、横梁及墙板方面进行加强或改进设计。

图2 机架前6阶振型Fig.2 Top 6 vibration modes of the frame

阶次固有频率/Hz振型特征描述165.01整体沿轴向摆动2128.94墙板弯曲和扭转振动3142.64后上横梁弯曲振动4178.73后梁弯曲振动5195.68后梁和横梁弯曲振动6203.77墙板前端部弯曲振动

根据结构抗振性设计原则，应尽量使外界激振力频率远小于机架初阶固有频率，因为随着模态阶次的升高，机架固有频率值会逐渐增加，而激发高阶振动的载荷能量会逐渐减弱，使得高阶振动不容易被激发[9]。由此可知，为了保证织造过程的稳定运行，织机主轴工作频率应尽量小于65 Hz，而当主轴工作频率在65 Hz以上时，还需要避开128 Hz和142 Hz，以免产生共振和噪声等不利影响。

3 谐振响应

3.1 简谐载荷确定

谐响应分析与结构所受荷载相关，主要用于确定线性结构在承受简谐载荷时的稳态响应[10]。根据结构动力学理论，可将机架等效为一个质量为M的连续实体结构，其系统刚度为K，阻尼为C，则当在X坐标方向施加一个激振载荷F时，可建立如图3所示的等效力学模型。对于结构离散化的机架有限元模型，当机架受到一个频率为ω的简谐载荷F作用时，其受迫振动微分方程如式(1)所示，且各节点位移响应如式(2)所示。

图3 等效力学模型Fig.3 Equivalent mechanical model

(1)

{x}={X}sin(ωt+φ)

(2)

式中：[M]表示质量矩阵；[C]表示阻尼矩阵；[K]表示刚度矩阵；{x}表示位移矢量，m；{F(t)}表示激振力幅值，N；{X}表示位移响应幅值，m；φ表示位移响应滞后激励载荷的相位角；t表示时间，s[11]。

将式(2)代入式(1)，得到各节点谐响应位移幅值，如式(3)所示。

(3)

织机运行过程中，打纬主轴产生的周期性惯性力是典型的简谐载荷，而且会对机架结构的稳定性产生重要影响[12]。假设打纬力为1 000 N，初始相位为0，根据模态分析结果，机架的固有频率范围为65.012～203.77 Hz，激振力的扫频区间应涵盖机架的固有频率，故定义扫频范围为50～220 Hz，则作用在机架上的简谐载荷如式(4)所示。

F=1 000sinωtω∈[50,220]

(4)

3.2 幅频特性

在机架横梁中间位置选择一节点进行激振，在50～220 Hz内进行扫频计算，设置采样点为100，得到如图4所示的幅频响应曲线。分析可知，在机架的前6阶模态频率点处，激振区域在X、Y和Z方向均存在明显幅频响应，这与模态分析结果相吻合；另外，基频(65 Hz)在X方向的位移响应最大，说明机架在X方向的抗振性较差，一旦基频被简谐载荷所激发，机架沿X方向发生振动的强度会最为剧烈，破坏程度也最为严重。

图4 机架谐振响应幅频曲线Fig.4 Curves of amplitude-frequency response of the frame

因此，在实际织造生产过程中，为保证机架能够适应更高的织机车速，应使喷气织机主轴尽量避开65 Hz的转速频率，或者可通过在机架结构上添加消振器来增强其抗振性。此外，机架的结构优化也是提高其动力学特性的有效技术手段，以65 Hz为参考定义目标函数和状态变量，将机架宏观尺寸、横梁截面形状或墙板壁厚等作为设计变量，建立机架参数化几何模型和优化数学模型，从而实现机架的结构优化和动力学改进。

4 结 语

动力学特性是衡量织机机架结构设计的重要指标。通过模态分析，计算获得了喷气织机机架的低阶共振频率，并分析了与之对应的振动模式，为织机机架动力学改进设计提供了重要参考和依据；根据谐响应分析，获得了机架在不同方向和频率点的位移振动响应，明确了简谐载荷对机架结构的破坏程度和趋势，为机架的刚度设计与结构优化提供有力支持，有利于高速喷气织机的车速控制与调节。