针刺机曲柄滑块机构振动问题的优化分析

刘志强 王连庆

（合肥工业大学 机械工程学院，合肥 230009）

1 针刺机的介绍

针刺机针刺过程中产生剧烈振动将会直接影响无纺布的生产效率及质量，还会危及工人的健康[1]。针刺机工作过程中曲轴、连杆的工作频率有可能会改变，此时机架会有强烈的振动，曲轴和连杆在受到很大的振动和冲击力时会产生很大的形变[2-3]。为了解决上述问题，本文针对某纺织机械公司的ZW-2361-370型针刺机进行曲轴、连杆的静力学分析及模态分析。通过模态分析了解结构在某一频率范围内固有频率的振动特性，这样就可以知道结构在这段振源作用下产生的实际振动响应[4]。通过理论模态分析，掌握机床主轴工作时的形变情况，提出相应的措施减小机床的振动变形和噪声，进而提高无纺布的生产质量和效率，改善工人的工作环境，增加企业的综合竞争力和效益。

针刺机的关键机构是针刺机构，由传动轴、曲轴、针板、针梁、连接架、滑套导向装置等组成，其中剥网板和托网板固定在上下机架中不参加针刺主运动。偏心轮安装在曲轴上，曲轴由法兰连接在主传动轴上，连杆的一端连接在偏心轮上，另一端连接针梁和针板，由此便构成了一个曲柄滑块机构，如图1所示。

传动轴转动带动偏心轮和连杆，针梁和针板在摇臂导向装置的作用下做竖直方向的往复运动。均匀纤网经过开清后，输送到剥网板和托网板之间，针刺机上的刺针高频率穿刺对其加固。机架顶端的主电机经过V带，带动齿轮箱内齿轮进而使针刺机传动。齿轮的输出端连接主传动轴，带动两个传动轴运转，输出端连接安装在下安装板的齿轮箱内。同理，底部的齿轮箱输出端也带动两个传动轴运转。

图1 针刺机传动机构

2 针刺机构关键零部件连杆的有限元分析与校核

用ANSYS软件对连杆进行受力分析，连杆上有很多螺栓孔、螺柱孔、小倒角以及小凸台，这些因素会影响ANSYS软件对连杆的分析结果[5]。为减小不必要的麻烦，在不影响分析精度的前提下必须去掉螺栓孔、螺柱孔、小倒角以及小凸台。利用ANSYS软件打开建立好的模型，根据模型的物理属性确定其密度、刚度和泊松比的参数。利用ANSYS软件求解连杆受力变形情况，多次对比后取最符合实际的解，如图2所示。连杆模态分析如图3所示。

图2 连杆总体变形

图3 连杆前四阶振型

如表1所示，连杆前6阶固有频率均大于20Hz，不会产生共振。同理，对曲轴进行有限元分析与校核，计算出曲轴端面的最大变形量为1.41×10-4rad，并得出扭转应力远小于其扭转许用应力。曲轴前6阶的固有频率均大于曲轴的工作频率（20Hz），不会发生共振。

表1 连杆固有频率与振型描述

3 结语

针刺机在进行针刺运动时，机床的振幅会随着主轴转速的增大而增大，当主轴转速达到某一转速时，机床的振幅达到最大值，产生共振现象。基于以上研究结果，进一步提高针刺频率，则要避免共振现象的发生。防止共振现象的发生需要提高曲轴右侧的刚度（如加粗与调质），或增加加固架，减小针梁、连杆和摇臂导向装置的重量，采用强度高、密度小的新型复合材料，如硬质铝镁合金。在不影响无纺布生产质量的前提下，减小连杆长度或者减小针刺运动的冲程。