针刺机的运动轨迹分析

本文作者：赵建辉 单位：青岛纺织机械股份有限公司

我国的针刺非织造技术发展历程较短，在上世纪80年代初起步，但是发展势头迅猛。针刺非织造布在我国用量逐年增加，年增长率较高。针刺非织造布被广泛地应用于各个领域，如民用、工业和国防等领域，加工成土工布、地毯、汽车内饰材料、造纸毛毯、高档擦拭布、服装辅料、过滤材料、合成革基布以及特殊功能的复合材料等。针刺法工艺相对简单、流程短、可加工的纤维适用性广泛，产品范围和应用性广泛、能耗低、对环境几乎没有污染，因此针刺非织造布受到大部分投资者的青睐［1］。针刺法除了可以加工普通化纤外，还可加工特殊品种的纤维，如人造大豆纤维、金属纤维、碳纤维，陶瓷纤维和玻璃纤维等，这是其他非织造生产方法所不能与之相媲美的。针刺法生产的产品面密度范围大(50～3000g/m2)。由于针刺法所具有的诸多优点，以及随着我国工业化水平和人民生活水平的提高，决定了针刺非织造布在未来市场上具有很大的发展潜力和广阔的空间。虽然针刺技术最近几年在我国发展迅速，但与发达国家相比还存在很大的差距，在针刺机针板的同步性、布针形式、针刺频率、有效工作幅宽、机器的可靠性和稳定性等方面需要进一步提高和完善［2］。本文主要讨论针刺机在运行过程中针板的运动方式及轨迹。只有掌握了针板的基本运动规律，才能在针刺机的设计开发过程中密切关注载荷的分布和变化，合理有效地避免或减少一系列动载问题，从而提高针刺机的综合性能，高效应用于非织造布的生产。

1针刺机的工作原理

针刺机的工作原理是:往复直线运动的针板上安植一定数量的刺针，刺针上的倒钩对纤网进行反复穿刺，使蓬松的纤网中的纤维相互缠结，从而形成一定强度的非织造布。针刺机针刺部分的结构如图1所示。针刺机曲柄箱的核心部分是由针板、针板梁、推杆、偏心轮、中心轴和连杆等组成，构成曲柄滑块机构。将针板梁、针板和推杆一起看作为滑块，针刺机的曲柄箱则可简化为如图2所示的结构［3］。由此，就可以按照曲柄滑块连杆机构的组成，来对针刺机针板作具体的运动分析。

2针板运动分析

2．1针板位移中心曲柄连杆机构运动分析如图3所示。针板的行程S=2r，则针板的位移X可按下式计算［4］:由图3和公式(1)可以看出:曲轴转角从0°转至90°时针板的位移值比从90°转至180°时针板的位移值大，而且λ值越大，其差值也越大。

2．2针板速度针板速度v的精确值可以下式表示。因此，针板的速度v是两个速度分量(v1和v2)之和，可以看成是由v1和v2两个简谐部分组成。

2．3针板的最大速度由图3可以看出:当α=90°时，v=rω，此时针板速度等于曲柄销中心的圆周速度，但这并不是针板的最大速度。针板在最大速度时的曲柄转角αmax可以用v对α微分求极值的方式求得。由公式(4)可以看出:针板在最大速度时的αmax小于90°或大于270°，即针板的最大速度出现在偏向上止点一侧。根据αmax可以计算得到针板的最大速度。因为λ=rl，所以在设计曲柄机构时应适当考虑λ的取值，λ值越大，针板速度的最大值也越大。

2．4针板平均速度曲柄在旋转一周的过程中针板的速度不断发生变化，时快时慢，时正时负。α=0°～180°时v为正值;α=180°～360°时v为负值;α=0°、180°、360°时v=0;α=90°、270°时v=rω。针板的平均速度只能粗略地估计针板运动的快慢，但却是表征曲柄箱性能指标的重要参数。针板的平均速度反映了曲柄箱的强化程度，同时也在一定程度上反映了曲柄轴和箱体之间相互摩擦的强烈程度。随着针板平均速度的提高，曲柄轴和箱体磨损加剧。

2．5针板的加速度针板加速度j的精确值由下式求出。因此，针板加速度j也可以看作是两个简谐运动(j1和j2)之和，如图4所示。

2．6针板加速度的极值针板加速度的极值jmax是指针板的最大正加速度和最大负加速度，由下式求得。

2．7针板的惯性力针板的惯性力Fj等于运动质量mj乘以针板加速度j，其方向与加速度的方向相反。Fj1称为一阶往复惯性力，Fj2称为二阶往复惯性力。Fj1是曲柄转角的余弦函数，即按曲轴转角变化的力。可利用旋转矢量法［5］确定Fj1在任一曲轴转角下的大小和方向，如图5所示。Fj1就是曲轴旋转角速度ω的转动矢量C在曲柄箱轴线上的投影值。Fj2也是曲轴转角α的余弦函数，即按曲轴转角变化的力。也可利用旋转矢量法确定Fj2在任一曲轴转角下的大小和方向，如图6所示。Fj2就是2倍的曲轴旋转角速度(2ω)的转动矢量λC在曲柄箱轴线上的投影值。

2．8曲柄连杆机构的当量质量曲柄连杆机构中的连杆可以用无质量的刚性杆件联系的两个集中质量(连杆小头质量m1和连杆大头质量m2)组成的当量系统来代替。

3结语

本文分析了针刺机针刺部分的运动方式和轨迹，建立了数学模型，总结了针刺机针板的运动规律，计算了针板及其相关部件的理论平衡质量，为针板的受力分析奠定了基础，并为针刺机构的设计提供了数据基础和理论依据。