直驱式针织圆纬机驱动阵列多物理场耦合研究与实验

发布时间：2020-05-23 04:01

【摘要】：织针驱动方式是提高针织圆纬机效率的关键,现有针织圆纬机的织针选针和驱动过程均依靠选针器配合三角凸轮机构实现,该种驱动方式因受到机械结构、材料特性、器件原理等因素的限制,已成为针织圆纬机进一步提速的瓶颈。针对此问题,本文结合针织原理和磁悬浮技术,提出磁悬浮式直驱织针新方法。其基本原理是织针(与永磁体连接为一体)与电磁线圈组合为磁悬浮混合系统,线圈通电产生可控磁场,通过永磁体作用于织针,驱动织针完成相应功位。对于磁悬浮系统而言,混合驱动模型的组合方式及驱动线圈结构决定着其性能的高低,通过建立其数学模型及进行有限元仿真分析可求出高性能驱动模型和结构。另外,单驱动线圈及其阵列在工作过程中存在着电磁场、温度场等多物理场耦合,耦合作用使织针运动不稳定,通过有限元数值仿真可对耦合加以分析,提出解耦方法,从而提高系统稳定性。因此,本文的主要研究内容可概括为:在足够驱动力要求下,为缩小驱动线圈尺寸,实现织针紧密阵列,采用有限元仿真分析法对有限长螺线管空间磁场分布进行分析,分析结果表明:线圈内部3倍半径对称范围内磁场感应强度最大,临近两端衰减较快。基于此,提出了织针在驱动线圈内部运动的悬浮式对称混合驱动模型,该模型相较于传统端部弹射型,驱动力更大,径向尺寸减小一倍。同时,为满足织针运动平稳性要求,依据电磁场理论,建立了织针受力与驱动结构的数学模型,通过Matlab积分函数求解数学关系,得到了一种双级曲线形驱动线圈结构,通过仿真和实验发现,该结构驱动力平稳性优于圆柱形。依据所设计驱动模型,分别对磁悬浮式直驱针织圆纬机的针织机构、输纱机构、牵拉卷曲机构及控制机构进行了设计,建立了5英寸、32针、2路主动同步输纱的直驱式圆纬样机。依据电磁场、温度场理论,分别使用Ansoft Maxwell和Ansys Workbench有限元仿真平台对所设计单驱动线圈及其阵列的磁场、温度场及其耦合过程进行了分析。研究发现:双级曲线形驱动线圈轴向磁场强度在织针运动段内较大,且分布均匀,符合设计要求。但由于驱动线圈外部磁场存在发散分布,因此阵列间存在磁场耦合,导致织针运动波动,基于磁路原理,在使用铁磁质材料进行屏蔽后,可大幅减弱相互间干扰程度,从而可提高织针系统运动稳定性。线圈温度场从初级到次级呈递增分布状态,次级线圈区域温度最高,而热传导接合面处热流量最大,因此,可重点针对此区域进行散热,降低系统稳态温度。同时,采用松散耦合法,在Maxwell 3D和Steady-State Thermal模块中对单驱动线圈及其阵列的磁热耦合过程进行了分析,分析发现:当单驱动线圈激励为恒定电流,且频率变化较低时,磁热耦合作用较弱,但当其频率变化较快时,则需充分考虑其耦合所产生的影响。而对于多驱动阵列系统而言,即使激励变化很小,其磁热耦合作用仍较明显,使驱动阵列系统温度上升约7.5℃,因此,在热设计时,需充分考虑其耦合影响,对整个驱动阵列系统进行充分散热。通过在线针织实验,分别对比了激励电压大小和频率不同情况下的针织效果,对比发现:当激励电压因波动而不足时,驱动力由于变小,从而导致织针运动轨迹不完整,发生针织错误。当激励频率过大或过小时,则会导致织针轨迹与输纱轨迹错开而发生针织错误。故对某一针织系统而言,存在最优折中激励大小和频率,但可通过改善系统响应性能来提高。
【图文】：

实例图,织针,驱动原理,凸轮

(a) 织针驱动原理剖面图 (b) 织针三角凸轮实例图 1.1 现有针织圆纬机织针驱动原理及织针三角凸轮实例为提高针织圆纬机的花形编织能力，伴随着电子技术、控制技术及计算机技术的发和普遍使用，诸如各种圆机和横机在内的许多针织设备目前普遍大量使用选针技术，针技术可以实时控制每个织针是否进入工作功位及进入何种工作功位。在选针技术的制下，圆机的每个织针可按设定花形工作在浮线编织、成圈编织或集圈编织（针织三位）中的某个功位，从而织出对应织物。选针技术的关键在于选针器，选针器是一种照织物组合花型对应的电信号依次驱动选针机件的换能器，，是针织设备控制系统用来施选针控制的执行元件。目前主要使用的选针器是电子选针器，按其工作原理的不同划分为两大类：1.电磁选针器；2.压电式选针器。压电式选针器（如图 1.2 所示）利用陶瓷晶片作为能量转元件，陶瓷晶片具有“逆压电效应”，当给其双极施加控制电信号时，其形体会弯曲预先设计的记忆位置，带动刀片摆动，实现选针。电磁式选针器（如图 1.3 所示）工

选针器,压电式,晶片,陶瓷

(a) 织针驱动原理剖面图 (b) 织针三角凸轮实例图 1.1 现有针织圆纬机织针驱动原理及织针三角凸轮实例为提高针织圆纬机的花形编织能力，伴随着电子技术、控制技术及计算机技术展和普遍使用，诸如各种圆机和横机在内的许多针织设备目前普遍大量使用选针选针技术可以实时控制每个织针是否进入工作功位及进入何种工作功位。在选针技控制下，圆机的每个织针可按设定花形工作在浮线编织、成圈编织或集圈编织（针功位）中的某个功位，从而织出对应织物。选针技术的关键在于选针器，选针器是按照织物组合花型对应的电信号依次驱动选针机件的换能器，是针织设备控制系统实施选针控制的执行元件。目前主要使用的选针器是电子选针器，按其工作原理的不同划分为两大类：1式选针器；2.压电式选针器。压电式选针器（如图 1.2 所示）利用陶瓷晶片作为能换元件，陶瓷晶片具有“逆压电效应”，当给其双极施加控制电信号时，其形体会至预先设计的记忆位置，带动刀片摆动，实现选针。电磁式选针器（如图 1.3 所示
【学位授予单位】：武汉纺织大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS103.134

【参考文献】