基布橫動式Z 字型織草裝置的研制及擺幅分析*

游東東 劉鵬

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

近年來，隨著人造草坪的快速發展，有關人造草坪的研究逐步得到重視［1-3］.人造草坪的主要生產設備是人造草坪織機(簡稱織草機)，屬于地毯簇絨機［4］.傳統織草方式對應的草簇在基布上的橫縱向分布不均勻，導致基布上針孔的分布不均勻，使得人造草坪基布橫向拉斷力較低.為此，國內外一些企業推出了Z 字型的草型產品，但目前的Z 字型織草技術仍處于起步階段，Z 字型擺幅及設備實現形式等對草坪質量、成本及效率的綜合影響并沒有得到系統深入的研究.因此，相關工藝及設備的設計缺乏理論依據.在設備方面，Z 字形織草技術的實現可借鑒地毯簇絨機橫動提花技術的原理，有橫動基布式和橫動針床式［5-7］兩種.目前國內在橫動針床式地毯提花技術方面已有一些研究，張少平等［8］研究了地毯簇絨花型與橫動凸輪設計之間的數學關系，為凸輪的分析和數控制造提供數據.阮岑等［9］對機械凸輪提花和電子凸輪橫動系統進行了設計，對針床橫動技術做了細致研究.而國外進口設備中，Z 字型人造草坪的成形原理采用的是橫動基布式［10］.

為實現擺幅可調的Z 字型織草，文中提出了一種偏心輪式基布橫動裝置，并結合虛擬樣機［11-13］及運動仿真技術［14-15］進行建模仿真，驗證機構的可靠性和有效性，最后通過基布拉伸試驗研究了Z 字型擺幅對人造草坪基布承載能力的影響.

1 基布橫動裝置方案

在傳統直線型織草機中，基布沿圖1 所示的Y軸方向進給.為實現Z 字型織草技術，文中綜合考慮方案的可行性、經濟性，在傳統織草機上增加一套基布橫動裝置，采用無偏心距的對心曲柄滑塊機構(主要由橫動光軸、直線帯座軸承、轉臂、偏心圓盤組成)來實現主要動作，其主要功能是使基布在沿Y軸方向進給的同時，還能沿X 軸方向(橫向)做往復擺動，且在擺動周期上與原主軸系統精確配合，以生產出規則大小統一的Z 字型人造草坪.該裝置的動力由主軸通過同步帶傳入圓錐齒輪轉向箱(簡稱轉向箱)，驅動偏心圓盤轉動，通過轉臂驅動橫動光軸和橫動針輥，沿直線帯座軸承的軸線做往復移動.同步帶輪與轉向箱的傳動比分別為2∶1 和1∶1，即當橫動針輥完成半個周期的橫向擺動時，鉤、刀、針完成一個運動周期的配合.橫動針輥調高部件和偏心部件為此傳動裝置的關鍵部件.圖2 為圖1 中關鍵部件的詳圖.橫動針輥調高部件可通過連接螺栓在長孔位置的調整來達到調節橫動針輥高度的目的.偏心圓盤為偏心部件的主要零件，內設T 型槽，通過內六角螺釘調整T 型滑塊在T 型槽內的位置可實現傳動裝置偏心距的調整.

圖1 整機中的基布橫動裝置Fig.1 Base fabric traverse device in the machine

圖2 關鍵部件詳圖Fig.2 Detail view of key components

此外，橫動針輥一端裝有一對向心軸承，使其在往復移動的同時能跟隨底布不斷自轉，通過針輥表面均勻分布的鋼針(直徑為1.6 mm)不斷地扎入基布來帶動基布在進給時隨針輥橫向運動.

2 Z 字型擺幅的調整

目前市場上Z 字型草坪的擺幅大小不一，且擺幅均小于行距的1/2.為研究Z 字形擺幅大小對草坪質量的影響，文中設計了如下兩種方案來實現Z字型擺幅的調整:

(1)利用曲柄滑塊傳動原理調整偏心部件的偏心距，進而調整橫動針輥在X 軸方向的最大擺幅，增加基布的整體擺動幅度.

(2)在最大擺幅不變的情況下，即偏心距固定時，通過調整同步帶調節主軸系統與基布橫動裝置時間上的配合關系(即調整針扎入基布時，針與橫動針輥的相對位置關系)，調節Z 字型擺幅大小.其原理如圖3 所示，分析中假設基布長度為同一偏心距下Z 字型的最大擺幅，且基布相對于機臺靜止，針沿X 軸方向擺動.圖3 中針有兩個運動周期，從針尖下行剛剛接觸基布時開始計時，實線區域為第1個周期，虛線區域為第2 個周期，箭頭為針在X軸方向的擺動方向.由圖3 分析可知，兩針之間X 軸方向的距離即為Z 字型對應的橫向擺幅.當針下行針尖剛剛接觸到基布時，若針處于其擺幅的中間位置，則Z 字型擺幅為0(第1 針的位置與第2 針的位置在水平方向上重合)，見圖3(a)，此情況表明配合關系調整不當可直接使擺幅為0;若針處于其擺幅兩端的極限位置，則Z 字型擺幅達到最大，見圖3(b);若針處于除以上情況之外的非特殊位置時，也將出現Z 字型擺幅，但其擺幅要小于最大擺幅，如圖3(c)所示.

圖3 同偏心距下的配合分析Fig.3 Coordination analysis under the same eccentric distance

3 運動仿真及實驗驗證

織草機的織草過程要求刀、鉤在整個成形過程均保持貼合狀態，針向下運動到最低點返程時，鉤嘴必須能勾住針孔上的草線，這三者的相對運動方式固定，故為了研究Z 字型織草傳動系統與原主軸系統的相對運動關系，只需研究針與橫動針輥之間的相對運動關系.

運動仿真模型如圖4(a)所示，其機構運動簡圖如圖4(b)所示.其中，針軸轉臂與主軸的偏心距為40.5 mm，工作尺寸為250.0 mm，針軸轉臂的工作尺寸為153.5 mm，針梁轉臂的工作尺寸為125.0 mm，針梁連桿的工作尺寸為128.5 mm.采用Solidworks中的Motion 模塊對虛擬樣機模型進行運動仿真.主要運動參數設定如下:主軸到偏心圓盤的傳動比為2∶1，主軸轉速為60 r/min，偏心圓盤的偏心距為33 mm，并在運動算例中檢驗部件的動態干涉.

以支撐架上表面為基準面并假定其與托布叉共面，取針床上針尖一點，提取針尖在Z 軸方向上的位移(S1)數據，同時在針輥上任取一點，以轉向箱端面為基準，提取針輥在X 軸方向上的位移(S2)數據，結果如圖5 所示.測得橫動針輥行程為66mm，并且其周期是針床周期的2 倍，滿足設計要求.在時間t=1 s時，針的位移為0 mm(此時針自上向下運動，針尖剛到達托布叉)，針輥位移為536 mm，處于兩邊的極限位置，即擺幅達到最大效果.

圖4 運動仿真模型及機構運動簡圖Fig.4 Motion simulation model and kinematic diagram of mechanism

圖5 運動仿真結果Fig.5 Simulation results of motion

針對上述提出的基布橫動裝置，文中研制相應設備并進行空機運行實驗.實驗測量橫動針輥擺幅之前，首先降低織草機的工作頻率，以降低主軸的運轉速度和橫動針輥的擺動頻率，便于實驗結果的測量;實驗時，將鉛筆筆身一直緊貼橫動針輥端面，通過鉛筆筆尖下的記錄紙，記錄橫動針輥來回運動的擺幅.實驗測得擺幅結果為70 mm，與仿真結果基本吻合，擺幅值略偏大，主要是由于鉛筆筆尖與記錄紙之間存在摩擦力，運動時的橫動針輥端面貼合出現夾角間隙以及偏心輪偏心距存在誤差.

4 Z 字型的基布拉伸試驗

基布拉伸試驗采用的草線規格為8000D，橄欖型截面，草簇行距為19 mm(3/4 英寸)，試驗試樣中包括兩層基布，如圖6(a)所示.試驗在恒宇儀器－電腦伺服力能材料試驗機(見圖6(b))上進行.

圖6 基布拉伸試驗簡介Fig.6 Test introduction of tensile base fabric

為研究不同擺幅對基布拉斷失效力的影響，將試驗基布根據其所屬基布層數和擺幅大小按編號分為8 塊，具體分類指標如表1 所示，其中擺幅大小的公差為0.2 mm，無擺幅(擺幅為0)基布即為傳統直線型人造草型對應的基布.

表1 試驗用基布編號1)Table 1 Base fabric number used in test

表1 中的試驗基布均為長18.0 mm、寬7.5 mm的長方形邊緣無針孔的樣品，夾具對其拉伸方向與單針走針方向一致，且拉伸中夾持兩個針孔的長度，并保證夾具邊緣避開基布的孔，以免基布在被夾持的根部斷裂.設定測試前的預緊速度為30 mm/min，預緊力為0.1 N.控制模式為定速度(250 mm/min)拉伸，斷點判定參數采用絕對荷重衰減.試驗前后直線型與Z 字型的基布形態比較如圖7 所示.

圖7 拉伸試驗前后直線型與Z 字型的基布形態比較Fig.7 Comparison of base fabric shape between line-shaped and Z-shaped before and after tensile test

從圖7(a)可知，Z 字型基布能顯著改善基布針孔分布的均勻程度.當直線型基布受拉失效時，基布上留下了顯著的斷裂痕跡(見圖7(b));而Z 字型基布受拉失效后，樣品整體起褶皺，受破壞情況均勻，無斷裂破壞現象(見圖7(c)).

圖8 基布的變形失效對比Fig.8 Comparison of base fabric deformation

8 塊基布試樣的變形失效(拉伸力F 與時間的關系)對比如圖8 所示.由圖可知，Z 字型樣品基布的最大拉伸力均大于無擺幅的直線型基布，基布3、7 的承載能力相對最好.在第1 層基布中，基布3 的最大拉伸力為891N，與基布1 的629N 相比，提升了41.7%;在第2 層基布中，基布7 的最大拉伸力為1009 N，與基布5 的637 N 相比，提升了58.4%.從圖8 還可以得出:過大的Z 字型擺幅(基布4、8)并不能提高基布的最大拉伸力，且擺幅越大，對應的基布背草面用草線越多，成本越高，因此對于行距為19 mm(3/4 英寸)的人造草坪，當Z 字型擺幅約為6.3mm，即為人造草坪行距的一半時，基布的承載能力最好，且成本合理.

5 結論

文中研制了一種基布橫動裝置，即在傳統生產方式的基礎上，添加新動作，以實現Z 字型人造草坪成形技術;然后基于虛擬樣機技術，用Solidworks軟件建立了織草機的三維模型，并針對主要研究對象對虛擬樣機模型進行運動仿真，通過空機運行實驗驗證了運動仿真結果.

文中提出了兩種調整Z 字型擺幅的方案，并對橫動針輥固定擺幅下基布橫動機構與原主軸系統的運動配合關系進行研究，考察Z 字型技術對基布抗拉性能的影響.結果表明:運動配合關系對Z 字型擺幅大小起決定性作用;Z 字型技術可提升基布的橫向抗拉能力，且Z 字型擺幅大小對基布承載能力的影響較大，擺幅一般不應大于行距的一半，當擺幅約為行距的一半時，基布的承載能力最好.

［1］包永霞，滿達，李聰，等.天然草與人造草混合系統草坪運動質量性狀研究［J］.草地學報，2012，20(1):37-41.Bao Yong-xia，Man Da，Li Cong，et al.Researches on the sport quality of natural-artificial turf ［J］.Acta Agrestia Sinica，2012，20(1):37-41.

［2］Ball Kevin，Hrysomallis Con.Synthetic grass cricket pitches and ball bounce characteristics［J］.Journal of Science and Medicine in Sport，2012，15(3):272-276.

［3］Kolgjini B，Schoukens G，Kiekens P.Influence of stretching on the resilience of LLDPE monofilaments for application in artificial turf ［J］.Journal of Applied Polymer Science，2012，124(5):4081-4089.

［4］Toshiyasu Kinari.Weaving machinery and its relatedtechnologies ［J］.Journal of Textile Engineering，2007，53(2):43-52.

［5］Jr Hyatt Richard G，Trent Douglas E.Electronic cam assembly:United States，US6209367 B1［P］.2001-04-03.

［6］Omron Corporation.Method of controlling electronic cam and servo motor control system:Japan，EP20050024936［P］.2006-05-24.

［7］Christman W M，Jr Hall W.System and method for forming tufted patterns:United States，US7634326 B2 ［P］.2009-12-15.

［8］張少平，丁彩紅，孫以澤.基于Matlab 的地毯簇絨機橫動等徑凸輪設計［J］.東華大學學報:自然科學版，2007，33(5):629-632.Zhang Shao-ping，Ding Cai-hong，Sun Yi-ze.Design of transverse movable conjugate yoke radial cam of tufting carpet machine based on Matlab［J］.Journal of Donghua University:Natural Science，2007，33(5):629-632.

［9］阮岑，孟婥，楊延竹.地毯簇絨裝備橫動提花方法的研究［J］.機械設計與制造，2008(12):124-126.Ruan Cen，Meng Chuo，Yang Yan-zhu.Study on pattern transverse motion controlling system of tufting machine［J］.Machinery Design ＆ Manufacture，2008(12):124-126.

［10］Cobble International Corporation.Cobble tufting machine service manual ［M］.California:Cobble International Corporation，2011:31-33.

［11］程杭杭.地毯簇絨機簇絨針傳動機構動力學分析［J］.制造業自動化，2012，34(6):117-119.Cheng Hang-hang.Dynamical analysis of drive mechanism within a carpet tufting machine［J］.Manufacturing Automation，2012，34(6):117-119.

［12］Ji Liang，Chen Degui，Liu Yingyi，et al.Analysis and improvement of linkage transfer position for the operating mechanism of MCCB［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(1):222-227.

［13］Son Hungsun，Choi Hae-Jin，Park Hyung Wook.Design and dynamic analysis of an arch-type desktop reconfigurable machine ［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2010，50(6):575-584.

［14］田志祥，吳洪濤.閉環雙臂空間機器人的動力學建模與仿真［J］.華南理工大學學報:自然科學版，2011，39(8):42-47.Tian Zhi-xiang，Wu Hong-tao.Dynamic modeling and simulation of closed-loop dual-arm space robots ［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2011，39(8):42-47.

［15］Chang Kuang-hua.Computer-aided modeling and simulation for recreational waterslides ［J］.Mechanics Based Design of Structures and Machines，2007，35(3):229-243.