電磁力驅(qū)動(dòng)片梭雙向引緯投梭機(jī)理研究及試驗(yàn)系統(tǒng)

1、電磁力驅(qū)動(dòng)片梭雙向31緯投梭機(jī)理研究及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)雷小龍，吳曉光，張弛，朱里，萬(wàn)道玉，劉洋（武漢紡織大學(xué)機(jī)械學(xué)院）摘要：本文主要探討建立鐵磁性片梭在電磁場(chǎng)中受磁力的數(shù)學(xué)模型，以及研究相應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)。首先介紹了的片梭在磁場(chǎng)中受力的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式；然后，基于片梭工作的實(shí)際環(huán)境給出其簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行了討論。實(shí)驗(yàn)表明在低電壓狀態(tài)下電磁投梭的出口速度為8.62m/s ,證明了電磁力驅(qū)動(dòng)投梭機(jī)理的可行性。關(guān)鍵詞：電磁投射，片梭織機(jī)，雙向引緯0.研究目的與意義及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀織機(jī)按其編織工藝原理可分為有梭織機(jī)與無(wú)梭織機(jī)1。有梭織機(jī)通過(guò)引緯梭子往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)與經(jīng)紗交替變換動(dòng)

2、作，完成經(jīng)緯紗線編織。無(wú)梭織機(jī)則由機(jī)械式引緯器或以流體為介質(zhì)（如空氣或水射流）作為引緯線器，存緯功能由其它輔助裝置實(shí)現(xiàn)。無(wú)梭織機(jī)主要包括片梭織機(jī)、劍桿織機(jī)、噴氣及噴水織機(jī)等，2012年中國(guó)上海紡織機(jī)械博覽會(huì)的三種無(wú)梭織機(jī)主要參數(shù)如表1所示。表1三神典型的無(wú)梭織機(jī)主要參數(shù)表參數(shù)名稱(chēng)劍桿織機(jī)噴氣期機(jī)片梭期機(jī)織機(jī)扁應(yīng)119-5 4m威高車(chē)速700rprtl1500 中 m宏南詐速SWhpm5OO7OOrpm族而入緯率UOOnvmiii2000m'minI200rn/uiin實(shí)用人緯累7001200m.'m in900-7 800*111 in7001 lOOm/min紗絨類(lèi)型2000

3、11 tex97-9.7tex2000-4tex注：tex（特克斯），又稱(chēng)“號(hào)數(shù)”，是指1000米長(zhǎng)紗線在公定回潮率下重量的克數(shù)，克重越大紗線越粗。本文研究對(duì)象為一種應(yīng)用于新型電磁力驅(qū)動(dòng)片梭織機(jī)上的雙向引緯投梭機(jī)理，它能夠有效的提高片梭織機(jī)的引緯率以及降低工作能耗，為新一代電磁驅(qū)動(dòng)型雙向引緯片梭織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)參數(shù)以及數(shù)據(jù)支持。21.鐵磁性片梭電磁投射的基本原理基于簡(jiǎn)化的勵(lì)磁模型，線性、各項(xiàng)同性的鐵磁片梭在磁場(chǎng)中所受的磁場(chǎng)力體積力密度 為:磁場(chǎng)力體積力密度矢量; 電流密度矢量； 磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量；磁場(chǎng)強(qiáng)度； 介質(zhì)的磁導(dǎo)率； 介質(zhì)的體積密度；式中第一項(xiàng)為洛倫茲力，第三項(xiàng)用來(lái)表征磁致

4、伸縮現(xiàn)象。對(duì)于線性、各向同性的鐵磁介質(zhì)，可以認(rèn)為介質(zhì)的磁導(dǎo)率只與其體積密度有關(guān)。式（1）中的磁場(chǎng)力體積力密度為矢量形勢(shì)，將其分解成沿直接坐標(biāo)的三個(gè)分量，經(jīng)推導(dǎo)可得所受磁場(chǎng)力體積力密度在X方向上的分量為：(2)所以片梭整體受到前進(jìn)方向上的電磁力為(3)式中，V為片梭的體積。因?yàn)樵谄笸鈱哟嬖诩w效應(yīng)， 如圖所示，所以片梭內(nèi)部H與B都無(wú)法得到一個(gè)解析解,只能通過(guò)有限元的方式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。圖1有片梭情況下線圈內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖2有片梭情況下線圈內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度分布根據(jù)公式（1）可知為了使片梭受到的電磁推力最大，需要盡可能的提高線圈 內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度，以及采用導(dǎo)磁率較高、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較大的鐵

5、磁性材料制作片梭。2 .影響磁場(chǎng)強(qiáng)度的相關(guān)因素2.1 線圈內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度公式網(wǎng)如下:磁感應(yīng)強(qiáng)度;真空中導(dǎo)磁系數(shù);線圈圈數(shù);線圈電流大小;另外，和分別如圖3上部所示，L為線圈長(zhǎng)度，圖3下部反映了線圈內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度與片梭ft在線圈中所處位置之間關(guān)系。圖4則通過(guò)軟件繪制出了線圈內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)與位置的關(guān)系。圖3線圈內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度與片梭在線圈中位置關(guān)系L/2-JC圖4線圈內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)與位置的關(guān)系仿真圖由公式（4）可以看出，線圈內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈電流和線圈外形有關(guān)。2.2線圈外形對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響X X圖5多層纏繞線圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖線圈的外徑、內(nèi)徑、線徑、圈數(shù)、長(zhǎng)度等外形參數(shù)都是直接影響線圈電感以及片梭

6、加速效果的因素?？紤]到多層螺旋管線圈的特點(diǎn)，如圖所示，將公式（4）進(jìn)行推廣，公式變化 為:(5)線圈內(nèi)徑;線圈外徑;線圈長(zhǎng)度;從式中可以看出，適合的線圈外形參數(shù)， 是決定線圈內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度、 片梭發(fā)射效果的重要因素。2.3線圈投射機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)電路模型圖6機(jī)構(gòu)電路簡(jiǎn)圖圖7線圈與片梭示意圖由機(jī)構(gòu)電路簡(jiǎn)圖可列出電壓回路方程為:又因?yàn)榻?jīng)整理可得(6)這就是線圈投射片梭時(shí)從電路分析的角度所得到的整個(gè)線圈電路應(yīng)滿(mǎn)足的微分方程。此，可以計(jì)算出電流隨時(shí)間變化方程為:(7)電容的初始電壓；電路的震蕩衰減角頻率衰減系數(shù);從式中可以看出，采用較大的電容，能有效延長(zhǎng)電流峰值時(shí)間，提高發(fā)射效果。電感量的增加會(huì)顯著降低片梭的

7、出口速度和效率，主要原因是電感量的增加會(huì)降低電流的數(shù)值，片梭的受力和電流的平方成正比，所以，電感量的增加會(huì)顯著降低片梭的發(fā)射速度。但是，在線圈電流相同的情況下， 電感值較大的線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，這樣片梭的受力越大,因此在兩者之間存在一個(gè)平衡點(diǎn)。這將是進(jìn)一步研究所要探討的內(nèi)容。»11 I* am 晶 ”岫“嬴g R圖8不同電容值對(duì)應(yīng)的電流-時(shí)間圖像圖9不同電感值又t應(yīng)的電流-時(shí)間圖像3 .電磁力驅(qū)動(dòng)片梭雙向引緯投梭機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 實(shí)驗(yàn)裝置組成在上文中，對(duì)電磁力驅(qū)動(dòng)片梭引緯投梭既進(jìn)行了理論上的分析， 為了驗(yàn)證其分析的正確 性，搭建了相應(yīng)的理論驗(yàn)證平臺(tái)。 由于屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，

8、 因此采用低電壓等級(jí)的電容器作為 儲(chǔ)能電容器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖10實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖圖11電容圖既1130 033G仇11個(gè)電容值為實(shí)驗(yàn)電路主要由發(fā)射部分及控制部分組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電路部分由10000uf,充電電壓為48V的并聯(lián)電容以及匝數(shù)為2652匝，電感為0.112H的線圈作為核心部件構(gòu)成。考慮到電容組向線圈放點(diǎn)時(shí)形成的瞬時(shí)電流很大，若采用普通機(jī)械開(kāi)關(guān)不僅會(huì)出現(xiàn)合閘機(jī)械抖動(dòng)，而且有可能會(huì)導(dǎo)致觸頭燒蝕粘合，因此在本實(shí)驗(yàn)電路中采用固態(tài)繼電器來(lái)開(kāi)放線圈回路。而對(duì)固態(tài)繼電器的控制則采用單片機(jī)進(jìn)行控制，避免了上述問(wèn)題。圖12固態(tài)繼電器圖13電磁繼電器3.2 傳感器及實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)前述的理論及實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用長(zhǎng)度為12cm長(zhǎng)，15g重的圓柱形鐵梭作為片梭的替代品。傳感器則選用霍爾式傳感器，檢測(cè)到通道中的金屬后，輸出低電平。由于傳感器的工作電壓為 12V,而單片機(jī)只能接受或者發(fā)送5V的信號(hào)。因此在此傳感器與單片機(jī)之間添加光耦，起到隔離電路的作用。將傳感器發(fā)送的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)， 再轉(zhuǎn)換為低壓的電信號(hào)，從而使單片機(jī)端口接收到信號(hào)。并經(jīng)過(guò)處理后，得到最終的出口速度為8.62m/s,驗(yàn)證了電