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纱线束横向动态振动特性仿真与实验

更新时间:2016-07-05

目前高端纺织装备的噪声问题备受关注。簇绒地毯织机是高端纺织装备中的一种,该织机的纱线束路径总长度范围在10~20 m之间,纱线束与多种机件耦合振动及纱线束张力变化引起的振动是簇绒地毯织机噪声源之一。为实现簇绒地毯织机有源降噪,需研究纱线束的动态振动特性。

纱线束属于黏弹性材料,目前国内外学者对梁、弦线的黏弹性动态振动特性研究比较普遍。 Mote[1]研究了轴向运动弦线的非线性振动问题。Koivurova[2]应用Galerkin方法求解轴向运动绳子的非线性横向运动方程。丁虎等[3]对轴向变速运动黏弹性梁的受迫振动响应作了理论建模分析。学者们参考了梁、弦线的研究方法来研究纱线材料的动态振动特性。例如,沈丹峰等[4]选用Kelvin黏弹性本构模型研究织机工作时经纱的振动特性。高晓平等[5]选用三参数本构模型建立纱线束的横向振动模型并分析参数影响的振动特性。以上针对纱线束动态特性的研究主要集中在理论建模方面,在实验研究方面比较欠缺。本文在理论基础上增加了振动测试实验研究,且采用Burger四元件本构模型[6],更加准确表征纱线束的蠕变特性。

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本文详细分析微段纱线束模型的受力情况和运动情况,采用Burger四元件模型建立黏弹性纱线束横向动态振动方程。运用传统的Galerkin方法离散偏微分振动方程,实现时间变量和空间变量的解耦。接着采用四阶Runge-Kutta法对其进行仿真求解。簇绒地毯机提花轮的转速是控制地毯绒高的关键参数。通过OptoMET数字型激光多谱勒测振仪测试不同提花轮转速下的纱线束动态振动频率,并与振动方程数值仿真结果对比分析,验证方程的正确性。

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1 纱线束振动建模与求解

当变形较小时,

1.1 Burger四元件本构模型

纱线束因具有弹性固体与黏性流体二者的特性,称为黏弹性体。一般用弹簧和黏壶特殊组合来表征纺织材料黏弹性特征[8]。Burger四元件模型由Kelvin模型,弹簧和黏壶串联得到,如图1所示。设弹簧弹性常数为E1E2,黏壶黏性常数为η1η2。当该模型受力时,Kelvin模型段的应变为ε1,弹簧E1段的应变为ε2,黏壶η2段的应变为ε3,总变形ε和受到的应力σ的关系方程式为:

(1)

图1 Burger四元件模型 Fig.1 Burger four-element model

当小变形时,Z很小。式(7)简化为:

(2)

根据蠕变的初始条件应用拉普拉斯变换得到恒定应力σc下的蠕变关系式:

1966年,调水入洪泽湖的时间有36个旬,入洪泽湖泵站装机利用小时为8 000 h,入湖平均流量为411 m3/s;由于部分时间洪泽湖水位低于北调控制水位,调水出洪泽湖的时间只有20个旬,主要在11月—5月中旬,出洪泽湖泵站装机利用小时为3 500 h,出湖平均流量为140 m3/s。

Deep Learning是机器学习的一个分支。机器学习(Machine Learning)是专门研究计算机怎样模拟或实现人类的学习行为,以获取新的知识或技能,重新组织已有的知识结构使之不断改善自身的性能的学科。

(3)

式中τ=η1/E1。根据式(3)可看出Burger四元件模型在受到恒应力σc时,其应变由瞬时弹性应变、黏弹性应变、黏性流动应变组成。这表明该模型适用于黏弹性纱线束的建模。

通过对兰科植物分布信息进行研究分析发现,无叶美冠兰Eulophia zollingeri (Rchb. f.) J. J. Smith、大花无柱兰Amitostigma pinguicula (Rchb. f. et S. Moore) Schltr.、长叶山兰Oreorchis fargesii Finet、广东盆距兰Gastrochilus guangtungensis Z. H. Tsi、芳线柱兰Zeuxine nervosa (Lindl. ) Trimen、紫花鹤顶兰Phaius mishmensis (Lindl.et Paxt.) Rchb. f.为贵州兰科植物新分布。

1.2 振动方程的建立

图中横向位移和纵向位移分别为u(x,t)和h(x,t)。由相关文献[5]可知,纱线束的非线性横向振动应变与横向位移的关系如式(4)所示:

图2 微段纱线束运动示意图 Fig.2 Schematic diagram of movement of infinitesimal yarn bundle

为建立纱线束振动方程,取纱线束路径中长度为dx微元模型进行分析。假设纱线束密度为ρ,横截面积为A,初始张力为F,轴向速度为v,纱线束变形后长度为ds。微段纱线束运动示意图见图2。

(4)

假设运动纱线束单位体积线性阻尼系数为c,纱线束受到的线性阻尼力与其任意一点的速度成正比,因此微段纱线束在X方向和Y方向受到的阻尼力分别为纱线束受力如图3所示。

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图3 微段纱线束受力示意图 Fig.3 Forces acting on infinitesimal yarn bundle

将纱线束的横向振动方程的解u(x,t)展开成级数形式的函数(式(13)),其中qi(t)为纱线束的广义位移函数,为纱线束振动的试函数。

(5)

图4示出微段纱线束的夹角与位移关系。可看到:当微段纱线束夹角θ很小时,sinθθ,cosθ≈1。

图4 微段纱线束的夹角与位移关系图 Fig.4 Relationship between angle and displacement of infinitesimal yarn bundle

纱线束在运动过程当中受到张力激励发生振动,由于纱线束具有黏弹性,纱线束的振动不同于刚体振动,需选择合适的本构方程。章宇等[7]的纱线蠕变实验表明Burger四元件本构模型可最佳表征纱线黏弹性。根据纱线束的微段几何模型得到纱线束应变与位移的关系。通过牛顿第二定律建立纱线束的运动方程,数值求解振动方程及实验测试纱线束振动频率。

(6)

令式(6)中的式(6)的分母根据二项式展开可以得到:

酒店企业文化,就是酒店根据自己的特点,为达到一个共同认可的目标,为酒店的生存和发展而树立的一种价值取向。它是以酒店价值观为核心的诸多内容组成的有机统一体,包括精神、观念、作风、习惯、行为准则等。我国酒店业对企业文化重视不够,没有形成主体的企业价值观。我国与发达国家的差距,从职业的热爱程度讲,存在较大的差距。酒店业无论是经理人员,还是普通员工,多数都缺乏“职内满足感”,没有发自内心地把酒店工作当作一种事业来热爱,归根结底是缺少企业文化的熏陶,没有形成主体的价值观。

(7)

根据式(1)可解得Burger四元件模型本构方程:

(8)

根据式(6)、(8)可以得出:

(9)

本文只研究纱线束的横向动态振动特性。在1.2节中,已确定纱线束最优黏弹性本构模型为Burger四元件模型。将式(2)、(4)代入式(11)中的第2个方程,得到纱线束的横向动态振动方程(12):

(10)

将式(9)和(10)代入方程式(5)可以得到纱线束的横向和纵向运动方程:

(11)

纱线束在发生振动时,纱线束上某点X方向和Y方向的速度分别为:

(12)

1.3 振动方程求解

1.2节中得到的振动方程属于偏微分方程,求解较困难。可采用Galerkin法[9]将偏微分方程式(12)离散为常微分方程。然后采用Runge-Kutta方法对方程进行数值求解,可得到纱线束振动的时域图。最后采用快速傅里叶变换(FFT)[10],将时域图转换为频谱图,从而得到纱线束的振动频率。

由于微段纱线束的重力远远小于纱线束的张力和阻尼力,故忽略纱线束的重力影响。根据纱线束在X方向和Y方向受力平衡,应用牛顿第二定律,纱线束运动方程为:

(13)

且将式(13)代入式(12),在等号的两边同时乘以权函数,其中i=1,2,3,…,n。取权函数和试函数相同,并在方程的两边在区间[0,l]内对t进行积分,l为纱线束的长度。由于方程比较复杂,取Galerkin一阶截断,即n=1,得到的常微分方程式为:

(14)

2 数值仿真

以东华大学机械工程学院实验室簇绒地毯织机上的一段纱线束为理论研究对象,该段纱线束长度为0.36 m,纱线束线密度为300 tex,纱线束的体积质量为920 kg/m3。假定簇绒地毯纱线束截面为圆形,根据纱线束线密度和体积质量可计算出横截面积为3.3×10-6 m2,阻尼系数为0.1。Burger四元件模型参数E1=2.597 7×10-4N/m2E2=4.537 4×10-5 N/m2η1=0.013 6 N·s/m2η2=0.331 4 N·s/m2

簇绒地毯织机通过控制纱线束的张力来控制地毯的绒高,当改变提花轮的转速时,纱线束的张力就会发生变化,进而获得不同的高度的绒圈[11]。当提花轮的转速分别为0.190、0.211、0.231 r/s时,采用日本SHIMPO的DTMX张力计量器对从提花轮牵引出来的纱线段的动态张力值进行测试,取其平均值,结果如表1所示。

表1 不同提花轮转速下的纱线束张力值 Tab.1 Yarn bundle tension values at different jacquard wheel speeds

提花轮转速n/(r·s-1)纱线束轴向速度v/(mm·s-1)纱线束张力值F/N0.19050.710.0700.21156.300.0540.23161.800.032

将参数代入振动方程式(14),采用本文提供的求解方法可得到纱线束的振动时域图。通过快速傅里叶变换可得到纱线束在不同速度和张力参数值下的幅频图,如图5所示。由图分析可知纱线束在设定的参数条件下振动频率为23.72、20.66、14.25 Hz。

近几年,我国国内外上市企业增多,使得企业内部控制和企业价值之间的关联度也受到了广泛关注。值得一提的是,企业治理不严往往会造成内部控制的失衡,使得企业出现严重的经济损失,公司价值下降,也会对企业生存和发展产生影响,对投资者造成损害。基于此,要夯实企业价值,就要从企业高层管理素质和内部控制等多方面落实系统化监管规划。

图5 不同提花轮转速下纱线束仿真信号幅频图 Fig.5 Magnitude spectra of yarn bundle simulation signal at different jacquard wheel speeds

3 实验分析

为验证振动方程的准确性,本文通过实验测试纱线束的横向振动频率。当簇绒地毯织机提花轮的转速分别为0.190、0.211、0.231 r/s时,分别采用OptoMET数字型激光多谱勒测振仪非接触测试从提花轮牵引出来的纱线束的动态横向振动速度信号。使用 DHDAS控制与分析软件采集实验数据,采样频率为512 Hz。图6示出实验现场。可见激光测振仪的激光打在纱线束上,激光测振仪能量柱高度已超过三分之一,说明采集的数据灵敏度比较高。

图6 实验现场图 Fig.6 Experimental site map.(a) Tested yarn bundle;(b) Laser vibration meter

采用快速傅里叶变换处理实验采集的时域信号得到该时域信号的幅频图,如图7所示。当提花轮在不同转速下时,测得的实验信号的振动频率也不一样,结果见表2。分析图7和表2可知纱线束在相同提花轮转速的情况下,在同一位置的实验信号的幅频图中可找到与仿真信号相对应的频率峰值。且实验测试所得的纱线束横向振动频率最大峰值基本为仿真频率的2倍频。故仿真信号为纱线束理想状态下的基频,纱线束实际最大振动频率一般为纱线束基频信号的倍频。从而可以证明本文提出振动方程的正确性,可用此方程来分析纱线束的振动特性。结合表1和表2可看出,随着提花轮转速变小的情况下,纱线束的轴向运动速度v也随着减小,纱线束的张力值F逐渐变大,纱线束的横向振动频率减小。

图7 不同提花轮转速下的纱线束实验信号幅频图 Fig.7 Magnitude spectra of yarn bundle experimental signal at different jacquard wheel speeds

表2 仿真信号与实验信号对比表 Tab.2 Comparison of simulation signal and experimental signal

提花轮转速/(r·s-1)仿真信号频率/Hz实验信号频率/Hz基频倍频0.19023.7224.0148.590.21120.6621.5543.510.23114.2514.0328.56

4

本文对簇绒地毯织机微段纱线束建立横向动态振动方程,通过实验结果和数值仿真结果对比分析,得到以下结论:

1)使用Burger四元件模型表征纱线束的黏弹性,结合纱线束的几何模型和运动方程可建立纱线束横向振动方程;

(4)企业规模。企业规模对于重污染企业环境行为的影响也可以分为内外两点。从企业内部来看,大规模重污染企业相较于小规模企业更为注重品牌效应,大规模重污染企业往往期望营造出良好的品牌形象,以品牌赢得公众消费者的青睐,这也就是大型重污染企业对于良好的环境行为更加重视的原因。

2)相同参数条件下,方程仿真结果与实验结果约为倍频关系,证明仿真信号是纱线束振动的基频,该振动方程适用于研究纱线束振动特性;

3)数值仿真和实验测试得到的纱线束动态振动频率属于低频段,在簇绒地毯织机的降噪过程中可忽略纱线束的振动噪声。

参考文献

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徐洋,程福荣,盛晓伟,孙志军,余智祺
《纺织学报》 2018年第05期
《纺织学报》2018年第05期文献

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