基于电磁发射的超宽门幅自动织机引纬机构设计方法

徐 巧， 闫文军， 梅顺齐， 张智明

(1. 武汉纺织大学 机械工程与自动化学院， 湖北 武汉 430073； 2. 湖北省数字化纺织装备重点实验室， 湖北 武汉 430073)

引纬机构是自动织造装备的核心。针对不同的需求，研究者已研究出许多种引纬机构。如：针对立体织机的采用计算机控制伺服电动缸驱动的变动程引纬[1]；针对机织小样机的绳牵引磁梭引纬，采用磁力驱动技术，用钢丝绳牵引磁梭吸附着装有纬纱管的引纬梭往复运动，完成引纬[2]；针对有梭织机投梭方式的缺陷，依据磁电引纬推进器的原理，设计的磁电式引纬装置[3]。这些引纬方法及其机构实质上仍然是基于有梭引纬原理，只是改变了梭子的推进方式。此外，气动驱动剑杆引纬，微小型梭子引纬和利用纬纱惯性引纬等方法还处于探索阶段[4]。

随着航空航天、新型建筑材料等战略新兴产业的发展，产业用纺织品的需求持续增长，以超宽门幅自动织机为典型代表的高端产业用纺织品自动织造装备的需求日益迫切。对于超宽门幅纺织品的织造来说，这些引纬方式在原理上存在局限性，导致引纬飞行长度即织机门幅宽度受到限制，难以达到超宽门幅(如12 m及以上)的要求，因此，对于主要用于织造产业用纺织品的超宽门幅自动织机来说，现有喷气、喷水、剑杆、片梭等引纬方式已难以满足其需要。如何实现超宽门幅高速自动织机的稳定、可靠、高速引纬是产业用纺织品高速织造装备迫切需要解决的难题。

近几年来，电磁发射技术发展迅速，可以超高速，甚至可达50 km/s，将物体发射出去，在炮弹发射、导弹发射、舰载飞机弹射、航天发射及交通运输等领域得到广泛应用，在民用工业领域也显示出广阔的应用前景[5-6]。

本文通过分析织机引纬工艺要求，根据超宽门幅织物对引纬机构的特殊需要，提出一种电磁发射引纬方法，研究电磁发射引纬机制，实现超宽门幅织机的可靠、高速引纬。

1 电磁发射引纬原理及工艺参数

1.1 电磁发射引纬机构

引纬的作用是使夹纬器以足够高的飞行速度夹持纬纱飞过梭口，使纬纱与经纱交织成织物，是织机的关键机构之一，是织机设计的核心。超宽门幅织机的门幅比普通织机宽，要求夹纬器飞行速度高，对引纬机构的要求更高。本文提出的超宽门幅织机电磁发射引纬机构的工作原理如图1所示。夹纬器3夹持来自纬纱筒子1上的纬纱5 经张力器2、电磁发射装置4获得最大飞行速度。夹纬器3飞行轨迹可在较长距离内保持近似直线，从而使纬纱顺利飞过梭口，实现长距离(超宽门幅)的引纬。夹纬器由制动接收座制动后经回收装置、输送装置、推送装置回到引纬初始位置。

1—纬纱筒子；2—张力器；3—夹纬器；4—电磁发射装置；5—纬纱；6—经纱；7—制动接收座；8—回收装置；9—输送装置；10—推送装置。图1 电磁发射引纬机构原理图Fig.1 Electromagnetic launch weft insertion process

1.2 超宽门幅织机引纬机构工艺参数确定

目前剑杆、片梭、喷气和喷水引纬技术发展迅速，在现代自动织机上得到普遍应用。其中：剑杆织机、喷气织机织造产业用织物(土工用布)时，门幅可达5.4 m左右[7]；片梭织机适应性更好，门幅更宽，可达5.4 m以上[8]，受引纬速度的限制，织机门幅越宽，织机的最高转速越低，如SulzerP7300系列片梭织机，门幅为1.9 m时最高转速为450 r/min，门幅为5.4 m时最高转速为290 r/min。依据纺织机械“十三五”发展规划和目前对产业用超宽织物织机的市场需求，参考片梭织机Sulzer-P7300HP的结构性能参数，本文所研究的超宽门幅高速织机的初步设计参数为：门幅12 m，最高转速200 r/min，夹纬器质量22 g，夹纬器飞过梭口所占的主轴转角120°。

1.3 电磁发射引纬机构运动模型

根据织机门幅、织机速度、夹纬器飞行时间以及夹纬器飞行过程中的速度损失率等来计算夹纬器的最大飞行速度[9]:

(1)

忽略空气阻力，电磁发射装置的发射推力是夹纬器水平方向运动的唯一作用力，夹纬器获得的最大飞行速度必须依靠电磁发射力作功，根据能量守恒定律，夹纬器的运动模型为：

(2)

(3)

(4)

式中：F为夹纬器受到的轴向电磁力，N；m为夹纬器质量，kg；l为夹纬器加速距离，m；a为夹纬器运行的加速度，m/s2。

2 电磁发射引纬机构设计方法

2.1 电磁发射装置设计方案

根据电磁发射装置结构特点，电磁发射技术一般分为3类：导轨型、线圈型和重接型。不同结构类型的电磁发射装置存在不同的优缺点，有不同的适用范围[10]。导轨型电磁发射技术的研究开展较早，技术相对成熟，发射速度极高，但是对电流的要求很大，而且对轨道烧蚀、磨损比较严重；线圈型电磁发射技术加速力大，需要的电流较小，可实现发射物体无接触无摩擦运动，能量利用率较高，但是对于其发射线圈通断电的时间点的控制非常复杂；重接式电磁发射技术的研究工作开展较晚，具有无接触、无摩擦、无烧蚀的优点，但是其还处于理论研究初期，对被发射物体的形状有要求[11]。图2示出线圈型和导轨型电磁发射引纬的结构示意图。考虑到超宽门幅自动织机的引纬机构发射速度在千米级以下，夹纬器质量百克以下，超宽门幅自动织机生产过程受结构空间限制，初步确定超宽门幅自动织机电磁发射引纬机构采用线圈型电磁发射结构。

图2 2种不同结构的电磁发射引纬示意图Fig.2 Two different structures of electromagnetic launch weft insertion mechanism.(a) Coil type; (b) Rail type

2.2 线圈型电磁发射引纬机构的工作过程

线圈型电磁发射引纬机构主要由电源、发射线圈、轨道、夹纬器、传感器、开关等组成,如图3所示。

图3 线圈型电磁发射引纬机构组成Fig.3 Mechanism composition of coil electromagnetic launch weft insertion

线圈绕制在发射轨道上，线圈端面入口处装有传感器，轨道起导向和保护线圈的作用，线圈电磁发射装置将夹持纬纱的夹纬器发射出去，夹纬器夹持纬纱飞过经纱和纬纱形成的梭口，纬纱飞行轨迹可在较长距离内保持近似直线，从而使纬纱顺利飞过梭口，实现长距离(超宽门幅)的引纬运动。

夹纬器选用铁磁性材料，其磁化强度大于零,根据电磁学理论可知:在电磁场作用下，铁磁性夹纬器会朝较强的磁场方向移动，发射线圈中部磁场强度最大，夹纬器在发射线圈电磁力的作用下向线圈中部运动。夹纬器中点在达到发射线圈轴线中点前受到电磁吸力作用而被加速，越过发射线圈轴线中点后，夹纬器受到反方向吸力作用，相对于夹纬器的运动而言是阻力，如果在夹纬器中点到达发射线圈轴线中点时停止供电，就可保证夹纬器在发射线圈后半部分运动时不受电磁阻力作用，以获得最大的出口速度。线圈长度与夹纬器长度一样，线圈入口处安装传感器，精确控制发射线圈通、断电时间。

3 引纬电磁力分析计算

3.1 发射线圈内部磁场感应强度分析

电磁发射引纬机构的主要部件之一是发射线圈，发射线圈内部磁感应强度分布直接影响电磁力分布，影响夹纬器的运动性能，发射线圈的截面图如图4所示。

图4 电磁发射线圈内部磁场分析模型Fig.4 Internal magnetic field analysis model of electromagnetic launcher coil

M(x,y)为线圈内部任意点，线圈内外半径分别为r1、r2，总长为2L，电流强度为I，匝数为N，连续电流分布时的电流密度为j，j=NI/[2L(r2-r1)]。根据电磁学理论中的毕奥-萨伐尔定律，发射线圈内部轴向磁感应强度[12]为

(5)

式中：Bx为发射线圈内部轴向磁感应强度，T；μ0为真空磁导率，其值为4π×10-7Wb/(A·m)；j为电流密度，A/m2；r1、r2分别为发射线圈内半径和外半径,m；L为半个发射线圈长度，m。

3.2 引纬电磁力分析与计算方法

3.2.1工程解析法

夹纬器在发射线圈磁场中被磁化后，材料内部存在磁化电流，磁化电流体密度为δV；材料表面存在表面磁化电流，表面磁化电流面密度为δS。计算公式为：

δV=×M

δS=-n×M

线圈磁场对夹纬器的作用力[13]为：

(6)

式中：B=B0+BM,B为磁感应强度,T；B0为空心线圈通电后线圈内部的磁感应强度,T；BM为夹纬器磁化后产生的磁感应强度,T；S为线圈磁场与夹纬器作用面的面积，m2。

对于各向同性的介质有：

式中：μ0真空磁导率，其值为4π×10-7Wb/(A·m)；μr为介质相对磁导率。

经矢量运算可得

由矢量梯度积分公式可得

(7)

由于铁磁材料的相对磁导率μr≫1，磁场力工程解析计算简化为

(8)

3.2.2有限元法

电磁力的计算主要采用数值分析方法，如有限元法、有限差分法等，有限元计算方法较多，其中麦克斯韦应力张量法和虚位移法是常用方法。

3.2.2.1麦克斯韦应力张量法 磁场力作用下磁介质上的体积力f=T。磁介质在磁场中受到的作用力为磁介质的体积；SL为包围磁介质的任意闭合曲面；T为麦克斯韦应力张量，是一个二阶张量。其中的元素Tij=HiBj-δijwm。δij为Kronecker算子，wm为磁共能密度。计算公式分别为：

式中，H为磁场强度，A/m。

积分路径对麦克斯韦应力张量法计算精度影响较大，合理选取积分路径对这个方法十分重要[14]。

4 计算与仿真分析

根据设计参数，若夹纬器速度损失系数k取1.05，根据式(1)、(2)给出的计算模型，夹纬器的最大飞行速度vmax、电磁力所作的功W与织机门幅的关系曲线如图5所示。门幅为12 m的织机引纬夹纬器最大飞行速度为126 m/s，所需电磁力作功为174.64 N·m。

图5 最大飞行速度和电磁力所作的功与织机门幅的关系Fig.5 Relationship between maximum flight speed and work of electromagnetic force and width of loom

电磁发射引纬机构关键结构工艺参数为：夹纬器长度90 mm，夹纬器宽度14 mm，夹纬器厚度6 mm，夹纬器选用高饱和磁化强度的软磁材料D23，其磁感应强度B与磁场强度H曲线如图6所示。发射线圈长度为90 mm，线圈内径为16 mm，线圈选用直径为2.2 mm的漆包线,线圈匝数为1 204。

图6 材料D23的B与H曲线Fig.6 B-H curve of D23 material

根据前面的分析计算，当通电电流I为40 A时，引纬电磁力满足设计要求。根据式(5)，空心发射线圈轴线(y=0)磁感应强度B0、依据工程解析法发射时线圈内部轴线磁感应强度B和夹纬器受到电磁力F分布情况如图7所示。

图7 发射线圈内部轴线磁感应强度分布和电磁力Fig.7 Magnetic induction distribution and electromagnetic force of internal axis of launcher coil

夹纬器在发射线圈轴线上不同位置的磁感应强度和电磁力大小见表1。表中0表示夹纬器前端到达发射线圈轴线中点。

综上可知：在发射线圈轴线端部磁感应强度较小，电磁力也较小；靠近发射线圈轴线中点附近磁感应强度最大，电磁力也最大；线圈中部近似为均匀磁场。根据铁磁材料在磁场中的受力特性，发射线圈不宜太长。

表1 采用工程解析法计算的不同位置磁感应强度与电磁力Tab.1 Magnetic induction and electromagnetic force in different positions calculated by engineering analytic method

电磁发射引纬机构的实际工况比较复杂，铁磁夹纬器材料磁化的非线性和磁饱和性使磁场分布更加复杂，通常采用数值计算方法进行分析计算。采用ANSYS有限元磁场分析对发射线圈磁场进行仿真，夹纬器端面到达发射线圈轴线中点(y=9 mm)时仿真结果如图8所示。

图8 y=9 mm时磁场和电磁力仿真结果Fig.8 Magnetic field and electromagnetic force simulation while y=9 mm.(a) Finite element mesh division; (b) Distribution of magnetic force lines; (c) Electromagnetic force simulation

由于夹纬器材料为铁磁物质，夹纬器运动过程中会影响发射线圈磁场分布，夹纬器经过时，磁力线向铁磁材料的夹纬器聚集，夹纬器所在空间磁感应强度会显著增强，电磁力也显著增大，磁感应强度最大可达3.23 T。采用虚功法计算得到的电磁力最大可达-376.26 N，采用麦克斯韦应力张量法计算得到的电磁力为-243.45 N，负号表示吸力。

根据以上仿真方法，可得出夹纬器不同位置所受电磁力(见表2)。电磁发射引纬机构的结构具有轴对称性，建模时采用1/2对称模型，电磁力仿真计算结果乘以2才是夹纬器所受的电磁力。

表2 采用有限元法计算得到的不同位置磁感应强度与电磁力Tab.2 Magnetic induction and electromagnetic force in different positions calculated by finite element method

从表2可看出：夹纬器受电磁吸引力作用，夹纬器前端处于发射线圈中点附近时电磁力较大，夹纬器前端处于发射线圈端部附近时电磁力较小。

采用工程解析法、麦克斯韦应力张量法、虚功法计算得到的单级线圈发射电磁力做功分别为38.41、41.64、26.03 N·m。可看出：麦克斯韦应力张量法计算电磁力对积分路径的选取较为敏感，一般与虚功法计算结果有较大差距；工程解析法的计算结果与虚功法较为接近，具有很好实用参考价值。

为保险起见，本文按麦克斯韦应力张量法计算的功进行校核，以麦克斯韦应力张量法计算得到的电磁力做功最小，为26.03 N·m。增加发射线圈级数即可增加电磁力做功，7级线圈发射做功为182.21 N·m，可满足超宽门幅织机引纬174.64 N·m的要求。

5 试验模型

为了验证本文设计方法，搭建了电磁发射引纬机构的缩小版试验模型，如图9所示。图中电磁发射线圈共有7级，单级发射线圈长度为17.6 mm，线圈内径为6 mm，线圈选用直径为1.1 mm的漆包线，线圈单层匝数为16，绕6层，单级发射线圈匝数为96。

图9 试验模型Fig.9 Experimental model

依据本文计算模型和方法，通电电流I为6 A，发射质量约为2 g的硅钢条，采用不同方法计算得到的电磁力做功和最大飞行速度见表3。最大飞行速度的测量值见表4。

表3 采用不同方法计算的电磁力做功和最大飞行速度Tab.3 Work of electromagnetic force and maximum flight speed calculated by different methods

表4 最大飞行速度的测量值Tab.4 Measured maximum flight speed

从表3、4可知：测量值与理论计算值比较接近。其中：工程解析法和虚功法的计算结果接近，与测量值相比，整体偏大，误差在9.7%～13.4%之间；麦克斯韦应力张量法的计算结果与测量值相比，整体偏小，误差在5.5%～9.5%之间。如前所述，工程解析法具有实用参考价值，计算结果与测量值相比整体偏大的原因主要有2点：1)硅钢条的实际磁化与理想磁化有差距，实际磁化值比理想磁化值偏小；2)理论计算模型中忽略了空气阻力。

由上述分析可看出，通过本文试验模型的测量值与计算值的分析比较，验证了所提出的电磁发射引纬的方案是可行的，本文关于电磁发射引纬机构的设计和分析计算方法是正确的；同时，为了达到超宽门幅织机电磁引纬所需的最大飞行速度，可以通过增加线圈匝数，增加发射线圈级数或增大电流等措施来实现，如前文分析计算所示，线圈匝数为1 204，通电电流为40 A，7级线圈发射做功达到182.21 N·m时，可满足超宽门幅织机电磁引纬的需要。

6 结束语

本文根据超宽门幅自动织机对引纬运动的要求，设计了一种新型的基于电磁发射的引纬机构。该引纬机构采用线圈型电磁发射装置发射夹纬器，实现超宽门幅自动织机的引纬运动。建立了超宽门幅自动织机夹纬器最大飞行速度的计算模型；分析了超宽门幅自动织机电磁发射引纬机构的磁场特性，以工程解析法和数值有限元法分析夹纬器受到的电磁力；基于电磁发射的引纬机构突破传统引纬机构对织机门幅的限制，可通过调节电流控制电磁力大小和增加发射线圈级数，以适应不同织机速度和不同织机门幅对引纬运动的要求，实现引纬可控。本文提出的电磁引纬机构设计方法可为产业用超宽门幅自动织机的开发及其智能化提供理论参考。

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