第一章 绪论
1.1 引言
从世界人造草坪的发展趋势看,人造草坪在现实生活中的作用和覆盖面积是越来越大,而簇绒草坪是当今市场的主流品种,人造草坪的竞争也越来越激烈，其中欧、美、日等发达国家是竞争的热点。[1] 我国的人造草坪产业是市场经济催生的一个新兴的朝阳产业，虽然近年来我国的人造草坪产量一直不断增长,但占世界市场的份额很少,而且主要是中低档产品,中高档产品基本靠进口。人造草坪簇绒装备多年来一直是国内的一项技术空白,虽然近几年来我国在簇绒装备上已经进行了很多研究，但是这些装备现在主要还是依赖从欧美与日本进口，由于进口设备价格昂贵,大多簇绒人造草坪生产厂商选择进口的都不是先进的设备，有的还是二手设备,其生产效率和产品质量都与国外同行业企业有很大的差距。目前国内人造草坪行业竞争日趋激烈,谁拥有先进的设备、优质的产品、低廉的成本,谁就能优先抢占市场份额,从而赢得好的经济效益。但该类设备的自主研发与生产尚处于刚起步的阶段,初步设计的产品与世界同类产品相比较,从各个方面来说,差距都还很大,需要通过大量的研究和实验分析、认证来改进并提高目前所研发的产品的性能,才能缩小与国际先进技术之间的差距,逐步领会该类装备的设计方法。随着经济的不断发展，全球经济逐步实现一体化,人造草坪和人造草坪装备在国际市场中的竞争将进入白热化阶段,拥有完全自主的知识产权的人造草坪织机,这将大大推动我国人造草坪及其生产装备的发展,同时这也有助于打破世界人造草坪、人造草坪装备行业被大国垄断的局面。[3] 为了提高我国的人造草坪的技术水平,降低人造草坪的生产成本,提高人造草坪生产企业的竞争力,实时地提高人造草坪织机的各项技术指标是目前国内人造草坪织机市场的迫切需求。随着人造草坪织机的迅速发展,高速、轻质、高效、低噪声、智能化等已经成为重要标志和发展方向,同时也给人造草坪织机提出了更高的要求,引出一系列动力学方面的新课题。为了满足机械的要求,提高机器动态性能,设计机构时要进行有关平衡的分析与综合和动力学特性的分析与综合工作。本课题所涉及的人造草坪机的关键技术即是东华大学与山东贝尔机械合作的项目—BLT5 数控成套设备的研制的一部分。本课题的研究工作对提高人造草坪的技术,降低人造草坪的生产成本,提高人造草坪的生产效率，提高国内企业的市场竞争力具有指导意义。
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1.2 人造草坪机的国内外研究现状
自 20 世纪 60 年代以来，传统以棉、麻、毛等纤维为原料的簇绒地毯织机开始有了新的发展，化学合成纤维类原料大量取代了传统以棉、麻、毛等纤维，进行地毯的纺织，人造纤维被广泛应用，这其中也包括人造草坪的编织。人造草坪最多的应用于运动场地，其发展历史大约经历了六个小的历程。1962 至 1977 是人造草坪的起始阶段，这时扶手尼龙纤维产品，还没有填沙，也没有弹性层，所以对皮肤有灼伤，养护时又耗水量大，这是人造草坪的最初产品；从 1977 以后，在上一代产品的基础上做了改良，同样的尼龙纤维产品，不填沙，但有了弹性层，对皮肤有灼伤，养护耗水量大，这种产品一到延用到了今天；从1982 至 1985 年期间，这期间对材料进行了改变，产品中含原纤维的聚丙烯纤维草，而且填沙，但这种产品最大的缺点是无弹性层，质硬，仍然对皮肤有灼伤；从 1985 后，产品中含原纤维的聚丙烯或聚乙烯纤维草，填沙，有弹性层，质硬，对皮肤有灼伤；到 2000 后，人造草中每根草茎为聚乙烯单独单纤维长丝，而且填沙有橡胶粒，这种产品质软，又不开叉，而且对皮肤无灼伤，同时这种草纤维抗紫外线性能佳，这迎来了人造草坪的春天；2008 至今，这是最新一代的产品，每根草茎为开网单纤维长丝，质地柔软，对皮肤无灼伤，草纤维又且有很强的抗紫外线能力，整个系统包括弹性垫层和密实的填充物，有助于运动的缓冲，这一代的产品很接近天然草了。
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第二章 草坪簇绒机构的主轴系统研究
2.1 草坪簇绒机工艺流程
20 世纪 40 年代，地毯生产技术发生了革命性的变化，那就是英国人发明了簇绒机。其大致的原理类似于现在的缝纫机，它把织布和植绒分开了，通过往复运动的簇绒针将绒纱植入底布上，簇绒机的横向一排上有千上万根簇绒针，这样的方法大大提高了生产效率。人造草坪机本就是簇绒机构，原理是同样的。簇绒机的生产流程如图 2-1 所示，在纱线被引入到各自的簇绒针上之前，纱架上纱线由均布的导纱管引出，穿出导纱管后，再穿过导纱板进入簇绒机顶部的导纱罗拉。在导纱罗拉后与簇绒针的针孔之间的纱线，经过两组的导纱板（蓄纱调节装置）来控制纱线张力。 由一个曲柄摇杆机构和一个曲柄滑块机构组成的串联机构来驱动簇绒针，它穿过梳状托布叉板的齿隙做上下动程固定的往复运动，如果要改变产品的规格，可以通过对拖布针梳进行调节，从而改变毯面的绒高。从图 2-1 中可以看出，实质上簇绒过程的就是簇绒针上下运动和成圈钩前后摆动之间配合的成圈运动。
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2.2 簇绒机的主轴系统
草坪簇绒机构主轴由簇绒针传动机构和执行机构，成圈钩传动机构和执行机构，以及成圈钩传动机构和执行机构三部分组成。下面就针对这三部分做一些全面的介绍。图 2-3 为簇绒针传动机构示意图，簇绒针传动机构的作用就是把主轴的回转运动转变成簇绒针执行机构的曲柄的摆动，从面以此为动力带动簇绒针运动。可以实现此类动作的机构有很多种，曲柄摇杆机构就可以完成这样的动作，部分国外簇绒机的簇绒针传动机构就是采用的这种方法。只是这里的曲柄一般常用到的是偏心轮，但原理上和曲柄摇杆机构是一样的。如果对于安装位置有限制或者考虑到构件的动力学性能而不能直接采用曲柄摇杆机构，那么可以通过两种或两种以上的基本的机构组合起来使用。 簇绒针执行机构的作用就是把主轴的回转运动转变成簇绒针的上下往复运动，以实现植绒的动作。实现此类动作的机构有很多种，比如曲柄滑块机构就是最简单的一种方法，部分国外簇绒机的簇绒针执行机构就是采用的这种方法。如果对于安装位置有限制或者考虑到构件的动力学性能而不能直接采用曲柄滑块机构，那么可以通过两种或两种以上的基本的机构串联来实现。 如图 2-4(a)所示为曲柄滑块簇绒针执行机构。在主轴的横截面上，在偏离中心一定的距离的位置(相当于曲柄的长度)把连杆的一端固定，连杆的另一端和滑块连接，滑块下面连接着针梁。当主轴进行回转运动时，通过偏心轮的传动，把主轴的圆周转动转化为偏心运动，再经过连杆传动，滑块就能够做上下运动。滑块的行程主要由偏心轮的偏心距决定。
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第三章 基于 Simulink 人造草坪机组合机构 ..... 15
3.1 Matlab/Simulink 简介 ...... 15
3.2 人造草坪机的传动机构 .......... 15
3.3 簇绒针传动机构的运动学分析 ..... 17
3.4簇绒针执行机构的运动学分析 ..... 23
3.5串联机构的运动学分析 ......... 27
3.6串联机构的优化设计 ....... 33
本章小结 ..... 36
第四章主轴系统的动力学分析 ..... 37
4.1 动力学概述 ......... 37
4.2 主轴系统的结构 ........ 38
4.3 基本数据 ...... 40
4.4 动力学方程 ......... 40
4.5 结果分析 ...... 42
本章小结 ..... 43
第五章 基于 ANSYS 人造草坪机主轴的有限元分析 ......... 44
5.1 有限元分析技术 ........ 44
5.2 ANSYS 有限元分析软件简述 ....... 44
5.3 数学模型的建立 ........ 45
5.4 主轴有限元分析前处理 .......... 46
5.5 静态分析 ...... 49
5.6 模态分析 ...... 51
本章小结 ..... 53
第五章 基于 ANSYS 人造草坪机主轴的有限元分析
5.1 有限元分析技术
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。[36]有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。[37,38] 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别是它的近似性仅限于相对小的子域中。20 世纪 60 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz 法+分片函数”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的 Rayleigh Ritz 法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上，且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。
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总结
本文以人造草坪簇绒织机的主轴系统为研究对象，首先阐述了在簇绒技术中人造草坪机簇绒作业时成圈、钩绒、割绒、原料喂入等系统的工艺流程与工作机理，介绍了簇绒机的各功能模块在整套系统中所起的作用、主要工作参数、运动控制系统的组成等。然后对人造草坪机机构的运动学及动力学进行特性分析。本文利用虚拟样机技术、动态仿真技术、模态分析技术等对人造草坪簇绒织机机构进行分析研究。 主要进行的工作及成果包括如下几个方面： 1、对国内外人造草坪簇绒织机的研制与发展作了调查分析，对机床作业时的工作原理、工艺过程以及机床各系统的效用作了分析介绍。 2、基于 Simulink 对人造草坪机的针织系统机构作了运动学与动力学的分析，为之后的计算机软件仿真分析提供了理论基础与依据。 3、利用 SolidWorks 三维建模软件完成对人造草坪织机三维数字模型的建立，主要建立的是主轴箱传动机构部分的模型。建立模型是进行运动分析以及了解机构中各零件之间运动关系的基础。 4、利用 ANSYS 软件对机构中的主轴零件进行静力学与模态分析，给定相关的约束条件及等效受力情况参数，分析其受到应力及变形的情况，并通过模态分析功能分析其前六阶的固有频率与振型。最后运用 ANSYS 对此主轴进行结构优化设计，以期使具有更稳定的工作性能以及更长的工作寿命。 本文对人造草坪簇绒织机传动机构的理论分析以及对此涉及的相关技术的软件仿真分析为该产品的设计研发以及今后的产品升级提供了理论支撑，具有指导意义。
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参考文献(略)