隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)衣食住行的要求也在不斷提升。縫紉機(jī)作為與“衣”息息相關(guān)的行業(yè)，也在不斷接受新的挑戰(zhàn)。

底座作為縫紉機(jī)主體結(jié)構(gòu)之一，不僅承擔(dān)著支撐整臺(tái)縫紉機(jī)在工作臺(tái)的固定作用，還連接了非常多的重要零件。因此，如果底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或疲勞抗性不足，那么不僅僅影響著產(chǎn)品的質(zhì)量與壽命，更有可能威脅到工人的人身安全。

本文通過(guò)相關(guān)三維設(shè)計(jì)軟件和實(shí)踐相結(jié)合的方式，對(duì)縫紉機(jī)底座進(jìn)行強(qiáng)度與振動(dòng)分析，以驗(yàn)證其強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

圖一   縫紉機(jī)底座

通過(guò)相關(guān)三維設(shè)計(jì)軟件建立該機(jī)型三維模型，具體受力如圖 2 所示。底座作為整臺(tái)機(jī)器的支撐部分，受到臺(tái)板對(duì)底座四平角的支撐力，同時(shí)還受到機(jī)頭及其它零件的重力。由于幾乎全部的零部件重心都位于底座四平角圍成的范圍內(nèi)，所以機(jī)頭及其它零件對(duì)底座的力矩∑ M 忽略不計(jì)。由于該機(jī)型對(duì)各機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有改變，因此并未打破各機(jī)構(gòu)原有的動(dòng)平衡，所以本文對(duì)各機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)不進(jìn)行分析。

圖二 底座受力圖

目前對(duì)于各類箱體機(jī)器殼體振動(dòng)特性的研究有很多種方法，例如數(shù)值模擬法、有限元分析法和動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)法等。

本文通過(guò)建立該機(jī)型底座的三維模型，采用有限元分析法對(duì)底座進(jìn)行分析。在分析前，利用相關(guān)三維設(shè)計(jì)軟件將該底座進(jìn)行簡(jiǎn)化處理（去除小圓角等），然后再使用軟件自帶的 Simulation 插件對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

底座是由 HT200 鑄造而成，其材料屬性（內(nèi)容摘自GB/T 9439-2010 灰鑄鐵件）如表 1 所示。


由于機(jī)頭與底座之間通過(guò)螺栓連接，因此底座受力部位為機(jī)頭與底座的接觸面。具體效果如下圖 3 所示，紫色箭頭為機(jī)器的重力總和，約為 350N ；綠色箭頭為底座的固定位置。

網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元分析前的主要工作，對(duì)整個(gè)有限元分析的結(jié)果會(huì)有重大影響。Simulation 的網(wǎng)格劃分是比較智能和科學(xué)的，因此將采用系統(tǒng)默認(rèn)的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，實(shí)體單元大小為 20mm，公差為1mm，單元總數(shù)為347562，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為540605，網(wǎng)格劃分效果如圖 4 所示。

按照上述給定的條件，Simulation 有限元分析得出的結(jié)果如圖 5 至 10 所示。

從圖 5 和圖 6 可看出，底座的最大應(yīng)力位于底座右后端的四平角處，應(yīng)力為 3.6MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于底座材料HT200 的最小屈服強(qiáng)度（130MPa）。

130÷3.6 ≈ 36

因此，從應(yīng)力方面看，底座是完全滿足強(qiáng)度需求的。

從圖 7 和圖 8 可看出，底座的最大變形處是在機(jī)頭與底座接觸的位置，變形量為 1.013x10-2mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此處的厚度（約為 32mm）。

32÷（1.013 x 10-2）≈ 3159

因此，從位移方面看，底座的變形是可以忽略不計(jì)的。

從圖 9 和圖 10 可看出，底座的最大應(yīng)變處為底座右前端的四平角附近，為 5.469x10-5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于底座材料 HT200 的伸長(zhǎng)率（0.3 ～ 0.8%）。

0.3x10-2÷（5.469x10-5）≈ 55

因此，從應(yīng)變方面看，底座是完全滿足強(qiáng)度需求的。

綜上所述：底座在靜態(tài)時(shí)是完全滿足強(qiáng)度需求的。


由于機(jī)器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)有一定的振動(dòng)，如果在某一階頻率與整機(jī)固有頻率接近或相等，機(jī)器就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生共振現(xiàn)象時(shí)，會(huì)極大地傷害機(jī)器整體強(qiáng)度，并可能造成一定的人身傷害，因此，我們需要驗(yàn)證該底座的振幅不會(huì)超標(biāo)或者不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

圖11  測(cè)試狀態(tài)

測(cè)試采用振動(dòng)測(cè)試儀，參數(shù)調(diào)整為項(xiàng)目“位移”，行程“0.1mm”檔，波形“單峰”（盡量保證測(cè)量數(shù)值在總行程的 1/3~2/3 之間，這樣測(cè)試精度有保證），測(cè)試位置為整機(jī)針板處。

另外，選定測(cè)試范圍為2000~5000r/min，是因?yàn)?3000~4000r/min 為常用轉(zhuǎn)速，3750r/min為默認(rèn)轉(zhuǎn)速，5000r/min 為最大轉(zhuǎn)速。并且，測(cè)試依據(jù)為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“機(jī)器最高轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)不大于 260um。”（單峰則為 130um）




結(jié)論：

①在所有測(cè)試的轉(zhuǎn)速下，機(jī)器的振幅都在規(guī)定要求內(nèi)；

②機(jī)器轉(zhuǎn)速在 2000r/min 時(shí)振幅最大，并且隨著轉(zhuǎn)速提高，振幅有一個(gè)突降，所以此時(shí)機(jī)器的固有頻率與轉(zhuǎn)速相接近，產(chǎn)生了共振現(xiàn)象；

③機(jī)器轉(zhuǎn)速在 3000 ～ 4 000r/min 范圍內(nèi)時(shí)，機(jī)器的振幅處于一個(gè)較低的水平，說(shuō)明機(jī)器的結(jié)構(gòu)是一個(gè)較為優(yōu)良的設(shè)計(jì)；

④機(jī)器轉(zhuǎn)速在 4500r/min 以上時(shí)，機(jī)器的振幅開(kāi)始增加，但無(wú)突增，說(shuō)明機(jī)器完全能夠適應(yīng)此時(shí)的工作狀態(tài)。

⑤樣品 2 在 4500r/min 以上時(shí)，振幅無(wú)明顯變化，說(shuō)明此樣機(jī)的動(dòng)平衡較為優(yōu)秀，但不影響總體結(jié)論的得出。

綜上所述，本機(jī)型結(jié)構(gòu)優(yōu)良，完全滿足所有使用要求。


平縫機(jī)是服裝工業(yè)化生產(chǎn)的主要設(shè)備，強(qiáng)度和振動(dòng)是平縫機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)其使用性、舒適性和安全性有很大的影響。