（机械制造及其自动化专业论文）jwf1207梳棉机锡林机构的分析与研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 j w f l 2 0 7 梳棉机锡林机构的分析与研究 摘要 3 8 青岛宏大纺机作为我国梳棉机的龙头生产企业，经过多年努力，已开发 了具有自主知识产权的新型梳棉机，并初步实现了梳棉机的数字化、智能化。 但是新机还存在一些缺点，如梳理的棉花质量不高等。因此，本课题组与青 岛宏大纺机合作，开展了新型梳棉机j w f l 2 0 7 锡林机构的分析与研究。 本文在总结国内外梳棉机发展现状的基础上，对锡林机构进行了静力学 和动力学分析。根据锡林机构的工作原理和结构特点，把锡林机构模型简化 为两端带弹性支承的转子系统，然后基于有限元和动力学理论，推导了简化 后模型的刚度、振动和动平衡方程。 运用p r o e 软件建立参数化模型，并结合a n s y sw o r k b e n c h 对锡林机构 进行有限元分析，为锡林机构的改进奠定基础。主要内容包括： ( 1 ) 利用a n s y sw o r k b e n c h 对锡林机构进行静态刚、强度分析。通过 分析获得该机构的变形云图和应力云图，并对结果进行了分析和评价，为后 续的优化设计做好准备。 ( 2 ) 对锡林机构进行模态分析，提取了锡林机构的前l o 阶固有频率和 振型，并对模态分析的结果进行了分析和评价，验证了此锡林机构在工作过 程中振动的安全性。然后，通过分析不同轴承刚度对转子临界转速的影响， 为高速锡林机构的研究提供了依据。最后，结合工程实际分析由不平衡质量 引起的惯性离心力作用下的位移、应力和加速度载荷频率变化的曲线，提出 了一种减小锡林机构振幅的方法。 ( 3 ) 基于静态和模态的参数化分析。利用d e s i g ne x p l o r a t i o n 功能，分析 了不同参数对锡林机构变形、应力和模态分析的影响，为锡林机构的优化设 计提供了基础。基于上述分析，本文对该机构的尺寸进行了初步优化，并且 对比了优化前后锡林机构的性能。 关键词：梳棉机锡林机构动平衡刚、强度分析振动分析 青岛科技大学研究生学位论文 a n ai ，y s i s & i 己e s e a r c ho nc y l d j d e r 匝c h a n i s mo fj 下12 0 7c a r d i n g a b s t r a c t a sal e a d i n gp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e so fc a r d i n gm a c h i n ei n c h i n a ，q i n g d a o h o n g d at e x t i l em a c h i n e r yh a dd e v e l o p e dt h en e w s t y l ec a r d i n gm a c h i n ew i t h i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sa f t e rh a r dw o r k i n go fm a n yy e a r s ，w h i c h p r e l i m i n a r i l yr e a l i z e d t h ed i g i t a l i z a t i o na n di n t e l l i g e n t b u tt h e r ea r es t i l ls o m e s h o r t c o m i n g s ，s u c ha st h ec a r d i n gq u a l i t yi sn o th i g ha n ds oo n t h e r e f o r e ，o u rg r o u p c a r r i e do u tt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h ec y l i n d e rm e c h a n i s mo ft h en e w s t y l e c a r d i n gm a c h i n ej w f 12 0 7 b a s e do nt h es u m m a r i e so ft h ep r e s e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n to fc a r d i n gm a c h i n e a th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rc a r r i e do na n a l y s i sa n dr e s e a r c hf o rs t a t i c sa n d d y n a m i c so fc y l i n d e rm e c h a n i s m a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fc y l i n d e rm e c h a n i s m ，s i m p l i f i e dt h ec y l i n d e rm e c h a n i s mm o d e lt o r o t o rs y s t e ma tb o t he n d sw i t he l a s t i cs u p p o r t ，a n dt h e nd e r i v e ds t i f f n e s s ，v i b r a t i o na n d d y n a m i c sb a l a n c ee q u a t i o n so fs i m p l i f i e dm o d e lo nt h eb a s i so ff i n i t ee l e m e n ta n d k i n e t i ct h e o r y b u i l tt h ep a r a m e t e rm o d e lb yu s i n gp r o es o f t w a r e ，a n dc a r r i e do nt h ef i n i t e a n a l y s i sf o rc y l i n d e rm e c h a n i s mc o m b i n e dw i t ha n s y sw o r k b e n c h i ti sp r o v i d e d t h eb a s i sf o rt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to fc y l i n d e rm e c h a n i s m t h em a i nc o n t e n ti sa s f o l l o w s ( 1 ) c a r r i e d o ns t a t i c s a n a l y s i s f o r c y l i n d e rm e c h a n i s mb yu s i n ga n s y s w o r k b e n c hs o t t w a r e ，o b t a i n e dt h ec y l i n d e rm e c h a n i s m sd e f o r m a t i o nc o n t o u ra n d s t r e s sc o n t o u r , a n d a n a l y z e da n de v a l u a t e dt h er e s u l t s ，w h i c hp r e p a r e sf o rt h e s u b s e q u e n to p t i m i z a t i o no fm e c h a n i s m ( 2 ) c a r r i e do nm o d a la n a l y s i so nc y l i n d e rm e c h a n i s m ，e x t r a c t e do ft h ef i r s t10 一 o r d e rn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e s ，a n da n a l y z e da n de v a l u a t e dt h er e s u l t so f m o d a la n a l y s i s ，v e r i f i e dt h ev i b r a t i o ns e c u r i t yo ft h ec y l i n d e rm e c h a n i s mi nt h ep r o c e s s o fo p e r a t i o n t h e na n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo ft h ed i f f e r e n tb e a r i n gs t i f f n e s st ot h e c r i t i c a ls p e e d i tp r o v i d e st h eb a s i sf o rr e s e a r c ho fh i g h - s p e e dc y l i n d e rm e c h a n i s m f i n a l l y , a n a l y z i n gt h ec u r v e st h a tt h ea m p l i t u d eo fd i s p l a c e m e n t ，s t r e s sa n da c c e l e r a t i o n v a r yw i t hl o a df r e q u e n c yu n d e ri n e r t i ac e n t r i f u g a lf o r c ec a u s e db yt h ei m b a l a n c em a s s ， a n dp r o p o s e dam e t h o dt or e d u c et h ec y l i n d e rm e c h a n i s ma m p l i t u d e ( 3 ) t h ep a r a m e t e ra n a l y s i si sb a s e do nt h es t a t i c sa n dm o d a l i ti sp r o v i d e dt h e b a s i sf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g no fc y l i n d e rm e c h a n i s mb ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo f t h e d i f f e r e n tp a r a m e t e r so ns t a t i cd e f o r m a t i o na n dm o d a l b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h e p a p e rc o n d u c t e d ap r e l i m i n a r yo p t i m i z a t i o n , a n dc o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c eo f c y l i n d e rm e c h a n i s mb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：c a r d i n gm a c h i n ec y l i n d e rm e c h a n i s m d y n 觚i l i cb a l a n c e s t i f f n e s sa n ds t r e n g t ha n a l y s i sv i b r a t i o na n a l y s i s i v 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 课题来源及意义 1 绪论 纺织业是我国国民经济传统的支柱产业和重要的民生产业，也是国际竞争优 势明显的产业。它在繁荣市场、扩大出口、吸纳就业、增加农民收入等方面都发 挥着重要的作用。随着中国加入w t o 以来，中国成为了全球纺织领域中最引人 注目的地区之一，同时纺织业也成为中国入世后的强势产业。我国经过自身多年 的努力发展，具备了世界上较完整的产业链、较高的加工配套水平、众多发达的 产业集群地和不断增强的应对市场风险的自我调节能力，给行业保持稳健的发展 步伐提供了坚实的保障【o l 】。 我国虽是一个纺织大国，但不是一个纺织强国。我国纺织工业“十一五规 划，明确了结构调整、技术进步、实现产品升级的目标和提高服装面料的质量档 次、替代进口、扩大出口的主攻方向，最终实现由纺织大国向纺织强国的实质性 变革。而梳棉机是纺织工业的重要支柱设备之一，梳棉机的工作状况直接影响纺 织行业的效益，其性能的优劣直接关系棉纺织行业的生存。因此，众多的纺织机 械厂商竞相对梳棉机的控制技术、机械结构进行创新，以便于把国产梳棉机发展 为强势产业。但是，我国梳棉机的技术装备水平与世界先进水平相比差距还比较 大，我国梳棉机需要量的7 5 依靠进口，其余2 5 是引进技术国产化的产品。因 此，研究具有自主知识产权的、数字化、智能化的新型梳棉机成为我国纺织业的 首要任务。 青岛宏大纺织机械股份有限公司是我国梳棉机的龙头生产企业，其所研发的 j w f l 2 0 7 型梳棉机已经获得了自己的知识产权。但是此梳棉机的关键部件锡林机 构在工作过程中( 受力下) 会发生静态变形和动态变形，这将会导致锡林机构与 相邻机构件的隔距发生变化从而影响梳棉机的产量和质量。因此，本课题组与宏 大纺机进行合作，对其所研发的新型梳棉机的关键部件锡林机构进行分析与研 究。利用三维建模软件p r o e 和有限元分析软件a n s y sw o r k b e n c h ，考察锡林机 构在承受载荷的情况下的刚度、强度和动态变形以及锡林壁厚、幅宽、直径和转 速对锡林机构的变形影响，为锡林机构的优化设计奠定了基础。 1 2 梳棉机概述 梳棉机属于纺织机械，在纺纱工艺流程，梳棉是一道重要的工序，其主要作 用是用于加工棉纤维和化学纤维。梳棉机的工作原理是将前道工序( 丌清棉工序) j w f l 2 0 7 梳棉机锡林机构的分析与研究 送来的棉( 纤维) 卷或由棉箱供给的油棉( 化纤) 层进行细致地开松、分梳和除 杂，使所有呈卷曲块状的棉卷成为基本伸直的单纤维状态。在这个过程中，除掉 清花工序遗留下来的杂质、破籽和短绒，然后集成一定规格的棉条储存于棉筒内， 供并条工序使用【0 2 】。 1 2 1 梳棉机工序的任务 梳棉机工序的任务主要有四部分组成，如下所述 0 3 1 ： l 、梳理作用：当原棉经过开清棉工序后，其所制成的棉卷或棉层中的纤维 多呈束、块状，且其平均重量一般在数毫克至几十毫克之间。因此要求在不损伤 纤维的前提下，棉卷( 或棉层) 要求进一步予以细致的开松、分梳，使束、块状 的纤维束分离成单纤维状态。 图1 1 棉卷喂入到梳棉机 f i g 。1 - 1c o t t o nl a pf e e d i n gt oc a r d i n g m a c h i n e 2 、清除杂质和短绒：在开清棉工序中，原棉中的杂质和疵点只能被除去6 0 左右，而剩余的4 0 可以在梳棉工序中去除，如棉卷( 或棉层) 中的杂质( 籽屑、 软籽皮、尘屑、破籽、不孕籽) 、不可纺纤维、分梳不开的纤维束以及粘附在杂 质上的纤维等，并且在除杂的过程中能够回收可纺纤维。 3 、混合和均匀：对于不同形状和比例的原棉经过开清棉工序后，仅是进行 了初步的混合，然而梳棉机可以使单根纤维之间进行充分混合。如在道夫机构凝 集纤维的过程中，剩留在锡林机构表面的纤维会多次返回到锡林一盖板区重复接 受针齿的梳理，完成纤维沿棉流纵向的混和，最后在成网过程中又完成纤维沿棉 2 青岛科技大学研究生学位论文 流横向的混和；同时，梳棉机的梳理元件还具有一定的“吸”、“放”纤维的性能， 因而其制成的生条条干才会比较均匀。 4 、成条：为了便于下道工序继续j n - r ，应使纤维集拢而成条状，并有规则 地圈放在棉条筒内，供后续工序实用。 图1 - 2 梳棉一棉条 f i g 1 - 2c a r d i n g - c o t t o ns l i v e r 1 2 2 梳棉机的结构和工艺流程 1 2 2 1 梳棉机的结构 梳棉机的结构主要由三部分组成 叫，如下所述。 1 、预梳部分：包括给棉罗拉、给棉板、刺辊、除尘刀和小漏底等部件。 2 、主梳部分：包括锡林机构、道夫机构、盖板和大漏底等部件。其中盖板 一锡林区是主梳部分的主要工作区。盖板分为前、后固定盖板和回转盖板，总根 数一般为1 0 6 - - 一1 1 0 根，与锡林机构相互作用的工作盖板为4 1 - 4 3 根。与锡林机构 相互作用的各盖板的隔距采取进口大，出口小的安装方式，分梳作用逐渐增强。 盖板通过链条自后向前回转循环缓慢地传动；锡林机构下方的大漏底由两块三角 形尘格和弧形光板组成，用来托持锡林机构表面的纤维层和排出部分短绒，然后 将排除的杂屑、短绒与刺辊机构送来的新的纤维一起重新进入锡林一盖板工作 区。 j w f l 2 0 7 梳棉机锡林机构的分析与研究 3 、成条部分：包括剥棉罗拉、嗽叭口、大压辊和圈条器等部件。 1 2 2 2 梳棉机的工艺流程 由于锡林机构消耗的功率和道夫机构的调速范围加大，现在高速梳棉机多采 用多电机单独传动。这类梳棉机自动化程度较高，可以使棉条定量在快慢速转换 时得到控制【0 3 】。如青岛宏大生产的j w f l 2 0 7 型梳棉机，该机型具有以下优点。 1 、该机型采用顺向给棉、单刺辊机构、轻打多梳，刺辊周围设有能够有效 地去除杂质和短绒的除尘刀、预分梳板、吸口： 2 、采用获得专利的新型长、短片段混合环自调匀整，显著改善了生条重量 不匀和条干不匀； 3 、关键部件锡林机构的传动依靠变频电机直接启动： 4 、锡林机构的前后设有固定盖板和棉网清洁器，底部设有罩板和吸口，道 夫底部设有罩板，能够减少气流干扰，有利于高速生产； 5 、回转盖板采用铝合金盖板，单独变频电机传动，与锡林机构的转向相反， 增强了分梳，改善了棉网质量； 6 、机上附有获得专利的采用模块化设计的三罗拉结构和气动控制翻转式皮 圈导棉结构，能够方便维护、保养和有利于观察棉网，适应高速出条。 通过分析j w f l 2 0 7 的结构示意图，说明梳棉机的工艺流程。图1 3 为j w f l 2 0 7 的结构示意图，该梳棉机的工艺流程为【1 4 】： ( 1 ) 从喂棉箱l 供给棉卷，然后经过喂棉箱与棉卷罗拉的相互作用逐层缓慢 的退解棉层，退出的棉层通过给棉罗拉2 握持，然后沿顺向给棉板3 前进；给棉罗 拉依靠本身的重量和两端的弹簧加压把棉层压紧，并将棉层输送给高速回转的刺 辊4 ，使棉层受到刺辊锯齿的强力开松和梳理。在2 上方的绒辊安装在刺辊的后方， 其伴随给棉罗拉一起转动，防止气流带纤维溢出和缠住细小短纤维和尘杂。 ( 2 ) 刺辊4 的周围设有除尘刀、刺辊分梳板3 l 、小漏底3 0 和刺辊吸点3 2 ，小 漏底和除尘刀对纤维均具有良好的托持作用，而杂质和短纤维借助于刺辊的离心 力落入后车肚中。刺辊锯齿所握持的正常纤维，通过小漏底传到高速锡林机构上。 锡林机构与刺辊机构的回转方向相反，其两针面针尖的配置呈剥取状态。由于刺 辊机构的表面线速度小于锡林机构的线速度。因此，锡林机构的针面能够顺利地 将刺辊机构针面上的纤维剥取过来，使纤维经过后固定盖板2 9 后，进入锡林一盖 板的工作区。 ( 3 ) 盖板机构表面包有金属针布，盖板机构和锡林机构的针尖呈平行配置， 盖板机构与锡林机构转向一致。锡林机构的表面线速度远大于盖板机构表面线速 4 青岛科技大学研究生学位论文 度。因此，纤维在锡林一盖板工作区间被反复分梳而成为单纤维状态，同时将纤 维进行充分混合并清除里边的棉结和杂质。脱离工作区的盖板针面上所滞留的短 绒、杂质、棉结和少量的可纺纤维，由盖板花吸点7 、前盖板杂质吸点1 3 和盖板 飞花吸点1 0 处理。 ( 4 ) 锡林机构针齿上抓取的纤维经过前固定盖板转移给道夫，道夫表面也 包有金属针布，当两个针面相互接近时，由于锡林机构的高速及针面的作用，锡 林机构一部分上的纤维便转移到道夫机构的针面上，而另一部分的纤维经过锡林 机构的封闭漏底2 7 的握持和从刺辊上剥取下来的新纤维一起，重新进入锡林一盖 板工作区，再次混合及分梳。 ( 5 ) 在道夫针面上形成的薄薄的较清洁的纤维层，由经过三罗拉1 9 扣上、 下轧辊及喇叭口和大压辊2 l 集合成棉条后，最后有圈条器2 2 将棉条有规律地放在 棉条筒内，以供并条工序使用。 参2 3 ) 迹 嚣 o v ，n 斟卜3 梳棉机结构示意图 f i g 1 3s t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a mo fc a r d i n gm a c h i n e 卜喂棉箱2 一给棉罗拉3 一顺向给棉板4 - 索 1 辊5 一刺辊放气罩吸点6 一后下棉网清洁器吸点 7 一盖板花吸点8 一后上棉网清洁器吸点9 一后盖板杂质吸点1o 一盖板飞花吸点 1 1 一锡林机构12 铝合金回转盖板l3 一前盖板杂质吸点14 一前固定盖板15 一前棉网清洁器吸 点1 6 一道夫7 一三罗拉清洁吸点1 8 一三罗拉清洁辊1 9 一三罗拉2 0 一棉网清洁吸点 2 卜大压辊2 2 - 直线换筒固条器2 3 一囤条器吸点2 4 一皮圈导棉装置2 5 一前车肚吸点 2 6 一道夫封闭漏底2 7 - 锡林封闭漏底2 8 - 锡林漏底吸点2 9 - 后固定盖板 3 0 一刺辊封闭漏底3 1 - 如 辊分梳板3 2 一刺辊吸点3 3 一电气控制柜 j w f l 2 0 7 梳棉机锡林机构的分析与研究 1 2 3 梳棉机的关键部件的作用 在实际工作过程中，刺辊、锡林、盖板和道夫机构对梳棉机的产量和质量有 很大的影响。图1 4 所示为梳棉机各关键部件的相互作用示意图，各部分的主要 作用如表1 1 所示。 表1 - 1 关键部件作用 t a b l e i 1r o l eo f l h ek e y p a r t s 名称作用 刺辊的齿尖对棉层主要起打击、松懈的作用，然后 对纤维进行握持分梳，清除棉卷中的短绒和杂质，并初 刺辊 步拉直纤维。通过锡林与刺辊的齿尖作用将纤维转移给 锡林。 剥取刺辊初步分梳过的纤维，并带入锡林盖板工 作区进一步细致的分梳，伸直和均匀混合；除去纤维中 锡林一盖板 残留的细小短绒和杂质；制成质量较好的纤维层并转移 给道夫。 将锡林表面的纤维凝聚成纤维层，并在凝聚过程中 道夫 对纤维进一步分梳和均匀混合，最后聚集成棉网输出。 图卜4 关键部件作用示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fk e yp a r t s 6 青岛科技大学研究生学位论文 1 3 梳棉机的国内外发展概况 从2 0 世纪后期，高产梳棉机逐步发展发展起来。其在梳理技术、自动监控技 术、在线检测技术、负压吸尘技术以及安全生产技术方面都得到了很大的发展； 不仅转速日益增高，产量也一增再增，尤其是产品的质量有了明显的进步，生条 结杂少，重量不匀率降低，为纺好纱织好布奠定了坚实的基础【0 5 】。新型高产梳棉 机主要具有以下技术特征【0 5 】： ( 1 ) 提高锡林机构的转速。 ( 2 ) 增加了在线调整盖板锡林机构的隔距及在线磨针技术。 ( 3 ) 设置在线监测棉结、自调匀整、检测各部件的运转速度及产量等数据 的装置，并及时进行屏幕显示。 ( 4 ) 应用喂入部分的三刺辊技术，增加了锡林机构开松、除杂的效果和减 轻了主梳理区的除杂负担，为锡林机构的增速创造了条件。 ( 5 ) 应用变频或伺服控制技术，使主要回转部件利用电子技术来控制相互 的速比。 ( 6 ) 改善安全防护措施，如：高速回转的锡林机构重为1 5 t ，在6 0 s 内可刹车 停止运行。在梳棉机上在安全门罩上装有电子锁，只有当机器停稳后才能打开电 子锁。 ( 7 ) 增加锡林机构的幅宽。 总之，现代化梳棉机与过去传统梳棉机相比，速度更快，梳理效果更好，生 条质量更优。新型的梳棉技术，给梳棉机行业注入了新的血液，给纺织工业带来 了新的动力。 2 1 世纪，实现梳棉机的高产、优质成为国内外纺机制造厂的重点研究对象。 目前国内、外纺织行业普遍采用模块化、人性化设计以及抬高锡林机构，加宽机 幅和增加梳理面积等新技术来实现梳棉机的高产、优质。 1 3 1 国外梳棉机的发展 目前，国外的纺纱机械厂广泛采用高新技术，在高速化、在线控制技术及机 器的适用范围、功能上都有了进一步的提高；国外生产梳棉机的主要两大厂商， 德国的特吕茨勒( t r u t z s c h l e r ) 公司和瑞士的立达公司，其所生产的高产梳棉机 显示了梳理技术的新发展，他们生产的梳棉机加工性能好，产品适应性广，产量 高，质量好，劳动生产率高等优点，代表着梳棉机技术的国际水平【0 6 j 。 l 、德国特吕茨勒( t r u t z s c h l e r ) 公司 德国特吕茨勒公司在d k 8 0 3 茅i d k 9 0 3 的基础上，新近研制开发了t c 0 7 型高 7 j w f l 2 0 7 梳棉机锡林机构的分析与研究 产梳棉机，如图1 5 所示。t c - 0 7 型梳棉机沿用了d k 8 0 3 和d k 9 0 3 的一些技术， 对梳棉机作了以下几点重要的改进： ( 1 ) 提高锡林机构的位置。将锡林机构的中心位置提高约2 0 公分，并且调 整了锡林与道夫、刺辊机构之间的几何位置。 ( 2 ) 增加梳理弧长度。活动盖板、前后固定盖板的梳理弧长度在d k 9 0 3 的基 础上增加了2 0 ，前区的梳理面积增加到6 3 ，后区的梳理面积增加4 8 。 ( 3 ) 设计和配置新型固定盖板及吸尘罩、增加智能管理刺辊落棉的功能、 精确调节活动盖板隔距以及改进梳棉机的传动系统、吸风系统以及触模式显示屏 的设计等【明。 t c - 0 7 与d k 9 0 3 相比，在同样的生条质量水平条件下，t c 一0 7 型梳棉机的产量 得到增加，如：在相同的生条质量条件下，2 0 英支纯棉转杯纱单产水平由8 0 提高 到1 4 0 公斤台时，而在产量相同的条件下，生条质量也提高。 图卜5t c 一0 7 型梳棉机 f i g 1 - 5t c - 0 7c a r d i n gm a c h i n e 2 、瑞士立达公司 瑞士立达公司最新研制的新型c 6 0 高产梳棉机，目前已推向中国市场。如图l 一 6 所示。该机用在气流纺纱的生产线上，在保证生条质量的前提下，最高产量可 达到1 5 0 公斤4 , 时：在同样的占地面积下，产量可增力n 5 0 ，能源消耗也有所降 低，受到了厂家的广泛青睐【0 7 0 8 1 。 8 青岛科技人学研究生学位论文 图1 6c 6 0 型梳棉机 f i g 1 6c 6 0c a r d i n gm a c h i n e 该机采用了全新的梳理理念，加宽了机幅，将锡林机构工作宽度增加为1 5 0 0 毫米。并且缩小了锡林机构的直径，同时提高了锡林机构的速度。增加了锡林机 构表面的离心力，对分离去除原棉纤维中的杂物更为有利，进一步提高了对纤维 的梳理质量。该机的另一大特点就是维修保养十分方便，机器结构采用模块整体 设计，刺辊、盖板和道夫机构都可以整体拆换，大大减少了停机时间。该机适于 棉、化纤、混纺产品的加工【4 2 j 。 1 3 2 国内梳棉机的发展 l 、国内梳棉机的发展历程 国内梳棉机的设计制造是从2 0 世纪5 0 年代开始，其发展主要分为三个阶段： ( 1 ) 第一代梳棉机。1 9 5 0 年，以日本丰罔和英国泼拉脱型的梳棉机为基础， 青岛纺织机械厂设计试制了1 1 8 1 型的弹性针布梳棉机，其产量为5 5 k g h 左右， 而后生产的1 1 8 1 e 、1l8 l f 、a 18 i e 、a 18 1 f 型梳棉机由于采用了金属针布和增加 了梳理速度，其产量增加到1 5 2 0 k g h 。 ( 2 ) 第二代梳棉机。产于六十年代，代表机型为a 1 8 6 型梳棉机，产量达到 t 2 0 2 5 k gi h 。 ( 3 ) 第三代梳棉机。2 0 世纪8 0 年代初，研制了f a 2 0 1 型新型高产梳棉机，为 我国第三代梳棉机。随后国内各梳棉机制造j 。又推出了f a 系yj j 年n j w r ：系列的新型 梳棉机1 。代表厂家如青岛宏大生产的j w f 系列的梳棉机。 2 、国内梳棉机的代表厂家 o j w f l 2 0 7 梳棉机锡林机构的分析与研究 近年来，伴随着纺织工业的迅速发展，中国纺织机械行业也借势发展起来， 使我国成为全球最大的纺织机械制造国。但我国纺机企业规模普遍偏小，产品的 技术含量偏低。目前，中国纺机市场上国产设备的数量占到8 0 ，但销售额所占 比例不足5 0 。因此，研发高技术、高产量的新型梳棉机成为纺织行业的重要任 务。代表厂家如上海太平洋克罗斯罗公司生产的m k 7 型梳棉机和宏大纺机的 j w f l 2 0 7 型梳棉机，它们生产的梳棉机具有十分显著的优势。 ( 1 ) 上海太平洋克罗斯罗公司 克罗斯罗公司生产的m k 7 型梳棉机，在保持原m k 6 型组合式梳棉机机架结构 特点的基础上，进一步扩大了梳理区的面积，并可根据生产品种在线精确调整锡 林机构与固定盖板的隔距，以适应各种纤维加工需要。 ( 2 ) 青岛宏大纺织机械股份有限公司 青岛宏大是我国梳棉机的龙头生产企业，它具有研发和生产新型梳棉机的基 础条件。其研发的j w f l 2 0 7 、j w f l 2 0 5 型梳棉机具有以下特点： a 采用模块化设计，提高了梳棉工艺的适纺性，并且对其进行维护保养提供 方便； b 采用铝合金型材，提高了制造精度、光洁度并且减轻了重量，适应了高速 高产； c 采用流线形吸塑式管道的滤尘系统减小了阻力损失，节约了能源消耗； d 采用新型控制技术来解决升、降速过程中的棉条定量的漂移。并且，这两 种产品获得了完全的自主知识产权和获得了多项国家专利。 e 锡林机构速度达至u 5 1 0 r m i n 。 j w f l 2 0 7 型梳棉机的实际出条速度达到了2 2 7 m r a i n ，产量达7 0 k g h 。其成纱 的乌斯特条于c v 值和千米疵点达到了2 0 0 7 年乌斯特公报5 - 2 5 的国际先进水 平；j w f l 2 0 5 的实际最高产量达到1 0 0 k g h ，对纺织厂减少配台数量和节省占地面 积、用丁、节能降耗以及提高劳动生产率等具有显著的效益。这两种新型产品完 全可以替代进口并可出口产品，具有广阔的市场前景【叫。 因此，本课题组与青岛宏大合作，对其所研发的j w f l 2 0 7 型梳棉机的关键部 件锡林机构进行分析与研究。该新型梳棉机将锡林机构的转速增n n 5 0 0 r m i n 左 右，直径为1 2 8 8 m m ，并且幅宽相比普通梳棉机增加了2 0 m m 。如图1 7 所示为 j w f l 2 0 7 型梳棉机。 l o 青岛科技人学研究生学位论文 1 4 关键技术及软件 图卜7j w f l 2 0 7 型梳棉机 f i g 1 7j w f 12 0 7c a r d i n gm a c h i n e 本文主要采用参数化建模软件p r o e 和有限元分析软件a n s y sw o r k b e n c h ，对 锡林机构进行相关的有限元静念分析、模念分析、谐响应分析和协同仿真优化分 析。 1 4 1p r o e 软件 p r o e 是美国参数技术公司使用全参数化造型技术的大型c a d c a m c a e 的 集成软件。该软件拥有强大的基于特征的参数化建模功能，可以通过参数化来约 束产品的形状特征、控制设计结果和通过修改参数尺寸来对产品进行仿真和优化 做准备【l o j 。 p r o e 的主要功能：工业设计模块、机械设计模块、功能仿真模块、制造模 块、数据管理模块、数据交换模块和参数化建模。p r o e 的最大的优势是实现了 参数化设计，其把参数化方法和特征技术有机的结合起来，极大的提高了设计的 效率l o t 】。在参数化模型中，将参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数； 其二为几何元素问的各种连续几何信息( 例如构件问的运动副) ，称为不变参数； 参数化设计的本质是在可变参数的作用f ，系统能够自动维护所有的不变参数。 即计算模型记录零件之问的各种特征关系，当模型中的某些零件结构修改后，计 算模型仅需读取修改的零件结构特征参数，即可重新运算，而无需重新定义构件 j w f l 2 0 7 梳棉机锡林机构的分析与研究 问的约束关系，极大的节省了运算时间【l i 】。 1 4 2 有限元分析软件a n s y sw o r k b e n c h a n s y s 系列软件是融合结构、热、流体、电磁和声于一体的大型通用的多 物理场的有限元分析软件，在各个领域都得到了高度的评价和广泛应用。a n s y s w o r k b e n c he n v i r o n m e n t ( a w e ) 是a n s y s 公司开发的新一代的前后处理环境， 并且定位于一个c a e 协作平台，其提供了与c a d 软件及设计流程高度的集成性； 它作为一个集成框架，整合了现有的各种应用，并将仿真过程结合在一起。它把 a n s y s 系列产品融合在仿真平台上，使数据能够无缝实现传递和共享；并且还 提供了一个全新的平台，提高了仿真效率；其独特的产品构架和众多的支撑性产 品模块为产品整机、多场耦合分析提供了优秀的系统级解决方案【1 2 】。 a n s y sw o r k b e n c h 主要由4 个模块组成：几何建模模块、有限元分析模块、 优化设计模块和流体分析模块，它将设计、仿真、优化集成于一体，可便于设计 人员随时进入不同功能模块之间进行双向参数互动调用，使与仿真相关的人、部 门、技术及数据在统一的环境中协同工作【1 3 】。 1 5 本文研究的内容 中国纺织机械的研发水平还处于低水平【1 4 】，“仿机 比重较大，大部分企业 的研发意识还处于过渡状态。最近两年来，由于国家大力倡导自主创新，制定了 一系列鼓励、引导政策，再加上国际上知识产权纠纷的不断出现，我国的纺织机 械研发己经开始进入自主研发阶段，但是目前自主研发能力还比较弱。青岛宏大 纺织机械公司拥有国家级的纺织机械研发中心，本着自主研发和改进产品的目 标，努力提高我国的纺织机械研发水平。锡林机构是梳棉机的关键部件，其关键 参数的选择对梳棉机的产量与梳理质量有重要影响。因此，本课题以j w f l 2 0 7 型 梳棉机为研究对象，通过有限元方法对锡林机构进行分析与研究，对新设计机组 的设计起到指导作用。本文研究的主要内容： l 、锡林机构的理论分析。基于有限元和动力学的理论，本文分析了锡林机 构的刚、强度、振动和动平衡方程，获得了锡林机构的挠度变形、承受应力、振 动方程和动平衡方程。通过分析得出引起锡林机构变形和动不平衡的各个关键参 数之间的关系，为锡林机构的进一步研究奠定了基础。 2 、根据锡林机构的工作原理和结构特点，简化锡林机构的模型。通过p r o e 软件建立总体结构的实体参数化模型。最后，在a w e 中，对锡林机构的装配体进 行刚度、强度分析，求解锡林机构在各种载荷作用下的变形和应力分布情况，以 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 防止锡林机构过大的变形会影响到该机构的正常工作和为后续的优化分析做好 准备。 3 、模态分析是进行其他动力学分析的基础。本文提取了锡林机构的前1 0 阶 固有频率和振型，并对模态分析的结果进行了分析和评价，验证了此锡林机构在 工作过程中振动的安全性。根据固有频率和临界转速的关系，计算出前6 阶临界 转速，并且分析不同轴承刚度时，转子临界转速的变化规律，为高速锡林机构避 免发生共振提供了依据。 4 、在模态分析的基础上，对锡林机构进行谐响应分析。考察由不平衡质量 而引起的惯性离心力作用下的锡林机构的位移、应力和加速度随载荷频率变化的 规律，并且提出了减小锡林机构振幅的方法。 5 、基于a w e 的协同仿真优化设计功能，分析了锡林机构的关键参数对其刚 度、强度和模态分析的影响，为锡林机构的优化设计提供了基础。基于上述分析， 本文对该机构的尺寸进行了初步优化，并且对比了优化前后锡林机构的性能。 删f 1 2 0 7 梳棉机锡林机构的分析与研究 2 锡林机构的理论分析 当梳棉机工作时，纤维的梳理作用是在各工作部件保持紧隔距的条件下进行 的，如锡林与盖板、道夫和刺辊等机构之间的隔距均在0 1 0 2 m m 之间 1 s l l t n 。由 于几何形状误差和表面包覆的金属锯条而导致锡林机构表面产生的中凹变形以 及动不平衡程度等都会造成锡林机构回转时隔距的变化，使梳理面之间相互转移 的纤维量随之改变，造成棉网不均匀和生条条干恶化瞄】，对梳棉机的产量和质量 产生很大的影响。 在纺织行业，为了提高梳棉机的生产效率，转动部件锡林机构通常需要 被提高转速或者增加幅宽。但是，这样会降低锡林机构的刚度，并且会导致机械 系统发生强烈的振动。因此，本章基于有限元、振动和动平衡理论，对锡林部件 进行静态刚、强度和动力学的理论分析。 2 1 锡林机构的刚、强度分析 2 1 1 刚度分析 如图2 1 所示为锡林机构图，锡林机构主要有环形加强筋，墙板、心轴和滚 筒组成。滚筒材料为h t 2 0 0 ，其表面包覆金属锯条，并且在锡林机构两端的表面 开有固牢锯条的槽。锡林机构的两端用堵头( 法兰) 和裂口轴套将滚筒和轴连接 在一起的。为了保证轴与锡林机构的同心度，最后一道工序锡林机构外圆的精加 工应在装配后，以锡林轴来进行定位【0 3 】。 图2 一l 锡林机构 f i g 2 一lt h ec y l i n d e rm e c h a n i s m 在实际工作时，锡林机构的滚筒表面包覆金属针布。因此，滚筒的表面将承 受均布载荷，两端法兰堵头的径向变形较小，但是，滚筒的各径向截面上的径向 变形大，容易导致滚筒的表面下凹。对于j w f l 2 0 7 梳棉机上的锡林机构，为了减 小这种变形则在简体的内壁上铸有i 个环形加强筋和墙板。基于有限元的理论， 1 4 青岛科技大学研究生学位论文 本章对锡林机构在均布载荷作用下进行刚度分析，以便于进行结构尺寸优化。 设p 为金属针布包卷的张力，b 为金属针布的基部厚度，r 为滚筒的外径， 则滚筒表面所受的均布载荷g 为： g = p b & ( 2 1 ) 式中，p 一般为恒值，g 为均布载荷，单位n m 2 。 2 1 1 1 单元化 为了有效地对锡林机构进行刚度分析，从滚筒上截取一个单位宽度的轴向长 条，如图2 2 所示。通过求解该长条在环形加强筋支撑下的径向挠度曲线来观察滚 筒的凹陷变形情况。设y 为某截面上发生的径向位移，则截取的长条两侧面上的 单位长度上的压力为s ：毋形，如图2 3 所示。哆形nn g n 的周向压应力， a 0 = 形，s 的合力为丁= 也2 ，沿半径方向指向外边，此力与挠度成正比。由 于相邻的长条相互牵制本身的挠曲变形，故单位弯曲刚度为： k ：时 一 1 2 ( 1 一)( 2 2 ) 其中，为泊松比；，为滚筒的平均半径；t 为滚筒的壁厚。 q 图2 2 单元截取 f i g 2 2u n i ti n t e r c e p t i o n 图2 - 3 受力示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f f o r c e j w f i2 0 7 梳棉机锡林机构的分析与研究 2 1 1 2 坐标系的建立 建立坐标系，轴向方向取为x 轴，向右为正，纵向方向为y 轴，取向下为正。 均布载荷g 、左截面剪切力矿和挠度y 向下为正，转角口顺时针方向为正，弯矩 逆时针为正，如图2 4 所示。 浏业吵 f 图2 - 4 滚筒的受力示意图 f i g 2 _ 4f o r c es c h e m a t i cd i a g r a mo fc y l i n d e r 设a 4 4 萨e t = 3 万1 - t z 2 ，由材料力学公式求得： k 丽d 4 y 中笋y ( 2 - 3 ) 把口代入( 2 3 ) 得， g = 髻( 等) + ( 等) = 古参c 笋h 笋， c 2 4 ， 求解得合力t ： 丁：等y ， = g s h ( a x ) s i n ( a x ) + b s h ( a x ) c o s ( o 茗) ( 2 5 ) + c c h ( t r r ) s i n ( t r r ) + d c h ( t r r ) c o s ( 0 + g 其中，a 、b 、c 、d 均为积分常数。对( 2 - 4 ) 式求解，可以写出y 、少和 y 。设f o 、o o 、m o 和为初始截面的挠度、转角、弯矩和剪力，再设定初始 条件如下，设 当x ：o 时y ：f o ，j ，= o o ，y 。= 誓，y l = 哆。而后求得a 、b 、c 、d ， 最后得出： 笋y = ( 笋厶一g ) ( 似) + 4 e 口t 。o 厂o ：m ( 叫+ m 。v 2 ( 似) + b ( 锻) + g ( 2 - 6 ) 令 1 6 青岛科技大学研究生学位论文 ( 织) = c 矗( 嬲) c o s ( 删 k ( 锻) = 2 口3 幽(