（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟样机技术的高速锭子动态特性研究.pdf

中北大学学位论文 摘要： 基于虚拟样机技术的高速锭子动态特性研究 锭子是纺纱机上的重要部分，主要用于纺织过程中的捻线动作，其动态特性的优劣 直接影响到纱线的质量。目前国内的锭子普遍采用的是下弹性支承方式，锭子寿命不长、 纱线质量不高、生产效率低下，已经不能适应当今世界纺锭高速化的趋势。 本文首先对j s d 7 1 系列锭子结构特征进行了详细的分析，对各部分的功能做了介绍， 并且对其动态性能，振动、噪声、功率三方面提出了要求。 锭子高速旋转的核心问题在于振动机理问题，纺织设备的工作需要保证纱线质量， 因此本课题从高速锭子振动机理方面入手，逐步分析振动原因，进行理论推导，从而提 供全面的理论支持。论文主要基于虚拟样机技术的t 作平台，以锭子的关键部件锭杆为 重点进行模拟仿真，分析其在不同模拟转速下的模态频率，探讨并确定其在不同转速下 的临界速度，从而为锭子厂家提供良好的理论指导。最后自行设计了锭子的锭端位移和 加速度测试实验方案，为仿真数据提供对比材料。 关键词：高速锭子、动态特性、振动机理、仿真、虚拟样机技术 中北大学学位论文 r e s e a r c ho nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h s p e e ds p i n d l e a b s t r a c t ： b a s e do nv i r t u a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g y s p i n d l ei sa ni m p o r t a n tp a r to ns p i n n i n gm a c h i n e ，m a i n l yf o rt h et e x t i l ei nt h ep r o c e s so f t w i s t i n gm o v e s ；t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es p i n d l ed i r e c t l yi m p a c tt h eq u a l i t yo fy a r n a tp r e s e n t ，u n d e r e l a s t i cs u p p o r ts y s t e mi sg e n e r a l l yu s e df o rs p i n d l e ，s p i n d l e sp r o d u c e di n o u rc o u n t r ya r eu n a b l et oa d a p tt o d a y sw o r l do fh i g h - s p e e ds p i n d l et r e n d ，b e c a u s et h es p i n d l e i sn o tl o n gl i f e ，y a r nq u a l i t yi sl o w , p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi ss l o w s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ej s d 7 1s p i n d l ea l ed e t a i l e da n a l y s i so nt h i sp a p e rf i r s t ， v a r i o u sp a n so ft h ef u n c t i o na r ei n t r o d u c e d ，a n di t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，v i b r a t i o n ，n o i s e ， p o w e r - t h r e ea s p e c tr e q u i r e m e n t sa r es u g g e s t e d c o r ep r o b l e mo fh i g h s p e e dr o t a t i n gs p i n d l ei st h a tt h ev i b r a t i o np r i n c i p l e ，i ti sn e c e s s a r y t oe n s u r et h eq u a l i t yo fy a r nf o rt e x t i l ee q u i p m e n t ，s ot h i sp a p e rs t u d i e so nt h eh i g h - s p e e d s p i n d l ev i b r a t i o np r i n c i p l e ，a n a l y s i sv i b r a t i o nr e a s o ns t e pb ys t e p ，t h e o r e t i c a ld e d u c e d ，w h i c h p r o v i d eaf u l lr a n g eo ft h e o r e t i c a ls u p p o r t t h e s i si sm a i n l yb a s e do nt h ew o r ko fv i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yp l a t f o r m ，t o ak e yc o m p o n e n to fs p i n d l es h a f to fs p i n d l ef o r s i m u l a t i o n ，t h e i rm o d a lf r e q u e n c ya td i f f e r e n ts i m u l a t i n gs p e e da r ea n a l y s i s ，t oe x p l o r ea n d d e t e r m i n ei t sc r i t i c a ls p e e da td i f f e r e n ts i m u l a t i n gs p e e d ，s oa st op r o v i d eag o o dt h e o r e t i c a l g u i d a n c ef o rs p i n d l em a n u f a c t u r e r s f i n a l l y , t h es p i n d l e t o pd i s p l a c e m e n ta n da c c e l e r a t i o n t e s t so fs p i n d l ee x p e r i m e n ts c h e m ea r ed e s i g n e d ，p r o v i d i n gc o m p a r a t i v em a t e r i a lf o rt h e s i m u l a t i o nd a t a k e yw o r d s ：h i g h s p e e ds p i n d l e ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，v i b r a t i o np r i n c i p l e ，s i m u l a t i o n ， v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：越劾日期：型笙 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文：学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： 冬彦 日期：矽”，胪 口怕加7 、5 、仞 日期：一二。j 、i _ 一 中北大学学位论文 1 1 锭子的发展史 1 绪论 锭子是纺纱机上加拈卷绕的主要部件之一，是以两点支承的细长回转轴为主体的组 合件。在粗纱机、细纱机和捻线机上都有锭子。粗纱锭子是一根圆形钢杆，顶端一般有 一凹槽用以支持并带动锭翼一起回转，下端锭尖处有锭脚油杯作支承，中部以锭套管作 为锭子的上部轴承。锭子的多少和转速对相应工序的生产能力有直接影响，特别是细纱 锭子，习惯上以它的数量表示纺纱厂的设备规模和生产能力。锭子的好坏又与纱线的质 量、功率消耗、环境噪声、劳动生产率等密切相关。 1 8 世纪，工业革命大大促进了生产的发展，古老的于工纺纱逐渐被机器纺纱所代替。 1 7 6 5 年英国工人詹姆斯哈尔格里夫斯( j a m e sh a r g r e a v e s ) 发明了一种手摇纺纱机一 一珍尼纺纱机( s p i n n i n gj e n n y ) ，它由一个木架、滚筒、手轮及1 6 1 8 个锭子组成，这 一发明是纺纱技术上的一大进步。1 7 6 9 年钟表匠阿尔克莱特( a r k w r i g h t ) 制成了水力 转动的纺纱机，从此，机器转动不再依靠人力，这种纺纱机牵伸由三对罗拉完成，加捻 则用锭翼，所用的锭子就是翼锭。翼锭的缺点是不适宜十高速，因为速度提高后，离心 力会使锭臂发生很大的变形，影响转动，同时，空气阻力大，使机器的功率消耗过大。 1 7 7 9 年克隆普领( c r o m p t o n ) 改进了珍妮机和水力纺纱机，设计成走锭纺纱机( m u l e ) ， 里查德罗伯特( r i c h a r dr o b e , s ) 又将它改造成自动走锭纺纱机( s e l fa c t i n gm u l e ) ， 这种纺纱方法的纱线在加捻过程中承受张力小，纺出的纱细而结实，比环锭纱丰满，手 感柔软，整齐度、均匀性好。走锭纺的加捻和卷绕过程是先后分别完成的，也就是依次 进行的，因此机器生产率和劳动生产率都较低。 到了十九世纪中叶，美国发明家费尔斯( f a l e s ) 和詹克斯( j e n k s ) 设计了一种平 面轴承锭子，当时锭速约为6 0 0 0r m i n 左右，锭子的上下轴承均用滑动轴承，而且是不 封闭的，由于不能储油防尘，因而每天要加油，且易油污机器及纱线。接着美国的拉贝 思( r a b b e t h ) 对锭子作了重要改进，他把锭底与轴承封闭在一个壳体内。尔后，锭子 发展为由锭杆、锭盘、支承件、锭脚、锭钩、制动器等零部件组成的综合体。 中北大学学位论文 随着纺织工业不断发展，为了适应提高锭速、加大卷装的需要，锭子的结构也在不 断改进。2 0 世纪初期( 1 9 2 1 年) 德国s k f 公司开始制造滚柱轴承锭子，上支承为滚柱 轴承，承受径向负荷，下支承为锭底，以承托锭子的重量，两者是刚性连接，锭速为8 0 0 0 r m i n - - 1 2 0 0 0r m i n 。5 0 年代该公司又首创了弹性锭子。近几十年来锭子改革的中心内 容主要是研究高速锭子的主承结构，至今棉纺锭还已能够达到1 8 0 0 0r m i n 以上。目前， 提高环锭纺纱的单产水平，其关键己不再是单纯提高锭速，因为锭子高速后所产生的噪 声对人体非常有害，并且功率消耗也将迅速增加，又将引起机件的剧烈磨损，因此必须 研究高速低噪声低功耗的锭子结构【1 j 。 在我国，纺纱锭子的品种、规格、数量需要日益增多，生产规模也逐步扩大。目前 锭子的结构形式以弹性锭子为主，低噪音低功耗锭子也正在研制之中。建国三十多年来， 我国锭子的性能水平明显提高，纺纱速度可高达1 8 0 0 0r m i n ，部分指标接近了国际现有 水平。其发展过程大体上有几个阶段：在本世纪5 0 年代以测绘仿造国外锭子为主，1 9 5 6 年前仿造日本三社式平面锭子，国内编号为t a 0 1 1 。以后仿造瑞士的h m 型滚柱轴承刚 性锭子，其编号为t a 0 3 x 等，当时最高锭速为1 2 0 0 0r m i n 。5 0 年代后期由上海第二纺 织机械厂与华东纺织工学院( 现东华大学) 合作，分析了当时细纱锭子存在的问题，开 始着手新锭子设计的研究t 作；到6 0 年代中，即由上海纺织机械专件厂( 原上海第二 纺机厂三大件车间) 与东华大学共同研究成功具有我国独特风格的回转自定中心弹性分 离式阻尼锭子，就是现今全国大量生产的d 1 2 、d p g 系列锭子，其锭速可达1 8 0 0 0r m i n 左右，最高锭速可达2 1 0 0 0r m i n ，使棉纺单产水平从原来3 2k g 每千锭小时增加到4 2 4 5 k g ，跃居世界领先行列i 2 。 1 2 研究开发高速锭子动态特性的意义 1 2 1 研究目的及意义 纺纱锭子的转速是坏锭纺纱工艺能否实现高速化的关键之一。然而，尽管多年来对 传统锭子结构的研究一直在继续，但是限制锭子转速的振动、噪声问题一直未能得到很 好的解决。 2 中北大学学位论文 经济全球化大潮的涌动，推动纺织业不断向高质量、高效率发展以提升纺织品的竞 争力。细纱纺制高速化( 锭速 1 8 0 0 0 r m i n ) 已成为不可逆转的大趋势。因此，研发和推广 采用高速锭子已迫在眉睫。目前国际上已有德国苏逊公司开发的h p $ 6 8 系列和 t a x p a r t s ( 原s k f ) 公司开发的c s l 系列高速锭子。并正被越来越多的国外先进纺织厂家所 采用。国内各纺机专件生产企业也在奋起直追，加紧高速锭子的研发工作，准备迎接已经 复苏的国内纺织业向高速化发展的挑战。要实现纺纱高速化，除必须配备具有高性能( 如 适纺锭速高、能耗低、噪声低等) 的锭子外，还须为锭子提供适宜的使用条件，使其能更 好地工作，充分地发挥效能。 锭子作为纺纱加捻和卷绕的主要部件，其运转情况的好坏直接影响细纱的产量和质 量，其中最主要的两大问题就是振动与噪声。锭子本身虽然经过良好的平衡，但是在运 转过程中总存在一定的不平衡负载，因此，即使在不太高的转速下，也有可能发生频率 等于转速的强迫振动。另一方面，锭子处于所谓超临界回转( 即锭子回转速度超过它的 第一阶临界转速) 时，除了上述不平衡负载外，由于锭子结构的非线性因素及油膜激振， 还有可能同时产生持续的大振幅低频( 即频率低于锭子转动速度) 振动，这包括自激振 动和分谐波振动。因此锭子的振动特性是非常复杂的。多年来，人们采用各种理论分析 及实马令测试的方法来研究锭子的振动，但对于一般的锭子制造厂来说，缺乏对锭子进行 理论研究的基础，也不具备昂贵的振动分析仪器。因此，对锭子的锭端、轴承、锭脚等 各部分进行模拟仿真和振动特性的分析是非常必要的【3 1 。 1 2 2 国外锭子结构研究概况 自从机械锭子问世以来，至今已有一百多年的历史，经过不断改革，其工作原理及 结构都发生了很大的变化。按筒管的支承方式来划分，锭子杆盘结构的发展有下列三种 类型：( 1 ) 光杆锭子。塑料( 或木质) 筒管插在细长的光锭杆上，一般适用于棉纺卷装。 ( 2 ) 铝套管锭子。短锭杆上镶有铝质套管，薄壁纸质( 塑料或铝合金) 筒管则套在铝套管 上，由弹性交承器带动筒管回转，这种结构以往本应用于毛纺或化纤长丝小卷装卷绕， 近年来转用于棉纺大卷装，能适应高速纺纱。( 3 ) 带缺口的有边筒管藉镶在锭盘上的键或 销形凸榫而带动回转，适用于化纤长丝大卷装卷绕。 3 中北大学学位论文 近几十年来，锭子改革的中心内容主要是研究锭子的支承方式，为了满足高速回转 的要求，出现了许多不同形式的支承结构。 1 2 2 1 双刚性支承锭子 早期的h m 2 1 8 型锭子属于此类，其主要特点是上下支承由锭胆连成一体，锭胆肩 部则悬挂在锭脚端面上；肩部之下的锭胆外表面上有槽，槽内嵌有弓形弹簧，起定位作 用并略有弹性。这种刚性支承的锭子因锭胆与锭脚之间的问隙较大，高速后沿此方向的 振幅会有所增加，造成各部位的磨损增多：在大纱重载时则因支承浮动又易随锭胆弓形 弹簧的作用方向而倾斜，形成锭子与钢领不同心，使纱的张力波动增加，断头率上升。 特别是轴承档与锭底之间的同心度要求很高，当精度达不到要求时，就将使振幅增 加，锭尖磨损加剧，在转速为二倍自然频率以上时将出现自激振动。这种锭子不能满足 进一步的高速要求，故已基本淘汰。 另一种刚性支承锭子是瑞士s m m 公司的v e r t i f l e x 型锭子。上轴承与锭底分别固 定在锭脚两端，使锭杆在运转中能保持垂直。它的另一特点是中间有一塑料套筒，套筒 中镶有一滑动轴承搁詈在隔距套筒上，锭杆下部较细，并做成台阶状，锭尖做成6 0 。锥 体带球面顶尖，这是一种三支承锭子，利用锭杆下部的柔性改变锭子的动力学特性，使 其运转稳定，但功率消耗有所增加，据称由于锭子对龙筋面的垂直度较好，因而对高速 纺制纯棉产品较为适应。 1 2 2 2 球面支承锭子 联邦德国、日本的h m 3 、苏联的b h 、d h t ，美国的h t r 型锭子等均属此类。这 种锭子的特点是锭胆以球面支承于锭脚上，并可绕球心作摆动。锭胆上有突头嵌在套筒 的槽中，因而使锭胆只能作摆动而不能作转动。锭胆本身弹性较小，可看作刚性支承， 锭胆中段套有螺旋压纳弹簧，下段套有防振圈及止推环，防振圈与锭脚之间的间隙为 o 1 0 2m i l l ，锭胆与防振圈之间的间隙为0 8 1 2 咖。当锭杆摆动时，首先是外层间隙 的油膜阻尼起消振作用，然后止推环与防振圈的锥面产生相对摩擦而消除振动能量。这 4 中北大学学位论文 种锭子适宜于大卷装，但工作速度不宜过高，一般锭速为1 2 0 0 0r m i n ，此结构的缺点是 摆动时球面和锥面之间由于金属摩擦而有磨屑产全，会进一步造成锭底和锭尖的磨粒磨 损，又因只有单层防振圈，故阻尼吸振作用也不够好。 1 2 2 3 弹性支承锭子 这类锭子的上轴承连同轴承座一起( 或直接) 压配在锭脚上，而锭底则是由弹性元 件连接装配在锭脚内，成为弹性下支承，锭底可以作纵向与横向摆动。每当锭子与纱管 的不平衡量或纺纱张力变化而造成锭子振动时，锭子可自调小心，使锭尖与锭底保持良 好的接触。在锭底外围紧套吸振卷簧，并浸没在油浴中，弹性元件的刚度与油膜阻尼系 数匹配良好，所组成的弹性阻尼系统具有较好的吸振效果。 按照上轴承与锭底的连接方式，这种支承的结构形式有整体式和分离式两种，前者 的上轴承与锭底是由弹性管连接成整体，后者则是分离的。 整体式弹性锭子是目前世界上使用最多的一种，如联邦德国s k f 公司的h f 、h z 系列锭子，日本n s k 公司的h a 、h d 系列锭子，瑞士r i e t e r 公司的m 型系列锭子，国 产d 3 系列锭子等。这种锭子要求有较高的制造精度，特别是锭底与上轴承间的同轴度， 否则会产生分谐振动。 分离式弹件锭子，卜下轴承间有较好的自调r f l 心作用，国内大量使用的d 1 系列锭了 及联邦德国苏逊公司的s h ，s x 型均属此类。 尽管这些锭子的设计构思基本相同，然而具体结构各有所异：h f 、h a 、d 3 型锭子 的弹性管因受过度冲击而易产生永久变形。m 型锭子的上轴承与锭底是由铜质波纹管连 成一体的利用波纹管及锭脚内贮油的动力学特性，对锭子振动产生阻尼作用；锭底的 下部有螺旋卷簧以缓冲纵向振动，因而锭子的振动性能良好，且具有较大的承载能力。 m 型锭子的另一特点为波纹管底部是封闭的，能使润滑油与阻尼油隔离开来，达样就可 各按不同的作用要求分别选择合适的油品，且能保持润滑油清洁。 5 中北大学学位论文 1 2 2 4 双弹性支承锭子 这类锭子是比较新型的，始于7 0 年代。如前所述，弹性锭子的使用虽然基本上能 满足纺织厂的要求，但是由于锭子的高速回转而导致噪声、功率增加，使用寿命缩短， 于是从事锭子研究工作者继续进行新的探讨，根据对锭子的噪声源及工况条件下的使用 分析，着手就上轴承的支承方式进行了多方面的研究，提出了上弹性支承的设计思想。 当锭子由于质量不平衡而引起振动时，上轴承可随锭杆的弯曲而摆动，使轴承的滚柱与 锭杆保持良好的接触状态。从而改善了轴承的受力情况，以延长锭子的使用寿命，亦可 降低锭子的噪声与功耗。 目前通称的双弹性支承锭子中，有的是整体式弹性( 或刚性) 锭胆通过弹性元件支 承于锭脚中，也有的设想采用分离式的双弹性支承结构。 近年来，市场上销售的双弹性支承锭子，有瑞士s m m 公司的m o n o f l e x 、b i f l e x ； r i e t e r 公司的s w 、s g 型等。其结构简介如下： ( 1 ) s m m 公司的m o n o f l e x 与b i f l e x 型锭子 m o n o f l e x 锭子的上轴承座的中部在露出锭脚的部位开有相互交叉的横向槽，使上 轴承具有弹性，锭杆回转的陀螺运动所产生的振动可以由上轴承的横向位移和下部的吸 振卷簧的油膜阻尼所吸收。b i f l e x 型锭子是m o n o f l e x 锭子的改进型式，它的上轴承 座下部铣有纵向、横向交叉槽，使锭杆可以摆动或平移，以保证锭子运动稳定，轴承受 力小，噪声低。据样本介绍，b i f l e x 型锭子的噪声最多可降低i o d b ( a ) ，振动比其它类 型的锭子降低1 0 倍，功耗降低1 5 2 0 ，锭速最高可达2 2 0 0 0r m i n 。 ( 2 ) s w 与s g g 锭子 这两种锭子的主要区别在于s w 型的上轴承是滚柱轴承，而s g 型上轴承为滑动轴 承。这两种锭子的上轴承与锭底均出薄壁金属套连成一体，然后通过铣有螺旋槽的金属 弹簧片安装在锭脚上，锭底的下部还有螺旋弹簧承托，套筒外紧套较长的吸振卷簧，利 用油膜阻尼吸振。据介绍，金属管的厚度有特殊要求，其刚度系数与支承弹簧的参数是 根据负载大小进行合理匹配的，以构成良好的弹性阻尼系统；该厂认为采用金属的弹性 元件较橡胶类制品更为可靠。据报道，s w 型锭子比m 型锭子噪声可降低1 5 。4 d b ( a ) ， s g 型锭子可降低6 - 9 d b ( a ) 。然而由于滑动轴承的采用使锭子的功耗有所增加，通过在 6 中北大学学位论文 细纱机上采取相应的节电措施来做一定的弥补。 1 2 2 5 固定锭杆的锭子 这类锭子曾使用于美国，主要的形式有新世纪锭子( n e we r a ) ，其结构特点是，锭 杆通过弹性元件固定于机架上，金属筒管则通过上下两个滚动轴承安装于固定锭杆上， 纺纱时用纸管套在金属简管上进行纺纱生产。 金属筒管连同轴承及固定锭杆一起相对于机架是一个独立的振动系统，故必须选择 好连接的弹性元件，以防止振幅过大1 4 】。 实际使用时，此种锭子存在一些问题： ( 1 ) 在通过临界速度时间内振幅较大，噪声也大。 ( 2 ) 滚珠轴承的润滑条件不够理想，有时会发生油脂流出的现象。 ( 3 ) 只适应干低速大卷装，故目前即使在美国此种类型的锭子也己被淘汰。 1 2 3 国内锭子的发展状况 国产锭子主要矛盾是使用寿命短，耗能高，振动噪音大等，经过长期改进，有许多 进展。我国棉纺锭子有d 3 2 、d 1 2 、d f g 等系列，目前主要问题中是要采用小锭盘，双 弹性支持面，锭子材质改进等，都要加快开发与研究，中心问题是如何在减震基础上延 长锭子使用寿命，适应我国环锭细纱机向高速进展新形势的要求嘲。 我国目前对锭子系统的改进主要有三个方面，即上轴承、下轴承及动力消耗系统。 新型锭子锭盘直径为1 8 5 毫米，上轴承直径6 8 毫米，对降低由锭带和锭盘引起的 能耗及噪音十分有利，在相同锭速下，下轴承直径减小，锭盘减小，可减少能耗。最新 的定杆轴承档的直径已由原来的6 8 毫米改为5 8 毫米，锭底直径由4 5 毫米改为3 o 毫 米。同时将上轴承外环与轴随座联成一体，形成一个新的组合件，使轴承座外径从1 6 毫米减至1 4 毫米，锭盘直径由1 8 5 毫米减至1 7 毫米【6 1 。 上、下弹性支承使不平衡作用下的锭子借助于支承的弹性变形和下支承弹性位移及 多层油阻尼，达到使锭杆盘的主要惯性轴和重心与回转轴重合，使锭杆与轴承保持良好 7 中北大学学位论文 的接触。n a s a 锭子的下轴承结构原理，用径向滑动轴承和推力轴承，替代锥形轴承， 可有效克服传统锭子的锭尖异常磨损及锭杆上窜跳动，承载能力小，耗能大的弱点i 刀。 由于油膜的存在，使锭杆与轴套不直接接触，随着油隙逐渐减小，油压增大，当靠 近最小间隙处，压力达到最大，越过最小间隙，油压很快降为零，从而使锭杆回转时任 何微小的偏心所产生的径向力都经过油膜阻尼，达到吸振目的【8 】。 以合成材料p b t b 及聚碳酸酯材组合后制作的纱管，可满足高速细纱运行的要求。 可承受紧张的压力并保持长期的稳定性，锭子承受纱管的压力不超过1 5 n 1 9 1 ，新型细纱 管内部和锭子配合处与普通细纱管相比较十分光滑，减少在落纱过程中发生故障，配合 了高速运行细纱机的正常运行。 新一代高速、低噪音、长寿命的锭子已是当代国际上纺织器材发展中的新技术，为 适应今后生产高速化的要求，我国锭子新技术的发展目标归纳如下几点： 采用更小的纺锭轴承( f6 8 或f 5 8 ) 使锭盘做的更小( f 1 8 5 或f1 7 m m ) ，为细纱 机高速节f l 舱, j 造条件。 采用双弹性支承结构，利于防震，降低噪音，减少磨损。 采用双油腔结构，使润滑油与阻尼油分离，以增强锭子的阻尼，降低锭子的振动。 采用径向支持和轴向承载分离的分体式锭底，克服原锥形底条件下锭杆盘的窜 动，吸振作用之后的现象。 锭尖大球面支持有利于减小下支承的接触应力，提高承载能力和耐磨寿命。 d 1 型锭子是我国自行设计的分离式锭子，其上支承( 轴承连座) 采用固定形式压 配在锭脚中，这样可以使轴承座不易因受到外力干扰而浮动，同时也可防止轴承座与锭 脚之间的相对滑动和摩擦，有利于减少磨料磨损。其下支承是弹性的，锭杆下端的锭尖 支承于中心套管内的锭底上，中心套管通过尼龙圈、定位套管和卷簧安装在锭脚中。尼 龙圈的内圈与中心套管紧密压配，其外圈与锭脚保持较小的间隙，主要起定中心作用以 及对下支承的横向、纵向支承作用；定位套管可防止整个支承的转动；卷簧为一吸振元 件，共六至七圈，其内圈与中心套管夹紧，外圈与锭脚撑紧，锭杆下端振动时，由于卷 簧各层问隙内油的粘性阻尼而达到吸振作用，能有效地减小锭子振幅；又由于回转体的 陀螺效应，上下支承( 在一定同心度范围内) 能自定中心，使锭尖磨损明显改善，故能 适应高速要求1 1 0 1 1 1 。 8 中北大学学位论文 1 3 课题研究主要内容 1 3 1 锭子的结构特征及动态性能要求 主要介绍锭子的结构特征( 包括锭子的组成及作用、锭子的支承结构) 与主要动态 性能指标( 振动、噪声与功耗) 。 1 3 2 高速锭子发生振动的原因探讨 对影响锭子动态性能的各种因素进行了较为详细的分析，并对锭子的回转振动机理 进行数学推导，做出近似分析。 1 3 3 锭子振动仿真分析和测试实验设计 对锭子系统关键部件一一锭杆进行较为详细的仿真分析。通过分析，完成锭子的测 试实验没计，达到优化设计高质量锭子的目的。 9 中北大学学位论文 2 高速锭子结构分析及动态性能要求 锭子是细纱机上的关键部件，也是纺织工业的象征，一般纺织厂都是以其纱锭数量 来衡量其规模的。我国是一个纺织大国，据最新资料介绍，目前全国拥有纱锭约7 0 0 0 多万锭，而且每年生产锭子约1 0 0 0 万锭，供主机配套或配件。可见锭子在我国是一个 面广量大的纺机专件f 1 2 1 。 锭子质量的好坏直接影响到纺纱的产量和质量，而且对纺织厂的能量消耗、纺纱车 间的劳动环境以及纺纱机的使用寿命等都具有较大的影响。因此，长期以来，锭子一直 受到纺织机械研究及设计人员的关注【1 3 1 。 本课题的研究对象，j s d 6 1 、j s d 7 1 系列锭子是新型高速锭子，速度可达2 5 0 0 0r m i n 。 j s d 7 1 锭子采用h p $ 6 8 型锭胆，金属弹性管连接型结构，上支承固定，下支承具有弹 性。0 5 8 m m 小轴承，顶盘最小可达1 9m m 为主机节能、降噪提供了良好的条件。在 j s d 6 1 、j s d 7 1 系列锭子的结构设计中采用了多种隔振和减振措施，其中由弹性管和多 层卷簧以及锭脚腔内的油膜所组成的减振系统对锭子的振动具有很好的抑制作用。不同 工作速度的锭子则需要不同的减振，只有合理选择减振系统的参数才能达到最佳的减振 效果。 为了减小锭子系统的振动，使卷簧达到理想的减振效果，在设计时必须合理地选择 参数，使其某阶固有频率接近于工作速度，此时卷簧将出现共振现象，而锭子下支承的 振动将趋于最小。由于卷簧内阻尼油的存在，卷簧的振动将会受到很好的抑制。 2 1 锭子结构特点 2 1 1 锭子的组成及作用 细纱锭子的主体是锭杆与锭盘，两者结合成回转体，由上轴承与下部锭底二者支承， 带动纱管回转，完成加捻卷绕作用。如图2 i 、2 2 所示。 1 0 中北大学学位论文 ! ：穗恸釜苎 麟 = 蛾乏 ，纱管 图2 1 锭子外部结构 褂榔 2 1 11 锭子的主要部件 图2 2j s d 7 1 系列锭予 ( 2 ) 锭秆因其高速回转，故必须挺直，坚韧而有弹性，偏心必须控制在允许范围 内，锭杆材料为滚柱轴承钢( g c , 1 5 ) ，制作时先车制或热轧成细长钢坯，再经热处理 后磨削成形。其轴承档与锭尖处要有较高的制造精度、光洁度、硬度与耐磨的金相组织， 锭杆上部第一段锥度是用来插放纱管的这一部分的直径和锥度大小应考虑到既要有足 够的摩擦力来带动筒管，又要便于拔管，因此必须十分平直、坚韧而有弹性。锭杆中部 的圆锥是用来压配锭盘的，锥度大小要能保证锭盘压配牢固。如图2 3 、2 4 所示。 中北大学学位论文 圈2 3 锭秆 图2 4 锭轩与锭盘 ( 2 ) 锭衙旱钟鼓肜紧套干锭杆的中部，由铸铁或易切削钢制成如图2 5 所示。 锭子上轴承罩于锭盘中能防止飞花尘埃浸入轴承。锭盘是锭子的传动件，应使锭带张 力的作用线与上轴承相接近，以减小弯矩作用l ”i 。锭盘钟形部分的锥度宣小，这有利于 减小跳简营现象但太小则回丝不易取下，一般在00 2 5 - 0 0 1 范围内，筒管底孔与锭盘 锥体之日j 的b 】隙取0 0 5 - + 0 2 5 m m ，如间隙太大振动时简管与锭盘的冲击力大，也会使 简管l 二跳并使振动加剧而且轴承受力也显著增加i “_ 1 “。 p 中北大学学位论文 图2 5 锭盘 ( 3 ) 锭脚是整套锭子的支座，兼作贮油之用，如图2 6 所示 图2 6 锭脚 图2 7 锭脚剖面图 ( 4 ) 锭底和上轴承是锭子支承部件，如图2 , 8 、2 , 9 所示，锭子运转时锭杆与上轴 承、锭尖与锭底的球半径相互配合而形成两对摩擦副，故轴承与锭底同样也要求足够的 硬度以及保持较高的光洁度和制造精度 图2 8 锭底 1 4 中北大学学位论文 图2 9 锭底剖面图 ( 5 ) 锭钩用以挡住锭盘，以防止在拔管时锭盘锭杆一起被带出或剧烈窜动。制动 器用于接头操作时制动高速回转的锭子与筒臂，在棉纺大卷装毛和化纤纺纱及接线时 均需采用。 2112 锭子的其他部件 ( 6 ) 支承筒( 锭胆) 压配在锭脚上端，其主要作用是确定锭杆的高度、支承上轴 承和弹性管。如图2 1 0 所示。 图2 1 0 锭胆剖面图 1 5 中北大学学位论文 所示。 ( 7 ) 定位套管位于锭胆下方，与卷簧接触，用于定位锭胆的压配深度。如图2 1 1 图2 1 l 定位套管 图2 1 2 定位套管的缝隙 ( 8 ) 弹性管( 弹性套管) 是支承锭杆的“骨架”，是锭底的支承体，其周围有四 个浸油孔。上部的螺旋槽可以起到纵向弹性支承的作用。锭轩的纵向弹性支承主要就是 依靠弹性管。如图2 1 3 所示。 6 纛 一 _ 目- ： 2 _ 中北大学学位论文 图2 1 3 弹性管 图2 1 4 弹性管剖面图 ( 9 ) 卷簧( 阻尼吸振器) 的主要作用是吸振锭杼的横向弹性支承主要依赖于卷 簧的吸振效粜。如图2 1 5 所示。 中北大学学位论文 2 113 锭子内部装配图 如图2 1 6 、2 1 7 、2 1 8 所示 图2 1 5 卷餐 闱2 1 6 装配图 8 一( g ，k 中北大学学位论文 图2 1 7 装配图二 212 锭子的支承结构 图2 1 8 装配圈三 在环锭纳纱工艺发展过程中随着纺纱的不断提高锭子的支承形式也经历的由剐 性支承向单弹性( 下支承弹性) 支承再向震弹性( i - 、下支承均有弹性) 支承的转变， 如图2 1 9 所示。 1 9 7 中北大学学位论文 - d u 丁丁比p 乙 ( 1 ) 双刚性支承( 2 ) t 弹性支承( 3 ) 双弹性支承 2 1 2 1 双刚性支承锭子 图2 1 9 锭子支承方式的演变 早期的h m 2 1 8 型锭子、瑞士s m m 公司的v e r t i f l e x 锭子属于这种支承结构。由于它 对轴承档与锭底的同心度要求很高，当精度达不到要求时，就将使振幅增大，锭尖磨损 加剧，在转速为二倍固有频率以上时出现自激振动。这种锭子在运转中由动不平衡产生 的离心力直接作用在上轴承上，导致上轴承的受力很大，锭子的振动、噪声、功耗较高， 因而限制了实用锭速的提高。 2 1 2 2 下弹性支承锭子 从上世纪五十年代以后，世界各锭子制造公司开发了下弹性支承锭子，如德国的h f 、 h z 、s h 型，日本的h a 、h d 型，我国的d 1 2 、d 3 2 等。下弹性支承的锭子比刚性支承的锭 子运转性能有较大的改善，由于这种锭子的上下支承由弹性元件连接后装配在锭脚里， 成为f 弹性支承，其锭底可以作一定的摆动。当锭子与纱管的不平衡或纱线的张力变化 2 0 中北大学学位论文 而造成锭子振动时，锭子可自调中心，使锭尖和锭底保持良好的接触。另外，锭底和卷 簧浸在油浴中，具有较好的吸振效果。 随着纺纱生产的发展，原有的下弹性支承锭子已不能满足更高锭速的要求。这是因 为它仅仅下支承具有弹性，且弹性还不够充分。在纺纱过程中，锭杆盘和管纱难以消除 的偏心质量在运转中形成动不平衡作用，使上支承受到较大的力，同时上轴承滚柱与锭 杆轴承档的不良接触将导致锭杆的磨损失效。 2 1 2 3 双弹性支承锭子 双弹性支承锭子的下支承和下弹性支承锭子相同，通过采用不同形式的上轴承座， 使上支承具有一定的弹性。当锭子由于不平衡而引起振动时，上轴承可随锭杆的弯曲而 摆动，使轴承的滚柱与锭杆保持良好的接触状态，从而改善了轴承的受力情况，延长了 锭子的实用寿命，同时双弹性支承锭子的速度可达2 5 0 0 0r m i n 以上，并且具有明显的 减振降噪作用，这是高速锭子的发展趋势。 2 2 锭子的动态性能指标 锭子的动态性能主要包括：振动、噪声和功率三个方面。 2 2 1 锭子的振动 由于锭子本身和卷装都存在着不同程度的偏心量，这就使得锭子在高速回转时不可 避免会引起强烈的振动、冲击和噪声，并使其功率及磨损大大增加，最后导致锭子的寿 命迅速下降。另一方面，锭子处于所谓超临界回转( 即锭子回转速度超过它的第一阶临 界转速) 时，除了上述偏心导致的强迫振动外，由于锭子结构的非线性因素，还有可能 同时产生持续的自激振动和分谐波振动。锭子的振动必须加以限制，否则会增加纱线的 断头率，同时激发出噪声，一般要求空锭端振幅小于0 0 6 m m 。 2 l 中北大学学位论文 2 2 2 锭子的噪声 噪声是振动在空气中传播而形成的，因此，能够影响锭子振动的因素都能对锭子的 噪声产生直接的影响。如果噪声过大将会引起很大的危害，噪声问题已经引起了大家的 重视，它已被列为主要公害之一，因为它严重地破坏了人们的工作和生活环境，危害人 体健康，影响人们的日常生活和生产劳动1 1 7 1 。所以，如何降锭子的噪声具有非常重要的 意义。生产厂一般要求空锭单锭噪声低于7 0 d b ( a ) 。 2 2 3 锭子的功率 锭子的功率指标是纺织生产中众所关心的问题，锭子及满管传动用电占细纱机用电 的6 0 以上，而细纱机用电又占整个纺纱厂用电的4 0 以上。锭子高速运转时，其主 要功率消耗除了钢领钢丝圈部分外，就是锭胆上下轴承的摩擦功，锭杆在锭胆中回转时 将油扰动而产生的液体阻力，以及管纱在空气中回转所产生的空气阻力等。因此，降低 锭子的功率消耗便成为纺纱厂节能的主要着眼点。根据部颁标准，要求空锭单锭功率低 于8 w 。 2 3 本章小节 本章介绍了高速锭子的各部分结构特征，共由9 个部件组成，对各部分的功能作 了介绍。通过对j s d 7 1 型锭子的介绍，了解到锭子的支承结构是由双刚性支承、下弹性 支承、双弹性支承发展而来的，并且对其动态性能，振动、噪声、功率三方面提出了要 求。而锭子的这种复杂结构决定了锭子振动的原因是由多个原因引起的。 2 2 中北大学学位论文 3 高速锭子振动机理探讨 锭子是纺纱设备中加捻卷绕的主要元件，其主体是锭杆和锭盘，两者结合成回转体， 由上轴承与下部锭底两者支撑，带动纱管回转并完成加捻卷绕作用。锭杆因其高速回转， 其杆端振幅的大小直接影响纺纱的产量和质量。锭子作为超临界转速回转的柔性轴，具 有非线性阻尼的结构特征1 1 引。 锭杆的长度，锭盘的质量，锭杆与轴承、轴承与支座、锭杆与弹性套管之间的配合 f n j 隙，锭尖与锭底的接触半径，油膜阻尼的吸振效果等都直接影响着锭子的振动特性。 纺纱工艺对锭子的要求是：运转平稳，在较宽的速度范围内振动要小；耐磨，有 较长的使用寿命；功率消耗低；噪声小；承载能力大。关键在于减少振动和磨损。 任何锭子在回转时都难免振动和磨损。剧烈的振动会引起筒管窜跳，使纱线断头或成形 不良，加速机件的磨损，在高速回转时尤为明显【1 9 】。 当锭子工作转速接近锭子自然振动的固有频率时，产生共振现象，会出现极大的振 幅，此时的锭速称为锭子的临界转速【2 0 1 。锭杆是一个连续的弹性体，理论上有无穷多个 固有频率，与锭杆的质量分布和刚度有关；成套的锭子( 包括锭杆、锭盘和支承部件) 是 一个复杂的振动系统，同样也有多个固有频率，因此锭子有多阶临界转速【2 1 埘】。 锭子的振动情况是复杂的，它包含有强迫振动、临界转速时的共振、分谐波振动以 及自激振动。细纱锭子在高速回转时出现纵向振动和横向振动。 纵向振动是指锭子和筒管作上下窜动。横向振动俗称锭子摇头，早期以手感锭子顶 端的麻手程度来检测，现广泛使用光电式测振仪，直接显示锭子顶端的振幅。 横向振动实际上是三种振动现象的复合：自然振动；强迫振动；自激振动。 自然振动是南于瞬时外力作用，如锭带接头冲击等所致，振动频率为固有频率，这种振 动会逐渐衰退而消失；强迫振动是当锭子受到周期性外力持续作用，如锭子杆、盘、筒 管等回转机件偏心或弯曲，以及纱管高速时发生动态变形等引起的振动，这时振动频率 等于锭子的工作转速；自激振动是由系统本身激起的振动，如由于锭底与锭杆接触不正 常而产生的摩擦，或由于锭杆、锭盘等材料的内摩擦所致等，这种振动一旦激发，将会 持续存在，其振动频率约等于锭子的自然频率1 2 4 。下面将对这些振动情况做详细的介绍。 2 3 中北大学学位论文 3 1 制造因素 目前，纺织厂对细纱锭子的“麻手 问题反映比较多，但锭子“麻手”对成纱质量 的影响程度还没有得到试验数据证明，而纺织厂对其锭子好坏的评价主要依靠手感来辨 别，因此如何在保证常规硬性指标的同时，进一步完善软指标显得尤为重要。 锭子麻手问题，一般理论认为是振动高频的影响，即锭子的颈轴承和底部轴承两轴 承单元的影响，与这两个单元直接接触的零件有锭杆和锭底；因此一方面从设计考虑对 产品进一步改进，另一方面主要对它们的加工质量和加工工艺流程进行分析【2 5 1 。 目自仃锭杆加工主要是无心磨床加工，因无心磨床的加工原理为奇点次磨削，而目前 】；n - r 多采取多次磨削和多次校直的方法，这在增加锭杆找中心次数的同时，由于多次对 锭杆进行校直，造成锭杆“小弯”多，内部应力集中。当锭子旋转时，因应力的施放和 “小弯”的存在，造成手感较差。 因此，锭杆制造质量的好坏对锭子的“麻手”程度有很大影响。锭盘和锭杆属于过 盈配合，那么配合的时候锭杆就会产生变形。 存目前行、i k 内对“麻手 的形成原因还没有更准确的结论和解决方法。最根本的解 决办法就是尽可能提高零件的加工质量，通过对加工工艺和加工方法的改进来减少麻手 比例1 26 1 。锭子的自身结构决定了“麻手 原因不可能是单一原因造成的。 没有锭子振幅测定仪的企业，用手感觉锭尖振幅即麻手的办法，可分为大麻手、小 麻手、不麻手三种，一般大麻手就不能再上车使用。 3 1 1 轴承的状态 锭子上轴承一般采用的是d z 2 a 型圆柱滚予轴承，这种轴承没有内圈，锭杆与滚动 轴承直接接触起到内滚道的作用，因此锭杆在轴承档的表面质量以及滚动轴承的各种故 障都会引起振动；下支撑锥形滑动轴承的加工质量以及使用中出现的磨损都会引起锭子 的振动。 2 4 中北大学学位论文 3 1 2 上下轴承的同轴度 上轴承座和锭胆的加工质量以及装配过程中的变形都会影响到上下轴承的同轴度， 过大的不同轴会使锭子处于弓形回转状态，使轴承接触不良，从而对旋转中的锭杆施加 一个周期性的激励。 3 1 3 锭子的强迫振动 锭子的强迫振动主要是由于锭杆本身的弯曲变形、纱管与锭杆配合不好( 特别当纱 管下端压紧而上端悬空时的状态) 、纱管本身质量不匀、管纱的质量偏心以及纱线张力 所带来的不平衡力矩等因素所造成的f 7 1 。要避免和改善锭子的强迫振动，首要的当然是 避免上述因素的发生：其次就是要使锭子的结构和支承件具有良好的承载能力，以及优 良的阻尼消振能力，以克服和缓解外界带来的