（机械工程专业论文）高速锭子动态特性与检测系统研究.pdf

学位论文的主要创新点 一、提出了高速锭子动态特性分析方法，建立高速锭子的通用动力学 模型，得出固有频率与临界转速等重要参数，为避免因锭子共振所产 生的锭子损伤和纱线断头提供了理论依据。 二、设计了锭子振动测试系统的整体方案，含机械、检测和控制三部 分。检测部分集数据采集、信号分析、数据处理、运动控制于一体， 便于扩展和更新。该系统不但使测试工作更加简便、快捷，而且实现 了一机多用，可用于棉纺、毛纺和麻纺等不同种锭子的振动检测。 摘要 锭子是环锭细纱机的主要加捻元件，其运转情况的好坏直接影响细纱的产量 和质量。在使用过程中，锭子高速旋转，极小的加工误差或变形都可能引起强烈 的振动，过大的振动是导致锭子不能正常工作的主要原因之一。针对以上特点， 本文对高速锭子进行了动力学仿真，并进行了模态分析，同时设计出一套锭子振 动测试系统。论文主要包括如下工作： 运用仿真分析软件a d a m s 对锭子进行运动学和动力学分析，得到锭子的动 力学特性。并通过a n s y s 对锭子进行模态分析，找出锭子的振动特性，使锭子 运转速度避开临界转速以免发生共振，为实验提供理论依据。 对锭子振动测试系统进行整体方案设计，分别从机械、检测和控制三个部分 提出设计方案，通过对比，确定最终的设计方案。 完成锭子振动测试系统的检测部分设计，主要包括硬件组成和软件设计两部 分。系统采用图形化编程模式，组建锭子振动测试分析系统，实现了数据采集、 信号分析、波形回放、数据存储与打印等功能。 在检测部分同时实现控制功能，主要通过p c 机与变频器之间的串口通信实 现对电机的控制。设计出一套简单、实用、准确的控制系统，通过编程实现与变 频器之间的串口通信，进而对电机转速进行控制，以实现在不同转速下对锭子振 动的测量。 设计了实验方案，对锭子在不同转速下的振动情况进行研究，并对测量结果 进行对比与分析。得到锭子的振动特性，为新型锭子的设计和旧锭子的改装提供 依据。 最后，对本文研究的内容进行总结，并对以后的工作进行展望。 关键词：锭子振动测试l a b v i e w 数据采集信号分析控制 _ _ 。1 。1 。一 a b s t r a c t t h es p i n d l ei st h em a i nt w i s t i n ge l e m e n to ff i n gs p i n n i n gf r a m e t h eq u a l i t yo ft h e f u n c t i o n i n go ft h es p i n d l ed i r e c t l ya f f e c t so u t p u ta n dq u a l i t yo fs p i n n i n g 1 1 1 es p i n d l e r o t a t e sa th i g hs p e e di nt h ec o u r s eo fb e i n gu s e d s t r o n gv i b r a t i o n sc a nb ec a u s e db y m i n i m u me r r o ro rd e f o r m a t i o no fp r o c e s s i n g e x c e s s i v ev i b r a t i o ni so n eo ft h em a i n r e a s o nt h a tt h es p i n d l ec a n tw o r kn o r m a l l y v i e wo ft h ea b o v e ，t h ek i n e t i cs i m u l a t i o n a n dm o d a la n a l y s i sa r ec a r d e do u t ，a n das p i n d l ev i b r a t i o nt e s t i n gs y s t e mi sd e s i g n e d i nt h i sp a p e r t h ef o l l o w i n gw o r k sa r ei n c l u d e di nt h i sp a p e r k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so ft h es p i n d l ei sd o n eb yu s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r eo f a d a m s ，a n dm o d a la n a l y s i so ft h es p i n d l ei sd o n et h r o u g ht h ea n s y s t h e v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es p i n d l e 剐o b t a i n e d t h er o t a t i o n s p e e do fs p i n d l e s h o u l da v o i dt h ec r i t i c a ls p e e dt oa v o i dr e s o n a n c e t h eo v e r a l lp r o g r a mo ft h e s p i n d l ev i b r a t i o nt e s t i n gs y s t e mi sd e s i g n e d t h e d e s i g n so fm a c h i n e r y , d e t e c t i o na n dc o n t r o la l em a d e b yc o n t r a s t ，t h ef i n a ld e s i g ni s d e t e r m i n e d t h ed e t e c t i o np a r tw h i c hi n c l e d e st w op a r t so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni s d e s i g n e d ag r a p h i c a lp r o g r a m m i n gm o d e li su s e di nt h es y s t e m m e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s s y s t e mo ft h es p i n d l ev i b r a t i o na r cc o n s t r u c t e d f u n c t i o n so fd a t ac o l l e c t i o n ，s i g n a la n a l y s i s ， w a v e f o r mp l a y b a c k ，d a t as t o r a g ea n dp r i n t i n ga l ea c h i e v e d c o n t r o lf u n c t i o ni sa c h i e v e di nd e t e c t i o np a r t t h em o t o ri sc o n t r o l l e dt h r o u g ht h es e r i a l c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n di n v e r t e ri n c o n t r o lp a r t ac o n t r o ls y s t e mw h i c hi s s i m p l e ， p r a c t i c a la n da c c u r a t ei sd e s i g n e d t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ni sa c h i e v e db yp r o g r a m m i n g t h e n t h es p e e do ft h em o t o ri sc o n t r o l l e d t h es p i n d l ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n t sa td i f f e r e n ts p e e d sa 代 a c h i e v e d a e x p e r i m e n t a lp r o g r a mi sd e s i g n e dt os t u d yf o rt h ev i b r a t i o no fs p i n d l ei n d i f f e r e n ts p e e d s ，a n dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa l ec o m p a r e da n da n a l y z e d v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fs p i n d l ea l eg o t t o n ，a n dt h eb a s i si sp r o v i d e df o rt h ed e s i g no ft h e n e ws p i n d l ea n dt h em o d i f i c a t i o no fo l ds p i n d l e f i n a l l y , t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ra l es u m m a r i z e d ，a n dt h ef u t u r ew o r ki s p r o s p e c t e d k e yw o r d s ：s p i n d l e ；v i b r a t i o nt e s t i n g ；l a b v i e w ；d a t aa c q u i s i t i o n ；s i g n a la n a l y s i s ； c o n t r o l 目录 第一章绪论l 1 1 引言”l 1 2 课题研究的实际意义2 1 3 国内外研究现状与发展趋势3 1 3 1 锭子的发展与国内外研究概况3 1 3 2 锭子测试系统的发展与国内外研究概况4 1 4 本课题研究的主要内容7 第二章高速锭子结构仿真与分析9 2 1 高速锭子结构分析及动态性能要求9 2 1 1 锭子结构特点9 2 1 2 锭子动态性能参数1 1 2 2p r o e 下锭子三维模型的建立1 2 2 3 分析模型的建立1 2 2 4 锭子在a d a m s 中的运动学及动力学分析1 3 2 4 1 锭子的运动学分析1 3 2 4 2 锭子的动力学分析1 6 2 5 锭杆的模态分析1 6 2 5 1 几何模型的建立1 7 2 5 2 材料属性的设置1 8 2 5 3 定义单元类型1 9 2 5 4 划分网格一1 9 2 5 5 边界条件的确定2 0 2 5 6 模态分析2 0 2 5 7 计算结果分析2 1 2 6 本章小结2 3 第三章锭子振动测试系统的方案设计2 5 3 1 锭子振动测试系统的整体方案设计2 5 3 2 机械装置设计2 5 3 3 检测部分设计2 6 3 3 1 锭子振动测试2 6 3 3 2 数据采集原理2 9 3 3 3 振动信号的分析与处理3 0 3 3 4 检测系统的原理方案设计3 3 3 4 控制部分设计3 5 3 5 本章小结3 6 第四章锭子振动测试系统的检测部分设计3 7 4 1 锭子振动测试系统的硬件组成3 7 4 1 1 传感器配置3 7 4 1 2 信号调理器配置3 9 4 1 3 数据采集卡配置3 9 4 2 锭子振动测试分析系统的软件设计4 0 4 2 1 总体方案设计4 0 4 2 2 数据采集模块4 l 4 2 3 信号预处理模块4 2 4 2 4 时域分析模块4 2 4 2 5 频域分析模块4 3 4 2 6 时频分析模块4 3 4 2 7 文件管理模块4 4 4 2 8 运动控制模块4 5 4 3 本章小结4 7 第五章实验及结果分析4 9 5 1 实验环境及准备4 9 5 2 传感器的标定4 9 5 3 系统基本功能的调试5 l 5 4 实验结果与分析5 3 5 4 1 锭子振动测试的实验结果与分析5 3 5 4 2 锭子模态实验结果与分析5 6 5 5 本章小结5 9 第六章结论与展望6 l 6 1 结论6 l 6 2 展望6 l 参考文献6 3 发表论文和参加科研情况说明6 7 附蜀毛6 9 致谢7 3 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早殖磁 锭子是以两点支承的细长回转轴为主体的组合件，是纺纱机上加捻卷绕的主 要部件之一，由锭杆、锭盘、锭胆、锭脚、锭钩组成【l 】。其运转情况直接影响纺 纱的产量和质量，对纺织业的发展起着举足轻重的作用，因此，生产上对锭子有 着较高的要求。锭子高速旋转时的振动问题与细纱断头率高低、锭子使用寿命、 功率消耗以及噪声等密切相关。因此，锭子制造厂和使用厂对锭子振动的测试都 十分重视。在使用过程中，锭子高速旋转，极小的加工误差或变形都可能引起强 烈的振动，过大的振动是导致锭子不能正常工作的主要原因之一【2 - 3 。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。因此，研制出一种价格低廉、使用方便的锭子振动 测试装置，对锭子的动态特性进行测试、分析，并对故障进行一定的诊断是非常 有必要的。 由于虚拟仪器具有巨大的优越性，国内外己经有许多成功应用虚拟仪器的案 例降5 1 。例如应用虚拟仪器技术的噪声源定位分析系统，可以实现声源定位、声 源识别、声源信号分离、声学专业分析等，可以广泛应用于噪声泄漏测试、汽车 噪声、飞机降噪、工业机器噪声、发动机声源定位测试等应用场合；振动信号分 析仪可谓是航空发动机的“私人医生”，可实现燃气轮机信号测试、远程数据通 信、离线数据查询、离线数据分析等功能；汽车白车身动静态特性检测系统具有 车身静态测试、试验模态分析、疲劳分析、车身及部件安全性测试等功能，称得 上是车身设计的“参谋官”；生产线音频产品检测系统具有高精度多通道音频信 号同步测试、高级分析算法、噪音与振动控制、机器状态监控等功能，适用于音 乐播放器、音响功放、音效处理器等多种音频产品测试；电机振动测试系统具有 倍频程分析、特定频点的测试值提取、简单便携的测试参数配置等功能，可用于 多种型号电机的振动测试，它的多种格式数据存储支持m i c r o s o f to f f i c e 查看；在 地质勘探方面，有液压振动台测控系统，可以发生扫频信号，自定义激励设置， 具备振动和位移检测模块和专业的数据分析处理。由此可见，虚拟仪器技术可谓 无处不在，嵌入式设计与原型构造、工业测量与控制、自动化测试与测量、教学 与研究等诸多领域都有着广泛的应用【6 j 。 本文针对测试锭子在高速运转时产生的振动，开发了一套锭子振动测试系 天津工业大学硕士学位论文 统。将虚拟仪器技术应用于振动测试领域，结合计算机技术与数字信号处理技术 于一体，构建了以计算机为核心的虚拟仪器系统，同时完成了整个锭子振动测试 台的设计以及电机控制系统的设计，使之成为一个完整的锭子振动测试系统。本 文所设计的测试系统不仅能够用于测试锭子的振动，还可广泛应用于其他旋转件 的振动测试，具有很强的使用性和推广价值。 1 2 课题研究的实际意义 本课题来源于“十一五”机械工程及自动化专业重点学科建设课题，在参与 该课题过程中得到一些启发，以及导师的一些独到见解的启示，构成了本课题的 构思思路。笔者从虚拟仪器开发的角度，首先确定系统的总体方案和硬件配置， 然后从整体上确定系统的模块组成。基于l a b v i e w 平台开发一个完整的虚拟振 动测试系统，对软件的各个模块进行具体设计与实现，对开发过程中普遍存在的 问题做了一定的探讨与论述。整个系统包括三大部分，第一部分为机械设计，即 传感器固定机移动系统，实现传感器在工作台上的移动，以便测量锭子不同部位 的振动情况；第二部分为检测设计，即数据采集测试系统，主要由传感器、信号 调理器、数据采集卡和l a b v i e w 开发程序组成；第三部分为控制系统设计，即 电机转速控制系统，主要由l a b v i e w 编程实现与变频器之间的串口通信，进而 完成对电机转速的控制。通过这套锭子振动测试装置，可以检测锭子的振动情况， 并进行分析。该锭子振动测试装置具有操作简便、灵活、可靠以及结果易于理解 的特点，能够满足不同的测试要求。 在纺织行业中，锭子是一个重要的专件，锭子性能的优劣对生产效率和纱线 质量具有决定性的影响。对纺纱厂而言，精确地测定锭子的振幅是很关键的，因 为锭子的振动会影响纱线质量，而过早地更换轴承又会造成浪费。因此，按照实 际情况来确定是否更换轴承是非常重要的，这样，就必须测量可疑锭子的振幅。 当振幅超出了根据经验确定的极限值时，再去更换锭子轴承，这样可以大大降低 工业成本。多年来，人们采用各种理论分析及实验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。在使用过程中，锭子高速旋转，极小的加工误差或变形都可能 引起强烈的振动，过大的振动是导致锭子不能正常工作的主要原因之一。本测试 平台的设计可以准确的测量锭子的振动，并通过分析软件实现了对锭子参数的分 析，为锭子生产厂商生产新型锭子和旧锭子的改装提供依据。本测试平台不仅可 以用于纺织行业的锭子测试，而且还可以用于其它行业的振动测试，因此具有很 强的通用性和竞争能力。 第一章绪论 1 3 国内外研究现状与发展趋势 1 3 1 锭子的发展与国内外研究概况 在十九世纪中叶，美国发明家费尔斯和詹克斯设计了一种平面轴承锭子。2 0 世纪初期，德国开始制造滚柱轴承锭子：上轴承采用滚柱轴承承受径向负荷，下 轴承称为锭底，承托锭子的重量，两者刚性连接，称刚性锭子，锭速为8 0 0 0 - 1 2 0 0 0 r r a i n 。随着纺织工业的不断发展，锭子的结构也在不断改进。到了5 0 年代又发 展成锭底为弹性支承的锭子，称弹性锭子。以后，锭子的改进侧重在研究锭子的 支承结构，以提高速度。到7 0 年代棉纺锭速己达n 1 8 0 0 0r m i n ，直至目前的2 0 0 0 0 r m i n 以上的纺纱速度。纺纱卷装管长也由最初的1 8 0 m m 增至2 3 0 m m ，甚至 2 6 0 m m 。自上世纪8 0 年代末以来，我国纺织工业压锭改造，影响了纺纱水平的提 高，锭子的研制和开发也进展缓慢，没有相应跟上世界先进水平，差距里扩大趋 势。f 1 9 0 年代末，我国开始研制新一代高速、低耗、低噪声、长寿命锭子1 7 j 。 长期以来，由于锭子复杂的结构系统以及在纺织工业中起到的重要作用，有 关学者和专家都对锭子的研究工作很重视，对锭子进行了全方位的研究。前苏联 学者科里蒂斯基在早期锭子的系统建模、弹性管的刚度分析，以及卷簧系统的阻 尼特性等方面进行了较为深入的研究，他将锭杆作为刚性转子，分析了锭子的振 动特性。国内也有不少专家与学者作了不少研究。钱家德在分析纺纱锭子的动态 特性方面采用近代非线性动力学理论，为定性地改善转子系统的稳定运行状态提 供了理论依据。同时，讨论了系统各种形式的倍周期、拟周期和混沌运动。用数 值方法得到转子系统在某些参数区域内的轴心轨迹图、p o i n c a r e 映射图和分岔图 等。近两年，发达国家的锭子研究、制造厂商对目前广为采用的环锭锭子的结构 尺寸设计进行了大胆的改进。此种动向已引起国内锭子制造厂的注意。苏逊 ( s u e s s e n ) 公司、t e x p a r t 公司( 原s k f ) 开始着手于锭胆小型化改进，分别开发出c s i 系列锭子和h p $ 6 8 系列锭子，以适应细纱机提速的要求，并达到了节能目的。 通常的做法为采用小锭盘、小轴承、改变下轴承结构、采用动力消振。目前德国 r o t o r c r a f t 公司基于对现代普遍的纺纱状况进行广泛调整研究、缜密分析， 找出了目前锭子轴承尺寸偏大等问题，同时提出了合理的解决方案。符合环锭锭 子创新改进的趋向，而且比目前的国际先进锭子又进了一步，其方案可以概括为： ( 1 ) 以最小的锭子尺寸，挖掘最大的纺纱潜能，恰当的满足实际的要求。 其核心是根据目前锭子普遍缩小的负荷情况； ( 2 ) 采用双层锭脚结构，内锭脚装m m 5 8 锭胆，下部与外锭脚紧配连接， 外锭脚可以紧固在龙筋上。外锭脚通过压配与挠性内锭脚连接，由此使锭胆得到 件平台确定后，有着“软件即仪器”的说法，体现了测试技术与计算机技术的深 层次结合。l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g ) ，即实验室虚拟 仪器集成环境，是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语割陆1 5 1 。 l a b v i e w 采用图形模式的结构框图构建程序代码，数据流编程方式，程序框图 中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。在使用这种语言编程时，主要用 第一章绪论 图标、连线构成流程图，因此，l a b v i e w 是一个面向最终用户的工具。它不仅 能增强用户构建自己的科学和工程系统的能力，而且能提高用户进行原理研究、 设计、测试并实现仪器系统的工作效率i l 酬。用l a b v i e w 开发的程序一般由一个 或多个后缀名为v i 的文件组成，所有v i 都由前面板、框图及图标和连线板三部 分组成。前面板是v i 的交互式用户界面，外观和功能都类似于传统仪器面板， 用户的输入数据通过前面板传递给框图，计算和分析结果也在前面板上以数字、 图形、表格等各种不同方式显示出来。前面板上的各种控件根据输入输出功能可 分为输入控件和显示控件两类，前者一般用于接受用户输入，后者则一般用于显 示输出结果。框图是程序代码的图形化表示，其中含有各种图形化的函数、子 v i 、变量、常量、结构和连线，从前面板中得到用户输入的数据后，按照所编写 的程序以数据流方式进行运算，最后输出结果并反馈给用户。图标是v i 的图形 符号，l a b v i e w 中内置了图标编辑器供用户自行绘制个性化图标，用户可通过 在界面右上角的v i 图标上直接双击鼠标调出图标编辑器。连线板主要用来定义 输入和输出，用户可在界面右上角的v i 图标上用鼠标右键点击，选择“显示连 线板”以调出当前v i 的连线板进行设置。l a b v i e w 编程中，用户要做的工作 就是恰当的设置参数，并连接各个子v i 。 虚拟仪器的概念由美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，n i ) 于1 9 8 6 年 提出，它的发展大致可分为三个阶段【1 7 】。第一阶段主要是利用计算机增强仪器的 功能阶段。随着g p i b 总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能。把传统仪 器通过g p i b 总线和r s 2 3 2 c 总线和计算机进行连接，就可以通过计算机对仪器 进行远程控制。第二阶段是开放式的仪器阶段。仪器在硬件方面出现了两个技术 突破：第一是数据采集卡出现了可插入式的，第二是确立了v x i 总线标准。新 技术的出现，开放了仪器的构成，使由用户定义和供应商定义仪器功能得到统一。 第三阶段是广泛认同和采用虚拟仪器框架阶段。任何用户构建虚拟仪器需要掌握 的内容可以通过面向对象技术封装起来。在硬件和软件领域出现了许多行业的新 标准，行业里逐渐对虚拟仪器平台进行认可，并使其逐渐成为虚拟仪器领域里的 标准工具【1 8 - 2 0 l 。虚拟仪器技术的不断发展主要有以下几个重要因素：计算机的发 展、软件的更新、高性能的a d 采集卡、调理放大器及传感器技术的进步。随 着微电子技术，计算机软、硬件技术，通信技术和网络技术的飞速发展，虚拟仪 器技术也将取得飞速的发展【2 1 1 。虚拟仪器技术经过二十多年的发展，正沿着总线 与驱动程序标准化、软硬件模块化，以及编程平台图形化和硬件模块即插即用 化等方向发展。其发展趋势主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 开放式的数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和 模块化的道路。 天津工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 数据采集产品性能的不断提高，为测试技术水平的提高提供了可靠的 保证。 ( 3 ) 随着w e b 技术的迅猛发展，以及它与虚拟仪器技术的结合，会形成基 于w e b 技术的虚拟仪器。新一代的虚拟仪器将能够快速、方便地与蓝牙、无线 以太网和其他标准的网络技术相融。“网络即仪器”也将成为新的概念，而网络 化仪器必将推动仪器界新的革命。 物体振动的大小有三个物理量表示，位移、速度、加速度，振动测量的对象 就是这三个物理量。振动测量仪器可以分为各独立仪表式和整体式【2 2 1 。各独立仪 表是由传感器、放大器、显示仪、记录仪等组成一套测量系统，这种方式精度较 高，主要用于实验室场合。整体式由传感器、放大器、显示仪表组成一个完整的 测量仪器，由于仪器经过了校准，因此可以直接读出数据，主要用于现场测振。 近年来，出现了将振动测量、数据采集、f f t 分析合为一体的袖珍式仪器，主要 适用于现场机械故障诊断，操作者只要按照显示于屏幕上的顺序在预先设定的检 测条件下就能进行测量。振动信号经采集到计算机后，需对信号进行分析。信号 分析可以分为时域分析和频域分析，这是对信号进行分析的两个不同角度和侧 面，它们都可以反映信号的一些特征，在实际应用中往往这两种分析方式都是必 需的【2 3 1 。目前，最常用的信号分析仪器有模拟式频谱分析仪、数字式频谱分析仪 和f f t 分析仪。其中，f f t 分析仪已经成为声学与振动信号分析的主要工具。 它可以使信号从时域变换到频域，或者进行逆变换，因此具有极大的分析能力。 国内研究动态：北京振动仪器厂生产的s p 8 2 0 双通道分析仪可以在测量振 动信号后对信号进行相应的分析；江苏东华测试技术股份有限公司生产的 d h 5 9 2 0 n 动态信号测试分析系统采用模块化设计，能够进行多通道数据采集， 集信号调理器、低通滤波器、电压放大器等于一身，是现行测试测量领域里较为 先进的测试仪器；多数锭子厂和研究单位都是通过测量锭杆的振幅和轴心轨迹的 方法来测量锭子的振动的，由于它采用模拟信号处理技术，对振动信号的处理过 于简单，因此测试结果很难正确反映锭子的振动特性。在锭子振动测试方面，浙 江理工大学和东华大学都取得了一些成果，但没有实现在线测量和离线测量的结 合，也没能实现通用性和模块化。 国外研究动态：与此同时，国外公司生产了多种笔型测振仪，用来现场测量 振动速度有效值，检查振动裂度，发现因不平衡、间隙过大、轴偏心、润滑不良 等引起的异常；美国w e s t e r ng r a p h c 公司的w r 7 9 0 0 型四通道f f t 分析仪； 挪威c a r d i a c 公司的基于l a b v i e w 平台的测试北海油田石油、大气、水流的 m p f m 系统；美国e n t e k 公司的d i 2 2 0 0 、d p l 5 0 0 及丹麦b & k 公司的信号采 集器系列产品等。 第一章绪论 由此可见，国内虽然在振动测试方面取得了一定成绩，但在利用虚拟仪器等 先进测试仪器的发展程度上与国外发达国家还存在一定差距。 1 4 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 高速锭子结构仿真与分析 运用仿真分析软件a d a m s 对锭子进行运动学和动力学分析。并通过a n s y s 对锭子进行模态分析，得到锭子不同阶的固有频率，以避免锭子高速运动时因共 振所引起的破坏作用。 ( 2 ) 锭子振动测试系统的方案设计 对锭子振动测试系统进行方案设计，提出整体设计方案，并分别从机械、检 测和控制三个方面对锭子振动测试系统进行设计，提出几种不同的设计方案，通 过方案对比，确定最终的设计方案。 ( 3 ) 锭子振动测试系统的检测部分设计 锭子振动测试系统的检测部分设计主要包括检测平台的搭建和振动信号采 集分析系统的软件设计。检测平台的搭建包括非接触式振动传感器的安装、信号 调理器、数据采集卡和计算机等。软件设计实现的功能应包括：数据采集、波形 显示、信号分析和处理、数据显示和存储、文件的读取等。 ( 4 ) 锭子振动测试系统的电机控制部分设计 控制系统的设计是设计出一套简单、实用、准确的l a b v i e w 控制系统，通 过l a b v i e w 编程实现与变频器之间的串口通信，进而对电机转速进行控制，以 实现锭子在不同转速下的测量。 ( 5 ) 获取实验数据并分析 利用设计好的测试系统，对锭子在不同转速下进行振动测试，存储锭子的振 动数据和振动曲线。利用设计好的测试软件对振动信号进行分析，包括时域分析、 频域分析、时频联合分析等。测试相同锭子在不同转速下的振动情况和不同锭子 在相同转速下的振动情况，并对测量结果进行对比与分析。 天津工业大学硕士学位论文 8 第二章高速锭子结构仿真与分析 第二章高速锭子结构仿真与分析 本章将着重研究高速锭子锭杆的仿真与分析，对锭杆的各阶模态进行数据分 析，得到该系列锭子的振动机理。由于锭杆是锭子系统的关键部件，因此着重在 锭杆上进行仿真分析。 2 1 高速锭子结构分析及动态性能要求 2 1 1 锭子结构特点 细纱锭子的主要部件由锭杆、锭盘、锭脚、锭底和锭钩组成。其中，锭杆与 锭盘是细纱锭子的主体，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，锭子外部结构如图2 1 所示。 图2 1 锭子外部结构 锭杆的材料为滚柱轴承钢( g c ，1 5 ) ，其上部第一段锥度是用来插放纱管的， 必须十分平直、坚韧而有弹性；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。锭杆在运转时速度很高，因此它的偏心必须控制在允许范围内。 锭盘的材料为铸铁或易切削钢，呈钟鼓形，紧套于锭杆的中部，其钟形部分 的锥度宜小，有利于减小跳筒管现象，一般在0 0 2 5 - - 0 0 1 m m 范围内，锭盘锥体 与筒管底孔之间的间隙取0 0 5 - - - 0 2 5 m m 。锭盘是锭子的传动件，为减小弯矩作 用，应使锭带张力的作用线与上轴承相接近。锭子上轴承罩于锭盘中，能防止飞 花尘埃浸入轴承1 2 4 1 。 锭脚是整套锭子的支座，同时作贮油之用。锭钩用以挡住锭盘，防止在拔管 时锭盘和锭杆一起被带出或剧烈窜动。锭底放置于锭脚内，和上轴承一起组成锭 子的支承部件。如图2 2 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，故轴承与锭底要求有足够的硬度、较高的光洁度和 天津工业大学硕士学位论文 制造精度。 图2 - 2 锭底 支承筒( 锭胆) 压配在锭脚上端，用来确定锭杆的高度、支承上轴承和弹性 管。 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 3 所示。 图2 3 定位套管 弹性管( 弹性套管) 是支承锭杆的“骨架”，是锭底的支撑体，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。锭杆的纵向弹性支承主 要就是依靠弹性管。如图2 - 4 所示。 图2 _ 4 弹性管 卷簧( 阻尼吸振器) 的主要作用是吸振，锭杆的横向弹性支承主要依赖于卷 簧的吸振效果。如图2 5 所示。 图2 - 5 卷簧 第二章高速锭子结构仿真与分析 2 1 2 锭子动态性能参数 锭子的动态性能主要有振动、噪声和功率三个方面。 ( 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 。 细纱锭子在高速回转时会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，实际上是三种振动现象的复合：自然振 动、强迫振动和自激振动。自然振动是由于瞬时外力作用，如锭带接头冲击等所 致，其振程值取决于起始条件，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，振程值取决于质量、偏心值和工作转速的大小；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，将会持续存在不会消失，其振 动频率大致相当于锭子的自然频率，振程值取决于振动系统的结构状态。 ( 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。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 。 ( 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 。 。 天津工业大学硕士学位论文 2 2p r o e 下锭子三维模型的建立 对于传统机械设计工作而言，p r o e 具有很强的实用性【2 5 - 2 6 。一般机械产品 的设计分为自上而下和自下而上两种方法。前者是从总装图开始，然后分拆部件， 最后再进行零件的具体设计；后者是从零件开始，几个零件构成一个部件，几个 部件构成一个上级部件，逐级往上递推，最后形成产品总装。本文在现有实际模 型的基础上，采用自下而上的方法进行产品建模，主要分为以下三步： ( 1 ) 建立零件模型 零件模型主要用于模拟实际的零件，它由零件的几何模型和属性构成。零件 的几何模型主要基于三维参数化建模技术，用于模拟零件的实际外形，零件属性 则用于对零件的名称、材料、密度等参数进行设置。 ( 2 ) 建立部件模型 部件模型主要用于模拟实际的部件，它由部件几何模型和部件属性构成。部 件几何模型通过引用一系列下级零部件模型组装而成，不但描述一个部件与下级 零部件间的装配从属关系，而且记录其下级零部件间的装配定位关系，部件属性 则包括部件名称和其他附加属性。 ( 3 ) 建立产品装配模型 位于产品多级装配树最上端的部件模型就是产品总装模型，它模拟了实际产 品总装。图2 - 6 为p r o e 环境下建立的锭子三维实体造型。 2 3 分析模型的建立 g _ 图2 - 6 锭子的三维实体造型 三维实体装配模型建好后，就可以通过m s c 公司开发的m e c h a n i s m p r o 专 第_ 章高速锭子结构仿真与分析 用接口模块将模型导入a d a m s 进行运动学、动力学分析研究 2 7 - 2 9 。通过设置这 一接口，在p r o e 中对锭子进行定义和施加约束，然后将模型传送到 a d a m s v i e w 中，以便进行全面的动力学分析。 本文使用m e c h a n i s m p r o 模块将锭子的三维模型导入a d a m s v i e w 的步骤 为： ( 1 ) 创建或打开锭子的装配模型； ( 2 ) 定义刚体构件，根据设计意图，将锭子装配模型中没有相对运动的零 件定义为刚体，同时指定锭脚为机架，作为其他刚体运动的参考标准； ( 3 ) 创建约束副，在各零件之间建立运动约束，即建立运动副，a d a m s 中提供了固定副、移动副、铰链副、平面副、柱面副、球面副、齿轮副和高副等 各种种类齐全的运动副，这里主要用到固定副和球面副； ( 4 ) 添加驱动，在锭子模型的约束副上添加运动学驱动，运动学驱动以时 间函数的形式确定刚体之间进行平动或转动的运动方程； ( 5 ) 应用载荷和弹性连接器根据锭子模型所受载荷的情况在不同刚体的两 点之间施加力和力矩，也可以使用弹性连接器在两个刚体之间添加弹性力和阻尼 力。在a d a m s 中，弹簧的处理可以把它看作是一个弹簧约束副，弹簧连接的两 部件间可以通过定义弹簧约束副来实现； ( 6 ) 传送模型，完成模型后，将锭子模型传送到中a d a m s v i e w 中，进一 步添加更复杂的约束副或驱动，再使用a d a m s s o l v e r 进行动力学仿真分析。 2 4 锭子在a d a m s 中的运动学及动力学分析 2 4 1 锭子的运动学分析 锭子的分析模型建立好后，就可以对其进行运动学分析 3 0 - 3 2 】。分别对锭子在 不同的转速下进行仿真，得到锭杆在1 0 0 0 0r m i n 1 5 0 0 0r m i n 五个不同转速下 相应的角速度和角加速度曲线，如图2 7 所示。 天津工业大学硕士学位论文 著 爹 辜 t r a m ( 删 ( a ) 棚0 - 1 2 1 擒o 薹 爹 差”5 5 t - h c c l ( b ) 埘0 t 硼1 啦雏1 9 i o 一 t 1 一 “j ? 一r 一 。一t ”七”一一：。p + + 一 一一p 嗣 0 0 0 1a n 灯 c c d 利m 帕 ； 1 一 ? 。r ? 。+ + ? + ： 1 j 卜一 i ； ： ；一一t 一 t-二 ：! 孙。删； ! 一 ：，川：j j卜一是 太i ：* ! , i ! 0 ，、 j 、峙| 。j，j _ 1 八v ：圳0 ；、一j 0 do jo，0j th 山 o j0 50 o j0 0 t c c l ( c ) 1 4 2 们0 - 1 2 - 0 0 ：霉