（纺织材料与纺织品设计专业论文）采用气圈控制环实现低张力环锭纺纱的技术研究.pdf

摘要 本文针对基于环锭纺细纱机的气圈形态及纺纱过程中的动力学分析理论与 研究，在环锭纺细纱机上安装可移动的气圈控制环，控制纺纱过程中的气圈形态， 实现低张力纺纱，降低纺纱过程中的断头率，节能降耗。 纱线断头的主要原因是纱线张力的问题，而纺纱过程中纱线张力主要是由气 圈形态决定的，所以讨论气圈的形态对于控制张力，进而控制纱线断头具有最基 本和最关键的作用。本文首先分析了环锭纺生产过程中的动力学状态，对纺纱过 程中的每一段纺纱张力的相互关系与联系进行了分析与总结，对自由气圈和双气 圈形态与张力的关系作探讨为安装气圈控制环做理论上的支撑。 基于前面的理论基础，设计了可移动气圈控制环的大小和安装位置，与以往 的固定气圈控制环相比，对降低纺纱过程中的张力有更好的效果。 采用先进的传感器，步进电机等电器设备，利用先进的数字技术对可移动气 圈控制环随动系统进行了设计，完成了数据采集、处理、显示等功能，该系统简 单实用。 在同一台细纱机上的不同锭子分别安装了可移动气圈控制环和固定气圈控 制环，测试了纺纱过程中的动态张力，与未安装气圈控制环的纱线动态张力进行 对比，结果表明，安装可移动气圈控制环的张力降低效果显著。 基于张力对纱线毛羽及强力的影响显著，测试了可移动气圈控制环对纱线毛 羽及强力的影响。结果表明，安装了可移动气圈控制环后纱线的动态张力得到了 大幅度的降低，降低了自由气圈张力的2 3 ，纱线的毛羽数量得到了大幅度的降 低，纱线的强力没有受到影响。 本课题的研究将进一步的推动环锭纺向高速、高效、节能的方向发展。 关键词：环锭纺，气圈控制环，张力，毛羽，强力 a b s t r a c t t h i st h e s i si si n t r o d u c e da c c o r d i n gt ot h ed y n a m i ca n a l y z ea n dr e s e a r c ho fs t a b l e b a l l o o no fr i n gs p i n n i n gp r o c e s s w ef i xam o v a b l eb a l l o o nc o n t r o lr i n go nt h er i n g s p i n n i n gf r a m et oc o n t r o lt h es h a p eo ft h es t a b l eb a l l o o ni n o r d e rt or e a l i z el o w t e n s i o ns p i n n i n g ，r e d u c et h ee n db r e a k a g ea n ds a v ee n e r g y y a me n db r e a k a g ei st h em a i np r o b l e mo fy a mt e n s i o n ，a n dy a mt e n s i o ni s m a i n l yc a u s e db yt h es h a p eo fs t a b l eb a l l o o n t h e r e f o r e ，d i s c u s s i n go ft h es h a p eo f s t a b l eb a l l o o nh a sm i n i m u me s s e n t i a la n dm o s tc r i t i c a lf u n c t i o nt oc o n t r o ls p i n n i n g t e n s i o na n dy a me n db r e a k a g e t h u s ，t h i sa r t i c l e ，f i r s to fa l l ，a n a l y z et h ed y n a m i co f r i n gs p i n n i n gp r o c e s sa n dy a mt e n s i o n ，a n dd i s c u s sy a r nt e n s i o n o fs t a p l ef l e eb a l l o o n c o m p a r e dw i t ht h em e a nt e n s i o nw i t hc o n t r o lr i n g s ，i no r d e r t op r o v i d eat h e o r e t i c a l s u p p o r tf o rt h ef i x i n gt h eb a l l o o nc o n t r o lr i n g o nt h eb a s i so ft h e o r y , w ed e s i g nt h es i z ea n di n s t a l l i n gp o s i t i o no ft h em o v a b l e b a l l o o nc o n t r o lr i n g ，t or e a l i z et h ee f f e c to fr e d u c i n gy a r nt e n s i o ni nr i n gs p i n n i n g p r o c e s si sb e t t e rt h a nt h ef i x e db a l l o o nc o n t r o lr i n g se f f e c t b a s e do ns i m p l ea n dp r a c t i c a lp u r p o s e ，w ed e s i g ns e r v o - d e v i c eo fm o v a b l e s t a b l eb a l l o o nc o n t r o lr i n g d u r i n gt h i sc o u r s e ，i n d u s 仃yc o n t r o lc o m p u t e r , s e n s o r s t e p m o t o ra n ds oo ni su s e d n u m e r i ct e c h n o l o g yi su s e dt og a t h e rd a t ea n dh a v ea d i s p o s a l ，d i s p l a y , s e r i a lc o m m u n i c a t i o n o nt h es a m er i n gs p u no fd i f f e r e n ts p i n d l e s ，w h i c hr e s p e c t i v e l yf i x e dw i t h m o v a b l eb a l l o o nc o n t r o lr i n g ，f i x e db a l l o o nc o n t r o lr i n ga n dw i t h o u tb a l l o o nc o n t r o l r i n g ，w ec o m p a r et h ey a mt e n s i o na m o n gt h e md u r i n gt h es p i n n i n gp r o c e s s t h e r e s u l t ss h o wt h a t ，t h ey a md y n a m i ct e n s i o nc a l lb er e d u c e db yu pt o2 3w i t ht h eu s e o fas i n g l eb a l l o o nc o n t r o lr i n go fs u i t a b l er a d i u sa n dp o s i t i o nf o rs p e c i f i cy a m s b a s e do nt h ec h a n g e so fy a mt e n s i o nh a ss i g n i f i c a n te f f e c t so ny a mh a i r i n e s sa n d s t r e n g t h ，w et e s tt h ey a mh a i r i n e s sa n ds t r e n g t hw h i c ha r ea f f e c t e db yt h em o v a b l e b a l l o o nr i n g t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h en u m b e ro fy a r nh a i r i n e s sh a sg r e a t l yb e e n r e d u c e da n dt h ey a ms t r e n g t hh a s n tb e e nd a m a g e d t h i sr e s e a r c hs u b j e c tw i l lf u r t h e rp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e d ，h i g h e f f i c i e n c y , a n de n e r g y - s a v i n gr i n gs p i n n i n gf r a m e k e yw o r d s ：r i n gs p i n n i n g ，b a l l o o nc o n t r o lr i n g ，t e n s i o n ，h a i r i n e s s ，s t r e n g t h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特 l i j ) j n 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼工些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 舒欢 签字日期哆年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鋈王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：纱7 年 导师签名： 签字日期： 学位论文的主要创新点 一、对环锭纺纱过程中的气圈形态进行了动力学分析，分别讨论了无 气圈环和有气圈环两种情况下各段气圈的力学模型，从理论上分析了 气圈形态对纺纱张力的影响。 二、分析了气圈环的直径和位置对纺纱张力的影响，认为气圈环直径 等于钢领直径，气圈环位于气圈高度1 2 处的情况下，降低纺纱张力 的效果最佳。 三、设计并实现了独立的气圈环随动系统。以先进的可编程控制器为 核心，采用步进电机驱动线性模组带动气圈环随钢领板升降，由拉线 式位移传感器采集钢领板升降位置信号，由可编程控制器控制气圈环 在升降过程中其高度始终处于气圈高度的1 2 处。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 环锭纺细纱机的发展现状 环锭纺是一种传统的纺纱方法，它在1 9 世纪下半叶就已得到广泛使用。但是 近年来通过深入研究，使得这种古老的纺纱方法取得了长足的进步并使之成为真 正的高技术系统。环锭纺纱工艺成熟，纺纱质量稳定。如今虽然各种新型纺纱技 术正日益完善成熟，但是由于其成纱结构及性能存在的缺陷和局限性，所以新型 纺纱不可能完全替代环锭纺纱，环锭纺纱仍然是现代纺纱生产中最重要、最核心 的纺纱方式。环锭纺本身也在不断革新和完善，出现了新的纺纱技术如集聚纺纱 ( c o m p a c ts p i n n i n g 或c o n d e n s e rs p i n n i n g ) 等。而有些新型纺纱就是在环锭纺的基础 上进行稍许改动而形成的，如赛罗纺( s i r o s p u n ) 、赛罗菲( s i r o f i l ) 、索罗纺( s o l o s p u n ) 等。这些纺纱技术的出现和形成，对于提高纺纱质量，丰富成纱产品的风格等将 起到有利的促进作用。但这些新型纺纱技术却改变不了传统的环锭纺纱技术产品 质量好、市场占有率高的优势。目前全世界约有1 7 亿台棉纺环锭纺细纱机，8 0 0 万台转杯纺，其它新型纺纱如喷气纺、涡流纺等容量很少。但转杯纱产量占全部 纱线市场的4 2 ，环锭纺占5 6 ，其它如喷气纺占2 。 因此，环锭纺在纺织上的地位是不可取代的，仍然是现代纺纱生产中最重要 的纺纱方式，对其的继续研究与改造亦是不容忽视与停滞的。 传统的环锭纺纱机，在过去几年的时间里已有很大发展。尤其是在2 0 世纪 后半期，环锭纺纱技术有很大进步，细纱机锭速达到2 50 0 0 转分，其产量及效 率得到很好的平衡，一台细纱机锭数已经发展到1 4 0 0 锭，牵伸倍数2 3 0 左右，在 牵伸形式、加压、锭子、钢领钢丝圈、吸棉、纱管、胶辊、胶圈、传动技术等方 面都有了很大发展，在细纱与自动落纱联合技术上也有了新的突破，有不少机型 都成了细络联。代表国际先进水平的机型有瑞士立达公司、德国绪森公司、意大 利马佐里公司以及德国青泽公司生产的各种新型环锭细纱机，在高速、高效、节 能、机电一体化及自动控制自动化方面都已达到很高水平。自1 9 8 9 年大阪国际 纺织机械展览会以来，各纺机制造集团均以高速为突破口。到目前为止，环锭纺 细纱机的实用最高锭速已达到或超过2 0 0 0 0 r m i n ，世界著名的细纱机制造集团如 z i n s e r ，r i e t e r ，t o y o d a 等公司的展机水平都达到2 5 0 0 0 r m i n ，并且已有3 0 0 0 0r m i n 的细纱机展机出现。 从当代环锭纺细纱机的发展趋势看，高速、大卷装、优质、低耗和机电一体 天津工业大学硕士学位论文 化是环锭纺细纱机整机制造的一个重要方向，而实现与前后道工序设备联机也是 世界各国纺机制造公司竞相采用的一种现代化设计方法，所有这些工作都是为提 高环锭细纱机生产效率创造条件，因此鉴于环锭纺的发展趋势，我们的研究方向 也要顺应这一潮流。 1 2 气圈控制环在环锭纺细纱机的应用发展 环锭纺与转杯纺，摩擦纺等其他纺纱方法相比，环锭纺能够生产高质量的纱 线但是生产效率较低。其生产效率低是因为相对较高的纺纱张力，纺纱张力增大 会增加纱线的断头率，并且引起能量的多余消耗。g w a l t n e 是第一个把气圈控制 环应用于环锭细纱机上的，他发现采用气圈控制环可以减小气圈的最大半径和降 低纺纱张力。d eb a n 通过比较有无气圈控制环的环锭细纱机导纱钩处的张力， 证实采用气圈控制环可以减少纱线的张力。b r a c e w e l l 和g r e e n h a l g h 模拟了气圈 控制环对环锭细纱机性能的作用，得出在模拟条件下，应用气圈控制环于大卷装 的环锭细纱机上，可以提升锭速并且可以保持卷绕过程中纱线张力恒定。g h o s h 等人分析了气圈控制环在对气圈形态和张力分布的影响及从前罗拉到卷装点的 气圈运动状态。f r a s e r 提出了一个环锭纺理论，并且探索出在一定的条件下模拟 导出气圈控制环对张力和气圈侧截面形态的影响。目前，f r a s e r 等人进一步研究 了气圈控制环在环锭纺生产过程中的作用。除了降低张力外，在环锭纺生产过程 中采用气圈控制环有助于形成稳定的短纤气圈。s h a r m a 和r a h n 采用涤纶长丝实 验研究纱线气圈旧1 。 最近，澳大利亚迪肯大学的王训该教授研究了纱线的张力口一1 ，纱线缠结及 气圈振动不稳定畸1 ，确认没有气圈控制环的环锭纺纱线的卷绕过程可以准确地被 模拟1 。他还建立了一个模型来测定在环锭纺过程中气圈控制环的半径和位置对 动态纱线张力的作用，这个模型提供了一个在环锭纺纺纱工业使用气圈控制环的 基础。 1 3 气圈对纱线张力和断头影响研究现状 在高速纺纱中，钢领、钢丝圈之间的线速度是限制高速的一个关键，而采用 气圈环装置可以有效地缓解这一矛盾。但是目前的环锭纺都是小卷装，因此会影 响生产效率的提高，故采用大卷装会减少细纱和络筒换筒管的次数，进而提高生 产效率。面对环锭纺的未来的发展趋势是高速度，大卷装、减少用工，提高生产 效率。但高速度，大卷装势必会造成纺纱过程中的张力过大。张力过大会造成断 头，降低纺纱的效率，因此纺纱过程中的张力控制是十分重要的。 第一章绪论 为了减少纱线断头率和提高纺纱效率，许多科学家和工程师在各方面做了他 们的贡献：改进传统细纱机的装置盯刮，增加额外的张力控制部分n 叫1 。，重新设计 纱线的卷装形状n2 1 ，研究机械清洁作用n 3 叫引，模拟在导纱钩处的最小张力 15 - 1 6 ， 找出可能的断裂点n 7 。2 ，建立气圈控制环动态模型优化纺纱条件乜2 哪t 矧，安装气 圈控制环减少纱线张力和减少气圈不稳定性o 删。d eb a r r 提出了一个非常复杂 方法用一定数量的参量估计断头率口7 1 ，这部分h u a n g ，x c 和o x e n h a m ，w 在一 篇论文上有所讨论预测精纺纱线的断头率1 。他们的这些研究都说明降低了纱线 的张力后，可以减少纱线的断头率，提高纱线的纺纱效率。 纺纱张力的峰值超过纺纱强力的谷值时会产生纺纱段断头。因此控制、稳定 纺纱张力，尤其是减少张力突变，减少张力波峰与强力波谷相交的机会，是降低 细纱断头率的有效措施之一。针对这个问题，发明了安装气圈环的环锭细纱机。 在整个纺纱过程中，气圈呈现两种不同的形态。单气圈形态当气圈高度较小时， 气圈环处气圈半径小于气圈环半径，气圈环不起作用，此时气圈形态为单气圈， 当气圈高度较太时，气圈环处气圈半径等于气圈环半径，气圈环起作用。此时气 圈分成上下两段。针对装有气圈环的环锭细纱机，实现了从始纺到落纱整个纺纱 过程任一时刻纱线张力和气圈形态的计算机实时计算和动态显示，纺纱张力计算 结果经验证与实测基本相符，纺纱张力波动范围经调节可收缩近5 0 ，纺纱张力的 控制得到了较大程度的改善。 纱线断头的主要原因是纱线张力的问题，而纱线张力主要是由气圈形态决定 的，所以气圈的形态对于控制张力，进而控制纱线断头有着关键的作用。细纱机 卷绕过程和气圈问题的的研究，己经取得了较为成熟的结果，对于影响纱线张力 的因素，已经有了比较一致看法。 1 4 气圈模型研究现状 原中国纺织大学的陈人哲曾经指出极限气圈的存在，即当气圈膨大到一定限 度时，张力将达到一最小极限，如再继续减小，反而会逐渐增大，这将破坏气圈 和钢丝圈的稳定平衡而引起纱线断头，这样的气圈可称之为极限气圈。在纺纱过 程中( 钢丝圈轻重不变) 不断增加气圈高度，使其形态不断膨大而逐渐接近该“极 限气圈 时，同样也将使钢丝圈运动失稳而引起纱线断头。在理论上，气圈高度 超过该极限高度，或当纱线张力低于其最小极限时，? 单节 气圈将向“双节” 气圈过渡和转变。可是这一转变是突变而不是渐变，对钢丝圈运动非常的不利， 更因双节气圈将绕筒管头，所以根本不可能正常纺纱臼9 j ，总之，因此必须突破极 限气圈对生产效率的制约。 在环锭细纱机上安装了气圈控制环后，就可突破极限气圈对最大气圈高度的 天津工业大学硕士学位论文 制约。而使卷装容量的到增加，或在不增加气圈高度的条件下，用了气圈环就可 以代替原来使用加重钢丝圈来约束气圈的不合理办法，而能容许减轻钢丝圈来使 纺纱张力降低，以减少断头率，或者使转速能有所增加，提高了细纱机的性 能4 们。 气圈纱线的第一阶临界速度有可能落在锭子本身的第一阶和第二阶临界速 度之间，工作锭速可以避开锭子本身的临界速度，但却有可能与气圈纱线的临界 速度接近，因而确定工作锭速和纺纱断面尺寸时，应考虑气圈纱线的振动特性始 纺气圈的高度最大，气圈的临界速度最低，采用气圈环，可提高始纺气圈的临界 速度，从而可在较大卷装下实现高速纺纱。 需要说明的是，始纺气圈的高度是由卷装大小决定的，如要求卷装尺寸大， 则始纺气圈高度大，气圈的临界速度低，只能采用较低的锭速，反之，卷装小则 可提高锭速。另外如采用气圈环将气圈分为两段，相当于减小了每一个气圈的高 度，因而可提高气圈临界速度，故可采用高的的锭速和较大的卷装。 环锭纺气圈纱线的曲线形态在不考虑空气阻力时基本上是一平面曲线，而在 空气阻力的作用下却是一空间曲线，根据对曲线的求解，可以在细纱机实时控制 上有所借鉴。据查资料显示，某些机型在气圈张力控制方面仍旧没有太多改善， 直接制约了细纱机的先进性，仍然存在着改造的空间。 s o n n a ge c k h a r d 和f r a s e rwb 提出的双气圈动力模型h 1 4 2 1 ：在建立自由气圈 的动力学模型的基础上，进一步提出了双气圈的动力学模型，该模型整体化求解 双气圈纱线的形态和张力的方法，既改进了以往忽略控制环的解析方法，又避免 了求解中由边界条件的不确定性带来的计算上的繁琐和近似。因微分方程中加入 了切向空气阻力、纱线的卷取速度及重力等微影响因素，使模型更为严密、可靠， 同时拓宽了模型的使用范围。此模型考虑以往模型中常被忽视的切向空气阻力、 纱线自重及卷取速度等因素，适用于求解带毛羽的粗重纱线作回转运动时气圈的 张力与形态，同时也可作为求解其他工程行业中类似的气圈问题的参考模型。 1 5 本文研究的主要内容 通过前面的文献综述可以看到，以前的环锭纺细纱机的气圈控制环都是固定 在钢领板上的，还没有人将气圈控制环的运动与钢领板分离开来。鉴于有人已经 提出环锭纺安装可移动气圈控制环的可行性，因此我们对此做出在细纱机上的实 践改造；同时也没有人对气圈控制环对纱线成纱性能的好坏作明确的分析，所以 我们在改造好后的细纱机上对纱线的性能进行测试分析。通过在环锭纺细纱机上 在导纱钩与钢领板之间采用安装可移动的气圈控制环，控制气圈的形态，将一个 气圈分割成两个气圈，实现张力降低情况优于固定的气圈控制环的状态，提高锭 4 第一章绪论 速，降低能耗，提高生产效率。因此我们做了如下的工作： ( 1 ) 为了更好的优化出气圈控制环的大小和安装位置，降低纺纱张力，我 们首先分析了解环锭纺生产过程中，自由气圈状态的动态张力模型，找到安装气 圈控制环的最佳大小及位置。 ( 2 ) 利用电机，p l c ( 可编程控制器) 、变频与伺服控制器、触摸屏显示等 设计气圈控制环的随动装置，做出设备的改造，控制气圈控制环的运动，使它与 钢领板的运动分开。对安装可移动气圈控制环情况下的纺纱动态张力进行测试， 未安装气圈控制环和安装情况下的纺纱动态张力作为对比试验，分析其张力降低 的程度，从而验证可移动气圈控制环的优越性。 ( 3 ) 试验观察安装可移动气圈控制环对纱线性能的影响，例如毛羽，这是 因为张力降低后除了断头率减少以外，纱线的毛羽在一定程度上减少。并且对纱 线强力等进行测试分析可移动气圈控制环是否会影响纱线强力。 1 6 选题的目的与意义 为了提高环锭纺的生产效率，既要采用大卷装，又要降低纺纱过程中的张力， 因此我们必须采取一定的措施对设备进行改造，为了解决这一问题我们在传统的 环锭纺细纱机上安装了气圈控制环，用于控制纺纱过程中的纱线的气圈的形态进 而控制纺纱过程中的张力。即在传统的环锭纺细纱机上安装可移动的气圈环，通 过控制气圈控制环的位置和运动，使气圈控制环、钢领板升降运动分开，有利于 降低环锭纺中的纱线张力，实现显著地减少纱线在纺纱过程中的张力。 生产实践证明，纱线气圈高速运动形态是造成环锭细纱机在高速运转条件 下，断头比例增加的主要原因之一，这主要表现在气圈运动形态显著偏离正常气 圈要求的工作范围，使纱线气圈形态呈锥形平直状，这样就增大了钢丝圈的水平 超前角和使得钢丝圈易于被楔住；另一方面由于气圈形态的改变而使纱线的张力 显著增大，气圈缺少一定的弹性，削弱了气圈在纺纱过程中调节纱线承受张力变 化的能力。因此研究和控制环锭细纱机的气圈形态，有着十分重要的意义。所以， 本研究将采用可移动气圈控制环控制纺纱过程中的气圈形态，降低纺纱张力，实 现节能降耗。 1 6 1 安装气圈控制环的目的 通过上述环锭纺现状的概述，我们可以看出目前环锭纺的技术的进步，已经 日趋完善，对其各个部件的研究已经逐渐的成熟。高速度纺纱已是当今世界环锭 纺机的发展趋势。 天津工业大学硕士学位论文 气圈环主要适用于大卷装环锭细纱机，能有效地控制气圈高度和形态。并且 小卷装细纱机上安装气圈环后可以通过减轻钢丝圈的重量来减少纺纱张力，能 够有效地降低断头率，并可明显地提高锭速。由气圈理论的研究我们可以得知： 降低断头率的主攻方向是控制和稳定张力，提高纺纱强力、降低强力不匀率，尤 其是减少突变张力和强力薄弱环节，以减少张力与强力的波峰与波谷交叉机率。 目前，国内棉纺细纱机很少使用气圈环，但随着高速纺纱和细纱集体落纱机的开 发应用，环锭细纱机上配置气圈环已势在必行。 1 6 2 安装气圈控制环的意义 环锭纺要获得高产优质的纱线的主要关键之一就是降低断头率。断头是在须 条强力波低谷恰遇纺纱张力波更大的高峰时发生的。降低和稳定纺纱张力，是降 低断头率的首要措施。安装气圈控制环非常简便和有效，为国外各型环锭机和国 内毛精纺环锭机上所普遍采用h 1 | 。 气圈控制环主要作用是分割气圈，减小和相对稳定纱线张力。以便提高成纱 质量和减少断头。同时张力的降低，还有利于降低机器功耗，延长钢领的使用寿 命。细纱机要高速，纺纱张力必然增加，气圈稳定性差，气圈环能稳定气圈形态， 细纱机高速采用气圈环是措施之一。环锭纺细纱机增大卷装后，单气圈形态过大， 容易碰隔纱板，用气圈环即可解决问题。 通过纱线张力的降低和与之相关的纱线断裂和能量消耗的调查结果表明，本 研究的应用将会使现存的环锭纺纺纱系统的效率得到显著的提高，为下一代环锭 纺的设计提供范例基础。应用气圈环可使张力降低，提高锭速，降低能耗，提高 生产效率，应大力提倡使用。 本课题应用于纺纱工业领域，将会降低纺纱过程中能源的消耗，因此，本课 题的研究可以进一步的推动环锭纺的高速、高效、节能、机电一体化。 第二章环锭纺气圈动力学分析 第二章环锭纺气圈动力学分析 21 环锭纺的细纱原理 细纱工序是短纤维形成纱线的最后一道工序，经过此道工序后，纱线卷绕成 一个纱管或卷装。经过牵伸和梳理工序后的纤维形成具有一定线密度的粗纱，粗 纱从粗纱筒管上推绕下来经过导纱杆和横动装置上的喇叭口，进入牵伸装置。粗 纱通过双皮辊的牵伸作用进一步变细形成具有一定纱线密度的纤维平行的细纤 维条。然后在前罗拉处加捻形成纱线，纱线通过导纱钩及钢丝圈在高速旋转的锭 子上形成卷装。在导纱钩和钢丝圈之间的气圈称为纱线气圈，并且钢丝圈与导纱 钩之间的气圈的高度和半径及锭速是决定纱线的张力大小的主要因素。锭子高速 回转，通过纱条拖动钢丝圈在钢领上回转，由于钢丝圈与钢领间的接触摩擦力及 气圈纱条上的空气阻力的作用，钢丝圈的转速落后于筒管或锭子的转速。钢丝圈 每转一转就给纱条加上一个捻回，同时钢丝圈相对于筒管的速度差就完成了细纱 在筒管上的卷绕。钢领装在钢领板上随着板的升降，细纱便均匀地分布在筒管的 锥型卷绕面上；并且每次短动程升降之后，钢领板随即做一次升降运动，使细纱 卷绕到新的锥形面上。这样多锥面的纱层的连续叠合即形成了外形呈圆柱状的细 纱卷装。细纱机的工作原理如图2 - 1 所示。 “硝臧。 彰礁，。f 罄。 国2 - 1 细纱机的工作原理 天津工业大学硕士学位论文 2 2 张力的形成 细纱机在加捻卷绕过程中，纱线轴线方向所承受的力称为纱线张力。纱线张 力来源于作功。在加捻卷绕过程中，纱线要拖动钢丝圈回转，必须克服钢丝圈和 钢领间的摩擦力，以及导纱钩、钢丝圈给予纱线的摩擦阻力，还要克服气圈段纱 线回转时所受的空气阻力等，因此使纱线承受相当大的张力。在加捻卷绕过程中， 纱线的张力可分为三段。不同纱段的张力是不同的，前罗拉至导纱钩这段纱线的 张力称为纺纱张力珏；导纱钩至钢丝圈这段的纱线张力称为气圈张力，其分为 两个力，乃是气圈在导纱钩处的张力，称为气圈顶端张力，是气圈在钢丝圈 处的张力称为气圈底部张力。钢丝圈到筒管间卷绕纱段上的张力称为卷绕张力 嘞。我们研究纺纱张力的目的是为了掌握它与纺纱段纱条动态张力的关系，以 降低纺纱段断头率，并进一步研究气圈控制环的结构及安装位置对张力的影响。 研究气圈张力乃和珏的目的是为了掌握气圈形状与张力的关系，从而可以有直 观的气圈形态来掌握张力的变化。研究卷绕张力研的目的是为了掌握钢丝圈重 量的变化、钢丝圈和钢领的摩擦力变化( 包括钢丝圈形状及速度) 、钢领与筒管 卷绕直径比( 卷绕比) 对张力的影响。上述殆、乃、研的绝对数值虽有差 异，但是它们相互间的关系是密切的，变化规律是一致的，而且相互关系相互影 响。适宜的纺纱张力是正常卷绕所必需的，且可改善成纱结构，减少毛羽，提高 管纱的卷绕密度，增加容量。但是张力过大，会使细纱断头增加，产量下降，动 力消耗增多；张力过小，则使管纱成形松烂，成纱强力低，气圈凸形太大，还会 是断头增多。因而研究纺纱张力具有重要的意义h 。 2 3 气圈形态及其与张力的关系 分析加捻卷绕过程中的纱条上的张力，必然要联系到气圈的形态。作用于气 圈纱段上的力有高速回转时的离心力锄，气圈顶端张力乃、气圈底部张力及 空气阻力。由于纱条一方面回转，另一方面又作轴向卷绕，所以还有哥式力。气 圈在客观形态上反应了这4 个力的大小和相互关系，也即这4 个作用力的外部形 式以及气圈形态表现出来。显然定的气圈形态反映了一定的受力状态，因此， 需建立一个数学模型来描述气圈形态及其影响因素，用它可以说明纱条的受力状 态和变化规律h 7 1 。 第二章环锭纺气圈动力学分析 2 4 不计空气阻力的环锭纺纱过程中的动力学状态 在环锭纺过程中，从前罗拉到锭予间的纱线的运动过程是十分复杂的。正如 图2 2 所示，它可以分成四个区域：第一区域( fi ) ，是从前罗拉输出点到导纱钩 的纱线运动；第二区域( ) ，是由导纱钩到钢丝圈的纱线运动：第三区域( 撑) ， 纱线经过钢丝圈的运动部分；第四区域( 撑) ，是从钢丝圈到管纱卷绕点处的纱 线运动。钢丝圈绕着锭轴旋转这意味着纱线的运动有着自己的旋转轴。纱线的旋 转和输出速度1 ，使纱线在加捻三角区处加捻。换句话说，在第二区域的旋转运动 的纱线产生了动力，这一动力决定着纱线张力的产生和沿着纱线气圈路径的张力 分布。除此之外，这一张力为钢丝圈的运动提供动力。为了实现高效生产，在前 罗拉喂入点的纱线的张力的大小必须控制在一定的狭窄范围内比副。 为了理解和掌握控制环锭纺的生产过程，分析第二和第四区域的张力产生原 因及钢丝圈的动力学状态是十分重要的。这两部分是相互影响，密切相关的。 图2 2 环锭纺纱线四个区域的示意图 2 4 1 第二区域和第三区域的运动方程 在第一区域，纱线的路径接近于直线。经过加捻三角区完全加捻后，纱线的 每一小段都是沿着纱线的轴向以恒定的速度( 卷绕速度，随捻度变化) 旋转。因 此在第一区域没有动力产生。我们建立一个惯性参考坐标系o - x y z ( 原点在导纱钩 天津工业大学硕士学位论文 处，z 轴就是管纱的中心轴，方向向下，见图2 3 ) 研究纱段的运动。同时建立一 个动坐标系o - x y z ，原点位于导纱钩，z 轴与惯性参考坐标系的z 轴相同。我们 来分析一个准定态的例子，即钢领板的升降速度远远小于管纱卷绕速度。这是因 为，在指定的任一瞬时时间，钢领板接近于静止，而纱线随钢丝圈一定速度旋转。 因此，动坐标系以钢丝圈旋转的速度( = e z ) 绕着z 轴旋转。在移动坐标系中 观察，纱线的气圈形状是固定的空间曲线。在曲线上的任意一点，我们引入了三 个方向的单位矢量，分别是切向单位矢量e ，法向单位矢量e 。，次法向单位矢量 e 6 ；另外，我们选取极坐标系，定义单位矢量为e ，( 径向方向) ，周向单位矢量e 垂 和z 轴方向单位矢量乞。现在我们分析一个无穷小的纱段其长度为d s 且质量为 d m = m d s ，其位置矢量为g ( 见图2 3 ) ；m 是纱线质量的线密度。这一纱段的 一般运动方程是 ad m 2 d f ( 2 - 1 ) 其中a 是纱段在惯性系中的绝对加速度，d f 是作用在其上面的所有的外 力之和。为了得到具体的方程，我们首先分析加速度a 的组成。 a = a o + 屏+ 2 ( o v r + r e x ( c o 咖+ a x q ( 2 - 2 ) 其中，a d 是动坐标系的坐标原点相对于惯性坐标系的加速度， v ，是纱段在动坐标系中的相对速度= a q d t ， 岛是纱段在动坐标系中的相对加速度， 是动坐标系相对于惯性系的角速度， 口是角加速度， g 是纱段在动坐标系中的位置矢量。 在我们准定态的例子中，动坐标系原点在空间的加速度a d = 0 。另外，角速度o j 和相对速度v ，是恒定不变的，所以角加速度口= 0 。屏可以分成三个部分，由于 卷绕速度是恒定不变的，切向的分量等于零，又由于气圈形状的空间曲线的曲率 非常的小可以忽略不及，所以其他两个方向上的分量也为0 。因此方程( 2 2 ) 可以简化为： a = 2 国诈+ ( 扬xq )( 2 - 3 ) 第二章环锭纺气圈动力学分析 其中，2 c o x v ，称作哥式加速度。 下一步，我们给出： q = r e ，+ z e z( 2 - 4 ) 这一方程的定义见( 标准教科书几何学) ，在这个方程中，e ，化简为： 0 e t - = - d q a s = d r d s e r + r d c h d s e 庐+ d z d s e , ( 2 5 ) x x 7 t 图2 3 动态分析环锭纺第二区域的纱线运动的惯性系与参照系 2 4 1 1 纱线的张力 接下来，分析作用在纱线上的外力。假设纱线易弯曲，不伸长。作用在纱线 上的外力有纱线张力致= 弛f ) 和空气阻力4 。空气阻力a 的产生是由于纱线沿着 它自身的轴向( e j ) 的空气相对运动速度引起的，空气阻力的方向是部分垂直于 纱线的路径( 即气圈) 。实践表明，当纱线线圈旋转速度很高时，空气阻力非常的 大，空气阻力的切向分量是可以忽略不计的。根据类似的推理，在本研究中也可 以不考虑重力的作用。 因此，方程2 1 可以化为 a 撕= 【2 o x v ，+ f o x ( f j q ) m a s 2d t + d a ( 2 6 ) 在此方程中， 缈v ，5c o v e n 聊是纱线路径的单位标准矢量。向心加速度为： ( 2 - 7 ) 天津工业大学硕士学位论文 缈( 彩= 一2 惕 沿着e t 方向的加速度为一0 3 2 r ( d r d s ) ，因此，沿着e l 方向方程2 - 6 化为： 一0 9 2 m r d r = d t ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 对方程2 - 9 积分，设定边界条件为，= 0 时( 导纱钩处) ，t = t o ，得出： r = 乃一( c 0 2 m r 2 2 )( 2 1 0 a ) 方程2 1 0 a 给出了纱线在第二区域纱线的张力分布与，的关系。这进一步说明纱 线的张力在不同的，和空气阻力的作用下是不同的，除非，和乃的值是最大值 的情况下。为了下一步的计算，方程2 1 0 a 可以改写成无量纲形式 t t o = ( 1 一肿2 ) 11 ( 2 - 1 0 b ) 其中r 三r r 口，p 三m 0 0 2 r 0 2 t o ( t 2 ：是惯性力与张力的比值) 都是无量纲参数， 砌是钢领的直径。选择无量纲参数的合理性将在下一部分中阐明。 2 4 1 2 不计空气阻力时的气圈形态 下一步，找到纱线路径( 即气圈) 是至关重要的。也就是说，定义z 关于， 和西的函数。为了得到这一函数，将方程2 - 6 以极坐标的形式展开，如下： ( 一2 d 啪亿一t d 2 r ) m d s = 祝+ 幽， ( 2 c o v ) m d r = 扔+ 彩口 0 = d 瓦+ d a ： ( 2 - 1 l a ) ( 2 - 1 l b ) ( 2 - 1 l c ) 其中d t ( d t ，, 刃k 妮) 和d a ( d a ，d a 办d a ：) 通过他们的标量元素表达。在大部分 是实际情况下，除了接近导纱钩处，即使在低捻度的情况下，线性圆周运动速度 ( o r 要大于平移速度，。因此，方程2 1 1 a 中的科式加速度可以忽略不计。在接近 导纱钩处，方程。2 1 l a 中的r d 西d s 的值非常小，因此这种近似成立。在方程2 1 1 b 中，为了使数学模型更加简便，去掉了哥式加速度这项。而且目前没有其他的理 论对此提出异议。为了实现这一目的，我们忽略了哥式加速度。 第二章环锭纺气圈动力学分析 多数情况下，分析气圈形态时考虑空气阻力的作用，这一数学模型是十分复 杂的。在此之间，对此问题的研究都将空气阻力修正为零。同样采取这一手段， 使气圈形态通过比较简单的数学模型来表达。所得出的数值解可以用来描绘空气 阻力影响的类型范围。 因此，空气阻力为零时的气圈运动方程变为： 一c 0 2 r m d s = d t , 0 = d 0 = d t z ( 2 1 2 a ) ( 2 1 2 b ) ( 2 - 1 2 c ) 方程2 1 2 b 和2 1 2 c 意味着沿着第二区域气圈方向张力和瓦是恒定的。 与方程( 2 1 3 a ) 联立。 r = 丁砖+ e 庐+ e z = t e l = t d r d s e ，+ t r d c l ) d s e e + t d z d s e z( 2 - 1 3 a ) 由方程( 2 - 1 3 a ) 得出， 和， l = t ；d r d z ( 2 - 1 3 b ) ( 2 - 1 3 c ) 方程2 1 3 b 表明当，= 0 时，= 0 。由于是恒定不变的，所以处处等 于零，因此d 窖) d z 处处等于零。在空气阻力为零时，气圈的的形态是一个在圮一 平面内的曲线。因此， 另外从方程2 1 3 c ，得出 舒= 矿+ 彦= d 2 ( 1 + 确 d t r = 比0 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 天津工业大学硕士学位论文 将这些结果带入关于，和z 的二阶线性微分方程( 2 1 2 a ) ，得出， - a ( m c 0 2 r r o ) 1 + ( c ：2 ) 严= c 嚣( 2 16 ) 其中，口兰彤瓦。无量纲情况下方程2 1 6 可以写成如下形式， r , z z = 一a ( p r l 2 ) 【l + 足丑2 】抛( 2 1 7 ) 其中z 兰z h ，l 三r o h ，h 表示从导纱钩到钢领板间的气圈高度。方程2 1 7 是二阶非线性微分方程，因此一个特解需要两个初始条件。这两个初始条件为， z = 0 时，r = o ；和z = 1 时，r = 1 ( 2 1 8 ) 在获得数值解之前需要知道口的值。为了得到a 的值引入了如下的论断： 如果气圈的半径大于钢领的半径( 即r 1 ) 时， r = r m 处，r ：= 0 ( 2 1 9 ) 其中r m = - r g r o ，p m 是气圈的最大半径值。换句话说，r = r m 处r ：= 0 时， 疋等于纱线的张力丁。因此，方程2 1 0 可以化为， t t o = ( 1 0 5 尸2 姘) = l a ( 2 2 0 ) 现在无空气阻力时，气圈的形状可以通过方程2 1 7 ，方程2 1 8 及方程2 2 0 求解出来。然而，有必要明确的是为了解决无量纲问题引入两个比例长度。这样 可以使气圈半径和气圈高度的值更加的精确，甚至可以引入一个新的参数l ( 三 r d h ) ，将称作气圈的长径比。这一无量纲问题具有很大的物理意义，利用它可 以继续研究在同一标准平面内空气阻力，惯性力和气圈高度对气圈形状的影响。 2 4 2 钢丝圈的运动方程 钢丝圈的尺寸非常的小，因此它可以被看成一个的沿着钢领半径( 砌) 以恒 定的速度角c o 运动的质量为m 。的质点。作用在钢丝圈上的力有来自第二个区域 的纱线张力乃，来自第四个区域的纱线张力死，及在吃平面内的一个反作用力 和在钢领平面内与钢领相切的摩擦力以见图2 4 ) 。钢丝圈的运动方程可以表 第二章环锭纺气罔动力学分析 达成如下方程： - m ( 0 2 ，口e ，= 乃+ 死+ + ， 乃的值可由方程2 1 0 求得，代入尺= 1 得出， 乃= t o ( 卜1 0 2 2 ) 事实上，张力死和乃分别在有限的小纱段两端与钢丝圈接触摩擦。 死的值可以通过e u l e r 方程得出， ( 2 - 2 1 ) ( 2 2 2 ) 因此，乃和 ( 2 - 2 3 ) 脚是纱线与钢丝圈的摩擦系数，口是纱线的缠绕角度，g 三e x p ( y a ) 。矢量式为， t l = 一n 【0 e ，+ t 咖e o + 乞胡 2 = t 2 一c o s o o e r + s i n o o e , 】 = 2 v 一c o s v e r + s i n v e z 】 f = - a r n e o ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 2 7 ) 其中0 = ( l d r d s ) z = l ，t o = l ( r d q b d s ) z = 1 ，乞= ( d z d s ) z = l ( 第- - n 域) ，v 和a d 表示的角 度如图2 - 4 和图2 5 所示，肼是钢丝圈和钢领的摩擦系数，将方程2 2 2 和方程 2 - 2 4 - - 方程2 2 7 代入方程2 2 l 得出钢丝圈的运动方程如下： c 三m c a 2 r o t o = 【0 + g c o s o o + t