（机械设计及理论专业论文）环锭纺气圈理论研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲a 撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：坼袅 f ， 日期： t 【年) 月7日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向b i 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密么 学位论文作者签名：叼让 砘r 日期：如【1 年岁月) 日 指导教师签名：1 a 、江筏 日期：弋- 、( 年歹月) 日 ， 东华人学坝i j 学位论文 摘受 环锭纺气圈理论研究 摘要 环锭纺纱是生产高质量纱线的重要途径，由于在纺纱过程中对于 短纤维的良好控制，因此其纺成的纱线质量也成为了衡量其他纺纱设 备的一个基准。随着时代的进步和科技的发展，对环锭纺纱提出了更 高的要求，所以有必要从本质上对环锭纺纱过程进行深入的剖析。本 文以环锭纺纱中的气圈现象为研究内容，采取理论推导、计算模拟和 实验验证相结合的研究方法，对整个环锭纺纱过程进行了全面系统地 研究和分析。 由纱线动力学出发，本文推导出空气阻力下的气圈形态微分方程 以及边界条件。所得到的方程是非线性的边值问题，采用了打靶法和 有限差分法进行求解。详细地讨论了各参数对气圈形态和张力的影 响，包括钢丝圈质量，气圈高度，卷装半径，钢丝圈与钢领的摩擦系 数，纱线与钢丝圈的摩擦系数，法向空气阻力系数，钢领半径，锭子 转速等。 对于一个方程来说，我们更希望能够得到方程的解析解，本文在 这方面也展开了一些工作，使用了摄动方法得到了平面气圈方程的近 似解析解。由于方程中没有所谓的小参数，我们采用了人工参数法在 方程中的适当位置引入了小参数；又针对传统摄动方法的收敛问题采 取了参数展开法来解决。此外，介绍了最新的同伦摄动方法，该方法 可以有效地解决以上的问题，且误差最更小。 本文建立了考虑纱线弹性因素的气圈模型，包括线性弹性纱线和 非线性弹性纱线。分析线弹性纱线模型对气圈张力及形态的影响，给 出定性的结论。对于不同纺纱材料，用非线性弹性纱线模型参数进行 曲线拟合，得出定量的结论。 在求解稳态方程中，我们发现气圈形态和纱线张力不是唯一的。 在某些参数条件下，方程的解有3 个，存在拟h o p f 分岔现象。为了 考察整个气圈系统的稳定性，我们推导并求解了气圈瞬态模型，研究 了气圈在小的速度扰动后的稳定特性。分别给出了单气圈，一个半气 摘曼 圈和双气圈中的纱线张力随时间变化的规律。 最后，我们利用已有的设备( 频闪仪，张力测试仪等) 搭建了气 圈实验平台。使用数码相机采集气圈空间曲线，l a b v i e w 软件编程动 态采集纱线在导纱钩处张力。此外，提出了基于经验模态分解原理的 数据提取方法，对张力数据进行有效地处理并与计算数值对比。 关键词：环锭纺；气圈形态；纱线张力；瞬态模型；经验模态分解 i i 东芦人学坝卜学位论文a b s t r a c t o nt h et h e o r yo fi u n gs p i n n i n gb a l l o o n a b s t r a c t r i n gs p i n n i n gi st h ed o m i n a n ts y s t e mo fm a n u f a c t u r i n gh i g hq u a l i t yy a m sf r o mf i b r e sf o r a p p a r e la p p l i c a t i o n s b e c a u s eo ft h ec a r e f u lf i b r ec o n t r o ld u r i n gt h es p i n n i n gp r o c e s s ，r i n g s p i n n i n gp r o d u c e sr e l a t i v e l yh i g hq u a l i t yy a m sa n dt h eq u a l i t yo ff i n gs p u ny a m sh a sb e e nu s e da s ab e n c h m a r ka g a i n s tw h i c hq u a l i t yo fy a m sp r o d u c e do no t h e rs p i n n i n gs y s t e mi sj u d g e d w i t ht h e p r o g r e s so ft h et i m e sa n dt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , h i g h e rr e q u e s th a sb e e np u t f o r w a r dt or i n gs p i n n i n gs y s t e m ，s oi ti sn e c e s s a r yt od e e p l ya n a l y z et h er i n gs p i n n i n gp r o c e s si n e s s e n t i a l 1 1 1 i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u so ns p i n n i n gb a l l o o np h e n o m e n a w h i c hi ss t u d i e db ym e t h o do f t h ec o m b i n a t i o no ft h e o r yd e r i v a t i o n ，a n a l y t i c a la n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i n ga sw e l la se x p e r i m e n t v a l i d a t i o n b a s e do ny a md y n a m i c s ，o r d i n a r yd i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fb a l l o o ns h a p ea n db o u n d a r y c o n d i t i o n sa r ed e r i v e di n c o r p o r a t i n gn o r m a la i rd r a g t h er e s u l t i n ge q u a t i o n sw h i c ha r en o n l i n e a r b o u n d a r yv a l u ep r o b l e ma r es o l v e db ys h o o t i n gm e t h o da n df i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d v a r i o u s p a r a m e t e r sa f f e c t i n gb a l l o o np r o f i l ea n dy a m t e n s i o na r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，s u c ha st r a v e l e rm a s s ， b a l l o o nh e i g h t ，b o b b i l lr a d i u s ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft r a v e l e ra n dr i n gc o l l a r , f r i c t i o nc o e f f i c i e n to f y a ma n dt r a v e l e r , f r i c t i o nc o e f f i c i e n to fn o r m a la i rd r a g ，r i n gr a d i u sa n ds p i n d l es p e e d f o ra ne q u a t i o n ，a n a l y t i c a ls o l u t i o ni sm o r ew i l l i n gt ob eo b t a i n e d a p p r o x i m a t ea n a l y t i c a l s o l u t i o no ft h er i n gs p i n n i n gf o r m u l ai nz e r oa i rd r a gi sg i v e nu s i n gp e r t u r b a t i o nm e t h o d s i n c et h e e q u a t i o nd o e sn o te x i s tt h es o - c a l l e d s m a l lp a r a m e t e r ，t h ea r t i f i c i a ls m a l lp a r a m e t e ri su s e di n t o t h ea p p r o p r i a t ep l a c ei nt h ee q u a t i o n p a r a m e t e re x p a n s i o nm e t h o di sa l s ou s e dt oe n l a r g et h e c o n v e r g e n c ea r e a i na d d i t i o n ，h o m o t o p yp e r t u r b a t i o nm e t h o di si n t r o d u c e d ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l y s o l v et h ea b o v ep r o b l e mw i ms m a l l e re l t o r m o d e l si n c o r p o r a t i n gy a me l a s t i c i t ya r es e tu p ，i n c o r p o r a t i n gl i n e a re l a s t i cy a ma s s u m p t i o n a n dn o n l i n e a re l a s t i cy a ma s s u m p t i o n m o d e lo fl i n e a r e l a s t i cy a mi su s e dt oa n a l y z et h e s i g n i f i c a n c eo f v a r i o u sy a me l a s t i c i t yp a r a m e t e r so nb a l l o o np r o f i l ea n dy a r nt e n s i o n ，w h i c hg i v e s q u a n t i t a t i v ec o n c l u s i o n s f o rd i f f e r e n ts p i n n i n gm a t e r i a l s ，c u r v ef i t t i n ga r eu s e dt om a t c ht w o p a r a m e t e r sp r o p o s e di nn o n l i n e a re l a s t i cm o d e la n dq u a n t i t a t i v ec o n c l u s i o n sa r ed r a w n i ti sf o u n dt h a tb a l l o o ns h a p ea n dy a r nt e n s i o na r en o tu n i q u ei ns o l v i n gs t e a d y s t a t e e q u a t i o n s i nc e r t a i np a r a m e t e rc o n d i t i o n s ，r i n gs p i n n i n ge q u a t i o n sh a v e3a n s w e r s ，n a m e l y h o p f - l i k eb i f u r c a t i o np h e n o m e n a i no r d e rt os t u d yt h es t a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m ，t r a n s i e n t m o d e li sd e v e l o p e da n dt h es t a b i l i t yo fr e p r e s e n t a t i v eq u a s i s t a t i o n a r yb a l l o o n ss u b j e c t e dt oa s m a l lv e l o c i t yi m p u l s ei si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so fs i n g l e - l o o pb a l l o o n ，o n e - a n d - a - h a l f - l o o p b a l l o o na n dd o u b l e l o o pb a l l o o na r eg i v e n f i n a l l y , e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sb u i l tb yt h ee x i s t i n ge q u i p m e n t ( s t r o b o s c o p e ，t e n s i o m e t e r ) s p a c ec u r v e so fy a r nb a l l o o n sa l ec o l l e c t e db yd i g i t a lc a n l 烈 aa n dy a r nt e n s i o n sa tg u i d e - e y ea l e a c q u i r e db yp r o g r a m m e dl a b v i e ws o f t w a r e t e n s i o nd a t aa r ee x t r a c t e db yd a t ap r o c e s s i n g t e c h n o l o g yw h i c hi sp r o p o s e db a s e do ne m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o np r i n c i p l ea n dc o m p a r e d 、i t hn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n i i i k e yw o r d s ：r i n gs p i n n i n g ；b a l l o o np r o f i l e ；y a r nt e n s i o n ；t r a n s i e n tm o d e l ；e m d d e c o m p o s i t i o n i v a u t h o r ：r o n gy i n s u p e r v i s e db yh o n g b og u 东。产人学坝l j - ”y - - 位论文 日录 第1 章 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 第4 章 4 1 4 2 4 3 第5 章 5 。l 5 2 5 3 5 4 第6 章 6 1 6 2 目录 序论1 引言1 课题的研究意义2 环锭纺纱过程2 环锭纺发展瓶颈5 环锭纺纱理论研究历史与现状7 课题的研究内容及创新点8 环锭纺气圈理论基本模型1 0 纱线的力学性能与基本假设1 0 气圈数学模型的建立1 0 气圈模型的数值解法1 6 环锭纺纱参数与纱线张力，气圈形态的关系1 9 本章小结2 7 平面气圈方程的解析解2 8 解析方法介绍2 8 平面气圈方程2 9 传统摄动方法2 9 人工小参数法3 0 参数展开法3 3 同伦摄动法3 6 本章小结4 0 考虑纱线弹性因素的气圈理论模型4 l 线性弹性纱线模型4 1 非线性弹性纱线模型4 7 本章小结5 0 气圈瞬态模型5 1 瞬态方程建模。5 l 偏微分方程的求解5 4 气圈在小扰动下的稳定性分析5 5 本章小结5 9 气圈张力实验与数据处理6 0 实验设备6 0 实验内容6 2 v 东。仁人学顺i ：学位论文一 旦茎 _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ - _ - _ _ h 一一一 6 3 信号处理6 4 6 4 结果分析7 0 6 5 本章小结7 2 第7 章结论和展望7 3 7 1 结论7 3 7 2 展望7 3 参考文献b 附录一8 0 附录二8 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文8 7 致谢：8 8 v i e ，e 0 ，e ： 尺 s t m 主要符号说明 柱坐标( c y l i n d r i c a lc o o r d i n a t e ) 位置矢量( p o s i t i o n v e c t o r ) 长度( 1 e n g t h ) 时问( t i m e ) 纱线质量( y a r nm a s s ) 钢丝圈质量( t r a v e l e rm a s s ) 纱线密度( y a md e n s i t y ) 锭子转速( s p i n d l es p e e d ) 纱线角速度( a n g u l a rv e l o c i t yo f y a m ) 纱线输出速度( y a md e l i v e r ys p e e d ) 钢丝圈半径( r i n gr a d i u s ) 卷装半径( p a c k a g er a d i u s ) 气圈高度( b a l l o o nh e i g h t ) 纱线张力( y a m t e n s i o n ) 纱线在导纱钩处张力( t e n s i o na tg u i d e - e y e ) 见 法向空气阻力系数( t h en o r m a la i rd r a gr e s i s t a n c e c o e f f o c i e n t ) 钢丝圈和钢领摩擦系数( f r i c t i o nc o e f f i c i e n to f t r a v e l e ra n dr i n gc o l l a r ) 纱线与钢丝圈的摩擦系数( f r i c t i o nc o e f f i c i e n to f y a ma n dt r a v e l e r ) 雷诺数( r e y n o l d sn u m b e r ) 弹性参数( e l a s t i c i t yp a r a m e t e r ) 应变( s 仃a i n ) 弹性模量( e l a s t i c i t ym o d u l u s ) 纱线截面积( c r o s ss e c t i o na r e a ) 经验模态分解( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ) v i i 玩 p w 缈 k 口 6 办 f 毛 d m 胎孝 g e 4 脚 东华大学硕士学位论文第1 章序论 i 1 引言 第1 章序论 历史上环锭纺纱是在第一次工业革命的末期约1 7 0 年前出现的一种新颖的 加工技术。这种把钢领和钢丝圈结合在一起的环锭纺具有简便而高产的优越性， 这使它之后成为主要的纺纱方法。这种纺纱体系最初是被用于纱线加捻的一种方 法，但当环锭纺纱开始取代走锭纺纱后，很快就成为用于长纤维和短纤维加工的 主要生产方法。 将现代钢领和钢丝圈相结合的这一发明【l 】是由几个人共同完成，前后约有1 6 年的时间。钢领最初是由j o h n t h o r p e 从帽锭纺纱体系演变而来的，并且在1 8 2 8 年申请了专利，后来a d d i s o n 和s t e p h e n s 以及j e n k 共同分享了发明钢丝圈的荣 誉。但直到1 8 4 4 年j o h nt h o r p e 发明钢丝圈的专利才得到承认，这种钢丝圈类似 于今天我们都知道的c 型钢丝圈。这些专利是环锭纺纱体系的核心，当然在细 纱机上还有一些其它改变。对牵伸区电进行了改进，由中罗拉和轻质辊改为单皮 圈，最后改为双皮圈牵伸体系。后来开发了j 型钢丝圈，并于1 9 4 9 年出现了自 动落纱装置，它沿细纱机一侧的轨道运行，同时可落1 2 个纱管。所有这些改进 和工程实践的结果使环锭细纱机的质量和产量得以稳步提高。 目前全世界约有1 7 亿枚棉纺环锭细纱机，8 0 0 万头转杯纺，其他新型纺纱 如喷气纺、涡流纺等数量很岁2 1 。环锭纺是传统的纺纱方法，工艺技术十分成熟， 是纺纱生产中占比例最大、又十分重要的纺纱方式。新型纺纱技术虽然生产效率 高、工艺流程短，但成纱结构及性能不如环锭纱，相当长的时期内不可能完全取 代环锭纱。因此，环锭纺仍然是现代纺纱生产中最主要的纺纱方式。当代环锭细 纱机在牵伸加压形式、卷捻技术、传动方式、长车和细络联以及紧密纺纱技术等 方面有了很大的发展，已形成了高科技的环锭纺纱机。 环锭纺能发展成为主流的纺纱形式，其重要因素在于钢领钢丝圈加捻卷绕形 式结构的简单和巧妙【3 1 。一个环形轨道的钢领加上一个钢丝圈，构成了最简洁有 效的加捻卷绕主要构件。在纺纱过程中，钢丝圈为完成输出纱线的卷绕而滞后于 锭速，其自调速运动非常巧妙地适应于卷装不同大小直径的卷绕，而不必机械地 伺服于卷绕直径的变化。气圈也是环锭纺加捻另一个巧妙的结构构成，环锭纺名 义上为环锭回转加捻，其确切的描述应该是钢丝圈引导并和气圈纱条一起在环绕 锭子的钢领上作回转加捻。气圈是空间无刚性约束的柔性体：既是加捻结构的构 成又是纱线输送的路径；钢丝圈是速度无刚性控制的周向运动自由体：既是加捻 的引导者又是卷绕的引导者。这就是钢领钢丝圈加捻卷绕形式的简单和巧妙之所 在。环锭纺被长期和大范围应用的另外两个因素是：与其他纺纱形式相比，其适 东华大学硕士学位论文 第1 章序论 纺品种最广和纱线断裂强度最高。环锭纺几乎可以纺制所有品种的纤维和所有线 密度的纱线；环锭纱线也是所有纱线中对纤维强度利用率最高的形式。这两大因 素也与钢领钢丝圈和气圈加捻形式直接相关。 1 2 课题的研究意义 在纺织工业中，环锭纺纱是生产高质量纱线的重要工具1 4 1 。纺纱理论的研究 对改进纺织工艺和改善机械设计有着十分重要的现实和理论意义1 5 j 。气圈是纺纱 过程中的一个常见现象，在环锭纺纱、捻线，退绕等工艺中都存在这一现象，它 是当纱线以高速卷绕到纱管上或从纱管上退绕时由于离心力的作用而形成的。研 究者发现钢丝圈质量、气圈高度、卷装半径与纱线张力、气圈形态密切相关，呈 现了明显的非线性特征。而纱线张力是纺纱过程中需要严格控制的指标，它是影 响纱线断头的关键因素，且对成纱结构和质量也有影响。因此，只有有效地控制 气圈纱线的张力才能提高产量，保证成纱质量。实现这一目标的关键是要理清上 述关系，以便正确测算出纱的张力值。 另外，在设计新型纺纱机的参数选择阶段，工程师也希望能在工程图完成前， 得出机器运转时的气圈形态和张力，以便及时进行修改。理论分析加上可靠的实 验数据可以在较短的时间内就多种方案进行比较，不必待制造样机后进行试纺。 再者，纺纱理论研究在工艺参数改进方面也大有用途。由于气圈现象牵涉到 的参数很多，如纱线密度、气圈转速等，尽管有些参数已被现成的机器或产品规 格要求所限定，但可变参数还有不少，以往只能凭经验进行参数修改，而借助纺 纱理论，可以实现有目的地，合理地对参数进行量化调整。 1 3 环锭纺纱过程 如图1 1 所示，整个过程可划分为3 个区域【3 l ：第一区域，前罗拉钳口到导纱 钩之间的区域；第二区域，从导纱钩到钢丝圈之间的纱线，这一区域纱线做回转 运动的过程中形成气圈，被称为主气圈；第三区域，从钢丝圈输出到纱锭上的绕 入点之间的纱线，钢丝圈在绕钢领旋转的过程中使纱线绕轴线自转。 1 3 1纺纱段 习惯上将前罗拉钳口到导纱钩之间的区域称为纺纱段。 1 3 1 1 加捻三角区 按须条的行进方向看，加捻区始于加捻三角区。从牵伸部分最后个握持钳 口输出的扁平须条被传来的捻回所包卷。从捻度传递的路径看，三角区是加捻的 末端。握持钳口处扁平须条横向宽度的存在阻止了捻回向钳口的传递，形成了一 个弱捻环节。 2 东华大学硕士学位论文第1 章序论 导纱钩 纱锭 钢矮 图1 - 1 环锭纺纱过程 导纱钩与前钳口的相对位置关系决定了在一落纱过程中，与卷绕升降相关的 导纱钩升降使纺纱段中三角区纱条与上下罗拉包围弧的动态变化状况。纱条与上 下罗拉的包围弧具有阻止捻度向三角区传递的不良效应。同时导纱钩所处水平面 与纺纱段纱条之间的夹角，即导纱角，决定了纱条在导纱钩上接触包围弧的长度， 且由于导纱钩的升降运动使其动态变化，气圈段纱条的回转加捻运动在纱条与导 纱钩的接触中捻回被阻止向纺纱段传递的程度也在动态变化。这种捻回逆纱线运 动方向传递并受阻于接触点的现象称为捻陷。因此纺纱段的捻度总是小于气圈段 的捻度，也是整个加捻卷绕部分捻度最弱的一段，而三角区则是捻度最难以传递 到的地方。 三角区一方面是动态纱条捻度和强度最弱的环节，另一方面也是须条的边纤 维难以被包卷入纱体而产生毛羽的关键部位。无论是牵伸区中的集聚，还是通过 附加阻捻钳口设置附加集聚区，并在附加集聚区中进行集聚，都是为了缩小须条 进入加捻区的横向尺寸，即缩小三角区的横向尺寸。紧密纺纱技术正是源自于这 样的设计思路，采用负压气流式的同步凝聚也好，采用机械式的喇叭口、改变纱 路矢量也好，都是为了减轻或消除三角区的不良影响，这对纱线产生了两个方面 超乎想象的良性效应：纱线毛羽大幅度减少，断裂强度明显提升。环锭紧密纺纱 线是纱体最紧密、断裂强度最高的纱线。 1 3 1 2 导纱钩 导纱钩一方面阻止了捻度的传递，同时也使气圈段张力及其波动向纺纱段的 传送被阻碍，对纺纱过程中卷绕段和气圈段动态张力的传送起到了缓冲效应。因 此，导纱角作为细纱机断面形态的一个重要参数，对其利弊平衡是细纱机设计的 东华大学硕士学位论文 第l 章序论 关键要素之一。 传统的细纱机导纱角设计取值，是在一个较小的范围内选择，细纱机集体落 纱技术的应用，对包括导纱角、纺纱段长度、导纱钩与前罗拉钳口上下和进出位 置、纱条与前上下罗拉包围弧等细纱机断面设计相关尺寸提出了新的要求。集体 落纱的细纱机断面尺寸中，为了适于垂直拔管的需要，导纱角和纺纱段长度均有 增大的趋势。这些参数的增大减弱了导纱钩对张力波动传递的缓冲效应，同时由 于增加了气圈控制技术和纺纱锭速控制技术，包括气圈控制环和锭速的大中小纱 分段变频调速技术和复合卷绕直径变频调速技术的应用，缩小了纺纱张力的波动 范围，从而也可以减少对通过纱条与导纱钩捻陷效应来抑制卷绕段和气圈段的动 态张力对纺纱段影响的依赖。 1 3 2 气圈段 气圈段位于导纱钩与钢丝圈之间。纺纱气圈是环锭纺所特具的产品工作形 态，气圈段既是加捻卷绕的导纱路径，又是加捻结构的必要构成。由于高速状态 下纱条质点受离心力的作用，纱条呈外凸封闭的立体纺锤形体，在气圈上各点角 速度相等的情况下，所处的直径越大，受到的离心力也越大，同时较大的回转半 径使线速度成比例增大，纱条与空气的摩擦加剧，不但影响纱条外观品质，同时 气圈回转所需的驱动功率和驱动力增加。离心力和驱动力的增大意味着卷绕段和 气圈段的动态张力增大，断头概率相应增大。因此控制气圈形态是细纱机设计和 纺纱生产的重要任务，高速纺纱中控制气圈形态尤为重要。 现代细纱机设计中广泛采用导纱钩独立随动升降和气圈控制环技术。导纱钩 的独立随动升降功能，对小纱和大纱阶段的纺纱性能都有良性效应。在小纱阶段， 导纱钩的随动下移可以有效降低小纱特别是管底成形时的气圈高度，从而缩小气 圈最大处直径，相应降低气圈段纺纱张力；在大纱阶段，导纱钩的随动上移可以 有效增加气圈高度，因为过小的气圈高度使气圈对纺纱张力的柔性缓冲作用降 低，从而导纱钩的随动上移可以有效降低断头概率。 采用气圈环控制气圈形态的方法，是将一个大气圈分隔成两个小气圈，气圈 环便是两个小气圈结合处的颈部，其可以非常直观和有效地控制气圈最大直径， 从而也控制了气圈段因气圈直径增大而产生的动态张力峰值。因而，在高速纺纱 中，气圈环的应用已是一个基本和必需的选项。气圈形态对于纱线动态张力来说， 是一个具有柔性缓冲调控作用的加捻结构，其可以在纱线动态强力允许的范围 内，自动平衡由于钢领钢丝圈滑动摩擦副配合不协调而产生运行稳定性降低所导 致的张力变化，使纺纱过程顺利进行。随着卷绕升降、卷绕直径、气圈形态的动 态变化，钢丝圈运行姿态也在不断改变，而钢丝圈运行姿态是其与钢领运动配合 不协调、运行稳定性降低和纱线张力突变的主要原因。 日常生产中的气圈直径控制主要是钢丝圈质量的调整。在钢丝圈型号不变的 4 东华大学硕士学位论文第1 章序论 情况下，增大钢丝圈质量可以在一定范围内控制气圈直径，当然这也同时改变了 纺纱张力。较大的钢丝圈质量使卷绕段张力增大，气圈直径减小。 1 3 3 卷绕段 卷绕段位于钢丝圈与卷装纱管之间，这是加捻卷绕3 个分段中纱条路径最短 的一段。卷绕段是纱线加捻卷绕运行驱动力之源。锭子与筒管通过卷绕段张力将 驱动功率传递到钢丝圈与气圈，使之作高速回转运动并完成纱条的卷绕输送。在 一个卷绕升降动程中，卷绕直径的最大值和最小值之比通常为两倍左右，在最大 直径时，纱条与钢丝圈所处点钢领的法线成最大卷绕角；在最小直径时，纱条与 钢丝圈所处点钢领的法线成最小卷绕角。因此，卷绕段的纺纱张力与卷绕直径直 接相关。 1 4 环锭纺发展瓶颈 1 4 1 纱线断头 细纱断头是细纱生产最主要的危害，是影响高产、优质、低耗的关键，是提 高劳动生产率和设备生产率的障碍f 6 】。断头多说明生产状态有波动、工人劳动强 度大、成纱疵点多、质量差、机物料消耗增多，直接影响效益。细纱断头是多种 因素的反映。因此，为了把断头减少到最低限度，必须掌握产生断头的原因，从 而予以解决。 在纺纱过程中，如纱线在某断面处的强力小于作用在该处的张力时，就发生 断头，因此断头的根本原因是强力与张力的矛盾。我们知道纺纱张力平均值比纺 纱强力平均值小得多，所以断头机会是很少的。尽管纺纱张力与纺纱强力两者各 自按其本身规律波动，但大多数时间内并不一定发生断头。当某一瞬间作用在纱 线上某点张力大于该点的强力时，即发生断头，说明断头主要发生在张力与强力 两者波动中的波峰与波谷交叉点，而不取决于它的平均值大小。因为平均张力总 是比平均强力小，否则就无法进行生产。由于张力和强力存在波动，因此当平均 纱线张力增加和平均强力降低，而两者数值靠近时，就会增加波峰与波谷的交叉 机率，即断头增加。如果张力、强力波动范围小，特别是降低张力较高的波峰值 或提高强力较低的波谷值，两者的平均值即使靠近些，断头仍可稳定，甚至有可 能减少。所以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。 1 4 2 产能制约 纺纱中的加捻过程是耗费成本最大的一个工艺环节，不仅设备复杂、能耗大， 东华大学硕士学位论文 第1 章序论 更重要的是其单位工位的产能极低，制约了纺纱系统总体产能的提升【3 】。环锭纺 纱加捻能耗大的原因在于，一是其必须带卷装回转加捻，加捻卷绕部分每回转一 圈才给纱条加上一个捻回，纺纱加捻卷绕高速部分的容积和质量不可能小而轻： 二是因单位工位产能低，且只能通过提高锭速来成比例地增加产能，而高速元件 的能耗与速度的平方成正比，因此速度越高，单位长度或单位质量纱线的能耗成 本越大。 环锭纺产能的制约，从根本上说也源自于这种纺纱加捻卷绕形式的简单和巧 妙，这种结构赋予了其成为主流纺纱加捻卷绕形式的重要元素，但其独有的纺纱 气圈形态、张力波动状况和钢丝圈运行姿态、线速度极限等纺纱稳定性影响因素， 都会在纺纱断头率这一个运转参数上体现出来。细纱机产能进一步提升的梦想被 纺纱断头所破碎。断头的主要因素除了纱线强力弱环小于张力峰值外，还包括钢 丝圈过热、软化和烧毁飞圈，以及钢丝圈磨损割断头等运行意外状况造成的断头， 这些是钢丝圈线速度或寿命超限的表征。 在环锭纺纱用电成本和用工成本占纺纱总成本比例不断增大的情况下，高速 纺纱带来的单位用电功耗增加和因断头率增加而用工增加的矛盾日益凸显，在环 锭纺纺纱加捻卷绕结构没有重大突破之前，进行加捻卷绕结构部件的改良和探寻 综合经济性良好的纺纱工艺参数是近阶段可以作为的事。 1 4 3 产量制约 为了克服环锭纺产量的局限性，目前最重要的是解决3 个关键因素1 7 。第一 个是钢领钢丝圈系统。钢丝圈的极限速度一般在4 5m s 左右，产量提高必然要求 速度提高，但对现有的钢领和钢丝圈来说，更高的速度必然导致过度的磨损。除 钢领钢丝圈系统外，高速运行时的纱线气圈张力不断提高是另一个关键因素。随 着速度的进一步提高，纱线所受的离心力和气流的牵制力也会很高，从而导致纱 线在加捻三角区发生断裂，这是第3 个关键因素。 加捻三角区的纱线呈须条状没有捻度，边缘纤维承受了主要的纺纱张力，因 此加捻三角区的纱线强度只有正常纱线强度的1 5 - - 3 0 。纺纱张力可通过减少 钢丝圈的质量而得到降低，但是另一方面钢丝圈质量减少会扩大纱线成圈半径， 而纱线成圈半径的增加反过来又会导致加捻三角区纺纱张力的增加。上述关系如 果再考虑不同线密度的纱线对纺纱工艺和钢领钢丝圈系统的不同要求，情况就非 常复杂。环锭纺工艺的限制来自因钢丝圈的质量过重和钢领直径过大造成的钢领 钢丝圈系统应力。该区域的表面压力增加很快，所允许的表面压力极限在转速较 低时就已经达到。对于高支纱，极限值受到纱线横截面内纤维数量的减少、纱线 绝对强力的下降以及由于毛羽减少润滑性能降低等因素影响。而对于中支纱来 说，则可以采用最大的锭速。 6 东华大学硕士学位论文 第l 章序论 1 5 环锭纺纱理论研究历史与现状 有关环锭纺纱的理论，最早可以追溯到1 8 8 1 年l u d i c k c 8 】发表的文章，至今 已有1 3 0 年的历史，在此期间，环锭纺纱理论被不断地发展和完善。上世纪5 0 - 6 0 年代，m a c k l 9 和d c b a r r t l o 】就在建立数学模型的基础上提出了关于气圈形态及张 力的二阶非线性微分方程组理论。1 9 6 5 年，b a r r 和c a l t i n d l l 】总结了前人的研究 并出版了专著，他们的研究可用于分析p a d f i e l d 提出的无绕紧张力问题。 随着科技的进步和生产的扩大，人们对纺纱理论的研究不单局限于环锭纺 纱，纺纱理论快速发展，研究领域也在不断扩大。为了扩大卷装容量，提高生产 效率，气圈控制环被应用于纺纱实践中，它能够更好地减小纱线张力和提高锭速。 于是，对气圈控制环的理论研究逐渐兴起，其中c , r e e n l a a l 曲和b r a e e w e l l 1 2 j 在这 方面进行了较深入的研究。 b a 缸a 1 3 1 4 】于1 9 8 9 年首次给出了准稳态气圈方程的数值解，文章中把环锭纺 纱过程分别建模和求解，这种方法获得的参数不便于分析实际纺纱参数。f r a s e 一”】 将纱线通过钢丝圈的区域的平衡方程作为自由气圈的一个边界条件求解，使自由 气圈曲线方程边界完善，并详细地分析了钢丝圈质量与纱线在导纱钩处的张力之 间的关系，发现在特定条件下两者之间呈现非线性系统中典型的多值性，即拟 h o p f 分岔，这一发现也成为后来学者研究的重点之一。此外，v r a s m 1 9 】还研究了 带有气圈控制环的气圈稳定性，采用统计方法研究纱线质量不均下的气圈稳定 性，以及其它的类似问题。s t u m p 2 0 1 使用摄动方法验证了h o p f 分岔的存在机理， c l a r k 2 1 谰实验的方式也给出了类似的结论。陈人哲c z 2 2 4 】以平面气圈为主，系统 地研究和讨论了有关纱线的动力学问题，并提出了把气圈看成是两个方向同频率 的平面偏振波，其相位差为9 0 度。这样可以用及其简便的数学式表示气圈方程， 容易解决气圈共振频率与极限气圈的问题。顾洪波【2 5 】运用解析的方法给出了空 气阻力所形成的环锭纺气圈空间曲线近似解。z h u 2 6 】基于h a m i l t o n 原理推导了气 圈方程，f a n l 2 7 2 8 】使用g a l e r k i n 方法给出了稳态气圈的振型和模态，并计算 l y a p u n o v 系数来证明双气圈稳定解的存在性。梅顺齐【2 9 】从气圈纱线的非稳定运 动出发，研究了气圈纱线的准稳定运动、稳定运动、气圈纱线的固有振动、强迫 振动，并对气圈的形态和张力、气圈纱线的固有频率进行了讨论。詹葵华【3 0 3 1 】 在双气圈的纺纱张力与气圈形态特征的关系研究过程中，建立双气圈动力学模型 的同时，对气圈的纺纱张力进行了全面和系统的理论分析，并找出了形态特征参 数与张力之间的对应关系，在若干个代表双气圈空间形态的特征参数中，提出下 气圈的扭曲角度对纱线张力的控制最为有效。 进入2 1 世纪，- r a i l g t 9 5 - 9 7 】通过实验结合理论作了一些工作，对旋转的纱线筒测 定了其表面空气阻力系数，其大小相当于飞机的2 0 倍，得出锭子旋转消耗的能量 主要是用于克服摩擦阻力；对环锭纺细纱机的高能耗低产出作了研究，提出锭子 东华大学硕士学位论文 第1 章序论 转速，纱线种类，卷装半径是三大主要参数；对于不同安装位置，不同直径的气 圈控制环对纱线张力与气圈稳定做了研究，得出安装在气圈高度的半位置能最 大限度的减低纱线张力。何吉欢【3 2 】使用同伦摄动方法求的了不计及空气阻力的 气圈方程精确解。2 0 0 8 年t r a n 3 3 】采用神经网络方法对不计空气阻力的方程进行数 值模拟，结果证实了在一般条件下这种方法的准确性以及高效性。a b u z a d e 3 4 】用 实验的方法对带有控制环的气圈纱线分析影响其张力变化和气圈稳定的因素，结 果显示降低气圈高度或者增加钢丝圈质量将降低纱线作用在控制环上的压力。韩 惠民1 3 5 】采用了计算机辅助测试系统实测了导纱钩处纺纱张力的动态特性，得出 了一落纱过程中张力变化与钢领板位置的关系，为研究纺纱张力提供了新的途 经。刘敬资【3 6 】在其硕士学位论文中采用有限差分法求解有空气阻力的微分方程， 并用a n s y s 对钢丝圈进行有限元模拟。 1 6 课题的研究内容及创新点 本课题围绕着环锭纺纱中的气圈现象展开研究，从理论、实验和计算三方面 着手，力图能给出一些有趣结果，并对纺机设计和在线控制有所帮助。 主要研究内容包括以下几方面： 第1 章：对环锭纺纱的发展过程以及研究意义做了综述，介绍了环锭纺纱过 程以及关键部件，指出了环锭纺纱发展瓶颈，并罗列了气圈理论的学术背景和已 有文献中的研究方法。 第2 章：以纱线动力学为基础，推导了考虑空气阻力的气圈微分方程以及边 界条件；给出了求解气圈方程的两种数值方法( 打靶法、有限差分法) ；详细地 讨论了各参数对纱线张力以及气圈形态的影响。 第3 章：分别使用人工参数法，参数展开法和同伦摄动方法，求解了平面气 圈方程的近似解析解