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东华人学硕i ：论文 环锭纺纱钢领、钢丝圈系统的动态性能分析 摘要 环锭纺纱工艺至今已有近1 8 0 年的历史，尽管自2 0 世纪5 0 年代以来， 出现了多种形式的新型纺纱方法，如转杯纺、喷气纺、摩擦纺、静电纺、 涡流纺等，突破了钢领、钢丝圈的限制，大大提高了生产效率。但是，环 锭纺纱机由于价格低、纺纱质量好、适纺范围广等优点，目前在世界各国 的纺纱技术中仍占主导地位，并将在今后相当长的时期内发挥重要作用， 在我国尤其如此。 钢领、钢丝圈是环锭纺纱机上的关键专用配件，与锭子配套共同完成 纱线的加捻和卷绕，其质量的好坏及配套是否合理，直接关系到纺纱质量、 生产效率及纺纱厂的经济效益。随着高速纺纱锭子的推出及逐渐成熟，钢 领、钢丝圈已成为限制环锭纺纱机纺纱速度的主要障碍之一。 通过对钢领、钢丝圈的调研、分析发现制约其高速的主要因素是源于 对钢丝圈的受力及运动的研究不够深入，从而导致不能设计出具有最优几 何形状的钢领、钢丝圈。 本文首先根据达朗贝尔原理采用动静法，对钢丝圈进行受力分析，结 果表明，空气阻力及哥氏惯性力对钢丝圈的受力影响显著，认为随着纺纱 向高速化方向发展及对纱线质量要求的不断提高，今后的研究中应考虑空 气阻力及哥氏惯性力的影响。然后从理论上分析了考虑窄气阻力影响时的 钢丝阁三维倾斜运动，并借助丁数石5 高速摄影于段对珲沦分析的结果进行 验证。 在对钢丝圈进行受力及运动分析的基础上，结合对国内常用平面钢 领、钢丝圈几何形状的研究，提出了钢领、钢丝圈配合设计、制造的理念， 从而更有利于钢领、钢丝圈的配套使用和管理，使其优良纺纱性能得以充 分发挥。另外通过对钢丝圈安装过程的分析，提出了更为合理的钢丝圈安 装方法，从而避免了安装过程中对钢领、钢丝圈接触区域的损伤。 本文对钢领、钢丝圈受力及运动机理的深入研究为新型钢领、钢丝圈 的设计奠定了理论基础。本文提出钢领、钢丝圈配合设计的理念，便于钢 领、钢丝圈的使用和管理，并可作为其设计的依据。 关键词：环锭纺纱；钢领；钢丝圈；受力分析；运动分析；几何形状。 东华人学顾t 论文 d y n a m i ca n a l y s i s0 fr i n g t i v e l l e rs y s t e m i nl u n gs p i n n i n g a b s t r a c t i th a sb e e nn e a r l y18 0y e a r ss i n c et h ef i r s t r i n gs p i n n i n gf r a m ew a s i n v e n t e d t h o u g hs o m en e ws p i n n i n gm e t h o d sw e r ea d o p t e ds u c ha so p e n - e n d s p i n n i n g ，a i r - j e ts p i n n i n g ，f r i c t i o ns p i n n i n g ，e l e c t r o s t a t i cs p i n n i n g ，v o r t e x s p i n n i n ga n ds ot 以r i n gs p i n n i n gs t i l lp l a - t h em o s ti m p o r t a n tr o l eo fp r o d u c i n g h i g hq u a l i t yy a m si nt h et e x t i l ei n d u s t r y a st h e k e ya p p r o p r i a t i v e a c c e s s o r i e si nt h e r i n gs p i n n i n g f t a m e r i n g t r a v e l e r sa n ds p i n d l ep e r f o r mt h et w i s ta n dw i n do ft h ey a r n m a n yn e w h i g hs p e e ds p i n d l e s ，a b o v e2 2 ，0 0 0 r m i n ，h a v eb e e nd e v e l o p e da n do ns t r e a m r i n g t r a v e l e rs y s t e mb e c o m e st h ek e yf a c t o r so fl i m i t i n gt h es p i n n i n gs p e e d t h ee f f e c t so fa i r - d r a ga n dc o r i o l i sf o r c eo nt h ey a mt e n s i o na r ed i s c u s s e d i nt h ep a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea i r d r a ga n dc o r i o l i sf o r c es h o u l dn o tb e n e g l e c t e dw i t ht h ei n c r e a s eo fs p i n n i n gs p e e da n dt h eh i g h e rr e q u i r e m e n t so n y a r nq u a l i t y t h e nt h e k i n e m a t i c p r o p e r t y o ft r a v e l e ri s a n a l y z e d a n d h i g h s p e e d c a m e r ap h o t o g r a p h yi su s e dt oc h e c kt h er e s u l t s b a s e do nt h ef o r c ea n dk i n e m a t i ca n a l y s i s ，c o m b i n e dw i t ht h er e s e a r c ho f 东华大学硕士论文 t h es h a p eo fr i n g t r a v e l e r , t h ec o n c e p t i o no fm a t c h i n gd e s i g na n dm a n u f a c t u r e i sp u tf o r w a r d s ot h em a t c h i n gu s ea n dm a n a g e m e n to ft h er i n g t r a v e l e ri s e a s ya n dt h eg o o ds p i n n i n gp e r f o r m a n c ec a nb ea c h i e v e d t h ef i r s ts t r e s so na t r a v e l e ro c c u r sw h i l ec l i p p i n gi to nt h er i n gf l a n g e s ot h ep r o p e ri n s t a l l a t i o n m e t h o ds h o u l db ed o n ef r o mi n s i d et oo u t s i d eo ft h er i n gf l a n g e t h i sm e a n s m i n i m u m b e n d i n go f t h et r a v e l e ra n dn os c r a t c h i n go ft h er i n gb e a r i n ga r e a t h ef o r c ea n dk i n e m a t i ca n a l y s i so ft r a v e l e re s t a b l i s hat h e o r yf o u n d a t i o n f o rn e wr i n g t r a v e l e r d e s i g n t h ec o n c e p t i o n o f m a t c h i n gd e s i g na n d m a n u f a c t u r em a k e si te a s yt ou s ea n dm a n a g et h er i n g t r a v e l e r z h a n gw a n s h u n ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h eo r y ) s u p e r v i s e db yw uw e n y i n g k e y w o r d s ：r i n gs p i n n i n g ；r i n g ；t r a v e l e r ；f o r c e ；k i n e m a t i c ；s h a p e i v 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。论文为本人亲自撰写，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：努乃入r 日期：缈印年弓月夕e t 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 保留并向国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 不保密囱。 学位论文作者签名：弘哆，怛 日期：伽1 年3 月留日 指导教师签名：誓冷灵 日期：叼年弓月彦日 东牛火学硕i j 论义 第一章绪论 1 1 选题背景 环锭纺纱是目前应用最广泛的一种纺纱方法，与其它纺纱方法比较，环锭纺纱具 有价格低廉、纺纱质量好、适纺范围广等优点。 钢领是环锭纺纱机上的关键专用配件，它与钢丝圈及锭子等配套共同完成纱线的 加捻和卷绕，并控制纱线的张力1 1 1 。钢丝圈是环锭纺纱机卷捻机构中最小的零件，也 是环锭纺纱机器材消耗量最大的零件【。钢领、钢丝圈的质量及使用寿命直接关系到 所纺纱线的质量及纺纱厂的生产效率和经济效益。 随着纺纱向高速化发展，目前高速锭子的研制已相对成熟，国内外相继推出了多 种适应于2 2 ，0 0 0 r m i n 以上的高速锭子，而钢领、钢丝圈的研制相对滞后，因此，钢领、 钢丝圈已成为限制纺纱速度的主要因素。 由于种种原因，目前国内钢领、钢丝圈的质量和性能较国外产品仍有一定差距， 具体表现在：材质及表面处理质量低，钢丝圈运行稳定性较差，钢领、钢丝圈制造精 度低、使用寿命短等。 钢丝圈在纱线张力的作用下，以3 8 4 0 m s 的速度在钢领跑道上高速运行，它们 之间的接触状况及钢丝圈在钢领跑道上的运行状态是十分复杂的。钢领、钢丝圈之间 的摩擦力大小以及钢丝圈的运行稳定性，不仅影响了钢丝圈的使用寿命，而且还影响 了纺纱张力的稳定性。因此对钢丝圈进行受力及运动分析是十分必要的。 本文主要从理论上对钢领、钢丝圈的受力运动及几何形状进行研究，为今后新型 钢领、钢丝圈的研制提供了一个理论指导。 1 2 主要研究内容 ( 1 ) 钢领、钢丝圈的发展及研究概况 分析了国内外钢领、钢丝圈的配套生产、使用及管理情况，指出钢领、钢缝图的 配套使用与管理在n 内外已经得到普遍认i ，但其配套生产住罔内尚末引起足够蘑视。 东华人学硕l ：论文 ( 2 ) 钢丝圈的受力分析 本文在考虑空气阻力及哥氏惯性力对气圈形状影响前提下，根据达朗贝尔原理采 用动静法对钢丝圈受力进行了深入地研究，而以往研究大都是在忽略空气阻力及哥氏 惯性力对气圈影响的前提下( 即将气圈近似为平面曲线) 进行的，有一定的局限性。 通过对比分析指出，随着纺纱的高速化及对纱线质量要求的提高，在今后的纺纱张力 研究及新型钢丝圈的研发中，空气阻力及哥氏惯性力对气圈的影响将不可忽略。 ( 3 ) 钢丝圈的运动分析 钢丝圈在钢领上的运动并非平稳的滑动，而是高速滑动、三维空间倾斜运动和高 频振动的复合i 引。钢丝圈在三维空间的倾斜运动与纱线断头、钢丝圈使用寿命等密切 相关。 本文讨论了在考虑空气阻力及哥氏惯性力对气圈形状影响下的钢丝圈倾斜运动， 并利用数码高速摄影技术直观显示了钢丝圈在纺纱过程中的三维倾斜运动，以验证理 论分析的结果。 ( 4 ) 钢领、钢丝圈的几何形状研究 在环锭纺纱机上，常常由于钢领和钢丝圈配合不当而引起纱线断头，尤其在高速 生产中，钢领钢丝圈的形状、几何尺寸是否合理显得十分重要。设计钢领钢丝圈的圈 型、几何尺寸、截面形状时，应以钢丝圈综合受力情况和理想的运转状态为依据，进 行优化设计才能达到简化圈型的可能。本文在钢领、钢丝圈的发展现状研究的基础上， 结合钢领、钢丝圈的几何形状及综合受力研究提出了钢领、钢丝圈配套设计、制造的 理念。 由三坐标测量仪测得钢领轮廓数据，并将其整理编辑为文本格式，然后利用虚拟 仪器软件l a b v i e w 编程实现文件格式的转换，将其转为可由通用三维画图软件 s o l i d w o r k s 识别的d x f 格式，然后，在s o l i d w o r k s 中对其处理即可得到纺纱钢领的 三维实体图形。 1 3 研究方法 采用动静法对钢丝圈进行受力分析，并由仿真分析工具实现了铡幺幺圈动力学 仿真分析，方便了对推导结果的分析、应崩。 2 东1 芦人学硕上论文 结合高速摄影技术，对钢丝圈的运动特性进行分析研究。 由三坐标测量仪测得实际棉纺钢领的内、外轮廓数据，利用l a b v i e w 、 s o l i d w o r k s 大型软件，实现其文件格式转换，得到了其在s o l i d w o r k s 中的三 维实体图。 第二章钢领、钢丝圈的发展及研究概况 2 1 钢领、钢丝圈的作用 环锭纺纱机中制领、钢丝圈配套与锭子共问完成纱线的加捻、卷绕和控制纱线张 力的动作。环锭纺纱机的加抢卷绕过程如图2 1 所示，山前罗拉输f 的纱线经导纱钩、 钢丝圈，卷绕到纱管七。锭子带着纱管高速凹转( 1 4 ，o o o 2 5 0 0 0 r m l n ) ，。i 钢领、钢 丝圈起完成纱线的加捻和卷绕。钢始圈山纱线拖着在钢领跑道l 滑动，其绕馏领 周即在纱线卜加八个捻叨，川时利川锭子与钢避削的转速之差，将纱线卷绕剑纱管 上，完成纱线的卷绕。 豪萨后i 一炱黪二 篡餐兰 气囤 ，l 筒管 幽2 1 环链纺纱示意削 随着高速纺纱锭子的研制成功及逐渐成熟，铡领、铡鲐嘲已成为【5 5 制环锭纺纱机 纺纱速度的手要障碍之。环锭纺纱机的加捻和卷绕足同h t 进行的，锭子和钢丝嘲既 鹱完成加捻义要完成卷绕。锭了高速必然引起铡牲| 卷| 高速，于钢螳嘲线树截耐小， 高速回转声生的热量币易敞发，敞钢丝圈容易烧毁，产乍b 圈m 造成纱线断又。同时， 纱线张力与钢丝嘲离心力成l f 比，而钏蜂罔离心，j 义j 锭速的、r 力成一比，酬此锭速 提高，纱线张力也急剧增由而造成纱线断失，所以，环锭纺纱机锭进的进步提岛受 刮制始幽线速度鼾j 纱线张力的制约n 为了挫商纺纱述度，k 朋以牝，许多r _ i 】内外0 永斤对制领、钏丝吲旧失效机州 逊玎了多，而的研究丌l k 甜r 记成聚，t h 制批”重。t 、。4 n fj l 、“辱f n 的新， 东牛人学影! l j 论文 钢领、钢丝圈。 2 2 钢领、钢丝圈的发展 2 2 1 钢丝圈的发明及其速度的变化 1 8 2 8 年英国人丁索普发明了环锭纺纱机，最早是钢领回转，导纱钩固定不动，不 久即改为钢领固定，导纱钩装在一个转杯上回转【5 1 。后来又将转杯及导纱钩取消，代 之以金属小圈，即钢丝圈的原始形式。当时的钢丝圈是由纺纱工手工弯制而成的，钢 领的形状为t 或i 形，没有j 下规的型号，加工较粗糙。1 8 3 0 年以后，才开始正式制造钢 丝圈。在2 0 世纪中叶相当一段时期中，钢丝圈的线速度仅为1 8 2 8 m s 。5 0 年代以后， 各国改进了钢领、钢丝圈的几何形状，结合材质表面加工质量和热处理方面的提高， 钢丝圈线速度提高至u 3 2 m s 左右。 我国在新中国成立初期采用的几乎都是进口设备，钢丝圈的线速度仅为2 2 m s 左 右。后经几次技术革新运动和学习国外的先进技术，1 9 6 5 年以前钢丝圈线速度提高到 3 0 3 1 m s 。至1 9 6 4 年，纺织行业的专家对锭子、钢领和钢丝圈进行了进一步的研究改 进，到1 9 6 8 年以后，采用自行研发的平面抗楔钢领和各种新型钢丝圈，使钢丝圈的线 速度达到3 8 m s ，最高达4 0 m s 1 5 1 。目前已有线速度超过4 5 m s 的钢丝圈。 2 2 2 新型钢领、钢丝圈 目前对钢领、钢丝圈系统的磨损机理、运动形态、测试分析以及结构材质和表面 处理等方面的研究已有较多报道，并且在此基础上有多种新型钢领、钢丝圈问世。 新型钢领、钢丝圈系统主要从以下几方面来提高其使用性能： ( 1 ) 减小接触面上的摩擦力 根据库仑定律，要减小摩擦力可从减小摩擦面上的正压力和减小滑动摩擦系数两 方面着手，前者主要受纺纱张力和钢丝圈高速运转时的离心力影响，后者主要受相互 摩擦的材料和润滑剂的影响。目前研究报道主要有下述几种方法： 超声波减摩钢领【6 】：利用超声振动使钢领、钢丝圈的接触面几近脱离，使接触面 上的正压力急剧减小，从而减小摩擦力，减少磨损，延长钢领、钢丝图的使用寿命。 磁悬浮钢领、钢丝圈系统【7 】：利用磁力作用使钢丝圈悬浮在空中，钢领和钢丝圈 之间几乎不存在摩擦，因此铡幺幺圈的线速度可大大提高。 ， s s 膜俐领、钢幺幺圈1 8 j ：在普通 = 【j 4 领、钢丝幽上涂一一层s s 会腻保护膜，从f i j 延长 东华人学硕i ：论文 其使用寿命，提高成纱质量。 自润滑耐磨钢领则是在钢领表面渗入并形成一层十分牢固的耐磨自润滑膜，从而 降低摩擦系数，缩短走熟期【9 1 。 新型c e r a d u r 钢领表面涂有镍分散层，与之配套使用的新型特殊表面涂层 c e r a d u r 系列钢丝圈在很多公司的测试中，使用寿命都超过了1 0 0 0h ，大大提高了纺 纱效率【1 0 】。 其中，超声波减摩钢领及磁悬浮钢领、钢丝圈系统这两项技术研究尚处于试验阶 段，如进一步完善将有很大的发展潜力。 ( 2 ) 增大接触面积，加快摩擦热的散发【1 1 , 1 2 】 b c 6 下支承锥面钢领、b c 9 型钢领、钢丝圈等b c 型钢领、钢丝圈增大了接触面 积，一方面有利于摩擦热的迅速散发，延长钢丝圈使用寿命，另一方面有利于稳定纱 线张力，提高纱线质量。 ( 3 ) 利用新工艺、新方法改善钢领、钢丝圈接触面的表面质量 随着各种新工艺和新方法的不断问世，相继出现了如镀铬钢领、镀氟钢领、亚光 钢领及非晶c n 钢领等。 为了提高钢领的表面质量，我国钢领制造厂推出了轴承钢钢领及含铬合会钢钢领， 但其在耐磨性及纺纱质量方面尚有待进一步检验。目前尚在研究中的离子注入钢领及 纳米技术表面处理钢领将有一定的发展空间。 瑞d z s a p h i r 蓝宝石钢丝圈采用渗入法将某些化学元素均衡渗入钢丝圈内，从而改善 了其耐磨性；b r a c k e r 蓝宝石钢丝圈散热性极佳，可迅速排除摩擦产生的热量，纺纱时 不致损伤纤维【1 3 l 。此两项均为瑞z k b r a c k e r 公司新产品。 ( 4 ) 应用新材料提高钢领、钢丝圈系统的工作性能 c e r a t w i n e 陶瓷钢领、钢丝圈系统是目前在新材料应用方面的典型实例【1 4 l 。陶瓷材 料具有耐磨、耐腐蚀、硬度高等特性，在高温和高负载情况下，钢领和钢丝圈不会发 生“软化”，而且钢领不需要走熟期，可明显增加钢丝圈的使用寿命，提高成纱质量。 瑞士b r a c k e r 公司的o r b i t 及t i t a n 系列钢领、钢丝圈由轴承钢材料制成，表面 经特殊热处理，硬度高、耐麽性好，使用寿命可达8 1 0 年【1 3 】。 新型z e n i t 钢领表面呈虹色，钢领的合成材料中不含铁和钢，无需进行磨合，所有 的起始阶段剩余物即可保证形成一个可靠的纤维涧滑膜，很好地解决了钢领、钢丝圈 东华人学硕f ：论文 之间的微熔现象。经实践验证，取得了良好的效果1 1 5 1 。 ( 5 ) 结构及运动形式的改进【1 6 ，1 7 】 1 9 9 9 年，采用s u p e 潮丝圈技术的全新环锭纺纱机在俄罗斯首次试验成功。如图2 2 所示，该装置由静止的内外两个钢领组成，盘状钢丝圈一边公转( 在内外钢领形成的 轨道上绕纱管中心高速回转) 一边自转( 绕自己的中心旋转) ，这样钢领、钢丝圈之间 就成为滚动摩擦。该技术首次采用滚动钢丝圈与钢领系统代替了传统的滑动钢丝圈与 钢领系统，使钢丝圈运行速度大大突破了4 0 m s 的极限，甚至达至l j l o o m s 。无论从何种 角度讲，该装置的创新是十分有意义的。 内锕领纱线外锕领 图2 2s u p e r 滚动钢丝圈图2 3 旋转钢领 旋转钢领是日本日邦产业株式会社发明的专利产品( 见图2 3 ) ，它采用静止钢领 和旋转钢领相结合，旋转钢领在静止钢领的内侧转动，而钢丝圈安装在旋转钢领上。 这样当开始纺纱时，由于钢丝圈与钢领存在摩擦，旋转钢领在摩擦力的作用下跟随钢 丝圈旋转，并最终达到两者速度一致。这样，实际上就将钢丝圈在钢领上的滑动摩擦 转化为旋转钢领在静止钢领上的滚动摩擦，从而大大降低了摩擦力，提高了钢丝圈的 使用寿命。但上述旋转钢领是在摩擦力作用下运转的。因此当使用时间稍长，钢丝圈 就不能有效地将驱动力矩传递到旋转钢领，钢丝圈与旋转钢领也就无法做到同步运转。 滚动钢丝圈和旋转钢领都是考虑用滚动摩擦来取代传统钢领、钢丝圈之问的滑动 摩擦，为新型高速钢领、钢丝圈的研制提供了新的方向。但由于种种原因这两项技术 均未得到推广，有待于进一步实践。 东华人学硕i j 论文 2 3 钢领、钢丝圈的研究现状 2 3 1 钢领、钢丝圈的磨损机理研究 钢领与钢丝圈是环锭纺纱机中完成加捻和卷绕的重要组件，它们组成一对摩擦副。 通常情况下，其相对滑动线速度达3 8 4 0 m s ，有时甚至高达4 5 m s ，其接触面之间的 压力变化也较大( 3 2 0 m p a ) ，且在高速运转中温升较高，在3 0 0 4 0 0 。c 之间或更 高1 1 8 l 。运行中，钢领与钢丝圈之间必须建立并保持一层润滑膜，通过钢领、钢丝圈接 触区域的外突纤维不断更新这层润滑膜。假设润滑膜与稳定磨损的机制不被破坏，则 钢领可以一直使用到其内跑道几何形状磨损至难以维持钢丝圈正常运行，这就是钢领 理论寿命的终剧1 9 1 。研究发现，目前实际生产中钢领的寿命远低于这个理论寿命，而 引起失效的是发生在瞬时集中于局部的非均匀磨损( 粘着磨损) 。 随着钢领、钢丝圈磨损研究的深入，普遍认为使其失效的主要磨损形式是粘着磨 损与疲劳磨损，而氧化磨损甚小。粘着磨损的破坏形式是粘着点的形成与被剪切反复 交替产生的，这种磨损是在3 0 0 4 0 0 。c 之间进行的。而疲劳磨损是与粘着磨损同时产 生的，如温度升高产生热疲劳，与表面接触疲劳等因素同时产生疲劳磨损。 2 3 2 钢领、钢丝圈的配合研究 2 3 2 1 钢领、钢丝圈的选配 钢领是选配钢丝圈的基础，而正确选配好钢丝圈是使用好钢领的基本工作。只有 正确选配好钢领和钢丝圈，充分发挥它们的高速运转性能，才能保持纱条张力的稳定， 减少烧毁飞圈，降低断头率，延长使用寿命和稳定生产【2 0 1 。一般情况下，直径为4 5 m m 的钢领，其配用的钢丝圈线速度不超过3 9 m s ，对应的锭子转速在1 , 6 0 0 0 r m i n 左右【2 1 1 。 当转速进一步提高时，为避免钢丝圈因过高的线速度而烧毁或缩短寿命，钢领的直径 必须相应地减小。实践证明：正确选配好钢丝圈是使用好钢领的重要条件，不同的钢 领要选用相适应的钢丝圈l l j 。j 下确选用钢领、钢丝圈有利于减少纱线毛羽、提高纱线 质量、延长钢领使用寿命。如纺纯棉精梳针织用纱时，采用自润滑亚光钢领配套使用 镀氟钢丝圈，具有耐磨性好、成纱毛习习少、使用周期长、毛羽离散性小等优点。 钢领、钢丝圈配套的发展方向为：使钢领、钢丝圈配套简单化；降低生产及使用 成本；延长使用寿命；提高纺纱质量及产量。 2 3 2 2 钏领、钢丝圈的配套乍j 沱 东华大学硕 j 论文 与国外钢领、钢丝圈生产水平先进国家相比，国内钢领、钢丝圈生产主要存在以 下问题： ( 1 ) 国内钢丝圈生产品种繁多，难以实现最佳配合 以目前国内棉纺主要使用的平面钢领为例。国内与平面钢领配套使用的钢丝圈品 种繁多，仅三种边宽的平面钢领即配有超过5 0 多种圈型的钢丝圈，其中不少圈型的钢 丝圈几乎每个制造厂都生产，成为共有品种【2 2 】；而每个制造厂生产的钢丝圈品种最少 的也有1 0 多个，多的超过3 0 种。由于钢领几何形状基本固定，难以适应太多圈型钢 丝圈的需要，便造成大多数钢丝圈并不是在与钢领的最佳配合状态下工作，从而难以 充分发挥其各方面的性能。 表2 - 1 国内钢领、钢丝圈参展商一览表【2 3 i 注：表中x 表示有产品；一表示无产品。 因此，钢丝圈生产的规范化、标准化迫在眉睫，相关部门和企业应该采取相应的 措施规范钢领、钢丝圈的生产。 ( 2 ) 钢领、钢丝圈分开生产，不利f 配合研究 表2 - 1 、2 - 2 为第十届( 2 0 0 3 年) 上海同际纺织工业展览会上钢领、钢丝圈制造商 的参展情况。参展的钢领、钢丝斟制造商共有2 8 家，其中田内参展商有2 2 家( 见表 东华人学硕1 j 论文 2 1 ) ，国外有六家( 见表2 2 ) 。 表2 - 2 国外钢领、钢丝圈、钩参展商一览表【冽 注：表中表不有产品；一表不无产品。 由表2 - 1 和2 2 可以看出国外制造钢领的知名企业一般还制造与之配套的钢丝圈， 很好地解决了纺纱过程中钢丝圈与钢领的配套问题；而国内由于历史原因，人为的分 割，把钢领归属为纺织专件、钢丝圈归属为纺织器材，使生产钢领的企业不生产钢丝 圈，而生产钢丝圈的企业不生产钢领，因此不能像国外那样紧密地研究钢领、钢丝圈 的配套问题。 近年来，钢领、钢丝圈的配套使用和管理问题已在国内外引起广泛的关注，并在 大部分纺纱厂中得以实施，然而钢领、钢丝圈的配套设计和生产问题在国内仍没有得 到很好的解决。笔者认为国内广大钢领、钢丝圈制造商及相关部门应给以足够的重视。 2 3 3 钢领、钢丝圈几何形状的研究 在环锭纺纱机上，常常由于钢领和钢丝圈配合不当而引起纱线断头，尤其在高速 生产时，钢领、钢丝圈的形状、几何尺寸是否合理更为重要。现阶段环锭纺所使用的 钢领按其跑道形状基本分成两大类，即平面钢领( p g 系列) 和锥面钢领( z m 系列) 。 其横截面结构如图2 4 所示。 ( a ) 平面钢领钢丝圈( b ) 锥面钢领钢丝圈 图2 4 钢领横截面示意图 由图2 4 可知，平面钢领的内侧嘶为弧形，钢丝圈也为弧形，其在内侧的接触是 两个弧i 斫的接触，接触面积小、比压大、磨损快；锥t r a i n 领与刑丝吲仡内侧丽的接触 1 0 东华人学硕- l 论义 是一条直母线，与双曲面呈吻合接触，是接触最大化的设计因而锥面钢领在高速性能 方面优于平面钢领。 在设计钢丝圈圈型、几何尺寸、截面形状时，应以钢丝圈综合受力情况和理想的 运转状态为原则进行优化设计，才能达到简化圈型的可能。 2 3 4 钢丝圈的运动状态 钢丝圈在钢领跑道上高速回转，其位置发生了三个方向的倾侧：子午面上的外倾 ( 图2 - 5 a ) 、水平面上的外脚超前( 图2 - 5 b ) 、横切面上的整体前倾( 图2 - 5 c ) 1 3 】。其 中前倾角较大，外倾角次之，超前角最小且接近于零。相比之下，钢丝圈在锥面钢领 子午面上的外倾角是稳定的，在横切面上的前倾角略小于平面钢领，但在水平面上的 超前角较大，且不稳定。 锒：圈以 钢丝圈 ( a ) 钢丝圈的外倾( b ) 钢丝圈的外脚超前( c ) 钢丝圈的整体前倾 图2 - 5 钢丝圈运行中三个方向的倾侧 钢丝圈空间倾斜规律的研究为新型钢领、钢丝圈的设计提供了理论依据。钢领、 钢丝圈的设计重点在于控制各倾角的大小及提高抗楔性能，理想的钢丝圈应根据钢丝 圈的动态空间位置来设计。 2 3 5 钢领、钢丝圈的摩擦力测试与分析 磨损是钢领、钢丝圈的主要失效形式。钢领、钢丝圈之间的摩擦力对纺纱过程影 响很大，摩擦力不适当容易引起纱线断头、钢丝圈发热、飞圈等问题，因此合理控制 钢领与钢丝圈之间的摩擦力大小是十分关键的，而如何测试摩擦力就显得尤为重要。 文献 2 6 1 介绍了一套测定环锭纺纱机钢领、钢丝圈之间摩擦系数的装置，为纺纱厂 和钢领制造厂检测钢领、钢丝圈摩擦力带来了方便。其原理如下： 如图2 - 6 ，应用力的合成原理将钢丝圈所受的各力简化为一个合力s ，该合力由一 端被砝码加载的线绳所代替，该线绳的作用点在正压力与摩擦力f 合力的延长线上， 且与之共线，大d , n 等、方向十日反。 东华人学硕论文 图2 - 6 钢领、钢丝圈摩擦力测试专利示意图 运用相对运动原理，使钢领按钢丝圈的反方向回转，钢丝圈被线绳拉住，由于摩 擦力f 的存在，钢丝圈与线绳移动到某一位置时达到平衡，因此测量此状态下的线绳 位置，就可以直接换算成摩擦力值。 但上述钢领、钢丝圈测试装置，精度较低，操作不方便，而且系统不能真实地反 映钢领、钢丝圈的实际工作状态，测量误差较大。因此迫切需要研制一种操作方便的 新型钢丝圈摩擦力测试装置。 文献1 4 2 1 采用等截面悬臂梁结构，将电阻应变片粘贴在悬臂梁上，利用悬臂梁应变 的大小转换成电信号的输出，再经过相应的换算，即可得出被测力的大小。该装置经 标定后测量精度可达到o 5 9 ，测试性能可靠。 由于钢丝圈受力及运动情况相当复杂，目前的理论分析深度不够，运算复杂，且 与实际尚有一定距离，许多问题有待深入研究。随着计算机技术的应用，根据对钢领、 钢丝圈的研究成果，采用先进软件技术模拟钢丝圈的空间运动形态进行设计，以达到 理想纺纱效果是可以实现的。 东华人学硕i j 论义 第三章钢丝圈受力及气圈底端张力分析 环锭纺纱过程中的纱线断头主要取决于纱线张力与纱线强力之间的矛盾，而纺纱 张力是气圈底端纱线张力经由气圈、导纱钩向上传递而产生的。气圈底端纱线张力的 计算是以钢丝圈的受力分析为基础的，因此，要精确计算纺纱过程中不同的卷绕工艺 参数对纺纱张力的影响，就有必要对钢丝圈的受力情况进行深入的分析。本章主要针 对平面钢丝圈的受力进行探讨。 3 1 钢丝圈受力分析中相关参数的确定 目前关于钢丝圈受力及纺纱张力的理论计算，都是在做了很多假设的条件下进行 的，部分参数的确定存在争议，对计算结果的影响也较大，值得商榷。本节将着重讨 论纱线在钢丝圈上的包围角及钢丝圈所受离心力c 的确定，为钢丝圈受力分析做准 备。 3 1 1 纱线在钢丝圈上包围角的计算 3 1 1 1 不考虑气圈形态变化时，纱线在钢丝圈上包围角的计算 图3 - 1 纱条对钢丝圈的包罔角 图3 1 为钢领、钢丝圈、管纱及筒管在卷绕甲面( 即水甲面) 内的投影。由图3 - 1 知，s i n y 。= 兰r ，如不考虑气圈形态的变化对包凼角妒的影响，妒可近似表达如下【2 7 l ： 东华人学硕j ：论文 妒= 呈+ ( 詈一) ，。) = p y ，= p s irl-主r(3-1) 式中：) ，一卷绕段纱条与钢领半径间的夹角，称为卷绕角； 一管纱卷绕半径，相应的r o 和厂m 分别代表空管半径和满管半径； r 一钢领半径。 。 由式( 3 1 ) 可知，随着管纱卷绕半径的增大，包围角驴减小。当a 时，妒最 大；当= ，m 时，最小。 式( 3 1 ) 中不含有与气圈形态相关的参数，忽略了气圈形态变化对包围角的影 响。对于气圈角变化较小的情况，该方法所得的矿值能基本反映包围角的变化；而实 际纺纱过程中，随气圈形态的不同，气圈角变化较大，包围角驴也会有明显变化，从 而说明该方法与实际纺纱情况不太相符，计算比较粗糙。 3 1 1 2 考虑气圈形态变化时，纱线在钢丝圈上包围角的计算 图3 - 2 钢丝圈受力图 假定卷绕张力瓦作用在钢领与钢丝罔接触点所在的水平面内，以钢丝圈重心为原 点o ，离心力的反方向为x 诈向、重力的反方向为y 轴正向、摩擦力方向为z 轴诉向建 立坐标系，将钢丝圈上的受力简化为通过钢丝圈藿心的空间汇交力系，如图3 2 所示。 由图3 2 可知，纱线穿过钢丝圈时，其卷绕张力l 和气圈底端张力瓦的方向余弦分别 1 4 东华人学硕l 论文 为( c o s g x ，0 ，一s i n y ) , 及( c o s o t l ，c o s o f 2 ，c o s a 3 ) 。其中，口1 、口2 和口3 分别为气圈底端张 力瓦与x 、y 、z 轴的夹角，以为卷绕段纱条与x 轴线之间的央角，称为卷绕角。假 定瓦与瓦间的夹角为6 ，则 c o s 6 一c o s 口1 c o s y x - c o s e c 3 s i n 比 由此可得纱线在钢丝圈上的包围角( 即瓦与一瓦之f b j 夹角) 为： 多= c o s 。1 ( 一c o s a l c o s y x + c o s o t 3s i n ? 。) ( 3 - 2 ) 当不考虑空气阻力及哥氏力的影响( 即口，一9 0 。) 时，式( 3 2 ) 可简化为： 驴= c o s d ( 一c o s o t lc o sy ，) ( 3 3 ) 与式( 3 1 ) 相比，式( 3 2 ) 、( 3 3 ) 中进一步考虑了气圈形态角( 、口：和口，) 的影响，使计算更符合纺纱实际。而此方法是在假设纱线沿钢丝圈周向方向滑行的前 提下推算的，与纱线的实际运动仍有出入。 3 1 2 离心力的确定 3 1 2 1 离心力作用点的确定 在设计钢丝圈或研究其纺纱性能时，过去一直是以它的重心为依据的，或者把它 称之为“作用于重心位置的离心力 ，这未必妥当【3 3 】。因为钢丝圈重心的位置与回转状 态下钢丝圈各部分离心力合力的作用点位置在一般情况下是不重合的。前者是钢丝圈 的质量相对于地心引力而言，而后者是钢丝圈的质量相对于钢领中心的向心力而言。 对于给定的钢丝圈，前者的位置是固定的，而后者则随钢丝圈各个微小片断( 或质点) 相对于钢领中心位置的改变而变化。所以钢丝圈各部分离心惯性力合力的作用线未必 通过它的重心。 钢丝圈 轴线i 幽3 - 3 钢丝圈绕i 刊定轴线同转时的弧心甲面 东华人学硕f j 论文 离心力为分散力，对于一般物体而言，应先将其分成若干微段，并将各微段的离 心力合成，求其合力，即得物体的离心力。对于一般物体，离心力在其重心平面内， 但一般不通过物体的重心。如图3 3 所示，钢丝圈重心为d ，以一定角速度绕轴线l 回 转，则由钢丝圈的重心d 和轴线l 所确定的平面即为钢丝圈的重心平面。 钢丝圈所受离心力的作用点在重心d 和轴线l 所确定的重心平面内，但不通过重 心d 点。由图3 3 可知，假定钢丝圈线密度不变，则钢丝圈重心d 以上部分的平均 回转半径小于重心以下部分的平均回转半径，所以钢丝圈离心力的作用点在垂直方向 上应高于钢丝圈重心位置；钢丝圈重心左侧部分的平均回转半径比右侧大，所以钢 丝圈离心力的作用点在钢丝圈重心位置的左侧，即离心力作用点位置距轴线l 的距离 大于d 到l 的距离。所以，如图3 3 中钢丝圈回转中钢丝圈离心力的位置应在其重心d 的左上侧位置。目前的计算中，一般将钢丝圈的重心位置d 近似为其离心力作用点的 位置。 3 1 2 2 离心力大小的计算 钢丝圈离心力的计算公式为： c ；m r 。q 2 ( 3 4 ) 式中，c 一钢丝圈的离心力( n ) ； m 一钢丝圈的质量( k g ) ； r 一钢丝圈重心回转半径( m ) ； q 一钢丝圈的回转角速度( r a d s ) ，可由n 。= 3 0 喝丌算得。 在近似计算中，一般可以钢领名义半径代替钢丝圈重心回转半径，以锭子转速代 替钢丝圈转速，则式( 3 4 ) 转化为 c = 川尺啦2 ( 3 5 ) 式中：r 一钢领名义半径( m ) ； 啦一锭子的回转角速度( r a d s ) 。 其它同上。 3 1 3 钢丝圈与钢领的接触点问题 钢丝圈、钢领的接触点l 、u j 题，对于锥面钢领而言，基本认为是两点接触；而对于 甲而俐领或一、f 嘶抗楔铡领，多数人认为足，i i 接触，也有人认为是两点接触。 东华人学硕i ：论文 文献 2 8 ，3 0 1 等主流意见认为普通平面钢丝圈及平面抗楔钢丝圈与平面钢领的接触 属于单支承结构，为一点接触，稳定性差，在钢丝圈的受力分析计算及纺纱张力的计 算中都按一点接触公式计算。文献【2 7 】指出，平面钢丝圈与钢领的接触形成两个压力中 心，应按两点接触来对钢丝圈进行分析；而该文作者在文献【3 1 】中又指出，平面抗楔钢 领与钢丝圈的接触，实际上是两点，只是两个接触点离得很近，压力的分布相互重叠， 过去传统采用的两点接触算式并不适用于平面抗楔钢领，故应按一点接触计算比较接 近实际。 由此看来，关于平面钢领与钢丝圈的接触点问题尚有分歧。不过，就其计算而言， 目前所用的两点接触公式有明显的不合理之处，按一点接触公式计算要合理得多。因 此，本文中采用一点接触公式。 3 1 4 钢丝圈重力的讨论 如图3 2 所示，在钢丝圈的受力分析中，受钢丝圈重力影响的主要是钢领的支反 力与y 轴负方向间的夹角0 ，当考虑钢丝圈重力时角口可表示如下【3 2 】， c o s 口；! 玉竺坠二丝!( 3 6 ) 瓦( k s i n 以- - c o s c t 3 ) 由于与靠c o s o t ：相比重力m g 很小，对计算结果影响不大，一般可略去不计。略去 重力后夹角0 的表达式变为【2 7 】： c o s 0 0 ： ! 竺苎竺2 ( 3 7 )c o s = l = = l( 7 ) k s i n 比一c o s t ：t 3 由于钢丝圈的重力对纺纱张力的计算结果影响极小，本文后续关于钢丝圈受力分 析的计算都是在忽略钢丝圈重力影响的前提下进行的。 3 2 考虑空气阻力及哥氏惯性力影响时的气圈底端张力分析 在环锭纺纱机上，钢领、钢丝圈、锭子和纱管等配套共i 司完成纱线的加捻和卷绕， 其中钢丝圈在运行中的力学平衡状态对纺纱张力起着决定性作用。一般可由钢丝圈的 力学平衡条件求出气圈底端的纱线张力瓦，在这方面已有不少专家学者做过研究，并 取得了一定成果。陈人哲等采用封闭窄i 日j 多边形法求得了在忽略钢丝圈自重和空气阻 力下的气圈张力与其他卷绕工艺参数之问的天系【2 8 , 3 5 】；唐丈薪等则依据达朗p ! 尔原王里 东华人学硕： ：论文 ( 2 ) 纱条的卷绕张力l 和气圈底端张力瓦 卷绕张力瓦可近似看成作用在钢丝圈的回转平面上1 2 7 1 ，所以，瓦可分解为径向分 力乙和切向分力乇，即： j 瓦。t w c o s 儿、(3-8) l 乙= 瓦c o s ( y x + 9 0 。) = 一瓦s i n 以 式中：扎为卷绕段纱条与x 轴线之间的夹角，称为卷绕角。 面曲线，即口，= 9 0 。，c o s 口：f f i s i n a ，；在考虑空气阻力和哥氏惯性力时，气圈就不再是 x o y 面内的平面曲线，而是一空间曲线，气圈底端张力瓦与x 、y 、z 轴的夹角分别 记为口i 、口2 和口3 ( 即有c o s 2 口1 + c o s 2 口2 + c o s 2 口3 1 ) ，所以瓦在三个坐标轴上的分量 f 瓦= 瓦c o s 口1 。瓦c 0 泪： 妈母 【砭= 瓦c o s a 3 东华人学硕l ：论文 钢丝圈上的包围角。当忽略空气阻力影响时，由式( 3 3 ) 求得；考虑空气阻力影响时 可由式( 3 2 ) 求得。 ( 3 ) 钢领对钢丝圈的法向作用力和摩擦阻力f 一般来说，法向作用力作用在垂直平面x o y 上，因此在x 、y 坐标轴上的分 量为： j n xl n c o s ( 9 0 。一日_ s i n 口( 3 - 1 1 ) 1 n ，= n c o s ( 1 8 0 。- 0 ) = - n c o s 0 式中：0 为法向作用力的方向角，即和一y 坐标轴的夹角。 摩擦阻力，f f n 式中：，为钢领与钢丝圈i 司的摩擦系数。 3 2 2 平衡方程式及其求解 如图3 - 2 的空间汇交力系，按照达朗贝尔原理使用动静法分析【2 7 1 ， 平衡方程式： e = t w c o sy x + n s i n 0 + t rc o s o t l 一c 一0 o t r c o s a ：一n c o s o = c 一瓦c o s a ，+ 一瓦s i n 几一0 由式( 3 1 0 ) 、( 3 1 3 ) 、( 3 1 5 ) 可解得： ( 3 1 2 ) 即可列出以下 ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 和平巧石陌c 再习 协1 6 ) 式( 3 1 6 ) 即为考虑空气阻力及哥氏惯性力影响时的气圈底端张力表达式。 s i n0 = 对于平面气圈曲线a ，z9 0 。，则 东华人学硕 ：论文 s i n o 和a 3 = 9 0 。代入式( 3 1 6 ) 即得【2 8 l 瓦一 c ( 3 1 7 ) 其中，s i n 以= 尺；为卷绕半径。 3 2 3 讨论 为便于讨论气