（机械设计及理论专业论文）新型自动络筒机关键机构的分析与研究.pdf

青岛科技人学研究生学位论文 新型自动络筒机关键机构的分析与研究 摘要 青岛宏大纺机作为我国自动络筒机的龙头生产企业 经过多年努力 己 开发了具有自主知识产权的新型自动络筒机 初步实现了自动络筒机的数字 化 但是新机还存在一些缺点 如筒子与槽筒之间的接触压力不恒定 换管 时易出现漏管现象 络筒张力不够稳定 张力控制过程具有滞后性等 直接 影响了筒子的质量 因此 本课题组与青岛宏大纺机合作 丌展了新型自动 络筒机关键机构的分析与研究 本文在总结国内外自动络筒机发展现状的基础上 对新型自动络筒机卷绕 机构 自动换管机构以及张力控制系统进行了研究 卷绕机构方面 通过对卷绕机构传动理论 卷绕运动 筒子卷绕密度的深 度剖析 完善了卷绕机构的传动理论 建立了卷绕机构的几何模型 推导了相关 的关系方程 为卷绕机构参数的选择提供了理论依据 为获得高质量的筒子提供 了保障 自动换管机构方面 通过对目前新机自动换管装置存在问题的分析 设计 了一种管纱滑槽机构 利用虚拟样机技术对管纱滑槽机构实现机构设计和模 拟仿真 并验证管纱滑槽机构的可行性 使自动换管装置得到优化改进 不 仅降低了成本 也缩短了设计周期 张力控制系统方面 通过对新机电磁式张力混合控制系统的阐明 指出了 现有张力控制系统的缺点 提出了一种张力闭环控制系统 该控制系统取消 对槽筒的开环控制 用模糊控制方法取代传统的p i d 控制 运用s i m u l i n k 对 所设计的模糊控制系统进行仿真 并与传统p i d 控制系统进行比较 验证了张力 闭环控制系统的可行性 关键词 自动络筒机 卷绕机构 自动换管机构 张力控制系统 青岛科技人学研究生学位论文 a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nk e ym e c h a n i s m o fn e w 二s t y l ea u t o m a t i cw i n d e r a b s t r a c t a sab i b c o c kp r o d u c t i o ne n t e r p r i s eo fa u t o m a t i cw i n d e r q i n g d a oh o n g d at e x t i l e m a c h i n e r yh a sb e e nd e v e l o p e dt h en e w s t y l ea u t o m a t i cw i n d e rw i t hi n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t su n d e rm a n yy e a r so fh a r dw o r k i n g a tt h es a m et i m e t h e p r e l i m i n a r yn u m e r a l i z a t i o nw a sr e a l i z e di n t h i sa u t o m a t i cw i n d e r b u tt h e r ea r es t i l l s o m es h o r t c o m i n g s s u c ha st h eu n c o n s t a n tc o n t a c tp r e s s u r eo ft h eb o b b i na n dd r u m t h ep r e t e r m i s s i o no ft h et u b u l a ry a mw h e ne x c h a n g i n g t h eu n s t a b l et e n s i o na n d t e n s i o nc o n t r o lp r o c e s sa s s o c i a t i n gw i t hh y s t e r e t i cn a t u r e t h e s es h o r t c o m i n g sd i r e c t l y a f f e c tt h eq u a l i t yo fb o b b i n t h e r e f o r e w ew i t hq i n g d a oh o n d at e x t i l em a c h i n e r y c a r r i e do u tt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h ek e ym e c h a n i s mo ft h en e w s t y l ea u t o m a t i c w i n d e r b a s e do nt h es u m m a r i e so ft h ep r e s e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m a t i c w i n d e r t h ea u t h o rh a sr e s e a r c h e dt h ew i n d i n gm e c h a n i s m t h ea u t o m a t i ce x c h a n g e r t u b u l a ry a mm e c h a n i s ma n dt e n s i o nc o n t r o l ls y s t e mo ft h en e w s t y l ea u t o m a t i c w i n d e r o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ew i n d i n gt r a n s m i s s i o nt h e o r y t h ew i n d i n gm o v e m e n t a n dw i n d i n gd e n s i t yo fb o b b i n t h ea u t h o ri m p r o v e dt h ew i n d i n gt r a n s m i s s i o nt h e o r y e s t a b l i s h e di t sg e o m e t r i c a lm o d e la n dd e r i v e dt h er e l m i o ne q u m i o n s t h i sw o r kc o u l d p r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sw h e ns e l e c t i n gt h ew i n d i n gp a r a m e t e ra n de n s u r et h eh i 曲 q u a l i t yb o b b i n a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so ft h ee x c h a n g e rd e v i c eo ft h ea u t o m a t i ce x c h a n g e r t u b u l a ry a mm e c h a n i s m t h ea u t h o rd e v e l o p e dak i n do ft u b u l a ry a r ns l i d e rm e c h a n i s m 新型白动络筒机关键机构的分析与研究 r e a l i z e dt h ed e s i g na n ds i m u l a t i o nu s i n gv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y a n dv e r i f i e dt h e f e a s i b i l i t y i tw i l lo p t i m i z et h em e c h a n i s m r e d u c et h ec o s ta n ds h o r tt h ed e s i g nc y c l e t h es h o r t c o m i n g so ft h ea s s o l e n o i ds t y l et e n s i o nh y b r i dc o n t r o ls y s t e mw e r e s u m m a r i s e da n dt h e nak i n do ft e n s i o nc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mw a sp r e s e n t e d t h e p r e s e n ts y s t e me m p l o y st h ef u z z yc o n t r o lm e t h o di n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lp i d c o n t r 0 1 i nt h em e a n t i m e t h es i m u l i n kw a sa p p l i e dt os i m u l a t i n gt h ef u z z yc o n t r o ls y s t e m t h e n t h ec o m p a r i s o nw i t ht h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lw a sc o n d u c t e d a n df i n a l l yt h e f e a s i b i l i t yo ft h et e n s i o nc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mw a sv e r i f i e d k e yw o r d s a u t o m a t i cw i n d e r w i n d i n gm e c h a n i s m a u t o m a t i c e x c h a n g e r t u b u l a ry a mm e c h a n i s m t e n s i o nc o n t r o ls y s t e m 青岛科技人学研究生学位论文 符号说明 口 一卷绕角 口 一筒子半锥角 r m m 一 一 传动半径 n k r s 卷绕转速 v m m s 卷绕速度 h m m 一轴向螺距 m m 法向螺距 m k g 质量 f n t f n 纱线张力 r g c m 3 筒子卷绕密度 t g c m 一 纱线线密度 厂 一摩擦系数 i x 青岛科技人学研究生学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含本人已用于其他学位申请的 论文或成果 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做了明 确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 本人签名 寺守字 同期 埘年6 月年同 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留 使用学位论文的规定 有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借 阅 本人授权学校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 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时 署名单位仍然为青岛科 技大学 保密的学位论文在解密后适用本授权书 本学位论文属于 保密口 在年解密后适用于本声明 不保密d 请在以上方框内打 本人躲 于守弓隅圳年6 月年同 导师签名 彳石矽同期 土碲年6 月仁同 青岛科技人学研究生学何论文 1 1 引言 1绪论 自动络简机是纺织流程中纺部与织部工序结合的关键设备 其作用是将细纱 机纺出的管纱卷绕成筒子纱 同时去除纱线上的疵点 实现捻接器自动接头生产 无接头 纱 使劳动强度大幅降低 采用电子清纱器自动清除纱疵 使产品质 量和生产效率大幅提高 因此 自动络筒机成为纺织企业提高产品档次 提高企 业产品竞争力的必备装备 1 2 自动络简机概述 1 2 1 自动络简机的发展概况 1 2 1 1 国内研究发展现状 我国从五十年代后期开始研究络筒机的改造 先后有几十个单位研制了多种 改造机型 六十年代初开始引入国外自动络筒机 同时也有几十个单位消化吸收 研制新机 但是由于种种原因未能转化为生产力 进入8 0 年代 由于微电子技术和计算机技术的广泛应用 国外自动络筒机 发展到了一个新的阶段 此时我国也开始引进国外技术 主要有青岛纺机厂 山 西 陕西 常州等机械厂开始生产g a 0 0 3 型 仿萨维奥r a s l 5 型 和g a 0 0 4 型 仿村田n 0 7 i i 型 自动络筒机 但是终因机械零件多 精度要求高 互换性 可靠性及稳定性不够而未能形成批量生产 九十年代国务院确定 两机 重点项目后 在国家计经委 纺织部的组织下 国内纺织企业开始与德国赐来福公司 意大利萨维奥公司进行自动络筒机的技贸 结合 进口部件 国内组装 最为成功的国内企业是青岛宏大和上海二纺机 上 海二纺机虽引进自动络筒机项目 国家和企业投入大量资金 但未形成成熟商品 青岛宏大纺机九十年代从意大利萨维奥公司引进e s p e r o 自动络筒机生产 技术 目前 青岛宏大已形成了大批量生产e s p e r o 自动络筒机的能力 实现了 新利白动络筒机关键机构的分析与研究 自动络筒机引进技术的消化吸收再创新 e s p e r o 是上世纪9 0 年代的产品 属 于以机械传动为主的自动络筒机 在效率 速度等方面均处于竞争的弱势地位 e s p e r o 之后 青岛宏大又丌发出了n u o v o 自动络简机 其性能进一步提升 n u o v o 机型在原有e s p e r o 技术的基础上进行了1 0 项改进 包括汉化国产软 件开发 全新电气设计 新型游动风机 新颖外观设计以及变频节能控制等 产 品可节能1 0 以上 而近几年青岛宏大自主研发的新一代自动络筒机j w g l 0 0 1 s m a r o 型 自动络筒机 更是集机 电 气 仪控测于一体 采用了多项节 能增效的措施 现已实现批量生产 在棉纺 羊绒 粘胶 绢和混纺等生产领域 得到广泛应用 青岛宏大丌发的新型自动络筒机主要技术特点为 1 适应高速卷绕的纱路和槽筒的传动 新机的机械卷绕速度达到2 2 0 0 米 分 纱路的卷绕角减小 槽筒传动方式的改进保证了槽筒在高速下平稳运转 2 保证筒子成形良好的防叠机构和张力控制装置 采用新型电子防叠机构 和电磁加压张力装置 按卷绕及筒子成型及密度的要求 控制纱线的卷绕张力 使络筒张力趋向恒定 3 使用先进的新型接头装置 使接头更加接近原纱 提高布面质量以及后 道工序生产效率 4 具有智能化的机电一体化系统用电气控制代替复杂的机械结构 提高机 电一体化水平 降低成本 降低能耗 便于操作和维修 当然 像青岛宏大一样 国内还有一些企业也在积极的进行自动络筒机的开 发和研制 作为 两机项目 重点引进项目承担企业之一的上海二纺机股份有限 公司 在引进技术的基础上自主开发了国内首台自动络筒机 即e j p 4 3 8 型自动 络筒机 并于2 0 0 3 年通过了成果鉴定 2 0 0 8 年中国国际纺织机械展览会上 上 海二纺机进一步推出了新一代e j p 4 3 8 型自动络筒机 实现了锭单元模块化设计 可确保生产高品质的筒子纱 提升控制系统的可靠性 并且已实现批量生产 目前 国产自动络筒机在市场占有率和品牌知名度方面与国外相比还有一定 的差距 如果想在今后的市场竞争中占有一席之地 国内企业必须依靠有自主知 识产权 更新的技术 更优的质量和性价比更高的产品 才能满足用户要求 2 青岛科技人学研究生学何论文 1 2 1 2 国外研究发展现状 国外自动络筒机自2 0 世纪2 0 年代出现后 经历过大批锭 即每台自动络筒 机一只打结器 小批锭 即每一定量锭子一只打结器 及单锭 即每锭一只打 结器 三个发展阶段 自单锭式自动络筒机进入市场后 自动络筒机的发展进入 一个崭新的阶段 小批锭络筒机就是一台游动接头机 它可以管理5 只或是1 0 只锭子 单独 完成捻接 由于5 只锭子或是l o 只锭子只共用一台游动接头机车 当纺线质量 差 断头多时 游动接头机只能一个一个的接 其他断头锭子只能等待 因此机 器效率非常的低下 当接头机车出现故障时就会影响到5 个或是1 0 个锭子的生 产 因此大大降低了机械效率 而单锭式自动络筒机解决了这个问题 单锭式自 动络筒机某个锭子发生故障时 可以单独拉出来检修 这就不会影响到其他锭子 的生产 生产效率大大提高 此外 小批锭络筒机的游动接头机由于接头工作量 大 负担过重 连杆凸轮等机件磨损快 故障率高且维修及配件费用大 也使得 单锭式自动络筒机取代了小批锭络筒机 第一代自动络筒机就是单锭式自动络筒机 其典型代表是r a s l 5 村田7 i i 它基本靠机械结构控制 结构非常复杂 设计难度和制造精度要求非常高 而工 作速度和效率比较低 以e s p e r o 村田7 v a u t o c o n e r 2 3 8 为代表的第二 代自动络筒机相比第一代自动络筒机有了较大改变 机械结构简化 动作可靠性 提高 机械零部件制造精度要求降低 实现了数据统计与设置的人机对话 生产 速度和效率得到了提高 到了上世纪末 国外自动络筒机快速发展 已经形成了以o r i o n a u t o c o n e r 村田2 1 c 为代表的第三代自动络筒机 相比于第一 第二代自动 络筒机 高度的机电一体自动化是第三代自动络筒机最大的特点 o l 在慕尼黑纺 机展览会上可以看到第三代自动络筒机主要是以德国赐来福a u t 0 3 3 8 意大利 o r i o n 以及r 本p c 2 1 等为代表 虽然这些自动络简机有着各自的特点 但是根据 织造 机织及针织大圆机 的要求 它们均具备了等张力精密卷绕 精密防叠 精密定长 电子清纱 空气捻接 在线质量检验及纱疵分级等技术 这些技术的 应用使自动络筒机成为现代纺纱设备中的高科技装备 为后道工序中筒子纱的高 质量要求和高速退绕提供了必要条件 0 2 更可喜的是自动络筒机的这种自动化 3 新型自动络简机关键机构的分析与研究 数字化技术还在不断的改进与发展中 日自可国外生产自动络筒机的公司主要有三家 包括意大利的萨维奥公司 德 国的赐来福公司以及同本的村f f l 公司 作为第三代自动络筒机产品的代表 意大 利萨维奥公司产品o r i o n 德国赐来福公司产品a t o c o n e r 3 3 8 和只本村阳公司 产品2 1 c 生产的自动络筒机具有国际领先水平 张 0 3 1 掣叫和王 曾就这三种 新产品在2 0 0 6 年的性能进行了较为详细的比较 这三种产品主要技术性能表现在 产量高 卷绕速度可达2 2 0 0 米 分 质量好 采用新型电子防叠 电子张力控制 提高筒纱质量 数字化 机电一体化水平高 实现智能化控制 价格低 在提高产量和质量的前提下 价格低于第二代产品 表1 1 是青岛宏大新型自动络筒机与国外第三代自动络筒机性能的比较 表1 1 各种自动络筒机主要性能对比 t a b l e1 1m a i np e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n so fv a r i o u so fa u t o m a t i cw i n d i n g 型号 j w g l o o la u t o c o n e r3 3 8 n o 2 l co r i o n m l 制造 德国 青岛宏大纺机日本m u r a t e c意大利s a v i o 厂商s c h l a f h o r s t 加上 天然纤维 天然和人造纤维棉 毛 天然纤维 原料合成纤维 混纺的单纱和股线化纤和混纺合成纤维 混纺 2 8 6 6 t e x 3 3 3 5 9 t e x 2 8 硒r e x 支数n m 5 2 4 0 n e 2 n e l 4 7 2 1 0 0 n e n e 2 二n e l 4 7 范围n e 3 1 4 2 n m 3 5 j n m 2 5 03 2 1 7 0 n mn m 3 5 n m 2 5 0 接头 机械 电气逻辑机械 电气逻辑时 电气逻辑控制电气逻辑控制 循环时序控制序控制 卷绕 4 0 0 2 2 0 0 m m i n3 0 0 2 0 0 0 m m i n2 0 0 0 m m i n4 0 0 2 2 0 0 m m i n 速度 铸铁或铸钢 槽筒镍铸铁 直流无刷铸铁 直流镍铸铁 直流 直流无刷电 驱动电机同轴驱动 无刷电机同轴驱动无刷电机同轴驱动 机同轴驱动 4 青岛科技人学研究生学位论文 防叠电子防叠电子防叠电子防替电子防叠 接头空气捻接器 加湿空气捻接 热捻接 空气捻接器 加湿 空气捻接器 装置捻接器 机械捻接 喷湿捻接 打结器 捻接 机械捻接 纱线舣张力盘 积极传动 单张力盘 积极传动 栅式张力器 单张力盘 积极传动 张力电磁加压 混合环控电磁加压 带张力传电磁加压电磁加压带张力传感 控制制感器翻 环控制张力管理系统器l i 1 1 环控制 上腊偏转式 偏转式 主动驱动主动传动选h j i l 装置主动驱动 退绕气圈破裂器 跟踪式气圈控制 气圈破裂器张力渐减装置 器开放式器 b a l c o n i 艺参数 m m c 3 1 艺参数 触摸式显示屏 监控 v s s 变速控制 生产 工艺 v s s 变速控制 p c 格式软盘 系统生产参数 参数 维修 生产参数 工艺参数 生产参数 数据设定及显示保养 网络化数据设定及显示 吸风负压值在电脑设定 单机功率l l k w 电机驱动变频电机 装置变频电机 1 5 k w 1 2 2 络筒的目的和要求 络筒机主要是将原纱通过络筒工序加工成符合一定要求的大卷装筒子 以便 于后道加工工序的进行 络筒的目的在于改变卷装 增加纱线卷装的容纱量 提 高后道工序的生产率 络筒的另一个目的在于清除纱疵 检查纱线直径 清除纱 线上的疵点和杂质 改善纱线品质 只有纱线的外观质量改善 产品的内在性能 提高 产品的结构形态稳定 才能提高纺织产品的档次 络筒的基本要求 叫 1 卷绕张力适当 不损伤纱线原有的物理机械性能 2 筒子卷装容量大 成型良好 便于退绕 3 纱线接头小而牢 尽量形成无结头纱线 4 用于整经的筒子要定长 用于染色筒子要结构均匀 卷密均匀 1 2 3 自动络筒机的工艺流程 如图1 1 所示 纱线自管纱l 上退绕下来 经过气圈破裂器2 或气圈控制器 新型自动络筒机关键机构的分析与研究 预清纱器4 检查纱疵 纱线张力装置5 自动捻接器6 电子清纱器7 检测捻 结 上蜡装置9 5 s 导纱槽筒1 0 后卷绕在筒子1 1 上 其中 预清纱器的任务是预先 清除纱线上的杂疵 减少电子清纱器的负担和停车次数 纱线张力装置是对纱线 附加张力的主要器件 自动捻接器用于纱线的退捻和捻结 图1 1 自动络筒机的工艺流程 o 刀 f i g 1 1p r o c e s sf l o wo fa u t o m a t i cw i n d e r i o 刀 1 管纱2 气圈破裂器3 余纱剪切器4 预清纱器 5 张力装置6 自动捻接器7 电子清纱器8 张力传感器 9 上蜡装置l o 槽筒 11 筒子 1 2 4 自动络简机的主要机构 自动络筒机主要由车头控制箱和机架 络纱锭 自动换管装置 除尘系统 自动换简装置 定长装置 电脑系统 气流循环系统等部分组成 1 车头控制箱和机架 车头控制箱是自动络筒机的指挥中心 主要由电源控制装置 电脑系统 电 6 青岛科技人学研究生学位论文 子清纱器的控制仪 空吸装置 压缩空气控制和仪表显示等组成 机架往往是装配式组合机架 机型不同 每节机架装有的锭数也不同 可根 据需要将相同锭数的机架连接起来 2 络纱锭 自动络筒机的络纱锭是自动络筒机的最重要部分 主要由气圈控制器 预清 纱器 纱线张力装置 自动捻接器 电子清纱器 切断央持器 上蜡装置 捕纱 器 槽筒和筒子架等构成 络纱锭的纱线通道具有很小的包围弧 降低了纱线的 毛羽 细节 粗节和棉结 提高了纱线强度 减少了纱线在退绕过程中的不必要 断头 3 自动换管机构 自动换管机构是自动络筒机的辅助机构 主要有管纱库 管纱滑槽和插纱锭 座三部分组成 管纱库一般有6 个位置 最多可以存放5 只管纱 由人工放置 对 于不同的机型 管纱的几何尺寸 如纱管长度范围 管纱最大直径和管纱底部内 径等 有相应的规定 工作管纱上的纱线退绕完毕时 光电传感器检测判别并发 出信号 驱动传动机构将插纱锭座转向空管输送带并把空纱管踢入输送带 步进 电机驱动管纱库转动一定角度 将满管纱补入插纱锭座 空管的收集有整台和分 节两种 整台收集的 空管从自动换管装置下落到水平输送带上 由输送带将其 移送到机头的倾斜输送带 然后落入到集管箱 4 除尘系统 装在车头控制箱下部空吸装置的风机与贯通全机的高效除尘机构组成除尘 系统 包括管纱除尘器 巡回吸风机及多喷嘴装置 它吸取管纱退绕产生的大量 飞花和锭位上方吹下来的飞花和尘埃 同时吸取捻接过程中产生的回丝 它是一 个不断运动的清洁系统 对提高络筒质量和车问的文明生产极为有利 5 自动换简装置 当筒子卷绕达到预定的绕纱长度或筒子直径时 自动落简装置自动定位在换 筒位置 落下满管筒子并换上一只空筒管 完成空管生头的动作 同时按要求绕 好尾纱 将满简推入机后的筒子输送带 6 定长装置 电脑系统可以为每个生产组合建立满筒长度或直径 设定两套数据来控制满 7 新型自动络筒机r 芰键机杜j 的分析与研究 筒自停装置 用以同时控制筒子绕纱的长度和卷绕密度连个参数 生产品质优良 的筒纱 7 电脑系统 每台络筒机都装备了电腩检测信息控制系统 对整个生产程序进行储存 控 制和检测 井提供生产数据 一台络筒机可分为几个组 同时生产不同品种 不 同规格的产品 8 气流循环系统 自动络筒机在运行过程中 气路的循环贯穿全机 其中有除尘清洁循环 压 缩空气通道及真空吸气通道 1 25 络纱锭部分 络纱锭是自动络筒机机构最多 动作最为复杂的部分 也是全机的核心 本 文将对络纱锭部分的气圈控制器 纱线张力装置 自动捻接器 电子清纱器以及 槽简等关键部件做详细阐述 1 气圈控制器 管纱在退绕过程中会产生气圈 造成退绕张力波动 气圈控制器能改变气圈 形状 有效地均匀并降低管纱从满管至管底整个退绕过程中纱线的张力 不仅能 够获得卷绕密度均匀的筒子 还能防止管纱退绕过程中的脱圈 目前市场上使用较为广泛的气圈控制器有两种 一种是日本村田的b a l c o n 跟踪式气圈控制器 如图1 2 所示 它采用套管式 上下跟踪运动来控制管纱在高速退绕过程中形成的双气圈或多气圈以及纱线摩 擦管头退绕时造成的脱圈断头 可以解决中小纱的断头排纱 对解决脱圈十分有 错 圈1 2b a l 协3 由式 2 3 可以看出 r r 说明圆锥形筒子的传动半径大于筒子的平均 半径 即传动点c 总是位于筒子平均半径略偏大端的一侧 且大小端半径差异越 小 传动点c 偏离平均半径越少 2 3 2 2 圆锥形筒子圆周速率分析 以前对于圆锥形筒子圆周速率的分析是从实验和生产实际中得出的 且仅仅 1 9 新型白动络筒机关键机构的分析与研究 做了简单描述 2 9 3 0 缺乏必要的理论分析 本节以普通圆锥形筒子和变圆锥形筒 子为例 应用数学方法分析圆锥形筒子圆周速度的变化 更加完善了卷绕机构的 传动理论 图2 5 中 c 点为传动点 r 为传动半径 置为圆锥形筒子小端半径 r 为 圆锥形筒子大端半径 且有冠 壁 2 壁 假设圆锥形筒子线速度为 筒子小端 大端和传动点c 处的圆周速度分别 为巧 k 和v 则有 巧 2 rlra 2 4 吒 2 7 r r 2 5 y 2 r r k t o 2 6 因为置 r 足 所以巧 矿 圪 由式 2 4 2 5 2 6 可以得出 巧 争 协7 k 堕 v 2 8 r 卷绕初始阶段 假设圆锥形筒子小端 大端处的初始圆周速率分别为k k 相应点的半径分别r l o r 由于在卷绕过程传动点c 处的速度始终与槽筒速度 一致 保持不变 所以卷绕初始阶段传动点c 处的圆周速度依然为v 初始传动 半径为r 则有 k 2 监r k o 矿 耻 则有 旦一 k 里 坠 r 墨 2 9 青岛科技人学研究生学位论文 得 旦 尼r 土 坐 rr 2 1 0 因为r 浮删耻睁嘲 带腻2 9 2 1 0 五一 旦 足 1 足o7 墨 l 足 下面分别对普通圆锥形筒子和变圆锥形筒子进行分析讨论 1 对于普通圆锥形筒子 锥顶角不变 如图2 6 所示 墨厶 一 一一一4 ij 一二 司 才叼 d 4tb 2 1 1 2 1 2 图2 6 普通圆锥形筒子大 0 端半径关系图 f i g 2 6r a d i io ft h eg e n e r a lc o n eb o b b i n 由图可知鱼 旦 1 量 l 巧 k 因此 普通圆锥形筒子在卷绕过程中 小端圆周速率逐渐增大 而大端圆周 2 l 新型自动络筒机关键机构的分析与研究 速率逐渐减小 也就是说 小端卷绕半径增长率总是大于大端卷绕半径的增长率 普通圆锥形筒子的圆周速率曲线如图2 7 所示 不 舍 g s d 砌 图2 7 普通圆锥形筒子的圆周速率变化曲线 f i g 2 7c u r v eo fc i r c u m f e r e n t i a lv e l o c i t yo ft h eg e n e r a lc o n eb o b b i n i 一一筒子小端圆周速度i i 一一筒子大端圆周速度 2 对于变圆锥形筒子来说 锥顶角变化 但锥顶角相交于一点 如图2 8 所 b 7 3 芽r爿 二一7 伊 以 t b 图2 8 变圆锥形筒子大小端半径关系图 f i g 2 8r a d i io f t h ev a r i a b l ec o n eb o b b i n 由图已矢i r t 恐瑚t 且有惫2 乏 1 将其带入 可推出 旦 i 旦 1 k o圪 即善 要 晏 孕 拿 1 进而得出 k k r 墨 rr 青岛科技人学研究生学位论文 里 旦 旦 二 墨 足 r 因此 变圆锥形筒子在卷绕过程中大小端半径比例同比增加 而大小端圆周 速率分别保持不变 且传动点在络筒过程中距离大小端位置不变 如图2 9 所示 合 g s d r a m 图2 9 变圆锥形筒子圆周速率变化曲线 f i g 2 9c u r v eo fc i r c u m f e r e n t i a lv e l o c i t yo ft h ev a r i a b l ec o b eb o b b i n i 一一筒子小端圆周速度i i 一一筒子大端圆周速度 2 4 筒子卷绕运动分析 筒子上的纱线以螺旋线形式一层一层有规律地紧绕在筒管表面 形成了圆柱 形筒子 圆锥形筒子或其他形状的筒子 图2 1 0 圆柱形筒子纱线分布 f i g 2 1 0y a m d i s t r i b u t i o no f c y l i n d r i c a lb o b b i n 新型自动络筒机 关键机构的分析与研究 j 1 1 口oh f j 一石 图2 1 1 纱线速度矢量图和卷装展开图 f i g 2 11y a r nv e l o c i t yv e c t o ra n do u t s p r e a do f t h ec o n v o l u t el i n e 如图2 1 0 所示 卷绕角为口 螺距为h 筒子的卷绕直径为畋 在卷绕时 纱线上卷装的一点叫做卷取点 如图2 11 中的卷取点m 的运动可 以从两个不同的参考系来进行描述 如卷装为动参考系 机架为定参考系 则卷 取点m 对机架的往复运动称为绝对运动 其速度用 来表示 卷取点m 对卷装 的卷绕运动 称为相对运动 其速度用 来表示 而卷装对机架的回转运动 称 为牵连运动 其速度用v i 来表示 卷取点的绝对速度等于其牵连速度与相对速度 的矢量和 根据矢量图和卷装的展开图可得 v 1 2 v 2 2 2 一1 3 t a n 口 兰 2 14 tan4口 2 v l c o s a 旦 盟 2 1 5 yh s i n 口 蔓 卫 2 1 6 1 删 h t 彳k n i 2 1 7 式中 以 卷绕直径 怫 筒子卷绕转速 r m i n h 轴向螺距 吃 法向螺距 口 卷绕角 根据以上公式计算可得 青岛科技人学研究生学位论文 h v l 2 2 18 体 若保持v i 之间的比值不变 则卷绕角口不变 称为等升角卷绕 卷装采 用摩擦传动就是等升角卷绕 在离心纺纱时 v l 和 比值保持不变 由式 2 1 6 可知 也属于等升角卷绕 在这种情况下 升角口保持不变 所以纱线的轴向螺 距h 和法向螺距吃均与以成正比变化 根据式 2 1 7 可知 若屹和n k 之间的比值保持不变 则h 值也不变 称为 轴向等螺距卷绕 卷绕采用直接传动时就是一种轴向等螺距卷绕 由式 2 1 6 可知 v 2 和v 比值随破成反比变化 还能得到一种法向等螺距 卷绕 在等螺距卷绕时 卷绕角是一个变值 其正弦 在法向螺距 不变时 或正 切 在轴向螺距h 不变时 应与矾成反比变化 从式 2 1 5 可以看出 法向螺距吃和轴向螺距h 之比也是一个常数 它们 之间的相互关系如表2 1 所示 表2 1 不同卷绕类型的卷绕参数 t a b l e2 1w i n d i n gp a r a m e t e r so fd i f f e r e n tw i n d i n gt y p e s 等升角卷绕轴向等螺距卷绕法向等螺距卷绕 卷绕参数 弘 s i l 二l 口 常数s 1 1 1 口 二芘一1 1 r d v 反 v h t 锄口 生 上t a n 口 口 常数 v jd k r d k 吃 兀破s i na 7 吐兰h o cd k 吃 h c o s 吃 常数 v h x d t a n c r n d k 垒 兰 ho cd k 生 常数 j l l 上l 嵋仇 c o s 口 2 5 筒子卷绕密度分析 筒子单位绕纱体积中的纱线重量 称为筒子的卷绕密度 单位 b g c m 3 筒子 卷绕密度的大小 直接反映了筒子的卷绕松紧程度 是络筒工序的重要工艺参数 新型自动络筒机关键机构的分析与研究 之一 影响筒子卷绕密度的因素有很多 主要有 纤维种类 纱线特数 络筒张 力 筒子加压和纱线的卷绕角等 目前对于纱线卷绕角和筒子加压对筒子卷绕密度的影响理论分析很少 本节 主要从数学分析与计算的角度出发 分析纱线卷绕角和筒子加压对筒子卷绕密度 的影响 2 5 1 卷绕角与筒子卷绕密度的关系 2 5 1 1 普通圆锥形筒子卷绕角与卷绕密度的关系 对于普通圆锥形筒子来说 筒子等厚度增加 如图2 1 2 所示 图2 1 2 普通圆锥形筒子微元纱段 f i g 2 1 2p e r i o do ft h eg e n e r a lc o n eb o b b i n 假设槽筒做以次单程导纱后 形成了一层均匀厚度的纱层 用两个垂直于筒 子轴心线的平面p i 和b 将筒子截出一小段 截出部分可以近似认为高度等于五 底的外径等于吐 内径等于吐 2 6 的一个中空圆柱体 且中空圆柱体上切出的纱 线长度为厶 则中空圆柱体内单根纱线的长度为 l 兰一 2 1 9 s i n 式中 卷绕角 每绕一层中空圆柱体增加的纱线总重量为 a g 堕 2 2 0 s i n q 式中 z 乏梦线线密度 每绕一层中空圆柱体增加的体积近似为 巧 觑叫 所以卷绕密度为 青岛科技人学研究生学位论文 g i 一 7 y o l 一 k 万兀4 s i n a l 在同一纱层的另一区域段上 同理可得纱线卷绕密度为 g n t 铲砭2 形 2s i n c r 2 所以 同一纱层不同区段上纱线卷绕密度之比为 y l d 2s i n c t 2 2 2 1 兄d ls i n 口l 由上式可以看出 当吐 d 筒子为普通圆锥形时 y l 掣 即不同 7 2a ls i n 口 区段上的纱线卷绕密度反比于卷绕直径和卷绕角正弦值的乘积 这说明 对于普 通圆锥形筒子 要使筒子大小端卷绕密度均匀一致 同一纱层大端的卷绕角应小 于小端 同时 我们也可以看出 当吐 d 2 筒子为圆柱形时 y l s i n o c 2 即不同 7 2s i n a 区段上的纱线卷绕密度反比于卷绕角的正弦值 这说明 对于圆柱形筒子 要使 筒子卷绕密度均匀一致 同一纱层的纱线卷绕角应恒定不变 2 5 1 2 变圆锥形筒子卷绕角与卷绕密度的关系 对于变圆锥筒子来说 筒子非等厚度增加 如图2 1 3 所示 图2 13 变圆锥形筒子微元纱段 f i g 2 13p e r i o do ft h ev a r i a b l ec o n eb o b b i n 假设槽筒做r 次单程导纱后 形成了一层不等厚度的纱层 用两个垂直于筒 子轴心线的平面p l 和p 2 将筒子截出一小段 截出部分可以近似认为高度等于旯 新型自动络筒机关键机构的分析与研究 底的外径等于d 的一个中空圆柱体 且中空圆柱体上切出的纱线长度为厶 则中 空圆柱体内单根纱线的长度为 厶 上 2 2 2 s i n q 式中 瓯 卷绕角 每绕一层中空圆柱体纱线的总重量为 a g 堕 2 2 3 s i n 口1 式中 z 纱线线密度 每绕一层中空圆柱体增加的体积近似为 a z 7 c 旯郡 s i n 2 筇 一s i n 2 2 2 4 式中 s 锥顶点到被截锥体的距离 圆锥形筒子的锥角 纱线每卷绕一层相应增加的锥角 所以所截取的这一段上纱线的卷绕密度为 a g 疗z 2 a v 2 r t s 2s i n a s i n 2 f l a f l s i n 一2f 1 在变圆锥形筒子的同一纱层上 另一区段的卷绕密度为 a g 刀z 铲砖2 面面再币五丽 所以 同一纱层不同区段上纱线卷绕密度之比为 且 羔堑竺竺 以s 1 2 s i na i 2 2 5 上式也可表示为 y l s i 2s i n a l 7 2 s 2 2s i na 2 乃墨2s i n a 3 说明纱线卷绕 密度反比于卷绕角正弦值和自筒子表面相应点到筒子支臂旋转轴心的距离的平 方的乘积 若要使变圆锥形筒子获得均匀一致的卷绕密度 即使得 乃 如 以 则有 s 1 2s i n a j 是2 s i n a 2 邑2s i n a 3 一 青岛科技人学研究生学位论文 即离锥体顶点的距离越大 卷绕角口应小 并使s 2s i n 口的乘积为常数 才可 达到要求 2 5 2 筒子与槽简之间的接触压力分析 在络筒过程中 筒子和槽筒之间的压力是影响筒子卷绕密度最重要的因素之 一 3 l 3 2 1 筒子所受压力越大 卷绕密度也越大 随着筒子卷绕直径不断增加 筒 子质量相应增加 筒子与槽筒之间的压力也逐渐增加 影响了筒子内外纱层的压 缩均匀性 于是内外纱层的卷绕密度形成差异 造成罩松外紧 加剧了小端菊花 芯现象 若想获得一个密度均匀的卷装则需要补偿不断增加的筒子重量 使用筒 子压力系统补偿不断增加的卷装重量 可保持槽筒对筒子的压力近似不变 3 3 1 下 面主要以新型自动络筒机气压式筒子重量平衡装置为研究对象 对筒子与槽筒压 力恒定系统进行分析研究 如图2 1 4 所示的筒子与槽筒压力恒定机构简图 3 5 1 图2 1 4 筒子与槽筒压力机构简图 f i g 2 14p r e s s u r em e c h a n i s md i a g r a mo fb o b b i na n dd r u m 1 一一槽筒2 一一筒子3 一一筒子架支臂4 一一气缸活塞杆5 一气缸 图2 1 4 中 槽筒1 绕0 转动 由直流无刷无槽电机直接驱动 3 6 筒子2 通过转 动副q 安装在绕q 转动的筒子架支臂3 上 与槽筒1 始终接触 其之间的压力称 为接触压力 气缸5 通过球销副s 固定在络纱锭外壳上 活塞杆4 另 端铰接于靠 近d 1 端的筒子架支臂3 上的彳点 通过输送压缩空气来调整4 对3 的力矩大小 从 而补偿因筒子增加重量产生的力矩 为了得到一个恒定的接触压力 使筒子的卷绕密度均匀稳定 下面主要分析 筒子和槽筒之间接触压力的影响因素 通过对恒定压力系统的研究可得知如何获 新删白动络筒机关键机构的分析与研究 得 个近似不变的恒定压力 2 5 2 1 筒子与槽筒压力恒定系统几何模型的建立 图2 1 5 筒子与槽筒压力恒定系统受力分析 f i g 2 1 5f o r c ea n a l y s i so f c o n s t a n tp r e s s u r es y s t e mo f b o b b i na n dd r u m 对筒子与槽筒恒定压力系统进行受力分析 建立几何模型 如图2 1 5 所示 系统主要受4 个力 筒子与槽筒理想接触压力e 筒子卷装重力尼 筒子架支臂 重力名 活塞杆支撑力五 对于系统而言 这4 个力的力矩对d 3 点保持平衡 有 o 2 2 6 即 互厶 e 厶一尼 k 一b k 0 求得 鼻 f a l o f g 2 l o 2 一f 2 l 2 2 2 7 上1 式中 厶 筒子与槽筒接触压力力臂 k 筒子卷装重力力臂 厶 活塞杆支撑力力臂 k 筒子架支臂重力力臂 式 2 2 7 即为筒子与槽筒接触压力e 与 k r k e 厶 厶 之间的关系 下面着重分析乓 k 尼 k e 厶 厶与卷装半径 之 问的函数关系 青岛科技人学研究生学位论文 2 5 2 2 筒子卷装重力 筒子架支臂重力与筒子卷装半径之间的函数关系 斟2 1 6 圆柱形筒子 图2 1 7 圆锥形筒子 f i g 2 1 6c y l i n 翻c a lb o b b i n f i g 2 1 7c o n eb o b b i n 我们以圆柱形和圆锥形筒子为例进行分析 对于圆柱形筒子 如图2 1 6 所示 假设筒子卷绕密度为y 根据几何公式 圆柱形筒子的体积为 y 万厂2 一万 詈 2 矗 三 4 2 一d 2 矗 卷装重力为 r y 1 0 由 4 r d 21j l l y 1 旷 式中 筒子卷装半径 d 筒管直径 h 筒子高度 y 筒子卷绕密度 而对于圆锥形筒子 如图2 1 7 所示 根据几何公式 圆锥形筒子的体积为 矿 1 3 r 3 r h t a n 匆