賈國欣，任家智

(1.河南工程學院 紡織工程系, 河南 鄭州 450007;2.中原工學院 紡織學院,河南 鄭州 450007)

當代精梳機發(fā)展迅猛，機器運轉(zhuǎn)速度由20世紀90年代的250鉗次/min提高到現(xiàn)在的400鉗次/min，速度是過去的1.6倍.精梳機速度的提高和鉗板部分的運動性能密切相關(guān)，而鉗板機構(gòu)的運動又和曲柄半徑密切相關(guān)，所以分析曲柄半徑尺寸對鉗板機構(gòu)運動性能的影響，對提高精梳機的速度、優(yōu)化鉗板機構(gòu)的運動性能有著不可忽視的作用.

圖1 鉗板傳動機構(gòu)Fig.1 Nipper drive mechanism1-錫林軸 2-鉗板前擺臂 3-下鉗板 4-下鉗板座 5-鉗板后擺臂 6-鉗板擺軸 7-上鉗板架 8-上鉗板 9-彈簧 10-導桿 11-偏心輪 12-張力軸

1 精梳機鉗板運動分析

1.1 鉗板擺動機構(gòu)

現(xiàn)代新型中支點式鉗板擺動機構(gòu)如圖1所示[1].

下鉗板3固裝于下鉗板座4上，鉗板后擺臂5固裝于鉗板擺軸6上，鉗板前擺臂2以錫林軸1為支點，它們組成以鉗板擺軸和錫林軸為固定支點的四連桿機構(gòu).當鉗板擺軸正反向擺動時，通過擺臂和下鉗板座使鉗板前后擺動.上鉗板架7鉸接于下鉗板座4上，其上固裝有上鉗板8，張力軸12上裝有偏心輪11，導桿10上裝有鉗板鉗口加壓彈簧9，導桿下端與上鉗板架7鉸接，上端則裝于偏心輪上的軸套上.當鉗板擺軸6逆時針回轉(zhuǎn)時，鉗板前擺，而同時由鉗板擺軸傳動的張力軸12也逆時針方向轉(zhuǎn)動，再加上導桿10的牽吊，使上鉗板8逐漸開口；而當鉗板擺軸6順時針方向轉(zhuǎn)動時，鉗板后退，張力軸也順時針回轉(zhuǎn)，在導桿和下鉗板座的共同作用下，上鉗板逐漸閉口[2].

1.2 張力軸傳動

由圖1可看出,鉗板的開啟閉合是在張力軸12、導桿10及鉗板的配合下完成的，而張力軸的動力源也是鉗板擺軸[3]，如圖2所示.

由圖2可以看出,O2為鉗板擺軸，O3為張力軸；齒輪Z1固裝于鉗板擺軸O2上，齒輪Z3安裝上在張力軸O3上，Z2為過橋齒輪；Z1通過Z2傳動Z3,使得張力軸O3擺動.

圖2 張力軸傳動Fig.2 Tension shaft drive

圖3 鉗板擺軸傳動Fig.3 Nipper swing shaft drive

1.3 鉗板擺軸傳動

由上面分析可知，鉗板擺動及開啟閉合的運動來源是鉗板擺軸，而鉗板擺軸是由錫林軸傳動的[4]，如圖3所示.

在錫林軸1上固裝有法蘭盤2，在法蘭盤2上鉸接有滑套3(錫林回轉(zhuǎn)中心到滑套鉸鏈中心的距離稱為曲柄半徑)，鉗板擺軸上有滑桿4，且滑桿4套在滑套3內(nèi).當錫林軸帶動法蘭盤轉(zhuǎn)過一周時，通過滑套和滑桿使鉗板擺軸來回擺動一次.通過上面分析可知,整個鉗板部分的傳動路線如下：

2 曲柄半徑對鉗板機構(gòu)運動性能的影響

通過上面的機構(gòu)分析，對機構(gòu)進行建模[4]并編寫計算機程序，通過程序計算來分析曲柄半徑對鉗板機構(gòu)運動性能的影響.

2.1 曲柄半徑對鉗板擺軸運動性能的影響

當錫林轉(zhuǎn)速為400 n/min，曲柄半徑分別取60 mm、55 mm、50 mm時，鉗板擺軸的角加速度圖像及特征參數(shù)如圖4及表1所示.

圖4 鉗板擺軸的角加速度Fig.4 Angle acceleration of nipper swing shaft

表1 鉗板擺軸的角加速度特征值Tab.1 Angle acceleration eigenvalue of nipper swing shaft

從圖4及表1可看出，當曲柄半徑變小時，鉗板擺軸任何時刻的角加速度數(shù)值都變小，而由力學知識可知，對于轉(zhuǎn)動物體慣性力矩T=J×ε(J是轉(zhuǎn)動慣量，ε是角加速度)[5]，當機構(gòu)中鉗板擺軸及固裝其上的后擺臂確定時，轉(zhuǎn)動慣量J就確定了，而角加速度的變小可減少慣性力矩，減輕振動.而由表1可知，當曲柄半徑由60 mm降為50 mm時，鉗板擺軸的角加速度的平均值由原來的335.88 rad/s2變?yōu)?73.02 rad/s2，降為原來的81%左右，而慣性力矩也隨著降為原來的81%，大大減輕了振動.

當錫林轉(zhuǎn)速為400 n/min，曲柄半徑分別取60 mm、55 mm、50 mm時，鉗板擺軸的角速度圖像及特征參數(shù)如圖5及表2所示.

圖5 鉗板擺軸角速度Fig.5 Angle speed of nipper swing shaft

表2 鉗板擺軸的角速度特征值Tab.2 Angle speed eigenvalue of nipper swing shaft

從圖5及表2可看出，當曲柄半徑變小時，鉗板擺軸任何時刻的角速度數(shù)值都明顯變小，曲柄半徑每減少5 mm，角速度最大值大約減少2.1,而最小值大約減少0.7，平均角速度也明顯變小.根據(jù)力學知識，轉(zhuǎn)動物體的功率P=T×W(T是轉(zhuǎn)矩，W是角速度)，而由上面可知T=J×ε,所以P=J×ε×W.當精梳機的鉗板擺軸及前擺臂確定，J一定，由上面的分析及表2可知，當曲柄半徑由60 mm變?yōu)?0 mm時，其角速度絕對值的平均值由0.280 rad/s變?yōu)?.232 rad/s ，平均速度降為原來的80%左右；而角加速度的平均值也降為原來的81%左右，擺軸及其固連的前擺臂的功率消耗降為原來的64%左右，這大大降低了功率消耗，節(jié)約了能源.

2.2 鉗板擺軸對鉗板前擺臂運動性能的影響

當錫林轉(zhuǎn)速為400 n/min，曲柄半徑分別取60 mm、55 mm、50 mm時，鉗板前擺臂的角加速度圖像及特征參數(shù)如圖6及表3所示.

圖6 鉗板前擺臂角加速度Fig.6 Angle acceleration of nipper front swing arm

表3 鉗板前擺臂角加速度特征值Tab.3 Angle acceleration eigenvalue of nipper front swing arm

從圖6及表3可看出，當曲柄半徑變小時，鉗板前擺臂任何時刻的角加速度數(shù)值都變小.而由表3可知，當曲柄半徑由60 mm變?yōu)?0 mm時，角加速度最大值由原來的225.59 rad/s2變?yōu)?60.04 rad/s2，角加速度的最小值的絕對值由原來的206.57 rad/s2變?yōu)?62.84 rad/s2，大約是原來的78%.鉗板擺軸的角加速度的平均值由原來的99.37 rad/s2變?yōu)?9.662 rad/s2，大約是原來的80%，而鉗板前擺臂的慣性力矩也變?yōu)樵瓉淼?0%左右.角加速度的減少大大減輕了慣性力，減輕了振動.

當錫林轉(zhuǎn)速為400 n/min，曲柄半徑分別取60 mm、55 mm、50 mm時，鉗板前擺臂的角速度圖像及特征參數(shù)如圖7及表4所示.

圖7 鉗板前擺臂角速度Fig.7 Angle speed of nipper front swing arm

表4 鉗板前擺臂角速度特征值Tab.4 Angle speed eigenvalue of nipper front swing arm

從圖7及表4可以看出，當曲柄半徑變小時，鉗板前擺臂任何時刻的角速度數(shù)值都明顯降低，曲柄半徑每減少5 mm，角速度數(shù)值的最大值大約減少2 rad/s,而最小值大約減少0.7 rad/s，角速度數(shù)值的平均值也明顯減少.由表4可知，當曲柄半徑由60 mm變?yōu)?0 mm時，其角速度絕對值的平均值由7.478 rad/s 變?yōu)?.104 rad/s，平均速度變?yōu)樵瓉淼?0%左右.結(jié)合上述分析可知，平均角加速度和角速度都降為原來的80%左右，而鉗板前擺臂的功率消耗變?yōu)樵瓉淼?4%左右.

2.3 曲柄半徑對下鉗板運動性能的影響

當錫林轉(zhuǎn)速為400 n/min，曲柄半徑分別取60 mm、55 mm、50 mm時，下鉗板的水平方向加速度圖像及特征參數(shù)如圖8及表5所示.

圖8 下鉗板水平方向加速度Fig.8 Acceleration along horizon of nipper plate

表5 下鉗板水平方向加速度特征值Tab.5 Acceleration eigenvalue along horizon of nipper plate

從圖8及表5可看出，當曲柄半徑變小時，下鉗板水平方向任何時刻的加速度數(shù)值都變小.而由表5可知，當曲柄半徑由60 mm變?yōu)?0 mm時，下鉗板水平方向加速度的最大值由原來的57 595 mm/s2變?yōu)?2 611 mm/s2，加速度的最小值數(shù)值由原來的52 743 mm/s2變?yōu)?8 283 mm/s2，大約是原來的72%；下鉗板水平方向加速度數(shù)值的平均值由原來的25 409 mm/s2變?yōu)?0 088 mm/s2，大約是原來的79%.由力學知識可知，慣性力F=ma(m是質(zhì)量，a是加速度)，所以當曲柄半徑由60 mm變?yōu)?0 mm時，下鉗板水平方向的慣性力變?yōu)樵瓉淼?9%.

當錫林轉(zhuǎn)速為400 n/min，曲柄半徑分別取60 mm、55 mm、50 mm時，下鉗板的速度圖像及特征參數(shù)如圖9及表6所示.

圖9 下鉗板水平方向速度Fig.9 Speed along horizon of nipper plate

表6 下鉗板水平方向速度特征值Tab.6 Speed eigenvalue along horizon of nipper plate

從圖9及表6可以看出，當曲柄半徑變小時，下鉗板水平方向的速度數(shù)值任何時刻都明顯降低，曲柄半徑每減少5 mm，角速度數(shù)值的最大值大約減少50 mm/s,而最小值大約減少150 mm/s，角速度數(shù)值的平均值也明顯減少.由表6可知，當曲柄半徑由60 mm變?yōu)?0 mm時，其角速度絕對值的平均值由550.27 mm/s變?yōu)?48.25 mm/s，平均速度降為原來的80%左右.由力學知識可知，功率P=F×V(其中F是力，V是速度)，F(xiàn)=ma，當力和速度都為原來的80%左右時，下鉗板的功率消耗變?yōu)樵瓉淼?4%左右.

3 結(jié)論

(1)曲柄半徑和鉗板機構(gòu)的運動性能密切相關(guān)；

(2)當曲柄半徑由60 mm變?yōu)?0 mm時，鉗板擺軸、前擺臂、后擺臂與下鉗板的加速度平均值都變?yōu)樵瓉淼?0%左右，它們的慣性力矩和慣性力都變?yōu)樵瓉淼?0%，可顯著減輕機器的振動；

(3)當曲柄半徑由60 mm變?yōu)?0 mm時，鉗板擺軸、前擺臂、后擺臂與下鉗板的速度平均值都變?yōu)樵瓉淼?0%左右，它們的功率消耗降為原來的64%左右，節(jié)約了能源.

參考文獻:

[1] 謝春萍,孫素華,劉書清.E7/5型精梳機工藝參數(shù)的分析討論[J].上海紡織科技，1996(2)：3-10.

[2] 劉國濤.現(xiàn)代棉紡技術(shù)基礎[M].北京:中國紡織出版社,2001:84-124.

[3] 賈國欣,任家智，楊玉廣.E62精梳機鉗板機構(gòu)參數(shù)對鉗持工藝性能的影響[J].紡織學報，2008,29(12):83-86.

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[5] 鄧明成.新編大學物理學[M].北京：科學出版社,2002:45-60.