溫欣婷， 徐伯俊， 劉新金

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122)

BC9型鋼絲圈氣圈底端張力特性分析

溫欣婷， 徐伯俊， 劉新金

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122)

為拓展BC9型鋼領(lǐng)鋼絲圈的應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)研究鋼絲圈氣圈底端張力的特性，在平面鋼領(lǐng)鋼絲圈系統(tǒng)受力分析的基礎(chǔ)上列出BC9型鋼領(lǐng)鋼絲圈平衡方程，并在考慮空氣阻力和哥氏慣性力的情況下得出了氣圈底端張力表達(dá)式，分析了其變化規(guī)律。根據(jù)高速攝影技術(shù)對(duì)氣圈底角進(jìn)行分析，得出氣圈底角在-4°～5°之間變化。然后結(jié)合上述表達(dá)式給出不同卷繞半徑下的氣圈底端張力值，分析了氣圈底角和卷繞半徑對(duì)氣圈底端張力的影響。結(jié)果表明，氣圈底端張力隨卷繞半徑增加而減小，隨氣圈底角增加而增加，且卷繞大小直徑時(shí)張力差異隨氣圈底角增加而增加。

BC9型鋼領(lǐng)鋼絲圈； 空氣阻力； 哥氏慣性力； 氣圈底端張力； 高速攝影技術(shù)

隨著細(xì)紗機(jī)高速化的發(fā)展，高速鋼領(lǐng)的研究作為一項(xiàng)重要課題得到重視，更適宜高速化的錐面鋼領(lǐng)也逐步得到應(yīng)用與推廣。已有許多研究者對(duì)錐面鋼領(lǐng)鋼絲圈力學(xué)特性、錐面傾角范圍等做了一定的分析和探討。邵禮宏在忽略空氣阻力和哥氏慣性力的情況下導(dǎo)出了兩點(diǎn)接觸錐面鋼領(lǐng)鋼絲圈旁的紗線張力表達(dá)式[1]，并在文獻(xiàn)[2]中導(dǎo)出了該張力的普遍式，最后得出，任何一種鋼領(lǐng)除三點(diǎn)接觸以外都可由此導(dǎo)出。錐面傾角的大小直接影響鋼絲圈的受力情況，研究發(fā)現(xiàn)，兩點(diǎn)接觸的上支承錐面鋼領(lǐng)ZM-6傾角的范圍為52°～74°，三點(diǎn)接觸的下支承錐面鋼領(lǐng)BC6- 4傾角范圍為74°～102°[3]，錐面傾角過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響鋼絲圈的正常運(yùn)行。目前，BC9型鋼領(lǐng)逐步得到應(yīng)用，但對(duì)BC9型鋼領(lǐng)鋼絲圈張力特性的研究甚少。

BC9型鋼領(lǐng)與鋼絲圈接觸長(zhǎng)度為4～5 mm，為PG型平面鋼領(lǐng)與鋼絲圈接觸長(zhǎng)度1.8 mm的2倍多,接觸面積大，壓強(qiáng)小，耐磨性好，散熱快，工作面溫度低；鋼絲圈與BC9型鋼領(lǐng)接觸點(diǎn)多，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好，張力波動(dòng)小[4]。由于紡紗張力是由鋼絲圈旁氣圈底端張力向上傳遞而產(chǎn)生的，而鋼絲圈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接關(guān)系到紗線張力的變化。當(dāng)紡紗張力波動(dòng)峰值大于紗線強(qiáng)力時(shí)，就造成紗線斷頭，同時(shí)紡紗張力波動(dòng)的大小也是影響細(xì)紗質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)鍵，因此，為提高細(xì)紗機(jī)機(jī)械效率和細(xì)紗質(zhì)量，深入分析鋼領(lǐng)鋼絲圈的受力情況，研究氣圈底端張力(TR)的變化規(guī)律是十分必要的。

本文在前人對(duì)其他類型鋼領(lǐng)鋼絲圈動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)BC9型鋼絲圈建立動(dòng)態(tài)平衡方程，推導(dǎo)出氣圈底端張力(TR)的表達(dá)式，并研究其變化規(guī)律。文中氣圈底角(α3)是在特定紡紗條件下拍攝所得，氣圈底端張力(TR)也是在該條件下求得，可能會(huì)有不足之處，但不影響研究TR變化規(guī)律。

1 鋼絲圈力學(xué)性能分析

紡紗過(guò)程中，鋼絲圈在紗線拖動(dòng)下沿鋼領(lǐng)軌道高速回轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜。鋼絲圈并非平穩(wěn)地在鋼領(lǐng)上滑動(dòng),而是高速滑動(dòng)、三維空間傾斜運(yùn)動(dòng)和高頻振動(dòng)的復(fù)合[5-6]。在鋼領(lǐng)鋼絲圈系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析中，平面高速鋼領(lǐng)按一點(diǎn)接觸計(jì)算，ZM系列等一般錐面鋼領(lǐng)按兩點(diǎn)接觸計(jì)算。而目前廣泛使用的BC系列錐面鋼領(lǐng)配用三點(diǎn)接觸的非對(duì)稱鋼絲圈[7-8]。這種類型的鋼領(lǐng)鋼絲圈也具有接觸面積大，壓強(qiáng)小，磨損少，散熱快的特點(diǎn)。本文在考慮空氣阻力及哥氏慣性力和忽略空氣阻力及哥氏慣性力的情況下僅對(duì)BC系列鋼領(lǐng)中BC9型鋼領(lǐng)鋼絲圈進(jìn)行受力分析。

鋼絲圈受力的計(jì)算值與真實(shí)值之間存在一定的誤差，但是，在考慮空氣阻力及哥氏慣性力的情況下，按空間一般匯交力系計(jì)算，可使計(jì)算值更接近于真實(shí)值。

在考慮空氣阻力及哥氏慣性力的情況下對(duì)BC9鋼絲圈進(jìn)行力學(xué)分析，并將其所受的力簡(jiǎn)化為過(guò)其重心的空間匯交力系，以鋼絲圈重心為原點(diǎn)、離心力的反方向?yàn)閤軸正向、重力的反方向?yàn)閦軸正向、摩擦力方向?yàn)閥軸正向建立坐標(biāo)系,如圖1所示。在運(yùn)行過(guò)程中,鋼絲圈上所受到的力有重力G,離心力C，BC9鋼領(lǐng)主跑道曲面、下支承面以及第三輔助支承面對(duì)鋼絲圈的支持力分別為N、M、Q，細(xì)紗卷繞張力TW及氣圈底端張力TR。與離心力及3個(gè)接觸面上的支持力相比，鋼絲圈所受到的空氣阻力極其微小，可忽略不計(jì)。除此之外，圖中各參數(shù)的意義如下。O為坐標(biāo)原點(diǎn)；F為鋼絲圈所受的總摩擦力；rx為細(xì)紗卷繞半徑；α1、α2、α3為氣圈底端張力分別與x軸、y軸、z軸的的夾角(cos2α1+cos2α2+cos2α3=1)；γx為卷繞角；φ為錐面傾角；β為下支承面相對(duì)于水平面的傾角即M相對(duì)于豎直方向的夾角，取15°；N為鋼領(lǐng)主跑道曲面對(duì)鋼絲圈的法向作用力；M為鋼領(lǐng)下支承面對(duì)鋼絲圈的法向作用力；Q為鋼領(lǐng)第三輔助支承面對(duì)鋼絲圈的法向作用力。

圖1 BC9鋼絲圈受力分析Fig.1 BC9 traveller stress analysis

考慮空氣阻力及哥氏慣性力對(duì)氣圈影響時(shí)TR的表達(dá)式。重力G=mg

(1)式中：m為鋼絲圈質(zhì)量；g為重力加速度，9.807 m/s2。

鋼絲圈在高速回轉(zhuǎn)中離心力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力，在其受力分析中可忽略不計(jì)。離心力

(2)

式中：ns為錠子轉(zhuǎn)速，r/min；vf為羅拉表面線速度，m/min；Rt為BC9鋼絲圈質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑，其值略小于平面鋼領(lǐng)；ωt為BC9鋼絲圈的回轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

總摩擦力

(3)

一般認(rèn)為M、N、Q作用在xOz平面內(nèi)，M、N對(duì)x軸和z軸都有分量，而Q平行于x軸并與x軸方向一致。

(4)

(5)

式中：f為鋼絲圈與鋼領(lǐng)之間的動(dòng)摩擦因數(shù)；K1為張力特性參數(shù)，該值在設(shè)計(jì)時(shí)選定，最小值為0.01～0.02，最大值為0.15～0.45；K2為第三輔助支承面壓力分配系數(shù)，該值小于1，在設(shè)計(jì)時(shí)選定，最好在0.25～0.5之間。

在本文實(shí)驗(yàn)中K1取0.10，K2取0.30。

由文獻(xiàn)[1]可知TW和TR的關(guān)系為

(6)

式中：μ為紗線與鋼絲圈之間的動(dòng)摩擦因數(shù)；θ為紗線對(duì)鋼絲圈的包圍角，rad。

氣圈紗曲線可看作一個(gè)牽連體，空氣阻力總是作用在紗線轉(zhuǎn)動(dòng)切向的反方向上，紗曲線下端隨鋼

絲圈一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使得每個(gè)紗微段的下端都超出所在的徑向平面，而哥氏力在氣圈上部與氣圈轉(zhuǎn)向相反，在氣圈下部與氣圈轉(zhuǎn)向相同，因此，在考慮空氣阻力及哥氏慣性力的情況下，氣圈是向后傾斜的空間曲線,不考慮空氣阻力和哥氏慣性力時(shí),α2=90°，氣圈曲線則是在xOz子午面內(nèi)的平面曲線[10-11]。

當(dāng)α2≠90°時(shí)，按照達(dá)朗貝爾原理采用動(dòng)靜分析法，可得出如下平衡方程式

(7)

∑Fy=0，即

(8)

(9)

將(2)，(3)，(4)，(5)，(6)代入(7)，(8)，(9)式并求解可得，

(10)

由(8)、(9)式得，

(11)

設(shè)η為氣圈底端張力TR和卷繞張力TW的夾角，假設(shè)卷繞張力TW在水平面內(nèi)，氣圈底端張力TR和卷繞張力TW的方向余弦分別為(cosα1,cosα2,cosα3)和(cosγx,-sinγx,0)，則

(12)

(13)

忽略空氣阻力及哥氏慣性力對(duì)氣圈影響時(shí)TR表達(dá)式。當(dāng)忽略空氣阻力和哥氏慣性力時(shí)，α2=90°，將其代入式(11)得，

(14)

將α2=90°，sinφ代入式(10)得

(15)

2 氣圈底端張力的測(cè)試與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

為進(jìn)一步研究BC9型鋼領(lǐng)鋼絲圈系統(tǒng)的力學(xué)變化規(guī)律，本文實(shí)驗(yàn)采用高速攝影技術(shù)對(duì)氣圈底角進(jìn)行連續(xù)拍攝，并通過(guò)后期處理得出從始紡到滿紗過(guò)程中氣圈底角的變化情況。

該實(shí)驗(yàn)以純棉精梳粗紗為原料在DTM129型全聚紡細(xì)紗機(jī)上紡制細(xì)紗。工藝參數(shù)如下：捻系數(shù)340，后區(qū)牽伸倍數(shù)為1.19，隔距塊距離為2.75 mm。實(shí)驗(yàn)用鋼領(lǐng)為直徑42 mm的BC9型鍍鉻鋼領(lǐng)和與之配套的20#的BC9型鋼絲圈，其質(zhì)量為20 mg,在羅拉表面速度為5.57 m/min、錠速為10 090 r/min的條件下進(jìn)行紡紗。在該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，高速攝影機(jī)拍攝速度設(shè)為1 500 幀/s。截取的拍攝樣圖如圖2所示。

圖2 鋼絲圈運(yùn)動(dòng)中的氣圈底角Fig.2 Angle of balloon bottom in traveller movement. (a)Winding minor diameter;(b)Winding major diameter

2.2 氣圈底角測(cè)試

從整個(gè)拍攝過(guò)程中截取105張圖片(其中2張見(jiàn)圖2)鋼領(lǐng)上所貼的白色紙條作為參照。在底角測(cè)試中以紙條豎直邊界所在的直線作為豎直方向的

參照物(逆時(shí)針為正方向)。在鋼絲圈紗通道進(jìn)口處氣圈紗曲線切線與豎直方向的夾角為氣圈底角，實(shí)驗(yàn)中所測(cè)的氣圈底角在xOz平面內(nèi)。所測(cè)的結(jié)果如圖3所示。

圖3 氣圈底角的變化情況Fig.3 Variations situation of balloon bottom angles

從圖3可看到，氣圈底角在-4°和5°之間波動(dòng)，但絕大部分氣圈底角的變化都在-2°～3°的范圍內(nèi)。2.3 氣圈底端張力計(jì)算

在紡不同材料的細(xì)紗時(shí)，μ值一般不同。紡純棉紗，μ在高速下一般選為0.3，f取0.2[2]。

(16)

從式(16)中可清楚地看到，TR的值與rx、α3有關(guān)。紡紗過(guò)程中，卷繞小直徑時(shí)管紗直徑為19mm,卷繞大直徑時(shí)管紗直徑為31mm,α3的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3，其值在-4°～5°之間波動(dòng)。在忽略空氣阻力和哥氏慣性力的情況下，氣圈底端張力TR的計(jì)算結(jié)果如表1所示，其中dx=2rx。

表1 氣圈底端張力TR的計(jì)算值Tab.1 Yarn tension value TR of balloon bottom

在表1的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究卷繞大小直徑時(shí)的氣圈底端張力差異。該差異直接關(guān)系到紡紗張力的變化情況，并進(jìn)一步影響細(xì)紗斷頭。卷繞小直徑(dx=19 mm)與卷繞大直徑(dx=31 mm)時(shí)氣圈底端張力的差值變化如圖4所示。

圖4 卷繞大小直徑時(shí)氣圈底端張力差值與氣圈底角的關(guān)系Fig.4 Relationship between yarn tension differences of balloon bottom with winding maximum diameter and minimum diameter and angles of balloon bottom

紡紗條件一定，不考慮空氣阻力和哥氏慣性力時(shí)，氣圈底端張力TR的大小僅受氣圈底角α3和卷繞半徑rx這2個(gè)參數(shù)的影響。

從表1計(jì)算結(jié)果可看出：在氣圈底角一定時(shí)，氣圈底端張力TR在卷繞小直徑時(shí)最大，并隨卷繞半徑的增加而減小，在接近最大直徑處減小幅度變??；在卷繞半徑一定時(shí)，氣圈底端張力TR隨氣圈底角的增加而增大。氣圈底端張力TR通過(guò)氣圈向上傳遞紡紗張力，當(dāng)紡紗張力大于紗線強(qiáng)力時(shí)造成斷頭。由圖4可看出，卷繞大小直徑時(shí)氣圈底端張力差異隨卷繞角的增加而增大，僅以特定條件下紡純棉紗為例，該張力差異并不大。從氣圈底端張力的變化規(guī)律來(lái)看，通過(guò)采取措施控制氣圈底角的變化可實(shí)現(xiàn)減小紡紗張力，降低斷頭的目的。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在對(duì)平面鋼領(lǐng)鋼絲圈和錐面鋼領(lǐng)鋼絲圈分析的基礎(chǔ)上，研究和分析BC9鋼領(lǐng)鋼絲圈的氣圈底端張力特性。在考慮以及忽略空氣阻力和哥氏慣性力的情況下導(dǎo)出BC9鋼絲圈旁紗線張力即氣圈底端張力的表達(dá)式。并通過(guò)采用高速攝影技術(shù)對(duì)氣圈底角拍攝，測(cè)出特定的紡紗條件下氣圈底角的變化范圍為-4°～5°。在忽略空氣阻力的情況下，計(jì)算出了氣圈底端張力的值。分析結(jié)果表明：在氣圈底角一定時(shí)，氣圈底端張力隨卷繞半徑的增加而減??；在卷繞半徑一定時(shí)，氣圈底端張力隨氣圈底角的增加而增加；卷繞大小直徑時(shí)的張力差異隨氣圈底角的增加而增加。

FZXB

[ 1] 邵禮宏. 錐面鋼領(lǐng)張力特性的理論分析[J]. 棉紡織技術(shù),1981(5):51-57. SHAO Lihong. The theoretical analysis on the tension characteristics of conical ring [J].Cotton Textile Technology, 1981(5):51-57.

[ 2] 邵禮宏. 鋼領(lǐng)鋼絲圈的工作特性按靜態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的普遍式及其應(yīng)用[J].大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1981(2):7-13. SHAO Lihong. The common formula analyzed by static dynamics of the operating characteristics of the ring/ traveler and its applications [J].Journal of Dalian Institute of Light Industry,1981(2):7-13.

[ 3] 趙昕彥,陳怡星. 錐面鋼領(lǐng)錐面傾角的探討[J]. 大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1997(1):66-71. ZHAO Xinyan, CHEN Yixing. Research for angle of inclination of conical ring[J]. Journal of Dalian Institute of Light Industry,1997(1):66-71.

[ 4] 劉天軍. BC9型鋼領(lǐng)鋼絲圈的使用與分析[J]. 山東紡織科技,2000(6):24-25. LIU Tianjun. The usage and analysis of ring BC9 and traveller [J]. Shandong Textile Science & Technology, 2000(6):24-25.

[ 5] 唐文輝.鋼絲圈傾斜運(yùn)動(dòng)的分析與探討[J].紡織器材，1982,9(3):1-11. TANG Wenhui. Analysis and discussion on the slantwise motion of the traveller[J]. Textile Accessories, 1982,9(3):1-11.

[ 6] 姚穆,徐慶琪. 錐面鋼領(lǐng)鋼絲圈的高速攝影研究[J]. 紡織學(xué)報(bào),1980,1(3):23-31. YAO Mu，XU Qingqi. Study of conical profile ring and traveller by high speed photography[J]. Journal of Textile Research, 1980,1(3):23-31.

[ 7] 邵禮宏.下支承BC6型鋼領(lǐng)的技術(shù)特征與紡紗性能[J].上海紡織科技,1994(1):9-13. SHAO Lihong. The technical features and spinning performance of down supported BC6 ring[J]. Shanghai Textile Science & Technology, 1994(1):9-13.

[ 8] 束敖國(guó). BC6型鋼領(lǐng)、鋼絲圈的生產(chǎn)應(yīng)用[J]. 棉紡織技術(shù),1995(12):41-43. SHU Aoguo. The production and applications of BC6 ring and traveller [J]. Cotton Textile Technology,1995(12):41-43.

[ 9] 邵禮宏. 下支承多點(diǎn)接觸鋼領(lǐng)和鋼絲圈:中國(guó),CN1076739[P]. 1993-09-29. SHAO Lihong. The down supported multipoint contact ring and traveler:China, CN1076739 [P]. 1993-09-29.

[10] 周炳榮. 紡紗氣圈理論[M].上海:東華大學(xué)出版社,2010:7-13. ZHOU Bingrong. Theory of Spinning Balloon [M]. Shanghai: Donghua University Press, 2010:7-13.

[11] 張萬(wàn)順,吳文英,彭作珍. 考慮空氣阻力及哥氏慣性力影響后的氣圈底端張力分析[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(6):729-733. ZHANG Wanshun, WU Wenying, PENG Zuozhen. On the yarn tension of balloon bottom after considering the effects of air-drag and Coriolis force [J]. Journal of Donghua University(Natural Science),2007(6):729-733.

Analysis on yarn tension properties of balloon bottom of BC9 ring

WEN Xinting, XU Bojun, LIU Xinjin

(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In order to study about the yarn tension of the balloon bottom with BC9 ring, this paper presented the ring traveler balance equations based on the force analysis of the planar ring traveller system. And the tension expressions were obtained taking factors of the air-drag and the Coriolis force. Besides, the angles of balloon bottom variation from -4° to 5° were given by high-speed photography technology and post-processing. Then it gave the tension values combined with the tension expressions above. Furthermore, it analyzed the impact of the angles of the balloon bottom and winding radius on the yarn tension. The results indicated that the yarn tension of the balloon bottom decreased with the increase of the winding radius and increased with the increase of the angles of the balloon bottom. Moreover, the yarn tension difference between winding major diameter and minor diameter. increased with the angles of balloon bottom increased.

BC9 ring traveller; air-drag; Coriolis force; yarn tension of balloon bottom; high-speed photography technology

10.13475/j.fzxb.20150400206

2015-04-02

2015-09-28

紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目(hnfz14002)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(BY2014023-13，BY2012051，BY2013015-24)；江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(BA2014080)；廣東省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2013B090600038)

溫欣婷(1984—)，女，碩士生。研究方向?yàn)殄F面鋼領(lǐng)鋼絲圈性能。徐伯俊，通信作者，E-mail: wxxbj@sina.com。

TS 112.8

A