史書偉+劉妍妍+王澤武

摘要：棉子梳是軋花機中有效控制毛頭率的部件，中、大型軋花機的棉子梳較長，在棉子卷壓力和子棉卷轉動對棉子梳所產生的切向力作用下，中間部分一段長度范圍變形較大，導致軋花機整個幅寬方向毛頭率不一致，不但損失了衣分，而且直接影響了皮棉質量。針對上述問題，利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對棉子梳進行靜力學分析，通過建模、加載、計算及后處理，獲得棉子梳的變形分布情況，經與實際軋花過程中的棉子梳變形結果比對是一致的?；诖藢γ拮邮崽岢龈倪M方案，并通過試驗對比分析改進前后的毛頭率。結果表明，改進后的棉子梳有效解決了大、中型軋花機的毛頭率不一致問題。

關鍵詞：軋花機；棉子梳；毛頭率；有限元分析；靜力學分析

中圖分類號：TS112.1+1.2+5：O316 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）02-0344-0

子棉經軋花后，棉子上仍殘留有手扯長度在12 mm以上的成束纖維稱為毛頭，棉子毛頭質量與試樣質量的百分比稱為毛頭率[1]。衣分是從子棉上通過軋花機剝取下來的長纖維數量，衣分率是單位重量的子棉通過軋花機剝取下來的長纖維重量與子棉重量之比，一般用百分率表示。毛頭率的大小對皮棉的使用價值和加工質量影響極大，從而直接或間接地影響皮棉質量。毛頭率過大，軋花衣分虧損增加，降低了子棉收購價格，損害了廣大棉農的利益，重創(chuàng)了棉農植棉的積極性，增加了企業(yè)加工成本，直接影響到加工企業(yè)的經濟效益；毛頭率過小[2]，軋花衣分虧損減小。由于追求過小的毛頭率，導致加工時子棉柵位置高，子棉卷過緊，鋸片轉速加快，造成排子不暢等現(xiàn)象，降低了皮棉的質量，影響到皮棉的使用價值。棉子梳是軋花機中有效控制毛頭率的部件，中、大型軋花機由于幅寬較長，控制毛頭率的棉子梳在子棉卷壓力下常常變形，使整個幅寬方向上的毛頭率不一致，一般是兩頭小，中間較大。因此為了有效控制中、大型軋花機的毛頭率，進而提高皮棉的加工質量[3]，有必要對中、大型軋花機的棉子梳進行改進。有限元分析對于縮短產品設計周期、提高設計品質、改善設計性能、節(jié)約設計成本等方面具有重要的作用[4]。ANSYS Workbench是有限元分析軟件中新一代CAE分析環(huán)境和應用平臺，在使用過程中，分析人員始終面對同一個界面，無需程序間頻繁切換，各類研發(fā)數據在此平臺上交換與共享[5]，所有研發(fā)工具均是這些環(huán)境的后臺技術。試驗借助ANSYS Workbench分析軟件對現(xiàn)有的棉子梳進行結構靜力學分析，根據分析結果提出新的合理的棉子梳改進方案，并對試驗改進前后的毛頭率結果進行比較，進而為棉子梳的設計提供可靠的理論依據。

1 軋花過程及棉子梳在軋花過程中的作用

軋花是通過軋花機將子棉上的棉纖維和棉子分離的作業(yè)，其工作箱結構見圖1。在軋花過程里，子棉經軋花機的喂棉羅拉夾持喂給，經過再次的提凈處理后由淌棉板進入前箱，由撥子輥（2）將子棉撥向阻殼肋條排（3），子棉被凸出阻殼肋條排的鋸片（11）拉入由抱合板（6）、胸板（8）、弧板（9）構成的工作箱形成轉動的棉子卷（7）。鋸片（11）勾拉推動棉子卷（7）轉動，在軋花肋條排（10）的工作點處，鋸齒鉤拉子棉纖維進入肋條間隙，由于肋條間隙遠小于棉子腰徑，棉子被肋條排（10）擋在工作箱內，纖維被鋸齒鉤拉通過肋條間隙完成棉子與纖維的分離，分離后的纖維隨鋸齒轉動，與排雜刀（13）作用，初步排除部分雜質，雜質由排雜板（12）排給絞籠排出軋花機。而初步清雜的纖維經毛刷輥（14）剝取，在風力作用下進入氣流皮棉清理階段。在軋花過程中，棉子卷（7）的密度是不同的，在阻殼肋條排（3）的工作點處密度最大。在棉子梳（5）處的密度最小。當棉子卷[6]每次轉動到棉子梳（5）處，匯合新進入的子棉，子棉被多次鉤拉掉大部分纖維時，棉子（1）被推向棉子卷芯部，在鋸片旋轉抖動下，將棉子從芯部帶出，從阻殼肋條排（3）、肋條排（10）和鋸片（11）形成的“井”字形棉子道中排出軋花機。

棉子梳結構見圖2，其是由多個直徑為6 mm的等長圓鋼按一定間距排在直徑為25 mm的圓鋼座上組成。在應用時，棉子梳與兩端的棉子梳座聯(lián)合使用，可以完成向鋸片斜下方向的伸縮調整，也可進行自身繞軸的角度調整[7]。在其他工況不變時，棉子梳調高升平則使棉子卷趨于圓形，靠近工作點處的密度增加，棉子排出困難，從而使棉子在工作箱內逗留的時間延長，由于被鋸片鉤拉的次數增加，棉子上的纖維被軋掉的更多，棉子的毛頭率較小；而當棉子梳向下傾斜后，棉子卷下部成錐形，密度較松散，排子較容易，棉子在工作箱內逗留的時間較短，棉子上殘存的纖維較多，這時棉子的毛頭率較高[8]。

2 棉子梳結構靜力學分析

2.1 創(chuàng)建棉子梳的幾何模型

在有限元分析之前，最重要的工作就是幾何建模，幾何建模的好壞直接影響到計算結果的正確性[9]。在ANSYS Workbench中建立模型有兩種方法，一是利用ANSYS Workbench自帶的幾何建模工具Design Modeler進行幾何建模；二是將Design Modeler模塊直接導入在專業(yè)CAD中建立的模型。試驗對棉子梳的建模采用的是第二種，先在CATIA中完成模型的建立，再在Design Modeler模塊直接導入。由于建立的是有限元分析模型，因此建立模型時，在不影響求解精度的前提下，適當簡化模型，可以節(jié)省計算時間。如以MY199型軋花機為例建立其棉子梳的模型時，就將一定間距的直徑為6 mm的等長圓鋼簡化為厚度為3 mm鋼板，具體見圖3。

2.2 網格劃分

幾何建模完成后，就是對幾何模型進行網格劃分，Workbench對網格劃分的工具有兩個，一個是集成在Workbench上的自動網格劃分工具Meshing網格劃分平臺，另一個是高級專業(yè)幾何網格劃分工具ICEM CFD網格劃分平臺。試驗在對棉子梳進行劃分有限元網格單元時，就是利用Meshing網格劃分平臺，考慮棉子梳的結構和尺寸，根據網格劃分的原則，選擇四面體網格劃分法，劃分后的有限元網格模型如圖4所示。劃分時所選的網格邊長（Element Size）為5 mm，這樣即保證了分析精度，也能節(jié)省計算時間。通過計算，共劃分164 055個節(jié)點和29 920個單元。

2.3 施加載荷與約束

作用在棉子梳上的力主要有棉子卷的壓力（F1）和棉子卷轉動對棉子梳所產生的切向力（F2）。棉子梳是固定在兩端的棉子梳座上的，因此在其兩端添加固定約束。設定大型軋花機的幅寬3 400 mm，工作箱正常工作時棉子卷重量為95 kg，棉子卷轉速4 m/s。經計算，F(xiàn)1=320 N，F(xiàn)2=5 840 N。由此，在棉子梳上分別添加力載荷F1、F2。

2.4 靜力學分析結果

ANSYS workbench求解結果見圖5，為棉子梳的變形圖。由圖5可見，在棉子梳中段中點處變形最大，達到了13.722 mm。棉子梳的變形使其和棉子卷接觸、受力產生兩端不一致，也使棉子卷中部較松，容易導致棉子的排出，產生了兩端與中間一段長度的毛頭率不一致的現(xiàn)象。

3 棉子梳的改進設計

改進思路：把棉子梳的梳齒有意識的加長，使其能抵抗變形后的誤差，有效托持棉子卷，達到使整個幅寬方向上毛頭率的均勻一致。

改進方法是：由于棉子梳中間變形最大為13.7 mm，故取整數，將中間的梳齒加長15 mm，向兩邊逐漸減短，減到原長停止，從而使整個梳齒呈“山”形（圖6）。

4 結果與分析

試驗條件主要有大型軋花機幅寬3 440 mm、主軸運行頻率40 Hz、一級子棉、子棉回潮8%、最大稱量100 g（精度0.01 g）天平、長度標尺、盛子方盒[10]。在排子板幅寬方向均勻等分11個點，在此11個點每點接等量毛棉子，由專業(yè)棉花質檢人員檢測毛頭率，改進前和改進后的結果見表1。由表1可知，試驗結果與軟件分析結果高度一致，由于中部6號點變形最大，在此點收集的毛頭率檢測結果也是最大的，遠遠超出了行業(yè)0.4%的標準。從試驗結果來看，改進后的棉子梳其毛頭率在整個幅寬長度上均勻一致，完全達到要求。但改進的棉子梳每個梳齒長度都不同，導致生產中件號太多，工人在擺焊時容易出錯，影響了組裝效率，不適合工業(yè)化生產。為此繼續(xù)優(yōu)化，新的棉子梳結構見圖7，也就是將梳齒長度分成3組，中段部分為試驗中梳齒的位置，也是實測中毛頭率較大的位置，經換算，該位置梳齒所在位置長度為1 376 mm，將此長區(qū)間的梳齒長度都加長15 mm；另外將兩邊的梳齒長度都加長8 mm；其余的保持原來的長度。經測試，與表1所列結果非常近似。完全達到使用要求。

5 小結

試驗利用CATIA建模軟件和ANSYS分析軟件，通過合理簡化模型，在正確的加載與約束下，快速地對中、大型軋花機棉子梳進行靜力學分析，并根據變形分布情況，對其結構進行改進，使結構更加完善合理，并為下一步設計打下了基礎。試驗用補償變形的方式對棉子梳進行改進，并對其進行驗證，結果表明，改進后的棉子梳解決了由其受力變形后毛頭率不易掌握的問題，這對于提高棉花加工質量具有重要價值。

參考文獻：

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[9] 黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench14.0超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013.

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