王延蒙，紀(jì) 紅

(濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)寧 272073)

0 引言

經(jīng)紗管的振程直接影響紗線質(zhì)量和錠子使用壽命，目前關(guān)于振程測(cè)量的研究主要有：王文彬等基于壓電晶體的壓電效應(yīng)，利用壓電式傳感器測(cè)量錠子振動(dòng)情況[1]；齊曉旭利用錠子故障診斷系統(tǒng)測(cè)量錠子振動(dòng)信號(hào)，該方法可以滿足實(shí)驗(yàn)室測(cè)量需求，應(yīng)必須接觸式測(cè)量而無(wú)法用于大規(guī)模檢測(cè)[2]；錠子測(cè)振儀廣泛用于經(jīng)紗管振動(dòng)測(cè)量，但也須手動(dòng)測(cè)量，效率較低；馬曉建等研究了影響錠子振動(dòng)的因素，采用頻域分析、小波變換的方法對(duì)錠子振動(dòng)進(jìn)行分析，確定均方值以表示錠子振動(dòng)情況[3]；王金福等通過(guò)頻域分析方法研究評(píng)價(jià)軸承的振動(dòng)情況[4]。但是，測(cè)量經(jīng)紗管振程的研究較少。為此，筆者基于激光三角法測(cè)量位移原理設(shè)計(jì)塑料經(jīng)紗管振程測(cè)量平臺(tái)，統(tǒng)計(jì)分析其振動(dòng)數(shù)據(jù)，以研究確定振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 激光三角法測(cè)量基本原理

利用激光三角原理測(cè)量位移的方法，主要有斜射式測(cè)量和直射式測(cè)量[5]。

斜射式測(cè)量位移的工作原理為：激光器發(fā)射的激光束與被測(cè)物體表面構(gòu)成一定角度，被測(cè)物體將光線反射至線性CCD表面；當(dāng)被測(cè)物體的位移發(fā)生改變時(shí)，光斑位置在線性CCD表面發(fā)生移動(dòng)，從而測(cè)量出被測(cè)物體位置的變化，如圖1所示。該測(cè)量方法經(jīng)常用于測(cè)量表面光滑的物體。

1—被測(cè)面；2—準(zhǔn)直透鏡；3—激光束；4—激光器；5—光電位置探測(cè)器；6—接收透鏡。

直射式測(cè)量位移的工作原理為：采用垂直照射的方式，當(dāng)被測(cè)物體移動(dòng)時(shí)，因物體表面漫反射導(dǎo)致在線性CCD表面成像位置發(fā)生變化，如圖2所示。該測(cè)量方法適用于測(cè)量表面粗糙的物體。

1—被測(cè)面；2—激光束；3—準(zhǔn)直透鏡；4—激光器；5—光電位置探測(cè)器；6—接收透鏡。

因?yàn)樗芰辖?jīng)紗管應(yīng)具有加捻卷繞紗線的功能，故其表面粗糙度Ra值較大，應(yīng)根據(jù)直射式測(cè)量位移的原理對(duì)經(jīng)紗管的振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)量。

2 經(jīng)紗管振程測(cè)量系統(tǒng)

經(jīng)紗管套裝在錠子上，其振動(dòng)視為是在平衡位置附近擺動(dòng)，故用單方向位移傳感器進(jìn)行測(cè)量[6]。

當(dāng)經(jīng)紗管工作轉(zhuǎn)速為18 kr/min時(shí)，根據(jù)香農(nóng)定理則采樣頻率不應(yīng)小于被測(cè)量信號(hào)頻率的2倍；因此經(jīng)紗管振程測(cè)量采用的傳感器頻率不應(yīng)小于600 Hz，在經(jīng)紗管一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)至少可以測(cè)量2個(gè)位移點(diǎn)。測(cè)量采樣點(diǎn)如圖3所示。

1—傳感器；2—光線；3—測(cè)量點(diǎn)；4—經(jīng)紗管。

傳感器振程測(cè)量檢測(cè)系統(tǒng)主要由激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。為統(tǒng)計(jì)振動(dòng)結(jié)果，將傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)正數(shù)設(shè)定。傳感器標(biāo)定見(jiàn)圖4。

1—激光位移傳感器；2—試件；3—微調(diào)臺(tái)。

測(cè)量前傳感器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定的數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行擬合[7]，擬合曲線見(jiàn)圖5。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)同位置位移值取多次均值，最終擬合方程為：y=0.402x-11.258，相關(guān)系數(shù)R2=0.99。

圖5 擬合曲線

3 經(jīng)紗管振程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與驗(yàn)證

3.1 經(jīng)紗管振程均值

在振動(dòng)評(píng)價(jià)中通常采用均值作為評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，振程均值可以體現(xiàn)出經(jīng)紗管振動(dòng)信號(hào)距離中心的變化情況[8]，其表達(dá)式為：

(1)

3.2 經(jīng)紗管振程變異系數(shù)

經(jīng)紗管在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，方差表示經(jīng)紗管振動(dòng)位移的離散程度[9]；由于經(jīng)紗管的振動(dòng)中心并不總是其幾何中心，用方差評(píng)價(jià)經(jīng)紗管振程并不合理。為此，定義經(jīng)紗管振程變異系數(shù)，其表達(dá)式為：

(2)

將傳感器最大量程記為傳感器相對(duì)零點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 采樣零點(diǎn)標(biāo)定

將測(cè)量的經(jīng)紗管振程數(shù)據(jù)以矩陣的形式表示，列方向表示測(cè)量的經(jīng)紗管振程值，行方向表示重復(fù)次數(shù)，記為Amn。

矩陣行方向數(shù)據(jù)記錄著經(jīng)紗管在1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)傳感器測(cè)量的振程位移數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)紗管振程變異系數(shù)公式計(jì)算行方向的CV值，其表達(dá)式為：

(3)

將計(jì)算的CV值取為均值，稱為經(jīng)紗管變異系數(shù)均值，其表達(dá)式為：

(4)

另一種對(duì)矩陣數(shù)據(jù)處理的方法，為對(duì)矩陣列方向的數(shù)值取均值。列方向數(shù)據(jù)為經(jīng)紗管轉(zhuǎn)動(dòng)中重復(fù)位置點(diǎn)的振動(dòng)位移，取其均值并計(jì)算變異系數(shù)，稱為經(jīng)紗管平均變異系數(shù)，其表達(dá)式為：

(5)

圖7為經(jīng)紗管在10 s內(nèi)振程測(cè)量系統(tǒng)的變異系數(shù)均值和平均變異系數(shù)的變化情況。實(shí)驗(yàn)表明：平均變異系數(shù)變化幅度平穩(wěn)，因此采用其為經(jīng)紗管振程的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 變異系數(shù)均值和平均變異系數(shù)比較

經(jīng)紗管在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)幅度較高速時(shí)明顯，因此設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速對(duì)以上2種經(jīng)紗管振程的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)定管長(zhǎng)為195 mm經(jīng)紗管在18 kr/min，12 kr/min，6 kr/min及3 kr/min的不同轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行試驗(yàn)，采樣時(shí)間為10 s，依據(jù)式(1)和式(5)計(jì)算經(jīng)紗管振程均值和振程變異系數(shù)，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖8和圖9。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下經(jīng)紗管振程均值的變化曲線

圖9 不同轉(zhuǎn)速下經(jīng)紗管振程變異系數(shù)的變化曲線

當(dāng)經(jīng)紗管轉(zhuǎn)速為6 kr/min時(shí)接近第一階臨界轉(zhuǎn)速，經(jīng)紗管振動(dòng)較明顯、相應(yīng)的振程變異系數(shù)值增大；隨著轉(zhuǎn)速提升,經(jīng)紗管振程變異系數(shù)降低，試驗(yàn)結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果相符，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性。

4 結(jié)論

4.1塑料經(jīng)紗管表面粗糙度Ra值較大，可根據(jù)直射式測(cè)量原理對(duì)其振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)量；塑料經(jīng)紗管工作振動(dòng)情況近似為強(qiáng)迫振動(dòng)，可采用單方向位移傳感器進(jìn)行測(cè)距。

4.2針對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)采取2種統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，試驗(yàn)表明塑料經(jīng)紗管振程平均變異系數(shù)變化穩(wěn)定，能更為準(zhǔn)確地反映其振動(dòng)程度。

4.3當(dāng)塑料經(jīng)紗管轉(zhuǎn)速為6 kr/min時(shí)，其振程平均變異系數(shù)明顯變大。