王青 殷俊清 張周強(qiáng)

摘 要：科技的發(fā)展進(jìn)步要求并條機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高速化，但國內(nèi)并條機(jī)大都達(dá)不到高速化要求，因此需研究一種提高并條機(jī)出條速度的方法。首先提出一種通過增大牽伸機(jī)構(gòu)前羅拉直徑以提高出條速度的方法，接著通過對(duì)并條機(jī)牽伸機(jī)構(gòu)牽伸性能的分析計(jì)算，驗(yàn)證該方法的可行性和對(duì)牽伸性能的影響程度，最后采用Ansys軟件進(jìn)行前羅拉的模態(tài)分析，得到前羅拉的前六階固有頻率，并和前羅拉工作頻率進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：在保證牽伸效果的前提下，牽伸機(jī)構(gòu)前羅拉直徑可從35mm增大到48mm;以出條速度600m/min為例，保持原角速度運(yùn)轉(zhuǎn)，直徑增大后出條速度可達(dá)823m/min，增幅高達(dá)37.17%;前羅拉直徑增大前后，均不會(huì)發(fā)生共振，不會(huì)出現(xiàn)前羅拉的破壞。

關(guān)鍵詞：并條機(jī);牽伸機(jī)構(gòu);前羅拉;高速化;固有頻率

中圖分類號(hào)：TS112.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2022）01-0096-05

Abstract： The development of technology requires that the drawing frame should achieve high speed， but most domestic drawing frames can't meet this requirement， so a method to improve the drawing speed of drawing frame was studied in this paper. Firstly， a method was proposed to enhance the speed of drawing frame by increasing the diameter of front roller of the drafting mechanism. Then， through an analysis and calculation of the drawing performance of the drawing mechanism， the feasibility of this method and its influence degree on the drawing performance were verified. Finally， a modal analysis of the front roller was carried out by Ansys software， the first six natural frequencies of the front roller were acquired and compared with the working frequency of the front roller. The analysis results show that： the diameter of front roller of the drafting mechanism can increase from 35mm to 48mm， on the premise that the drafting effect was guaranteed. Taking a drawing speed of 600m/min as an example， with the original angular velocity， the speed can reach 823m/min， up 37.17%， after the diameter is increased. No matter the diameter of the front roller is 35mm or 48mm， there is no resonance in the front roller， that is， no fracture in the front roller.

Key words： drawing frame; drafting system; front roller; high-speed; natural frequency

并條工序是紡紗流程中非常重要的工序，其作用是通過6～8根棉條的并和，改善條干內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高長短片段條干均勻度，降低質(zhì)量不勻率，使棉條中的纖維伸直平行、減少彎鉤、提高棉條的混合均勻度。并條機(jī)出條速度是衡量并條機(jī)技術(shù)發(fā)展水平的綜合標(biāo)志，而目前中國并條機(jī)速度大多在600 m/min左右（如FA322B并條機(jī)），極少數(shù)并條機(jī)的出條速度可達(dá)1000 m/min（如BHFA1382并條機(jī)）。因此普遍提高并條機(jī)的出條速度，是并條機(jī)發(fā)展最重要的目標(biāo)之一。

目前關(guān)于并條機(jī)的研究，主要集中于：對(duì)主流機(jī)型FA322B并條機(jī)的性能特點(diǎn)分析[1]，使用與維護(hù)方法分析[2]，牽伸機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[3-4]，對(duì)高速并條機(jī)技術(shù)特征和應(yīng)用效果研究[5]，勻整延遲時(shí)間的測(cè)試與分析[6]，對(duì)并條機(jī)圈條機(jī)構(gòu)和自動(dòng)換筒技術(shù)的設(shè)計(jì)研究[7-8]，還有對(duì)FA389高速并條機(jī)的技術(shù)分析[9]等，只有文獻(xiàn)[10]提到實(shí)現(xiàn)并條機(jī)高速與高質(zhì)的途徑，但也只是綜述性方法，沒有具體的分析研究。因此對(duì)提高并條機(jī)出條速度的方法進(jìn)行具體的分析研究就顯得非常必要和迫切。本文就以國內(nèi)主流并條機(jī)FA322B為對(duì)象，研究一種具體的切實(shí)可行的提高并條機(jī)出條速度的方法。

1 方法的提出

影響并條機(jī)出條速度的主要因素之一是牽伸機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度高低。并條機(jī)牽伸機(jī)構(gòu)目前主要為各種形式的羅拉牽伸，其中前羅拉的輸出線速度直接決定了并條機(jī)的出條速度?？紤]到前羅拉的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)特性等，其轉(zhuǎn)速不能過大，以免引起共振、軸的斷裂等。但是在轉(zhuǎn)速一定的前提下，增大前羅拉直徑，則能夠提高前羅拉轉(zhuǎn)動(dòng)線速度，即提高出條速度。因此理論上適當(dāng)增大前羅拉直徑，可以提高并條機(jī)的出條速度。

那么增大前羅拉直徑是否會(huì)引起牽伸效果的惡化，前羅拉的振動(dòng)特性又有什么變化呢？本文從牽伸性能和振動(dòng)特性兩方面進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，以驗(yàn)證通過增加羅拉直徑來提高并條機(jī)出條速度的可行性。

2 并條機(jī)牽伸性能分析

FA322B并條機(jī)牽伸機(jī)構(gòu)為附導(dǎo)向輥的四上四下壓力棒曲線牽伸機(jī)構(gòu)，如圖1所示，其中前區(qū)為主牽伸區(qū)，是牽伸比最大、對(duì)牽伸效果影響最顯著的區(qū)域。該區(qū)中，對(duì)條干的握持距越小，短纖維的牽伸能力和條干均勻度越好。同時(shí)，前羅拉上的反包圍弧越趨近于0，牽伸效果越好。當(dāng)反包圍弧為0時(shí)，棉條切向進(jìn)入前羅拉鉗口，牽伸效果最好，當(dāng)反包圍弧大于4mm時(shí)，棉條質(zhì)量反而惡化。因此牽伸性能分析以FA322B并條機(jī)牽伸機(jī)構(gòu)的主牽伸區(qū)為對(duì)象，分析隨著前羅拉直徑的增大，主牽伸區(qū)握持距以及前羅拉上反包圍弧的大小變化。

2.1 握持距分析計(jì)算

如圖2所示，主牽伸區(qū)握持距為棉條進(jìn)入主牽伸區(qū)二羅拉鉗口到離開前羅拉鉗口走過的路徑長度表示為f=AB+BC+CD+DE+EF，其中f為主牽伸區(qū)握持距長度，AB是棉條在前羅拉上的反包圍弧長度，BC是前羅拉與壓力棒間自由距長度，CD為棉條在壓力棒上的包圍弧長度，DE為棉條在壓力棒與二羅拉間的長度，EF為棉條在二羅拉上的包圍弧長度。根據(jù)正余弦定理等幾何關(guān)系推導(dǎo)握持距表達(dá)式如下：

AB=r2（A1-A2）（1）

BC=O5P（2）

CD=r5A7（3）

DE=[（r3+r5+s）2-（r3+r5）2]12（4）

EF=r3（A5-A6）（5）

f=AB+BC+CD+DE+EF（6）

（a）直徑35mm

（a）Diameter of 35mm

（b）直徑48mm

（b）Diameter of 48mm

其中：

A1=arctanO5MO2M

A2=arctanO5Pr2+r5

O2M=h+（r3+r4）2-b2-lcos（A3-A4）

O5M=a-b-lsin（A3-A4）

O5P=O5M2+O2M2-（r2+r5）21/2

A3=arccosl2+（r3+r4）2-（r3+r5+s）22l（r3+r4）

A4=arcsinbr3+r4

A5=arccos（r3+r5+s）2+（r3+r4）2-l22（r3+r5+s）·（r3+r4）

A6=arccosr3+r5r3+r5+s

A7=arccosO5M2+O2M2+（r3+r5+s）22（O5M2+O2M2）1/2（r3+r5+s）-A2-A6

式（1）～式（6）中：r4表示二皮輥的半徑;r2，r3分別表示前羅拉和二羅拉的半徑;r5表示壓力棒半徑;h表示前羅拉和二羅拉中心的豎直距離;a表示前羅拉和二羅拉中心的水平距離;b表示二羅拉和二皮輥中心的水平距離;l表示二皮輥和壓力棒的中心距;s表示壓力棒和二羅拉表面圓弧的距離;O2M、O5M、O5P，以及A1～A7分別表示握持距推導(dǎo)過程中的中間量。

對(duì)于FA322B并條機(jī)，前羅拉和二羅拉水平距離a根據(jù)纖維品質(zhì)長度而定（一般比纖維品質(zhì)長度大10mm左右）。假設(shè)研究的纖維品質(zhì)長度均為30mm，則a取40mm。二羅拉和二皮輥中心的水平距離b一般是由工人師傅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整，以適紡各類纖維。根據(jù)纖維品質(zhì)長度30mm，調(diào)整該值為4.29mm[3]。其他結(jié)構(gòu)參數(shù)取值見表1。

2.2 前羅拉直徑對(duì)牽伸性能影響分析

2.2.1 改變前羅拉直徑，其他幾何參數(shù)保持常數(shù)

計(jì)算前羅拉直徑從35mm增大到50mm過程中，主牽伸區(qū)握持距f及前羅拉反包圍弧AB變化情況。根據(jù)式（1）～式（6），編寫Matlab程序進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果如表2。

分析表2發(fā)現(xiàn)：a）隨著前羅拉直徑的增大，握持距持續(xù)增加，但增加程度比較緩慢，因此前羅拉直徑增大對(duì)握持距的影響可忽略不計(jì)。b）前羅拉反包圍弧呈增大趨勢(shì)，且增加幅度較大。一般情況下，為保證出條條干質(zhì)量，前羅拉反包圍弧AB不能大于3mm。由表2可見，為了保證出條條干質(zhì)量不惡化，前羅拉直徑不能大于40mm。c）反包圍弧AB增幅大，握持距增幅卻很小，這主要是因?yàn)殡S著前羅拉直徑的增大，前羅拉和前皮輥切點(diǎn)上移，反包圍弧AB、CD均增大，但是直線段BC長度卻變小，DE和EF段長度不受影響，因此握持距變化幅度較小。

2.2.2 改變前羅拉直徑，并對(duì)b值進(jìn)行優(yōu)化

由上文分析可見：增大前羅拉直徑會(huì)導(dǎo)致并條機(jī)的出條質(zhì)量惡化，那么能否同時(shí)調(diào)整主牽伸區(qū)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提高出條質(zhì)量呢？

對(duì)于FA322B并條機(jī)，二羅拉和二皮輥中心的水平距離（b值）根據(jù)纖維品質(zhì)長度的不同可以調(diào)整[3]，因此考慮在改變前羅拉直徑的同時(shí)，調(diào)整b值大小，以盡量提高并條機(jī)出條質(zhì)量。同時(shí)由表2可知：前羅拉直徑變化對(duì)前羅拉反包圍弧AB的影響大于對(duì)握持距的影響，故此處將AB作為目標(biāo)函數(shù)，針對(duì)不同的前羅拉直徑，對(duì)b值進(jìn)行優(yōu)化，使得前羅拉反包圍弧AB最小。

b取值范圍根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定為-5～5mm（二皮輥中心相對(duì)二羅拉中心前移時(shí)b值為正，后移時(shí)b值為負(fù)），前羅拉直徑仍然從35mm增大至50mm，基于Matlab程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到不同前羅拉直徑對(duì)應(yīng)的最優(yōu)b值、目標(biāo)函數(shù)AB及握持距f結(jié)果如表3。

分析表3得出結(jié)論為：a）在增大前羅拉直徑的同時(shí)，調(diào)整b值大小，確實(shí)可以使得反包圍弧AB值基本都控制在3mm以內(nèi)（前羅拉直徑為50mm情況除外），說明在改變前羅拉直徑的同時(shí)，調(diào)整二皮輥中心相對(duì)二羅拉中心的位置，確實(shí)可以保證較好的牽伸效果，且前羅拉直徑最大可以增大到48mm。b）握持距f相比于表2略有增大，這主要是因?yàn)椋弘S著前羅拉直徑的增大，b值不斷減小，即二皮輥向二羅拉后方移動(dòng)，壓力棒隨之向后上方移動(dòng)，結(jié)果反包圍弧AB雖然增大但增幅非常小，直線段BC增大略顯著，包圍弧CD略有減小，DE和EF保持不變。直線段BC增大使得對(duì)浮游區(qū)纖維控制能力降低，條干不勻率略有增大，即牽伸質(zhì)量略有降低。

綜上分析，將二皮輥位置調(diào)整至二羅拉后方且兩者中心水平距離為5mm處時(shí)，在棉條質(zhì)量不惡化的前提下，前羅拉直徑最大可增大到48mm。假設(shè)前羅拉轉(zhuǎn)速不變，則直徑從35mm增大到48mm，其轉(zhuǎn)動(dòng)線速度提高37.14%。雖然握持距略有增大，導(dǎo)致出條質(zhì)量略有下降，但是相比于速度的大幅提升，該質(zhì)量降低可以接受，且后面的粗紗細(xì)紗工序中牽伸機(jī)構(gòu)還能夠?qū)γ迼l質(zhì)量進(jìn)一步改善。因此從牽伸性能角度分析認(rèn)為：前羅拉直徑可以從35mm增大到48mm。

3 羅拉振動(dòng)特性分析

前羅拉在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率接近或達(dá)到前羅拉的固有頻率時(shí)，則發(fā)生共振，共振現(xiàn)象的產(chǎn)生會(huì)引起前羅拉的斷裂等破壞現(xiàn)象。為了避免共振的發(fā)生，有必要對(duì)前羅拉進(jìn)行模態(tài)分析。

當(dāng)前羅拉直徑為35mm時(shí)，出條速度為600 m/min，則前羅拉轉(zhuǎn)速為5459 r/min，計(jì)算得到其工作頻率約為91 Hz。當(dāng)前羅拉直徑增大到48mm時(shí)，保持轉(zhuǎn)速5459 r/min不變，則工作頻率仍為91 Hz。工作頻率一樣，但前羅拉直徑不同，其振動(dòng)特性就不同，因此對(duì)兩個(gè)不同直徑的前羅拉分別進(jìn)行模態(tài)分析，圖3所示為兩個(gè)前羅拉結(jié)構(gòu)圖。

（a）直徑35mm

（b）直徑48mm

采用ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析，前羅拉材料選取結(jié)構(gòu)鋼，前羅拉兩端進(jìn)行固定，使前羅拉僅有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。模態(tài)分析得到前羅拉兩種直徑下前六階固有頻率如表4所示。

分析表4可見：a）前羅拉的一階固有頻率都非常小，幾乎為零，那是因?yàn)榍傲_拉有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的緣故。b）對(duì)于兩種直徑的前羅拉，其工作頻率均為91Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于會(huì)發(fā)生共振的最小頻率1286.91Hz，即前羅拉在工作過程中不會(huì)出現(xiàn)斷裂等破壞現(xiàn)象。c）直徑從35mm增大到48mm時(shí)，羅拉發(fā)生共振的固有頻率也相應(yīng)增大，這是因?yàn)榱_拉直徑越大，其強(qiáng)度和剛度也越大，因此發(fā)生共振的頻率也越大。

4 結(jié) 語

研究了一種提高并條機(jī)出條速度的方法，并以FA322B并條機(jī)為對(duì)象，模擬驗(yàn)證了該方法的可行性，最后得出結(jié)論為：保持并條機(jī)牽伸結(jié)構(gòu)前羅拉轉(zhuǎn)速不變，增大前羅拉直徑，可以有效提高并條機(jī)的出條速度，且對(duì)出條質(zhì)量影響較小，同時(shí)前羅拉直徑增大不會(huì)引起共振等現(xiàn)象的發(fā)生。對(duì)于FA322B并條機(jī)牽伸機(jī)構(gòu)，在牽伸質(zhì)量略降低的情況下，前羅拉直徑可以增大到48mm，轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，出條速度可從600m/min增大到823m/min，增大幅度為37.17%，這個(gè)增幅理論上將為紡織企業(yè)帶來非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

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