細(xì)紗機牽伸系統(tǒng)的動態(tài)正壓力仿真分析

細(xì)紗機牽伸系統(tǒng)的動態(tài)正壓力仿真分析

在紡織機的伸展系統(tǒng)中，收伸設(shè)備是反映設(shè)備性能和影響服務(wù)質(zhì)量的最重要部分。對于牽伸裝置的技術(shù)改進,關(guān)鍵在于對其雙皮圈牽伸摩擦力界的合理布置,而摩擦力界的分布狀況直接由皮圈間的正壓力決定。牽伸裝置中的上銷、下銷、加壓彈簧、羅拉等結(jié)構(gòu)參數(shù)共同決定了皮圈間正壓力的大小與分布。對于不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對正壓力大小及分布的影響,目前國外主要偏重于理論研究。國內(nèi)對牽伸裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進與優(yōu)化主要依靠生產(chǎn)經(jīng)驗與實驗,方法較為落后。本文以牽伸理論為基礎(chǔ),通過對細(xì)紗機雙皮圈牽伸裝置的三維建模與有限元分析,得到了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下皮圈間正壓力的分布狀況,系統(tǒng)地分析了各個參數(shù)變化對正壓力大小及分布的影響。該仿真方法可為企業(yè)設(shè)計和改進細(xì)紗機參數(shù)提供參考。1皮圈的正壓力分布及特征區(qū)域劃分本文分析的細(xì)紗機雙皮圈牽伸裝置是A513型細(xì)紗機上的牽伸裝置,所采用的搖架為TF18型搖架,其示意圖如圖1所示。仿真分析時,在某一穩(wěn)定時刻,輸出下皮圈單元的接觸應(yīng)力,并與單元面積相乘得到接觸力,取1列單元上的接觸力之和作為皮圈上該單元列的正壓力,如圖2所示。根據(jù)所得數(shù)值,以單元到皮圈鉗口的距離為X軸,以單元列的正壓力值為Y軸,可以得出皮圈表面的正壓力分布圖。為便于對比分析,牽伸區(qū)的正壓力分布可劃分為5個特征區(qū)域,即A、B、C、D、E區(qū),以壓力大小為標(biāo)準(zhǔn)對皮圈表面進行特征區(qū)域的劃分:A區(qū)范圍為從鉗口分離點到皮圈鉗口峰值右側(cè)且不低于30%鉗口峰值間的列單元寬度之和;B區(qū)范圍為皮圈鉗口峰值到皮圈中部峰值之間高于其間最小正壓力不超過2N的列單元寬度之和;C區(qū)范圍為皮圈中部不低于50%中部峰值的列單元寬度之和;D區(qū)范圍為從皮圈中部峰值到羅拉鉗口峰值區(qū)域之間高于其間最小正壓力不超過2N的列單元寬度之和;E區(qū)范圍取皮圈后部所有不低于30%羅拉峰值的列單元寬度之和。圖2示出牽伸機構(gòu)原參數(shù)下的特征區(qū)域劃分,隨著各種參數(shù)的改變,特征區(qū)域的范圍將隨之發(fā)生變化。2結(jié)構(gòu)參數(shù)對正壓分布的影響2.1彈簧擺動控制A513型細(xì)紗機牽伸裝置的彈性鉗口是由彈簧擺動上銷、上銷彈簧、定位輥、固定曲面下銷以及1對長、短皮圈組合而成。這種彈性鉗口借上銷彈簧作用,使上銷能在一定范圍內(nèi)上下擺動,通過彈簧上銷的擺動來發(fā)揮其自動調(diào)節(jié)的作用,從而使鉗口壓力波動幅度減小。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有上銷彈簧剛度、彈簧上銷鉗口至上羅拉中心的半徑R(見圖3),所以通過改變上銷彈簧剛度或者彈簧上銷鉗口至上羅拉中心半徑的大小,可以控制上下皮圈接觸工作面的長度以及皮圈中部正壓力的分布狀況,從而影響成紗質(zhì)量。2.1.1皮圈中部正壓力上銷彈簧采用殼體單元建模,通過改變上銷彈簧材料的殼體厚度可以改變其彈簧剛度。通過在彈簧一端施加一定位移來求得彈簧反力,用此方法求得彈簧剛度,如圖4所示。當(dāng)上銷彈簧厚度為0.5、0.6、0.7、0.8mm時,其所對應(yīng)的上銷彈簧剛度分別為30.09、51.86、82.14、122.31N/mm。圖5為在4種不同上銷彈簧剛度下皮圈中部正壓力的對比圖。當(dāng)上銷彈簧剛度分別為30.09、51.86N/mm時,皮圈中部正壓力分布情況為A區(qū)小于E區(qū),C區(qū)正壓力過小,且一部分區(qū)域為0,屬于非正常工作狀態(tài)。原因是上銷彈簧剛度不夠,使其給上銷的初始壓力不足,導(dǎo)致上下皮圈沒有完全接觸。當(dāng)加大彈簧剛度至82.14N/mm時,正壓力分布情況趨于正常。繼續(xù)加大上銷彈簧剛度到123.11N/mm時,可以看到皮圈中部正壓力除A區(qū)和E區(qū)外,其他區(qū)域幾乎全部為0,在ABAQUS后處理中觀察皮圈運動狀況發(fā)現(xiàn),皮圈出現(xiàn)打褶情況。原因是上銷彈簧剛度過大導(dǎo)致其給上銷的初始壓力過大,上皮圈和下皮圈在鉗口區(qū)域的接觸力過大,導(dǎo)致皮圈之間的摩擦力過大,皮圈無法順暢通過鉗口。綜上所述,上銷彈簧剛度對皮圈正壓力分布有影響:當(dāng)上銷彈簧剛度不足時,上下皮圈不能完全接觸,C區(qū)壓力過小,導(dǎo)致該區(qū)摩擦力過小,對紗線握持力不足,影響紗線質(zhì)量;當(dāng)上銷彈簧剛度過大時,皮圈無法正常通過鉗口,出現(xiàn)打褶現(xiàn)象。2.1.2正壓力分布情況由于牽伸裝置各部件的相對位置都有嚴(yán)格的規(guī)定,因此當(dāng)上銷鉗口到上羅拉中心的半徑變化時,需同時修改下銷鉗口至下羅拉中心的距離、上皮圈直徑和下皮圈直徑等參數(shù)。圖6為不同彈簧上銷半徑時,皮圈中正壓力的對比分析圖。彈簧上銷半徑從29mm遞增至35mm的過程中,皮圈中部正壓力的分布情況基本合理。B區(qū)長度不變而D區(qū)長度變大,當(dāng)上銷半徑為29mm時,由于B區(qū)長度幾乎和D區(qū)一致,易導(dǎo)致D區(qū)牽伸不夠充分,影響牽伸質(zhì)量;當(dāng)彈簧上銷半徑增加到35mm時,皮圈D區(qū)接觸面由于長度過長,導(dǎo)致D區(qū)正壓力分布失衡,出現(xiàn)正壓力波動的現(xiàn)象,個別區(qū)域幾乎為0;當(dāng)上銷半徑為29mm和35mm時,B區(qū)與D區(qū)方差比其他2種情況大,即正壓力波動較大。B區(qū)與D區(qū)正壓力波動大會造成皮圈對紗線的握持不穩(wěn),較易產(chǎn)生粗節(jié)。當(dāng)上銷半徑為31mm或33mm時,B、D區(qū)壓力布置狀況平穩(wěn)合理,但當(dāng)上銷半徑為33mm時,B、D區(qū)方差比上銷半徑為31mm時小。說明B、D區(qū)正壓力波動進一步減小,摩擦力界分布較平穩(wěn),牽伸效果較好。綜上所述,上銷半徑會影響上銷波動的穩(wěn)定性,從而影響皮圈接觸工作面的穩(wěn)定程度,進而影響牽伸效率和紗線質(zhì)量。2.2油膜中部正壓力模擬在本文所述的A513型細(xì)紗機的牽伸裝置中,搖架加壓主要依靠搖架體的轉(zhuǎn)動,給搖架上的加壓彈簧的初始壓力,通過加壓彈簧的剛度特性將壓力施加到加壓輥上,因此加壓彈簧的剛度大小是影響牽伸裝置起始加壓的重要參數(shù),直接決定加壓輥加在上羅拉定位輥以及上銷彈簧上的壓力。加壓彈簧采用ABAQUS/Explicit中的SPRING單元進行模擬。圖7為不同加壓彈簧剛度下皮圈中部正壓力的對比分析圖。當(dāng)加壓彈簧剛度分別為30、40N/mm時,皮圈中部正壓力的分布情況為B區(qū)、C區(qū)以及D區(qū)正壓力偏小,尤其B區(qū)和D區(qū)的壓力分布很不穩(wěn)定,有些區(qū)域為0,屬于非正常工作狀態(tài)。原因是加壓彈簧剛度不夠,加壓輥加在上羅拉定位輥以及上銷彈簧上的壓力不足,導(dǎo)致上銷鉗口和羅拉鉗口壓力不足而使上下皮圈沒有完全接觸;當(dāng)加壓彈簧剛度增至50N/mm時,正壓力分布情況趨于正常。繼續(xù)增大加壓彈簧剛度至60N/mm時可以看到,皮圈中部正壓力除A區(qū)和E區(qū)外,其他區(qū)域幾乎均為0,觀察皮圈運動狀況發(fā)現(xiàn),皮圈出現(xiàn)打褶情況,其原因與上銷彈簧剛度過大類似,加壓輥施加壓力過大,上皮圈和下皮圈在鉗口區(qū)域的接觸力過大,導(dǎo)致皮圈無法通過鉗口。綜上所述,加壓彈簧的剛度對皮圈中部正壓力的大小具有較大影響,當(dāng)加壓彈簧剛度不足時,上銷鉗口和羅拉鉗口會因為壓力不足而使上下皮圈不能完全接觸,紗線無法得到有效的牽伸;而當(dāng)加壓彈簧剛度過大時,會使皮圈無法正常通過鉗口而出現(xiàn)打褶。2.3彈性油膠圈的作用A513型細(xì)紗機牽伸裝置中下銷為8錠1根統(tǒng)銷,其斷面為曲面階梯形,如圖8所示。其最高點上托為1.5mm,使上、下皮圈的工作面形成緩和的曲線通道。平面部分寬為8mm,不與皮圈接觸,使該區(qū)形成拱形彈性層與上銷配合,較好地發(fā)揮皮圈的彈性作用。下銷由普通鋼材制成,表面鍍鉻,以減少皮圈與銷子的摩擦阻力,并引導(dǎo)下皮圈穩(wěn)定回轉(zhuǎn),同時支持上銷,使之處于工藝要求的位置;下銷前緣突出,結(jié)合上銷鉗口板前沖,達到縮小浮游區(qū)長度的目的。由于下銷平臺寬度達到8mm,下銷并沒有和下膠圈接觸,其原設(shè)計認(rèn)為該處形成拱形彈性層,與上銷配合能比較好地發(fā)揮膠圈本身的彈性作用,而實際上,下膠圈在回轉(zhuǎn)中此處膠圈的彈性作用并不理想,甚至可能出現(xiàn)中凹,造成前中部正壓力減弱和不穩(wěn)定,對纖維的控制力弱;當(dāng)該處須條結(jié)構(gòu)比較松散時,極有可能承受不了牽伸力的作用而使得纖維提前變速;因此,針對傳統(tǒng)下銷曲面部分和平面部分的比例進行適當(dāng)調(diào)整,對于改善膠圈的運轉(zhuǎn)狀態(tài),加強對須條的控制效果,提高紡紗效果都具有積極意義。2.3.1紗線正壓力布置圖9為在不同下銷平臺寬度情況下皮圈牽伸區(qū)內(nèi)的正壓力對比圖。當(dāng)下銷平臺寬度為8mm時,皮圈中部正壓力分布情況絕大部分屬于合理范圍,但在前區(qū)正壓力的分布比較不均勻,有波動情況,此時勢必影響成紗質(zhì)量。隨著下銷平臺寬度的減小,B區(qū)內(nèi)的正壓力布置明顯趨于平穩(wěn),波動情況得以改善,皮圈中部的正壓力布置情況基本符合牽伸要求。綜上所述,當(dāng)下銷平臺寬度減小后,因為下銷總寬度未變,所以上托弧寬度加長了,從而加強了下銷對膠圈的托持作用,使上下膠圈在拱形彈性層區(qū)域(B區(qū))的接觸更為緊密,正壓力加大,上下膠圈對纖維的控制作用亦加強;C區(qū)域正壓力靠近鉗口布置,B區(qū)正壓力平穩(wěn)增大,從而加強了鉗口對纖維的握持力和控制力,因此降低下銷平臺寬度對于減少纖維提前變速、改善成紗質(zhì)量都具有積極的意義。2.3.2皮圈中部正壓力下銷總高度不變,改變下銷最高點上托高度必然會造成下銷弧度的改變,從而導(dǎo)致皮圈接觸情況發(fā)生變化,使皮圈正壓力的分布發(fā)生改變。圖10為在不同下銷最高點上托高度情況下皮圈牽伸區(qū)內(nèi)的正壓力對比圖。當(dāng)下銷最高點上托高度為1.5mm時,皮圈中部正壓力分布情況屬于合理范圍。當(dāng)上托高度升高,由于下銷總高度以及下銷平臺寬度不變,使得E區(qū)域弧度增加,皮圈中部正壓力在E區(qū)域內(nèi)增大,正壓力峰值分布向前鉗口移動;B區(qū)正壓力增大,對紗條牽伸控制力加大。在下銷總高度不變的情況下,最高點上托高度增加0.2mm,平臺與上托弧高度差也增加0.2mm,因此在5mm的平臺處,下皮圈由于長度減小,其拱形彈性層的彈性增強,使該處正壓力加大。同時,上銷在平臺上的位置相應(yīng)也降低了0.2mm,上銷角度加大,強化了膠圈的曲線效果,使下膠圈對上膠圈的托持力增強,纖維變速向前鉗口集中,下皮圈中部正壓力的分布也更趨于合理,對提高成紗質(zhì)量起到很大的作用。3結(jié)構(gòu)參數(shù)對正壓力分布的影響本文通過有限元仿真計算,得到了當(dāng)細(xì)紗機牽伸裝置中上銷結(jié)構(gòu)、上銷彈簧剛度、加壓彈簧剛度、下銷結(jié)構(gòu)等參數(shù)變化時皮圈的正壓力分布,分析了各個參數(shù)對皮圈中正壓力大小及分布的影響。在牽伸裝置