高速節(jié)能精梳技術(shù)的研究與應(yīng)用

任家智，馬 馳，張一風(fēng)，馮清國

(1.中原工學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 450007;2.上海昊昌機(jī)電設(shè)備有限公司，河南 鄭州 450007)

精梳機(jī)是紡制高檔紗線的關(guān)鍵設(shè)備，它是通過錫林與頂梳對棉叢的兩端進(jìn)行梳理，除去短絨、棉結(jié)與雜質(zhì)，提高纖維的伸直度、平行度及分離度，從而使成紗質(zhì)量大幅度提高。為了完成梳理及棉網(wǎng)的搭接工作，精梳機(jī)的鉗板要進(jìn)行前、后往復(fù)運(yùn)動，分離羅拉要進(jìn)行倒轉(zhuǎn)、靜止及順轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此精梳機(jī)是由多個做正反轉(zhuǎn)運(yùn)動及平面復(fù)合運(yùn)動的機(jī)件組成。在精梳機(jī)高速性能的研究方面，有學(xué)者提出了采用降低機(jī)件質(zhì)量的方法，例如鉗板組件采用鈦合金、減輕齒輪的質(zhì)量等，減小機(jī)件運(yùn)動的慣性力［1-3］;也有學(xué)者采用改進(jìn)機(jī)件尺寸方法，減小機(jī)件的回轉(zhuǎn)半徑，取得了較好的效果［4-6］。本文在 HC350型精梳機(jī)的基礎(chǔ)上，從機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的角度，采用優(yōu)化設(shè)計的方法，降低了精梳機(jī)分離羅拉、鉗板及其傳動機(jī)件在1個運(yùn)動周期內(nèi)運(yùn)動的最大加速度、速度值，開發(fā)了HC500型新型精梳機(jī)，并將HC500型及HC350型精梳機(jī)的性能進(jìn)行了對比實驗。

1 精梳機(jī)高效節(jié)能的機(jī)制分析

1.1 機(jī)件的慣性力與慣性力矩

棉紡精梳機(jī)高效的重要指標(biāo)之一是高速，因為速度越高精梳機(jī)單位時間內(nèi)的產(chǎn)量越高。根據(jù)精梳機(jī)的產(chǎn)量分析可知，精梳機(jī)的產(chǎn)量與精梳條的輸出速度成正比，與喂入精梳機(jī)內(nèi)的小卷定量成正比，因此，提高精梳機(jī)的產(chǎn)量，必須提高精梳機(jī)的速度。提高精梳機(jī)的速度，分離羅拉、鉗板及其傳動機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的慣性力將急劇增大，精梳過程中產(chǎn)生的沖擊、噪聲越大，精梳機(jī)機(jī)件越易損壞，因此精梳機(jī)的高速機(jī)制就是要減小精梳機(jī)高速運(yùn)動時分離羅拉及鉗板機(jī)構(gòu)的慣性力及慣性力矩。圖1示出機(jī)件的慣性力及慣性力矩，對于高速回轉(zhuǎn)的機(jī)件，A點為其回轉(zhuǎn)的中心，S為其質(zhì)心，其慣性力P(N)和慣性力矩M(N·cm)是決定精梳機(jī)能否高速的重要條件。根據(jù)理論力學(xué)和機(jī)械原理［7-8］可知：

式中：m為往復(fù)運(yùn)動件的質(zhì)量，kg;a為回轉(zhuǎn)機(jī)件質(zhì)心的加速度，mm/s2;JA為機(jī)件對 A點的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2;ω為回轉(zhuǎn)件的角速度，rad/s;ε為回轉(zhuǎn)機(jī)件對A點的角加速度，rad/s2;r為往復(fù)運(yùn)動件對其重心的回轉(zhuǎn)半徑，m。

圖1 機(jī)件的慣性力及慣性力矩Fig.1 Inertia force＆moment of machine

隨著精梳機(jī)速度的增加，鉗板與分離羅拉運(yùn)動的加速度a急劇增加，慣性力P和慣性力矩M也將急劇增加。

1.2 精梳機(jī)能耗的數(shù)學(xué)模型

精梳機(jī)是由錫林、鉗板、分離羅拉等m個往復(fù)、回轉(zhuǎn)機(jī)件組成的傳動系統(tǒng)。如圖2所示，設(shè)第 i個作平面復(fù)合運(yùn)動的機(jī)件所消耗的功率為Ni(kW)，則精梳機(jī)的總功率 N(kW)［9］為

式中：ωi為第 i個機(jī)件運(yùn)動的轉(zhuǎn)速，rad/s;εi為第i個機(jī)件運(yùn)動的角加速度(rad/s2)，Ji為第 i個機(jī)件的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2;Fi為作用在第 i個機(jī)件的作用力，N;vi為 Fi作用點的速度，mm/s;βi為 Fi與 vi的夾角，rad;ai為機(jī)件質(zhì)心的加速度，mm/s2。

由式(3)可知：1)對于作變速回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)件，當(dāng)其質(zhì)心與回轉(zhuǎn)中心重合時，其耗電量與機(jī)件的轉(zhuǎn)動慣量成正比，與機(jī)件的角加速度及角速度成正比;2)對于作往復(fù)直線運(yùn)動的機(jī)件，其耗電量與機(jī)件的質(zhì)量成正比，與機(jī)件的質(zhì)心加速度成正比，與機(jī)件的質(zhì)心速度成正比，與機(jī)件的質(zhì)心加速度和速度的夾角余弦成正比。

1.3 精梳機(jī)高速、節(jié)能的技術(shù)措施

綜上所述，提高精梳機(jī)速度，降低精梳機(jī)的能耗應(yīng)從以下2個方面考慮：

1)采用機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的方法，減小精梳機(jī)主要運(yùn)動機(jī)件質(zhì)心的速度及加速度，以減小機(jī)件的慣性力及慣性力矩。

2)利用改進(jìn)精梳機(jī)鉗板組件、分離羅拉傳動等機(jī)構(gòu)的設(shè)計，減輕機(jī)件的質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量。在精梳機(jī)主要機(jī)件及材質(zhì)設(shè)計方面采取以下措施：改進(jìn)鉗板組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并選用輕質(zhì)合金以減輕鉗板組件的質(zhì)量;改進(jìn)分離羅拉輪系傳動部件結(jié)構(gòu)，以減輕行星齒輪、差動齒輪、分離齒輪及連桿機(jī)件的質(zhì)量。

2 精梳機(jī)主要機(jī)件運(yùn)動參數(shù)的優(yōu)化

2.1 鉗板運(yùn)動的優(yōu)化

在HC350型精梳機(jī)基礎(chǔ)上，以鉗板擺軸為原點建立坐標(biāo)系，構(gòu)建上、下鉗板鉗持點的位移、速度及加速度的數(shù)學(xué)模型［2，10-11］。以降低鉗板運(yùn)動的速度及加速度，降低能耗及提高錫林、鉗板及分離羅拉運(yùn)動配合精度為目標(biāo)，改變鉗板擺軸的運(yùn)動參數(shù)，運(yùn)用計算機(jī)編程方法計算鉗板的位移、速度及加速度值，對計算結(jié)果進(jìn)行運(yùn)動配合分析，選取最優(yōu)方案，并以此設(shè)計HC500型新型精梳機(jī)的鉗板傳動機(jī)構(gòu)。

在精梳機(jī)的速度為350鉗次/min時，計算得到HC350型及 HC500型精梳機(jī)1個工作循環(huán)中鉗板鉗持點在水平方向運(yùn)動的速度及加速度的變化規(guī)律，結(jié)果見圖3、4，鉗板速度、加速度的最大值及平均值分別見表1、2。

圖3 鉗板運(yùn)動的速度曲線Fig.3 Speed curve of nipper

圖4 鉗板運(yùn)動的加速度曲線Fig.4 Acceleration curve of nipper

表1 1個工作周期鉗板速度的峰值、谷值及平均值Tab.1 Peak，valley and mean values of nipper speed in one work period mm/s

表2 1個工作周期鉗板運(yùn)動加速度谷值、峰值及平均值Tab.2 Valley，peak and mean values of nipper acceleration in one work period mm/s2

由表 1可知：在速度為 350鉗次/min時，與HC350型精梳機(jī)相比，HC500型精梳機(jī)鉗板運(yùn)動速度的谷值減小了453 mm/s，降低31.3%;1個工作循環(huán)中鉗板速度的平均值減小131.6 mm/s，平均速度減幅為28.3%。因此就鉗板傳動系統(tǒng)而言，HC500型精梳機(jī)相對于HC350型精梳機(jī)，在高速與節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢。

由表2可知，HC500型精梳機(jī)與HC350型精梳機(jī)相比，鉗板的鉗持點在水平方向加速度的谷值與峰值都小。由計算可知：加速度的谷值減小33.55%，加速度的峰值減小33%。HC500型精梳機(jī)與HC350型精梳機(jī)相比，鉗板加速度的平均值減小6 825 mm/s2，減幅為27%。因此，HC500型精梳機(jī)具有明顯的高速與節(jié)能優(yōu)勢，并有利于減小精梳機(jī)高速時的振動與噪聲。

2.2 分離羅拉運(yùn)動的優(yōu)化

在HC350型精梳機(jī)基礎(chǔ)上，以錫林軸為原點建立坐標(biāo)系，構(gòu)建分離羅拉的位移、速度及加速度的數(shù)學(xué)模型［12］。以降低分離羅拉運(yùn)動的速度及加速度，降低能耗及提高錫林、鉗板及分離羅拉運(yùn)動配合精度為目標(biāo)，改變分離羅拉平面連桿尺寸，運(yùn)用計算機(jī)編程方法計算分離羅拉的位移、速度及加速度參數(shù)，選取最優(yōu)方案，并以此設(shè)計HC500新型精梳機(jī)的分離羅拉機(jī)構(gòu)。

在精梳機(jī)的速度為350鉗次/min時，計算得到HC350型及 HC500型精梳機(jī)1個工作循環(huán)中分離羅拉運(yùn)動的速度及加速度的變化規(guī)律見圖5、6，分離羅拉速度、加速度的最大值及平均值分別見表 3、4。

由表3可知：HC500型精梳機(jī)與 HC350型相比，分離羅拉的速度值減小了491 mm/s，減幅為15%;平均速度減小了72.3 mm/s，減幅為10%。

圖5 分離羅拉速度曲線Fig.5 Speed curve of detaching roller

圖6 分離羅拉加速度曲線Fig.6 Acceleration curve of detaching roller

表3 1個工作周期分離羅拉速度的峰值、谷值及均值Tab.3 Peak，valley and mean values of detaching roller speed in one work period mm/s

表4 1個工作周期分離羅拉加速度曲線的谷值、峰值及均值Tab.4 Valley，peak and mean value of detaching roller acceleration in one work period mm/s2

HC350型及HC500型精梳機(jī)的分離羅拉加速度的峰值均是出現(xiàn)在分離羅拉由倒轉(zhuǎn)至順轉(zhuǎn)的過渡期。由表 4可知，與HC350型精梳機(jī)相比，HC500型精梳機(jī)分離羅拉的最大加速度降低了50%，平均速度減幅為29%。因此HC500型精梳機(jī)的分離羅拉傳動系統(tǒng)具有較好的高速及節(jié)電性能。另外，與HC350型精梳機(jī)相比，HC500型精梳機(jī)的分離羅拉運(yùn)動加速度曲線的平穩(wěn)性較好，具體表現(xiàn)在分離羅拉加速度曲線的峰值與谷值明顯降低，減小了分離羅拉高速運(yùn)動時的慣性力及慣性力矩，有利于減小分離羅拉高速時的振動與沖擊。

3 結(jié)果與分析

為了考察HC500型精梳機(jī)的高速性能、節(jié)電效果及紡紗質(zhì)量，在山東明勝紡織有限公司進(jìn)行了紡紗測試，并在許昌華豐紡織有限公司對HC500型及HC350型精梳機(jī)的耗電量進(jìn)行測試對比。

3.1 HC500型精梳機(jī)速度

對分離羅拉及鉗傳動機(jī)構(gòu)未優(yōu)化的HC350型精梳機(jī)，與優(yōu)化后的HC500型精梳機(jī)的紡紗速度進(jìn)行對比，結(jié)果表明，HC350型精梳機(jī)最高生產(chǎn)速度為400鉗次/min，HC500型精梳機(jī)的最高生產(chǎn)速度為500鉗次/min。2種機(jī)型不同速度時的噪聲及振動參數(shù)見表5。

表5 噪聲與振動參數(shù)對比Tab.5 Contrast of noise and vibration parameters

由表5的測試結(jié)果可知：HC500型精梳機(jī)在生產(chǎn)速度為500鉗次/min時與HC350型精梳機(jī)在生產(chǎn)速度為400鉗次/min時的噪聲及振動基本相當(dāng);在生產(chǎn)速度為400鉗次/min時，HC500型精梳機(jī)的噪聲及振動明顯低于 HC350型精梳機(jī)。因此，HC500型精梳機(jī)的高速性能明顯優(yōu)于HC350型。

3.2 HC500型精梳機(jī)耗電量測試

3.2.1 測試條件

精梳機(jī)主要工藝參數(shù)：棉卷定量為61.03g/m，喂棉方式為后退給棉，給棉長度為4.3 mm，錫林定位37分度，頂梳插入深度為 +0.5，落棉隔距為10 mm，精梳條定量為22.07g/5 m。

3.2.2 測定結(jié)果

在車速分別為 330、400、450、500 鉗次/min時，利用DTS8666型電能表測定得到HC500型及HC350型精梳機(jī)的耗電量，結(jié)果見表6。

表6 耗電量Tab.6 Power consumption

由表 6可知，在生產(chǎn)速度為 330鉗次/min，HC500型精梳機(jī)的耗電量比HC350型約節(jié)電7%，具有較好的節(jié)電效果。

4 結(jié)論

1)精梳機(jī)的高速性能及節(jié)電性能取決于運(yùn)動部件的轉(zhuǎn)動慣量及1個工作周期內(nèi)的速度及加速度值的大小。

2)利用機(jī)械優(yōu)化方法及計算機(jī)編程技術(shù)，對鉗板機(jī)構(gòu)、分離羅拉傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可大幅地降低1個工作周期內(nèi)的速度及加速度值。

3)利用機(jī)械優(yōu)化設(shè)計方法開發(fā)的HC500型新型精梳機(jī)，生產(chǎn)速度可達(dá)500鉗次/min，并具有明顯的節(jié)能效果。

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