中、大型軋花機(jī)棉子梳的有限元分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)

史書偉+劉妍妍+王澤武

摘要：棉子梳是軋花機(jī)中有效控制毛頭率的部件，中、大型軋花機(jī)的棉子梳較長，在棉子卷壓力和子棉卷轉(zhuǎn)動對棉子梳所產(chǎn)生的切向力作用下，中間部分一段長度范圍變形較大，導(dǎo)致軋花機(jī)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(zhì)量。針對上述問題，利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對棉子梳進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過建模、加載、計(jì)算及后處理，獲得棉子梳的變形分布情況，經(jīng)與實(shí)際軋花過程中的棉子梳變形結(jié)果比對是一致的?；诖藢γ拮邮崽岢龈倪M(jìn)方案，并通過試驗(yàn)對比分析改進(jìn)前后的毛頭率。結(jié)果表明，改進(jìn)后的棉子梳有效解決了大、中型軋花機(jī)的毛頭率不一致問題。

關(guān)鍵詞：軋花機(jī)；棉子梳；毛頭率；有限元分析；靜力學(xué)分析

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

子棉經(jīng)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(zhì)量與試樣質(zhì)量的百分比稱為毛頭率[1]。衣分是從子棉上通過軋花機(jī)剝?nèi)∠聛淼拈L纖維數(shù)量，衣分率是單位重量的子棉通過軋花機(jī)剝?nèi)∠聛淼拈L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(jià)值和加工質(zhì)量影響極大，從而直接或間接地影響皮棉質(zhì)量。毛頭率過大，軋花衣分虧損增加，降低了子棉收購價(jià)格，損害了廣大棉農(nóng)的利益，重創(chuàng)了棉農(nóng)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(jīng)濟(jì)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(dǎo)致加工時子棉柵位置高，子棉卷過緊，鋸片轉(zhuǎn)速加快，造成排子不暢等現(xiàn)象，降低了皮棉的質(zhì)量，影響到皮棉的使用價(jià)值。棉子梳是軋花機(jī)中有效控制毛頭率的部件，中、大型軋花機(jī)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(jī)的毛頭率，進(jìn)而提高皮棉的加工質(zhì)量[3]，有必要對中、大型軋花機(jī)的棉子梳進(jìn)行改進(jìn)。有限元分析對于縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)品質(zhì)、改善設(shè)計(jì)性能、節(jié)約設(shè)計(jì)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(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)。試驗(yàn)借助ANSYS Workbench分析軟件對現(xiàn)有的棉子梳進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果提出新的合理的棉子梳改進(jìn)方案，并對試驗(yàn)改進(jìn)前后的毛頭率結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)而為棉子梳的設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

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(jī)將子棉上的棉纖維和棉子分離的作業(yè)，其工作箱結(jié)構(gòu)見圖1。在軋花過程里，子棉經(jīng)軋花機(jī)的喂棉羅拉夾持喂給，經(jīng)過再次的提凈處理后由淌棉板進(jìn)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(gòu)成的工作箱形成轉(zhuǎn)動的棉子卷（7）。鋸片（11）勾拉推動棉子卷（7）轉(zhuǎn)動，在軋花肋條排（10）的工作點(diǎn)處，鋸齒鉤拉子棉纖維進(jìn)入肋條間隙，由于肋條間隙遠(yuǎn)小于棉子腰徑，棉子被肋條排（10）擋在工作箱內(nèi)，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(zhuǎn)動，與排雜刀（13）作用，初步排除部分雜質(zhì)，雜質(zhì)由排雜板（12）排給絞籠排出軋花機(jī)。而初步清雜的纖維經(jīng)毛刷輥（14）剝?nèi)?，在風(fēng)力作用下進(jìn)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(diǎn)處密度最大。在棉子梳（5）處的密度最小。當(dāng)棉子卷[6]每次轉(zhuǎn)動到棉子梳（5）處，匯合新進(jìn)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(zhuǎn)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(jī)。

棉子梳結(jié)構(gòu)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(yīng)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(diào)整，也可進(jìn)行自身繞軸的角度調(diào)整[7]。在其他工況不變時，棉子梳調(diào)高升平則使棉子卷趨于圓形，靠近工作點(diǎn)處的密度增加，棉子排出困難，從而使棉子在工作箱內(nèi)逗留的時間延長，由于被鋸片鉤拉的次數(shù)增加，棉子上的纖維被軋掉的更多，棉子的毛頭率較小；而當(dāng)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(nèi)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(jié)構(gòu)靜力學(xué)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(jì)算結(jié)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(jìn)行幾何建模；二是將Design Modeler模塊直接導(dǎo)入在專業(yè)CAD中建立的模型。試驗(yàn)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(dǎo)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(dāng)簡化模型，可以節(jié)省計(jì)算時間。如以MY199型軋花機(jī)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(wǎng)格劃分

幾何建模完成后，就是對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，Workbench對網(wǎng)格劃分的工具有兩個，一個是集成在Workbench上的自動網(wǎng)格劃分工具M(jìn)eshing網(wǎng)格劃分平臺，另一個是高級專業(yè)幾何網(wǎng)格劃分工具ICEM CFD網(wǎng)格劃分平臺。試驗(yàn)在對棉子梳進(jìn)行劃分有限元網(wǎng)格單元時，就是利用Meshing網(wǎng)格劃分平臺，考慮棉子梳的結(jié)構(gòu)和尺寸，根據(jù)網(wǎng)格劃分的原則，選擇四面體網(wǎng)格劃分法，劃分后的有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。劃分時所選的網(wǎng)格邊長（Element Size）為5 mm，這樣即保證了分析精度，也能節(jié)省計(jì)算時間。通過計(jì)算，共劃分164 055個節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)動對棉子梳所產(chǎn)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(shè)定大型軋花機(jī)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(zhuǎn)速4 m/s。經(jīng)計(jì)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(xué)分析結(jié)果

ANSYS workbench求解結(jié)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(diǎn)處變形最大，達(dá)到了13.722 mm。棉子梳的變形使其和棉子卷接觸、受力產(chǎn)生兩端不一致，也使棉子卷中部較松，容易導(dǎo)致棉子的排出，產(chǎn)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(jìn)設(shè)計(jì)

改進(jìn)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(dá)到使整個幅寬方向上毛頭率的均勻一致。

改進(jìn)方法是：由于棉子梳中間變形最大為13.7 mm，故取整數(shù)，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(jié)果與分析

試驗(yàn)條件主要有大型軋花機(jī)幅寬3 440 mm、主軸運(yùn)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(biāo)尺、盛子方盒[10]。在排子板幅寬方向均勻等分11個點(diǎn)，在此11個點(diǎn)每點(diǎn)接等量毛棉子，由專業(yè)棉花質(zhì)檢人員檢測毛頭率，改進(jìn)前和改進(jìn)后的結(jié)果見表1。由表1可知，試驗(yàn)結(jié)果與軟件分析結(jié)果高度一致，由于中部6號點(diǎn)變形最大，在此點(diǎn)收集的毛頭率檢測結(jié)果也是最大的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了行業(yè)0.4%的標(biāo)準(zhǔn)。從試驗(yàn)結(jié)果來看，改進(jìn)后的棉子梳其毛頭率在整個幅寬長度上均勻一致，完全達(dá)到要求。但改進(jìn)的棉子梳每個梳齒長度都不同，導(dǎo)致生產(chǎn)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(chǎn)。為此繼續(xù)優(yōu)化，新的棉子梳結(jié)構(gòu)見圖7，也就是將梳齒長度分成3組，中段部分為試驗(yàn)中梳齒的位置，也是實(shí)測中毛頭率較大的位置，經(jīng)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(jīng)測試，與表1所列結(jié)果非常近似。完全達(dá)到使用要求。

5 小結(jié)

試驗(yàn)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(jī)棉子梳進(jìn)行靜力學(xué)分析，并根據(jù)變形分布情況，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使結(jié)構(gòu)更加完善合理，并為下一步設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。試驗(yàn)用補(bǔ)償變形的方式對棉子梳進(jìn)行改進(jìn)，并對其進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，改進(jìn)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(zhì)量具有重要價(jià)值。

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