一種提高并條機出條速度的方法研究

王青 殷俊清 張周強

摘 要：科技的發(fā)展進步要求并條機能夠?qū)崿F(xiàn)高速化，但國內(nèi)并條機大都達不到高速化要求，因此需研究一種提高并條機出條速度的方法。首先提出一種通過增大牽伸機構(gòu)前羅拉直徑以提高出條速度的方法，接著通過對并條機牽伸機構(gòu)牽伸性能的分析計算，驗證該方法的可行性和對牽伸性能的影響程度，最后采用Ansys軟件進行前羅拉的模態(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行對比分析。結(jié)果表明：在保證牽伸效果的前提下，牽伸機構(gòu)前羅拉直徑可從35mm增大到48mm;以出條速度600m/min為例，保持原角速度運轉(zhuǎn)，直徑增大后出條速度可達823m/min，增幅高達37.17%;前羅拉直徑增大前后，均不會發(fā)生共振，不會出現(xiàn)前羅拉的破壞。

關(guān)鍵詞：并條機;牽伸機構(gòu);前羅拉;高速化;固有頻率

中圖分類號：TS112.2

文獻標志碼：A

文章編號：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。并條機出條速度是衡量并條機技術(shù)發(fā)展水平的綜合標志，而目前中國并條機速度大多在600 m/min左右（如FA322B并條機），極少數(shù)并條機的出條速度可達1000 m/min（如BHFA1382并條機）。因此普遍提高并條機的出條速度，是并條機發(fā)展最重要的目標之一。

目前關(guān)于并條機的研究，主要集中于：對主流機型FA322B并條機的性能特點分析[1]，使用與維護方法分析[2]，牽伸機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究[3-4]，對高速并條機技術(shù)特征和應用效果研究[5]，勻整延遲時間的測試與分析[6]，對并條機圈條機構(gòu)和自動換筒技術(shù)的設(shè)計研究[7-8]，還有對FA389高速并條機的技術(shù)分析[9]等，只有文獻[10]提到實現(xiàn)并條機高速與高質(zhì)的途徑，但也只是綜述性方法，沒有具體的分析研究。因此對提高并條機出條速度的方法進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FA322B為對象，研究一種具體的切實可行的提高并條機出條速度的方法。

1 方法的提出

影響并條機出條速度的主要因素之一是牽伸機構(gòu)的運行速度高低。并條機牽伸機構(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的出條速度?？紤]到前羅拉的強度、剛度、振動特性等，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)動線速度，即提高出條速度。因此理論上適當增大前羅拉直徑，可以提高并條機的出條速度。

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

2 并條機牽伸性能分析

FA322B并條機牽伸機構(gòu)為附導向輥的四上四下壓力棒曲線牽伸機構(gòu)，如圖1所示，其中前區(qū)為主牽伸區(qū)，是牽伸比最大、對牽伸效果影響最顯著的區(qū)域。該區(qū)中，對條干的握持距越小，短纖維的牽伸能力和條干均勻度越好。同時，前羅拉上的反包圍弧越趨近于0，牽伸效果越好。當反包圍弧為0時，棉條切向進入前羅拉鉗口，牽伸效果最好，當反包圍弧大于4mm時，棉條質(zhì)量反而惡化。因此牽伸性能分析以FA322B并條機牽伸機構(gòu)的主牽伸區(qū)為對象，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 握持距分析計算

如圖2所示，主牽伸區(qū)握持距為棉條進入主牽伸區(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)系推導握持距表達式如下：

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過程中的中間量。

對于FA322B并條機，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程序進行計算，得到計算結(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握持距的影響可忽略不計。b）前羅拉反包圍弧呈增大趨勢，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，這主要是因為隨著前羅拉直徑的增大，前羅拉和前皮輥切點上移，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b值進行優(yōu)化

由上文分析可見：增大前羅拉直徑會導致并條機的出條質(zhì)量惡化，那么能否同時調(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？

對于FA322B并條機，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，調(diào)整b值大小，以盡量提高并條機出條質(zhì)量。同時由表2可知：前羅拉直徑變化對前羅拉反包圍弧AB的影響大于對握持距的影響，故此處將AB作為目標函數(shù)，針對不同的前羅拉直徑，對b值進行優(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)驗確定為-5～5mm（二皮輥中心相對二羅拉中心前移時b值為正，后移時b值為負），前羅拉直徑仍然從35mm增大至50mm，基于Matlab程序進行優(yōu)化設(shè)計，得到不同前羅拉直徑對應的最優(yōu)b值、目標函數(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，調(diào)整b值大小，確實可以使得反包圍弧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，調(diào)整二皮輥中心相對二羅拉中心的位置，確實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，這主要是因為：隨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，壓力棒隨之向后上方移動，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，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)動線速度提高37.14%。雖然握持距略有增大，導致出條質(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，且后面的粗紗細紗工序中牽伸機構(gòu)還能夠?qū)γ迼l質(zhì)量進一步改善。因此從牽伸性能角度分析認為：前羅拉直徑可以從35mm增大到48mm。

3 羅拉振動特性分析

前羅拉在高速運轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生振動，當振動頻率接近或達到前羅拉的固有頻率時，則發(fā)生共振，共振現(xiàn)象的產(chǎn)生會引起前羅拉的斷裂等破壞現(xiàn)象。為了避免共振的發(fā)生，有必要對前羅拉進行模態(tài)分析。

當前羅拉直徑為35mm時，出條速度為600 m/min，則前羅拉轉(zhuǎn)速為5459 r/min，計算得到其工作頻率約為91 Hz。當前羅拉直徑增大到48mm時，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，其振動特性就不同，因此對兩個不同直徑的前羅拉分別進行模態(tài)分析，圖3所示為兩個前羅拉結(jié)構(gòu)圖。

（a）直徑35mm

（b）直徑48mm

采用ANSYS軟件進行模態(tài)分析，前羅拉材料選取結(jié)構(gòu)鋼，前羅拉兩端進行固定，使前羅拉僅有一個轉(zhuǎn)動自由度。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，那是因為前羅拉有一個轉(zhuǎn)動自由度的緣故。b）對于兩種直徑的前羅拉，其工作頻率均為91Hz，遠遠小于會發(fā)生共振的最小頻率1286.91Hz，即前羅拉在工作過程中不會出現(xiàn)斷裂等破壞現(xiàn)象。c）直徑從35mm增大到48mm時，羅拉發(fā)生共振的固有頻率也相應增大，這是因為羅拉直徑越大，其強度和剛度也越大，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出條速度的方法，并以FA322B并條機為對象，模擬驗證了該方法的可行性，最后得出結(jié)論為：保持并條機牽伸結(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的出條速度，且對出條質(zhì)量影響較小，同時前羅拉直徑增大不會引起共振等現(xiàn)象的發(fā)生。對于FA322B并條機牽伸機構(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%，這個增幅理論上將為紡織企業(yè)帶來非?？捎^的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1]張新江.FA322B自調(diào)勻整并條機性能特點及使用效果分析[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2012，20（3）：30-35.

ZHANG Xinjiang. Characteristics and usage effects analysis of autoleveling FA322B drawing frame[J]. Advanced Textile Technology， 2021， 28（3）： 30-35.

[2]晁松山.FA322B型高速帶自調(diào)勻整并條機的使用與維護[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2013，21（4）：48-51.

CHAO Songshan. Usage and maintenance of autoleveling FA322B drawing frame[J]. Advanced Textile Technology， 2013， 21 （4）： 48-51.

[3]王青，王貫超.FA322B并條機牽伸機構(gòu)主牽伸區(qū)部分參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計[J].紡織學報，2017，38（8）：139-143.

WANG Qing， WANG Guanchao. Design and optimization of partial parameters of main drafting area for FA322B drawing frame[J]. Journal of Textile Research， 2017， 38 （8）： 139-143.

[4]王青.FA322B并條機牽伸機構(gòu)設(shè)計[J].西安工程大學學報，2017，31（2）：166-171.

WANG Qing. Design of drafting mechanism for FA322B drawing frame[J]. Journal of Xi'an Polytechnic University， 2017， 31（2）： 166-171.

[5]吳敏.現(xiàn)代高速并條機的技術(shù)特征和應用效果[J].紡織導報，2008（6）：60-62，64.

WU Min. Technological characteristics and application of modern high-speed drawing frame[J]. China Textile Leader， 2008 （6）： 60-62， 64.

[6]賀翔，王貫超，王斌，等.高速并條機勻整延遲時間的測試與分析[J].西安工程大學學報，2014，28（3）：303-305.

HE Xiang， WANG Guanchao， WANG Bin，et al. The test and analysis of correction delay time of high-speed drawing frame[J]. Journal of Xi'an Polytechnic University， 2014， 28 （3）： 303-305.

[7]尚紅衛(wèi).高速并條機圈條器的設(shè)計與實踐[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2013，21（1）：37-41.

SHANG Hongwei. Design and practice of coiler of high speed drawing machine[J]. Advanced Textile Technology， 2013， 21 （1）： 37-41.

[8]柳威，梅順齊，徐斯云，等.現(xiàn)代高速并條機的自動換筒技術(shù)[J].輕工機械，2012，30（6）：86-90，94.

LIU Wei， MEI Shunqi， XU Siyun， et al. Automatic can change of the modern new high-speed drawing frame[J]. Light Industry Machinery， 2012， 30 （6）： 86-90， 94.

[9]雋振華，張新江.FA389自調(diào)牽伸智能型高速并條機的技術(shù)與應用[J].紡織導報，2017（6）：38-40.

XIE Zhenhua， ZHANG Xinjiang. FA389 high-speed drawing frame with automatic adjustment of draft ratio： production practice and applications[J]. China Textile Leader， 2017 （6）： 38-40.

[10]尚紅衛(wèi).實現(xiàn)并條機高速與高質(zhì)的途徑[J].棉紡織技術(shù)，2013，41（1）：41-43.

SHANG Hongwei. Method on realizing higher speed and higher quality of drawing frame[J]. Cotton Textile Technology， 2013， 41 （1）： 41-43.