超長車細(xì)紗機(jī)錠子傳動(dòng)系統(tǒng)研究

田克勤

(經(jīng)緯智能紡織機(jī)械有限公司，山西 晉中 030601)

0 引言

目前，紡紗廠常規(guī)配臺為多臺細(xì)紗機(jī)匹配1臺絡(luò)筒機(jī)，紗管和滿管紗通過人工運(yùn)輸?shù)綄Ψ綑C(jī)臺完成循環(huán)。細(xì)絡(luò)聯(lián)是1臺細(xì)紗機(jī)匹配1臺絡(luò)筒機(jī)，紗管和滿管紗通過凸盤完成自動(dòng)輸送，紗線在運(yùn)輸環(huán)節(jié)無人為損傷，是生產(chǎn)高品質(zhì)紗線的必備配置，隨著紡織工業(yè)的升級換代，細(xì)絡(luò)聯(lián)可能會(huì)成為紡織企業(yè)發(fā)展的一種標(biāo)準(zhǔn)模式。但絡(luò)筒機(jī)價(jià)格昂貴，頭數(shù)越少價(jià)格越貴，制約了其推廣。面對市場需求，絡(luò)筒機(jī)制造商努力降低單頭成本，細(xì)紗機(jī)制造商發(fā)明了超長車，以增加細(xì)絡(luò)聯(lián)時(shí)絡(luò)筒機(jī)頭數(shù)，降低投資成本。

1 細(xì)紗機(jī)超長車的概念

按長度分，細(xì)紗機(jī)可分為短車、長車和超長車。一般來講，單臺細(xì)紗機(jī)錠數(shù)不大于624錠的為短車，624錠～1200錠的為長車，超過1200錠的則為超長車。超長細(xì)紗機(jī)一般設(shè)計(jì)達(dá)1824錠，生產(chǎn)個(gè)別品種時(shí)可擴(kuò)展到2016錠。細(xì)紗機(jī)是非常復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品，在狹小的空間內(nèi)要實(shí)現(xiàn)粗紗準(zhǔn)備、牽伸加捻、升降卷繞、自動(dòng)落紗等一系列動(dòng)作，且多錠重復(fù)，其一致性必須要好。短車到長車、長車到超長車不是簡單的錠數(shù)復(fù)制增加，而是革命性的變化。

2 超長細(xì)紗機(jī)錠子傳動(dòng)

2.1 優(yōu)選錠子傳動(dòng)方式

以1824錠超長細(xì)紗機(jī)為例，以常規(guī)錠距70 mm計(jì)算，在全車中段長度近65 m、總長約為70 m內(nèi)，1824套錠子的步調(diào)必須一致。目前，細(xì)紗機(jī)錠子傳動(dòng)方式主要有2種，即龍帶式和錠帶式。龍帶式是所有錠子使用1根龍帶帶動(dòng)，龍帶由多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一般96錠配1臺功率為7.5 kW的電機(jī)，而龍帶設(shè)計(jì)有張緊機(jī)構(gòu)，每2套錠子配備1個(gè)龍帶壓輥，錠子沿龍帶切向傳動(dòng)。錠帶式則設(shè)計(jì)有1根從車尾到車頭的主軸，主軸上安裝有滾盤和張力機(jī)構(gòu)，每個(gè)滾盤通過1根錠帶傳動(dòng)4套錠子。

龍帶式整機(jī)為1根龍帶，長度為150 m，一旦損壞需全機(jī)停車，損失大，更換工作量也非常大，且龍帶價(jià)格較高；龍帶由多個(gè)小電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但小電機(jī)的功率因數(shù)和效率比大電機(jī)低，故傳動(dòng)能效較低；龍帶與錠子沿切向傳動(dòng)，包裹面很小，故需要的側(cè)壓力很大，不利于節(jié)能，且對錠子損傷大，對電機(jī)軸的壓力大，影響電機(jī)的使用壽命[1]。此外，龍帶式為多電機(jī)接力傳動(dòng)，若單個(gè)電機(jī)失效難以發(fā)現(xiàn)，會(huì)造成龍帶的急劇磨損；張力輥數(shù)量多(2錠1個(gè)，全車至少為954個(gè)，且電機(jī)轉(zhuǎn)向處張力輥轉(zhuǎn)速高、側(cè)壓大、壽命短)，損壞后更換工作量相當(dāng)大。

錠帶式是1根錠帶傳動(dòng)4套錠子，若錠帶損壞只停對應(yīng)的4套錠子，且更換方便無需停車，產(chǎn)量損失極少，錠帶價(jià)格低廉；細(xì)紗機(jī)一般采用1臺大功率主電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能效高、節(jié)能；錠帶與錠子包角達(dá)90°，錠帶張力低(僅為5 N)，錠子壽命長、能耗低；采用主軸支撐，每36錠1個(gè)主軸軸承，全機(jī)僅有51個(gè)，4錠1個(gè)張力輥共456個(gè)，即總數(shù)量為507個(gè)，負(fù)載輕，在確保加脂條件下，使用壽命很長。因此，細(xì)紗機(jī)錠子傳動(dòng)優(yōu)選錠帶式。

2.2 主電機(jī)功率設(shè)計(jì)

超長車最大的特點(diǎn)是長、負(fù)載大，故所需主電機(jī)功率大。分析工況發(fā)現(xiàn)，需重點(diǎn)設(shè)計(jì)和解決6個(gè)問題：① 主電機(jī)功率；② 主電機(jī)到主軸的傳動(dòng)、主軸與尾軸的聯(lián)接；③尾軸的結(jié)構(gòu)；④主軸的結(jié)構(gòu)；⑤ 校核承載力和解決熱伸長；⑥ 主電機(jī)的散熱。

隨著紡織器材專件質(zhì)量的提升、人工成本的增加，用戶對細(xì)紗機(jī)高速的追求越來越高，平均錠速從10年前的14 kr/min到現(xiàn)在的18 kr/min，高速用戶可達(dá)20 kr/min～21 kr/min；10年后的目標(biāo)平均錠速可能為20 kr/min，高速用戶可達(dá)22 kr/min～24 kr/min。因此，超長車細(xì)紗機(jī)的設(shè)計(jì)必須滿足未來發(fā)展需要。當(dāng)前1200錠細(xì)紗機(jī)高速時(shí)需55 kW主電機(jī)，用類比法計(jì)算，則1824錠細(xì)紗機(jī)需功率為83.6 kW，考慮未來22 kr/min～24 kr/min的錠速目標(biāo)，18錠盤時(shí)對應(yīng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為1.8 kr/min，故主電機(jī)功率需按90 kW設(shè)計(jì)，對應(yīng)的主電機(jī)機(jī)座號為280。細(xì)紗機(jī)主電機(jī)設(shè)置在車尾，由于兩側(cè)錠子中心距為700 mm，受集體落紗裝置限制車尾寬度不能超過600 mm，高度也有限，故普通電機(jī)無法安裝，所以必須設(shè)計(jì)高功率密度電機(jī)，即把90 kW的電機(jī)做到250機(jī)座號內(nèi)。經(jīng)專業(yè)電機(jī)廠技術(shù)攻關(guān)，該問題得到較好解決，電機(jī)的布置問題得到落實(shí)。

3 主電機(jī)到主軸傳動(dòng)分析

尼龍片基高強(qiáng)度傳動(dòng)帶(即平皮帶)，因其大張力張緊，起動(dòng)、剎車時(shí)允許少量打滑，安裝要求較低，傳遞功率大，故在細(xì)紗機(jī)長車上普遍采用。細(xì)紗機(jī)的另一種傳動(dòng)方式為直聯(lián)，如雙張力盤機(jī)型，主軸和電機(jī)同軸，通過輪胎式彈性聯(lián)軸器直聯(lián)；該結(jié)構(gòu)兩軸彈性聯(lián)接，安裝要求低，缺點(diǎn)是主軸低，電機(jī)不好布置，僅能用于雙張力盤機(jī)型，無法用于國內(nèi)大量使用的單張力盤傳動(dòng)。第三種方式為同步帶傳動(dòng)，普通同步帶傳遞功率不足無法使用，需選用高強(qiáng)度同步帶；同步帶方式對安裝要求較高，使用時(shí)必須解決安裝對正問題。此外，其他傳動(dòng)方式如液壓耦合器、鏈條等受結(jié)構(gòu)、成本等限制未在細(xì)紗機(jī)上使用。

根據(jù)上述功率需求，計(jì)算平皮帶傳動(dòng)結(jié)果如下：

電機(jī)功率P為90 kW，轉(zhuǎn)速n為1.8 kr/min(變頻運(yùn)行到60 Hz)。

設(shè)計(jì)功率Pd=K0×P=2.0×90 kW=180 kW(交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，24 h工作，使用系數(shù)K0取2.0)。

參看哈伯西(Habasit)傳動(dòng)皮帶選用手冊，小帶輪直徑為355 mm，空間結(jié)構(gòu)不允許，故該方案不可行。

根據(jù)轉(zhuǎn)速和設(shè)計(jì)功率，依據(jù)HTD同步帶選用手冊，確定選用14M型同步帶。根據(jù)設(shè)計(jì)功率，參照14M型同步帶帶輪選用手冊，確定小帶輪齒數(shù)為42齒，采用1∶1傳動(dòng)，從動(dòng)帶輪也選42齒，帶寬為85 mm，帶輪結(jié)構(gòu)和寬度可滿足空間設(shè)計(jì)需要。

綜合考慮各方面的利弊，超長車細(xì)紗機(jī)優(yōu)選高強(qiáng)度同步帶傳動(dòng)。

4 尾軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

尾軸指與電機(jī)直聯(lián)或通過皮帶傳動(dòng)，且與中間主軸同軸直聯(lián)布置在車尾的一根軸，需由此傳遞電機(jī)功率，故而尾軸受力大、轉(zhuǎn)速高，屬于故障多發(fā)點(diǎn)。經(jīng)過反復(fù)分析對比，優(yōu)選設(shè)計(jì)出一種尾軸結(jié)構(gòu)，采用整體式軸承座，即尾軸頭、尾兩端的支撐在同一個(gè)軸承座上，靠加工保證2處支撐的同軸；設(shè)計(jì)組合式軸承支撐，在皮帶盤側(cè)設(shè)計(jì)用滾子軸承承受皮帶的徑向力，配合球軸承實(shí)現(xiàn)軸向定位，內(nèi)圈過盈配合熱裝配、外圈軸向壓緊徹底避免跑外圈問題發(fā)生；軸的另一側(cè)受力小，設(shè)計(jì)為小型的滾子軸承，軸向游動(dòng)、內(nèi)外圈分離，易于裝配。此外，該處設(shè)計(jì)為油浴潤滑，潤滑良好、熱量易于導(dǎo)出[2]。經(jīng)試驗(yàn)證明，該尾軸結(jié)構(gòu)使用效果非常好，如圖1所示。

圖1 尾軸結(jié)構(gòu)

5 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 主軸扭轉(zhuǎn)切向應(yīng)力計(jì)算

主軸要滿足扭矩要求，初選主軸直徑為45 mm。一般情況下，高速時(shí)功耗最大，取錠速為24 kr/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1.8 kr/min時(shí)，電機(jī)功率為90 kW。

查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，45鋼的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為25 MPa～45 MPa,計(jì)算得26.2 MPa，滿足使用要求。

5.2 主軸熱伸長計(jì)算

安裝時(shí)環(huán)境溫度為20 ℃，運(yùn)行時(shí)車間溫度為30 ℃，此時(shí)主軸溫度約為35 ℃，軸承處約為45 ℃，取平均值為38 ℃，溫升為8 ℃，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊的45鋼材料線膨脹系數(shù)αl=11×10-6mm/℃，故熱伸長為5.72 mm。

通過計(jì)算可看出，主軸熱伸長達(dá)6 mm，必須解決此問題。將超長車主軸分成2段，中間設(shè)計(jì)游動(dòng)聯(lián)接，使主軸能釋放伸長量，頭、尾兩端也布置成可游動(dòng)結(jié)構(gòu)。這樣1根65 m長的主軸分成32.5 m長的2根，把主軸的軸向約束點(diǎn)設(shè)計(jì)在每根主軸中間，當(dāng)受熱時(shí)主軸從中間向兩側(cè)熱伸長，此時(shí)每段的伸長量為3 mm，軸承座設(shè)計(jì)滿足3 mm游動(dòng)即可。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。

5.3 主軸與尾軸聯(lián)接

主軸尾段需承擔(dān)的熱伸長為3 mm，故該段不能固定死，主軸尾段安裝在中墻板上，尾軸安裝在車尾框架中，二者的同軸對接難度很大，在集落時(shí)車尾受氣架升降和里外擺反作用力的作用，約有2 mm的晃動(dòng)，即主軸尾段與尾軸間軸向有2 mm晃動(dòng)。綜合以上因素，此處須采用彈性聯(lián)接，給主軸熱伸長空間，彌補(bǔ)同軸不足，應(yīng)對集落時(shí)的晃動(dòng)。

6 電機(jī)散熱

一般紡紗環(huán)境溫度為33 ℃，部分高溫地區(qū)企業(yè)在無空調(diào)情況下運(yùn)行，車間溫度可高達(dá)45 ℃；主電機(jī)布置在車尾，空間狹小、皮帶傳動(dòng)、發(fā)熱量大。電機(jī)散熱方法有：① 電機(jī)自帶風(fēng)扇散熱，采用紡織專用風(fēng)扇罩避免纖維堵塞，同比普通電機(jī)加大風(fēng)扇流量；② 利用吸棉風(fēng)機(jī)吹電機(jī)和皮帶，強(qiáng)化散熱；③ 利用集聚紡風(fēng)機(jī)吹電機(jī)、皮帶，再次強(qiáng)化散熱；④ 確保地排排風(fēng)量，把熱空氣即時(shí)排走；⑤ 宜選用水冷電機(jī)，強(qiáng)制熱循環(huán)。

7 結(jié)語

7.1細(xì)紗機(jī)錠帶式傳動(dòng)是1根錠帶傳動(dòng)4套錠子，更換方便無需停車，產(chǎn)量損失少，價(jià)格低廉，能效高,使用壽命長，因此，細(xì)紗機(jī)錠子傳動(dòng)優(yōu)選錠帶式。

7.2細(xì)紗機(jī)主電機(jī)設(shè)置在車尾，受車尾寬度和高度的限制，普通電機(jī)無法安裝，故必須設(shè)計(jì)高功率密度電機(jī)；綜合考慮平皮帶、直聯(lián)和高強(qiáng)度同步帶各方面的利弊，超長車細(xì)紗機(jī)應(yīng)優(yōu)選高強(qiáng)度同步帶傳動(dòng)；通過計(jì)算可以看出，主軸熱伸長達(dá)6 mm，將超長車主軸分成2段，中間設(shè)計(jì)游動(dòng)聯(lián)接，使主軸能釋放伸長量，頭、尾兩端也布置成可游動(dòng)結(jié)構(gòu)，且把主軸的軸向約束點(diǎn)設(shè)計(jì)在每根主軸中間，可很好解決熱伸長問題；主軸與尾軸的聯(lián)接處須采用彈性聯(lián)接，給主軸熱伸長空間，彌補(bǔ)同心不足，應(yīng)對集落時(shí)晃動(dòng)問題。

7.3深入研究超長細(xì)紗機(jī)的錠子傳動(dòng)系統(tǒng)，可幫助研發(fā)人員和使用維護(hù)人員認(rèn)識好、使用好超長細(xì)紗機(jī)，為廣大同仁提供理論支持，為細(xì)絡(luò)聯(lián)時(shí)代提供更好的配置，對中國紡機(jī)影響深遠(yuǎn)。