棉紡精梳機(jī)鉗板加壓機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

任家智 梁 灼 賈國欣 李金鍵 賈振飛

（1.中原工學(xué)院，河南鄭州，450007；2.河南工程學(xué)院，河南鄭州，450007）

棉紡精梳機(jī)鉗板機(jī)構(gòu)的主要作用是牢固地握持棉纖維層，供錫林梳理，并防止可紡纖維被錫林抓走。在錫林對棉叢的梳理過程中，為了使上、下鉗板形成可靠的握持鉗口，需對上鉗板施加壓力；對上鉗板施加壓力的機(jī)構(gòu)稱為鉗板加壓機(jī)構(gòu)，由張力軸、偏心輪、牽吊桿（包括加壓彈簧）及上鉗板結(jié)合件組成。由于現(xiàn)代棉紡精梳機(jī)的速度大幅度提高，鉗板加壓機(jī)構(gòu)部件受力急劇增大，易產(chǎn)生應(yīng)力集中、部件損壞等問題，影響精梳機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性及可靠性。例如：當(dāng)精梳機(jī)速度超過400鉗次/min時(shí)，偏心輪與牽吊桿連接的螺母經(jīng)常出現(xiàn)破裂。因此有必要對棉紡精梳機(jī)鉗板加壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，分析各部件受力情況，找出各部件受力大小與精梳機(jī)速度的關(guān)系，為新型精梳機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

目前，對棉紡精梳機(jī)鉗板加壓機(jī)構(gòu)的研究主要集中于以下幾個(gè)方面。第一，對鉗板鉗持機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，研究鉗板在一個(gè)工作周期內(nèi)的開啟、閉合規(guī)律，得出了鉗板開閉口定時(shí)、鉗板最大開口量等關(guān)鍵參數(shù)，為精梳工藝參數(shù)的合理設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)［1-2］。第二，對鉗板閉合過程中鉗口的壓力變化規(guī)律進(jìn)行研究，得出了不同偏心軸傳動(dòng)比、偏心軸位置角及偏心距等工藝參數(shù)對鉗板鉗口握持力的影響規(guī)律［3］。第三，為了減小精梳機(jī)高速時(shí)的振動(dòng)，對鉗板機(jī)構(gòu)部件的慣性力進(jìn)行研究，并對鉗板機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了較好的減振效果［4］。

本研究對棉紡精梳機(jī)鉗板加壓機(jī)構(gòu)各連桿進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，建立鉗板鉗持機(jī)構(gòu)的連桿動(dòng)力學(xué)簡化模型，運(yùn)用ADAMS軟件對鉗板鉗持機(jī)構(gòu)各部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到鉗板鉗持機(jī)構(gòu)各連桿在精梳機(jī)一個(gè)工作周期內(nèi)的受力變化規(guī)律，并通過仿真得到了精梳機(jī)速度對各部件受力的影響規(guī)律。

1 鉗板加壓機(jī)構(gòu)工作過程分析

棉紡精梳機(jī)鉗板鉗持加壓機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉗板鉗持加壓機(jī)構(gòu)示意圖

上、下鉗板的開啟、閉合運(yùn)動(dòng)由鉗板擺軸O1及張力軸O3協(xié)同驅(qū)動(dòng)。由后擺臂、下鉗板結(jié)合件及前擺臂組成的四連桿機(jī)構(gòu)在鉗板擺軸的驅(qū)動(dòng)下前后擺動(dòng)。上鉗板結(jié)合件、牽吊桿（包括彈簧）通過偏心輪及張力軸O3連接；偏心輪固裝在張力軸O3上，并由張力軸O3驅(qū)動(dòng)。當(dāng)鉗板機(jī)構(gòu)向前擺至一定位置時(shí)，上鉗板結(jié)合件在由鉗板擺軸O1驅(qū)動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)及牽吊桿的共同作用下逐漸開啟；鉗板擺臂至最前位置時(shí)，上鉗板的開口量最大。當(dāng)鉗板機(jī)構(gòu)由最前位置后擺時(shí)，上鉗板鉗口逐漸閉合；當(dāng)鉗板后擺至一定位置時(shí)（約34分度），鉗板鉗口處于完全閉合狀態(tài)［5］。在鉗板后擺臂及偏心軸的協(xié)同作用下，牽吊桿螺母與彈簧底座之間長度縮短，彈簧受到壓縮，從而產(chǎn)生對上鉗板結(jié)合件的壓力，使上下鉗板鉗口產(chǎn)生對纖維層的握持力。當(dāng)錫林梳理結(jié)束后，上鉗板逐漸開啟（開口定時(shí)約為10分度）。鉗板擺軸O1的驅(qū)動(dòng)由電機(jī)通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完成，偏心軸O3由鉗板擺軸通過齒輪傳動(dòng)［6］。

2 鉗板加壓機(jī)構(gòu)連桿動(dòng)力學(xué)模型

2.1 鉗板加壓機(jī)構(gòu)的簡化模型

為了便于分析，將整個(gè)鉗板機(jī)構(gòu)簡化成如圖2所示的運(yùn)動(dòng)簡圖。由圖2可以看出，鉗板機(jī)構(gòu)可簡化為一個(gè)具有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的七連桿平面結(jié)構(gòu)圖，O1、O2和O3分別是鉗板機(jī)構(gòu)鉗板擺軸、錫林軸和張力軸的中心，連桿A O3為偏心輪，連桿A B為牽吊桿，偏心輪驅(qū)動(dòng)牽吊桿繞B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。上鉗板和鉗板托架B C J′固定在一起，可視為一個(gè)整體結(jié)合件，B點(diǎn)為牽吊桿和上鉗板托架的鉸鏈點(diǎn)，C點(diǎn)為鉗板底座和上鉗板托架的鉸鏈點(diǎn)，鉗板托架B C J′在牽吊桿和鉗板底座的共同作用下做開啟、閉合運(yùn)動(dòng)，上鉗板固定在鉗板托架上，隨上鉗板托架一起繞C點(diǎn)作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)錫林軸回轉(zhuǎn)一周時(shí)，鉗板擺軸前后擺動(dòng)一次，鉗板機(jī)構(gòu)前后運(yùn)動(dòng)一次，即為精梳機(jī)的一個(gè)工作周期［7］。當(dāng)鉗板擺軸驅(qū)動(dòng)鉗板機(jī)構(gòu)后擺時(shí)，上下鉗板閉合并握持棉叢，錫林針齒刺入棉叢梳理，將棉叢中的棉結(jié)、雜質(zhì)及短纖維排除，并使纖維伸直平行。

圖2 鉗板加壓機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

2.2 鉗板加壓機(jī)構(gòu)各連桿動(dòng)力學(xué)模型

由于鉗板加壓機(jī)構(gòu)由張力軸及鉗板擺軸同步驅(qū)動(dòng)，需對包括鉗板擺軸驅(qū)動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)在內(nèi)的各連桿進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，才能求得鉗板加壓機(jī)構(gòu)部件的受力。將連桿O3A、A B、B C、O1D、D N、O2N分別用1、2、3、4、5、6連桿表示。設(shè)：第i個(gè)連桿的第j個(gè)鉸鏈點(diǎn)鉸鏈力在x、y方向上的分力分別為F ijx、F ijy，第i個(gè)連桿的慣性力在x、y方向的分力分別為Pi x、Pi y，第i個(gè)連桿的質(zhì)量為mi，第i個(gè)連桿對其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Ji，根據(jù)理論力學(xué)剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算［8］。第i個(gè)連桿質(zhì)心的角速度、角加速度及慣性力矩分別為ωi、αi和M i，通過解析法求出［9］。設(shè)：第i個(gè)連桿的質(zhì)心為Si，第i個(gè)連桿的長度為Li，并以各連桿質(zhì)心Si設(shè)定為原點(diǎn)坐標(biāo)。在確定鉸鏈點(diǎn)O3及O1鉸鏈力的方向時(shí)，假設(shè)偏心輪O3A為順時(shí)針回轉(zhuǎn)，后擺臂O1D為逆時(shí)針回轉(zhuǎn)。在不計(jì)連桿重力的情況下，運(yùn)用達(dá)朗貝爾原理對各連桿進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

2.3 鉗板加壓機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真

2.3.1 鉸鏈點(diǎn)受力的變化規(guī)律

根據(jù)JSFA588型棉紡精梳機(jī)鉗板機(jī)構(gòu)各零部件的實(shí)際尺寸參數(shù)及各零部件之間的配合關(guān)系，利用Solid Works軟件建立精梳鉗板加壓機(jī)構(gòu)各部件的三維實(shí)體模型，如圖3所示。

圖3 鉗板加壓機(jī)構(gòu)各部件三維實(shí)體模型

根據(jù)鉗板加壓機(jī)構(gòu)的裝備工藝組裝后導(dǎo)入ADAMS分析軟件中，對鉗板加壓機(jī)構(gòu)各部件之間建立運(yùn)動(dòng)副，給模型添加驅(qū)動(dòng)，輸入驅(qū)動(dòng)件轉(zhuǎn)速、各部件材質(zhì)等參數(shù)。設(shè)置時(shí)間步為400步，可得到精梳機(jī)一個(gè)工作周期內(nèi)各連桿鉸鏈點(diǎn)的受力（鉸鏈點(diǎn)x、y方向分力的合力）變化曲線。為了便于區(qū)分各鉸鏈點(diǎn)的拉力與壓力，在精梳機(jī)一個(gè)工作周期內(nèi)，當(dāng)鉸鏈點(diǎn)受到拉力時(shí)設(shè)定為正值，當(dāng)鉸鏈點(diǎn)受到壓力時(shí)設(shè)定為負(fù)值。當(dāng)精梳機(jī)的速度分別為400鉗次/min、500鉗次/min、600鉗次/min、700鉗次/min時(shí)，鉗板加壓機(jī)構(gòu)連桿鉸鏈點(diǎn)O3、A、B、C在精梳機(jī)一個(gè)工作周期內(nèi)受力變化曲線分別如圖4～圖7所示。精梳機(jī)速度為400鉗次/min時(shí)各曲線的峰值、谷值及其出現(xiàn)的分度如表1所示。

圖4 O3點(diǎn)受力曲線

圖5 A點(diǎn)受力曲線

圖6 B點(diǎn)受力曲線

圖7 C點(diǎn)受力曲線

分析表1和圖4～圖7，可以得出以下結(jié)論。

表1 各連桿鉸鏈點(diǎn)受力的特征參數(shù)

（1）在一個(gè)工作周期中，鉸鏈點(diǎn)A的受力變化規(guī)律與鉸鏈點(diǎn)O3的受力變化規(guī)律相同；兩條曲線的峰值與谷值均出現(xiàn)在相同的位置，最大峰值都出現(xiàn)在26.8分度；兩條曲線的谷值1與谷值2非常接近，出現(xiàn)的位置分別為6.4分度和35.2分度。

（2）在一個(gè)工作周期內(nèi)，鉸鏈點(diǎn)B、C的受力變化規(guī)律與鉸鏈點(diǎn)O3、A雖有明顯區(qū)別，但曲線的峰值、谷值1及谷值2出現(xiàn)的位置與鉸鏈點(diǎn)O3、A非常接近。

（3）一個(gè)工作周期內(nèi)鉸鏈點(diǎn)O3、A、B、C的受力變化曲線的谷值1與谷值2所出現(xiàn)的位置均在鉗板閉合階段，此時(shí)偏心輪O3A、牽吊桿A B及上鉗板結(jié)合件B C均為受壓狀態(tài)。

（4）由于鉸鏈點(diǎn)O3、A、B、C的受力變化曲線谷值大于曲線的峰值，因此精梳機(jī)高速時(shí)鉗板加壓部件的損壞發(fā)生在6.4分度及35.2分度的幾率較大。

2.3.2 精梳速度對鉸鏈點(diǎn)受力的影響

根據(jù)圖4～圖7各鉸鏈點(diǎn)受力的變化曲線，可以得出精梳機(jī)一個(gè)工作周期內(nèi)加壓機(jī)構(gòu)各連桿鉸鏈點(diǎn)在不同速度下的最大鉸鏈力及其出現(xiàn)的位置，如表2所示。由表2可以看出，B、C點(diǎn)受力較大。相對于400鉗次/min時(shí)，精梳機(jī)其他速度時(shí)各鉸鏈點(diǎn)的最大鉸鏈力增加率如表3所示。

表2 各連桿鉸鏈點(diǎn)在不同錫林速度下的最大鉸鏈力及對應(yīng)位置

表3 精梳機(jī)在其他速度時(shí)各鉸鏈點(diǎn)的最大鉸鏈力增加率

由表2和表3可知，精梳機(jī)在一個(gè)工作周期內(nèi)，錫林速度的變化對各鉸鏈點(diǎn)受力的變化規(guī)律影響較小。精梳機(jī)鉗板機(jī)構(gòu)各連桿鉸鏈點(diǎn)的受力隨著錫林速度的提高而迅速增大，不同鉸鏈點(diǎn)受力的增加率不同。當(dāng)錫林速度從400鉗次/min提高到700鉗次/min時(shí)，鉸鏈點(diǎn)O3、A的鉸鏈力增長率最大，均為146.71%。由于偏心輪與牽吊桿連接的螺母為增強(qiáng)尼龍材料，因此在精梳機(jī)高速時(shí)其損壞的幾率較大。

3 結(jié)論

通過對棉紡精梳機(jī)鉗板加壓機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS軟件的動(dòng)力學(xué)仿真，可得出以下結(jié)論。

（1）鉗板加壓機(jī)構(gòu)連桿各鉸鏈點(diǎn)在一個(gè)工作周期內(nèi)的受力變化曲線有相似的規(guī)律，即各鉸鏈點(diǎn)受力曲線均有明顯的峰值及兩個(gè)谷值（谷值1及谷值2），且峰值、谷值1及谷值2出現(xiàn)的位置相同或相近；各個(gè)鉸鏈點(diǎn)的受力曲線中谷值1及谷值2相差較小，且均大于峰值；曲線峰值為鉸鏈點(diǎn)受到的最大拉力值，谷值為鉸鏈點(diǎn)受到的最大壓力值。

（2）各受力曲線谷值1及谷值2均發(fā)生在鉗板閉合階段，其中谷值1發(fā)生在6.4分度，谷值2發(fā)生在35.2分度，此時(shí)發(fā)生鉗板加壓機(jī)構(gòu)部件損壞的幾率最大。

（3）隨著精梳機(jī)速度的提高，鉗板加壓機(jī)構(gòu)各連桿鉸鏈點(diǎn)受力急劇增大；當(dāng)精梳機(jī)速度由400鉗次/min增加到700鉗次/min時(shí)，鉸鏈點(diǎn)O3、A的鉸鏈力增長率最大；由于偏心輪與牽吊桿連接的螺母采用增強(qiáng)尼龍材料，故精梳機(jī)高速時(shí)其損壞的幾率較大。

（4）精梳機(jī)制造廠家可參考鉗板加壓機(jī)構(gòu)各連桿鉸鏈點(diǎn)在一個(gè)工作周期內(nèi)的受力變化曲線、受力峰值和谷值大小，優(yōu)化制造材料，設(shè)計(jì)鉗板加壓機(jī)構(gòu)連桿的結(jié)構(gòu)，以提高各部件使用壽命。