化學(xué)纖維條并卷機的優(yōu)化

夏春明，吉宜軍

(南通雙弘紡織有限公司，江蘇 南通 226600)

0 引言

化學(xué)纖維條并卷機的主要任務(wù)是將纖維層制成梳理機所需的小卷，供化學(xué)纖維梳理機加工使用。化學(xué)纖維卷的成形效果，由化學(xué)纖維條并卷機加壓裝置中加壓氣缸的加壓力決定。在初始化學(xué)纖維層卷繞成小卷再卷繞成大卷的過程中，化學(xué)纖維卷應(yīng)盡量保持密度一致、層間不粘附、成卷不松散且質(zhì)量不勻率偏差低。

目前，化學(xué)纖維條并卷機存在的主要問題有：經(jīng)過預(yù)并條機生產(chǎn)的化學(xué)纖維條處于由后彎鉤向前彎鉤轉(zhuǎn)變的狀態(tài)，纖維曲卷度大，需加大牽伸使其進一步伸直，以便錫林梳理；而牽伸區(qū)對多根化學(xué)纖維條進行牽伸后，纖維之間的抱和力變差，經(jīng)過臺面托板時，在高速下會產(chǎn)生斷層；成卷過程中化學(xué)纖維卷壓力存在內(nèi)緊外松問題，造成化學(xué)纖維卷的內(nèi)外層伸長率不一致，從而影響化學(xué)纖維卷的質(zhì)量不勻率[1-2]。筆者通過對條并卷機加壓機構(gòu)進行數(shù)學(xué)建模、力學(xué)分析、計算機編程，分析化學(xué)纖維卷在保持密度均勻時，不同長度化學(xué)纖維卷對應(yīng)的加壓量，通過對壓力曲線進行模擬，得到化學(xué)纖維卷壓力的在線控制方程；通過電子比例閥合理控制，實現(xiàn)壓力從成卷開始到成卷結(jié)束保持恒定的目標(biāo)，消除了化學(xué)纖維卷內(nèi)緊外松的問題。

1 化學(xué)纖維條并卷機的優(yōu)化思路

a) 運用成卷過程的基本理論、機構(gòu)設(shè)計與分析方法、計算機編程技術(shù)及設(shè)計方案，優(yōu)化化學(xué)纖維的新型加壓機構(gòu)，以提高化學(xué)纖維卷的均勻度。

b) 結(jié)合化學(xué)纖維特性，研究優(yōu)化條并卷機的傳動系統(tǒng)，以及各傳動件之間的張力和臺面纖條的張力，以增加絲網(wǎng)的抱合力，防止意外牽伸的產(chǎn)生。

c) 通過力學(xué)原理建立化學(xué)纖維卷成形過程中受力的數(shù)學(xué)模型，分析、其所受壓力的分布曲線，提出化學(xué)纖維卷壓力的控制方法，提高其均勻度指標(biāo)。

2 化學(xué)纖維條并卷機的開發(fā)

2.1 牽伸裝置優(yōu)化

化學(xué)纖維條并卷機先將2個纖維層合并為1層后，經(jīng)4個緊壓羅拉壓緊，再由2個成卷羅拉卷繞成小卷(滌綸小卷凈重為12 kg～15 kg)。但由于化學(xué)纖維具有彈力大、卷曲性強、伸直后抱和力差、纖維回縮等特性，經(jīng)過牽伸后的滌綸化學(xué)纖維層進入壓輥會出現(xiàn)厚薄不勻的魚鱗斑，嚴重的會出現(xiàn)斷層，影響成卷質(zhì)量和效率。因此必須優(yōu)化牽伸羅拉直徑和羅拉到壓輥之間的傳動比。

棉型條并卷機臺面緊壓輥和車頭軋光輥之間的牽伸張力是常數(shù)，牽伸倍數(shù)大于1，卷繞后的棉層光潔不粘層、便于梳理機梳理；如果牽伸倍數(shù)設(shè)置過大，則效果不佳。與棉纖維相反，化學(xué)纖維需要加大牽伸倍數(shù)才能將纖維伸直，且伸直后的纖維存在抱和力差、纖維回彈的問題。

通過研發(fā)團隊多次反復(fù)設(shè)計、驗證，最終確定化學(xué)纖維條并卷機臺面緊壓輥和車頭軋光輥之間的張力牽伸倍數(shù)小于1，且將其前、后牽伸頭之間的跨距縮短，解決了問題。

2.2 化學(xué)纖維卷加壓系統(tǒng)優(yōu)化

2.2.1 加壓機構(gòu)的力學(xué)分析

2.2.1.1 化學(xué)纖維卷受力分析

從圖1中可以看出，化學(xué)纖維卷有3個共點力(質(zhì)量忽略不計)。其中，F(xiàn)1和F2為后、前成卷羅拉對棉層的支承力(即成卷羅拉對棉層的壓力)；Q為升降臂通過夾持圓盤施加到化學(xué)纖維卷上的拉力；θ1，θ2和θ3分別為3個力與x軸的夾角。

圖1 化學(xué)纖維卷壓力分析

根據(jù)運動學(xué)分析中點的位置坐標(biāo)[3]，求得：

(1)

(2)

(3)

根據(jù)理論力學(xué)建立平衡方程，得到化學(xué)纖維卷的方程式：

∑x=0，即-Qcosθ3-F2cosθ2+F1cosθ1=0

(4)

∑y=0，即-Qsinθ3+F2sinθ2+F1sinθ1=0 (5) 通過式(1)～(5)得出成卷羅拉對化學(xué)纖維卷的支承力F1，F(xiàn)2與升降臂拉力Q間存在的關(guān)系為：

Q=F1(cosθ2sinθ1+cosθ1sinθ2)/

(sinθ3cosθ2+sinθ2cosθ3)

(6)

Q=-F2(cosθ2sinθ1+cosθ1sinθ2)/

(sinθ1cosθ3-sinθ3cosθ1)

(7)

2.2.1.2 剛體O3AB受力分析

將氣缸活塞桿與升降臂的結(jié)合體視為剛體,如圖2所示。剛體O3AB以支點O3做擺動運動，F(xiàn)O3x和FO3y分別為O3點的支座約束反力；Q為B點的升降臂拉力；U為A點的氣缸活塞桿壓力。設(shè)拉力Q對O3點的力臂為l1，壓力U對O3點的力臂為l2。由理論力學(xué)知識建立平衡方程：

Q×l1-U×l2=0

(8)

可得出氣缸活塞桿壓力U與升降臂拉力Q之間的關(guān)系為：

(9)

圖2 剛體受力分析

2.2.2 加壓機構(gòu)優(yōu)化

圖3為優(yōu)化后的化學(xué)纖維卷加壓機構(gòu)示意。夾卷圓盤夾持化學(xué)纖維卷筒管與成卷羅拉同時旋轉(zhuǎn)，氣缸固定，升降臂的下部與氣缸活塞桿剛性聯(lián)接，與地平線成固定夾角[4-5]。這樣，當(dāng)化學(xué)纖維卷卷繞直徑增加時，氣缸連桿會跟隨化學(xué)纖維卷上升。在氣缸的驅(qū)使下，有向下的拉力施加到化學(xué)纖維卷上使其成形良好。升降臂的直線運動，使運動中的爬行問題消失，加壓更穩(wěn)定、機械效率更高，也使氣缸磨損變小、漏氣消失；同時，避免了化學(xué)纖維卷被揉搓的問題，壓力更加均勻、成形更好。

1—夾卷圓盤及化纖卷筒管(兩者為同心圓，圓盤夾住筒管)；2—前成卷羅拉；3—氣缸；4—升降臂；5—后成卷羅拉。圖3 化學(xué)纖維卷加壓機構(gòu)示意

2.2.3 加壓氣缸壓力在線控制

2.2.3.1 壓力曲線

通過前文的力學(xué)分析，針對新加壓機構(gòu)建立化學(xué)纖維卷卷繞壓力與氣缸壓力的力學(xué)關(guān)系式[6]，通過程序計算出不同定量化學(xué)纖維卷的氣缸壓力并繪制曲線，見圖4。

由圖4得知：① 隨著化學(xué)纖維卷長度(卷繞直徑、定量)增長，氣缸壓力增長；② 氣缸壓力增長和化學(xué)纖維卷直徑增長非線性關(guān)系，在卷繞初期增長較快，在卷繞后期增長較慢；③ 當(dāng)化學(xué)纖維卷定量變化時，加壓曲線也發(fā)生變化，總體表現(xiàn)為在整個卷繞過程中壓力隨化學(xué)纖維卷定量增長而增大，當(dāng)化學(xué)纖維卷定量均勻增長時，壓力變化趨勢相同；從成卷開始到成卷結(jié)束，化學(xué)纖維卷壓力保持恒定，解決了化學(xué)纖維卷內(nèi)緊外松的問題。

圖4 不同定量化學(xué)纖維卷的壓力曲線

2.2.3.2 壓力在線控制技術(shù)

圖4的曲線近似多項式曲線，通過計算機模擬技術(shù)得出隨棉層長度變化的氣缸壓力的三次方程為：

Y=1.98×10-8×x3+(-1.25)×10-5×x2+

2.94×10-3×x+0.81+(K-3.5)×

1.36×10-9×x3+(-8.61)×10-7×x2+

2.09×10-4×x+0.062

(10)

式中：

Y——氣缸壓力；

K——化學(xué)纖維卷定量；

x——棉層長度。

將上述方程輸入可編程控制器PLC，由PLC控制電磁比例閥按照方程所示規(guī)律調(diào)節(jié)輸入氣缸的壓力，從而合理控制不同階段化學(xué)纖維卷所受的壓力。

3 化學(xué)纖維條并卷機

運用該研究成果研制開發(fā)的化學(xué)纖維條并卷機，紡紗質(zhì)量好且穩(wěn)定。不同化學(xué)纖維條并卷機成卷速度下化學(xué)纖維卷的質(zhì)量不勻率、粘卷情況等測試結(jié)果，見表1。

表1 不同成卷速度下化學(xué)纖維卷質(zhì)量對比

通過優(yōu)化牽伸機構(gòu)及傳動速比，化學(xué)纖維條并卷機的成卷質(zhì)量不勻率達到了FZ/T 93045—2018標(biāo)準要求[7]。表2為不同化學(xué)纖維條并卷機成卷速度下的成卷及落卷時間對比。

表2 不同成卷速度下成卷及落卷時間對比

由表1和表2可知，在成卷速度為80 m/min時，雖然化學(xué)纖維卷質(zhì)量不勻率有所增加，但遠低于化學(xué)纖維卷質(zhì)量不勻率不大于1%的標(biāo)準，成卷無粘卷且成形良好；與低速或中速成卷相較，同定長、同定量的棉卷所用成卷總時間最短。因此，在速度為80 m/min的條件下，化學(xué)纖維條并卷機的成卷質(zhì)量和生產(chǎn)效率最為經(jīng)濟。

4 結(jié)論

4.1通過優(yōu)化化學(xué)纖維條并卷機臺面緊壓輥和車頭軋光輥之間的張力牽伸倍數(shù)小于1，并縮短其前、后牽伸頭之間的跨距，可解決化學(xué)纖維伸直后存在抱和力差、纖維回彈問題。

4.2優(yōu)化設(shè)計后，加壓機構(gòu)的升降臂為直線運動，與原加壓機構(gòu)相比，消除了運動中的爬行問題，穩(wěn)定了加壓力，提高了機械效率。

4.3采用小卷壓力在線控制技術(shù)，使化學(xué)纖維卷所受壓力從成卷開始到成卷結(jié)束保持恒定，解決了化學(xué)纖維卷內(nèi)緊外松問題。

4.4優(yōu)化設(shè)計的化學(xué)纖維條并卷機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、故障率低，化學(xué)纖維卷質(zhì)量良好，生產(chǎn)效率較高，在成卷速度為80 m/min時成卷總時間最短、最經(jīng)濟。