王曉維， 周國(guó)慶， 李新榮

(天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300387)

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棉精梳機(jī)鉗板開(kāi)閉口時(shí)間的研究

王曉維， 周國(guó)慶， 李新榮

(天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300387)

為實(shí)現(xiàn)棉精梳機(jī)鉗板運(yùn)動(dòng)的精確控制，確定鉗板開(kāi)閉口時(shí)間與工藝參數(shù)的定量關(guān)系，通過(guò)對(duì)鉗板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鉗板擺軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及鉗板運(yùn)動(dòng)原理的分析，建立了棉精梳機(jī)鉗板開(kāi)閉口時(shí)間的計(jì)算模型，得出影響開(kāi)閉口定時(shí)及閉合時(shí)間的因素，并選擇分離隔距工藝參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，得到棉精梳機(jī)分離隔距與鉗板開(kāi)閉口時(shí)間的定量關(guān)系。研究結(jié)果可為棉精梳機(jī)鉗板開(kāi)口控制技術(shù)提供參考。

棉精梳機(jī)； 鉗板機(jī)構(gòu)； 開(kāi)閉口時(shí)間； 分離隔距

棉精梳機(jī)鉗板機(jī)構(gòu)包括鉗板擺軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、鉗板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和上、下鉗板等，它們的作用是握持須叢供錫林梳理并將梳理過(guò)的須叢送向分離機(jī)構(gòu)[1]。因此，鉗板機(jī)構(gòu)的開(kāi)閉口定時(shí)以及閉合時(shí)間的長(zhǎng)短與錫林的梳理、分離接合機(jī)構(gòu)密切相關(guān)，對(duì)須叢梳理質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，影響精梳條的質(zhì)量。當(dāng)前，在棉精梳機(jī)方面，人們比較注重研究鉗板的機(jī)構(gòu)特性[2-3]，通過(guò)修改機(jī)構(gòu)參數(shù)，分析鉗板機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)精梳工藝性能的影響[4-6]，但隨著精梳機(jī)車速的提高，機(jī)構(gòu)優(yōu)化的效果已經(jīng)越來(lái)越不明顯，急需突破性的技術(shù)創(chuàng)新。未來(lái)精梳機(jī)將進(jìn)一步向高速、高質(zhì)、自動(dòng)化、大卷裝的方向發(fā)展[7-8]。為了適應(yīng)精梳機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，鉗板機(jī)構(gòu)應(yīng)該具有數(shù)字化、智能化、柔性化的輸出特性，鉗板開(kāi)口控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)是研制高效精梳機(jī)的要點(diǎn)之一[9-10]。為精確控制鉗板運(yùn)動(dòng)，應(yīng)明確鉗板開(kāi)閉口時(shí)間與工藝參數(shù)的定量關(guān)系。因此，對(duì)鉗板開(kāi)閉口時(shí)間的定量研究十分必要。

本文采用矢量法對(duì)鉗板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鉗板擺軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算，并結(jié)合鉗板的運(yùn)動(dòng)原理建立了完整的開(kāi)閉口定時(shí)及閉合時(shí)間的計(jì)算模型，得到影響精梳機(jī)鉗板開(kāi)閉口時(shí)間的因素，并得到分離隔距與鉗板開(kāi)閉口時(shí)間的定量關(guān)系。本文研究可為棉精梳機(jī)鉗板開(kāi)口控制技術(shù)提供參考資料，為研制具有數(shù)字化、智能化、柔性化的輸出特性的高效精梳機(jī)提供理論支持。

1 鉗板機(jī)構(gòu)分析

圖1示出精梳機(jī)鉗板機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化圖。錫林軸到鉗板擺軸的距離為L(zhǎng)0；鉗板前擺臂的長(zhǎng)度為L(zhǎng)5，鉗板前擺臂與X軸的夾角為θ5；鉗板后擺臂的長(zhǎng)度為L(zhǎng)3，鉗板后擺臂與X軸的夾角為θ31；下鉗板的長(zhǎng)度為L(zhǎng)4，下鉗板與X軸的夾角為θ4；下鉗板分為2部分為L(zhǎng)41和L42；上鉗板架長(zhǎng)度為L(zhǎng)6；偏心導(dǎo)桿、偏心輪和皮老虎簡(jiǎn)化為虛擬桿7，長(zhǎng)度為L(zhǎng)7；EH為虛擬桿8，長(zhǎng)度為L(zhǎng)8，與X軸的夾角為θ8；AH為虛擬桿10，長(zhǎng)度為L(zhǎng)10，與X軸的夾角為θ10；OH為虛擬桿11，長(zhǎng)度為L(zhǎng)11，與X軸的夾角為θ11；A、H兩點(diǎn)的水平距離為L(zhǎng)x,A、H兩點(diǎn)的垂直距離為L(zhǎng)y；O、H兩點(diǎn)的水平距離為L(zhǎng)x1,O、H兩點(diǎn)的垂直距離為L(zhǎng)y；角FEH設(shè)為β；∠FED設(shè)為α；X軸與水平軸X1的夾角為θ0。

注：1—錫林軸；2—鉗板擺軸；3—鉗板后擺臂；4—下鉗板；5—鉗板前擺臂； 6—上鉗板架；7—虛擬桿；8—偏心軸；9—上鉗板，長(zhǎng)度單位為mm。圖1 精梳機(jī)鉗板機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化圖Fig.1 Schematic diagram of nipper mechanism of cotton comber

1.1 計(jì)算虛擬桿與X軸夾角

根據(jù)圖1建立封閉矢量方程為

(1)

ACEH在各矢量的方向上有：

(2)

在2個(gè)軸上分解得：

(3)

整理可得：θ8=π+

(4)

1.2 計(jì)算下鉗板與X軸夾角

OACD在各矢量的方向上有

(5)

在X、Y2個(gè)軸上分解，得：

(6)

消去θ5得到θ4與θ31的關(guān)系

L02+L42+L32-L52-2L0L4cos(θ4)+

(7)

消去θ4得到θ5與θ31的關(guān)系

2L5L0cosθ5+2L3L0cosθ31=0

(8)

1.3 計(jì)算β

根據(jù)圖1建立封閉矢量方程：

(9)

ODEH在各矢量的方向上有：

(10)

在2個(gè)軸上分解得：

(11)

消去θ8得

(12)

在△EFH中，可得：

(13)

由精梳工藝可知，當(dāng)鉗板閉合時(shí)，EFG組成三角形，因此，在圖1中的△EFG中，由余弦定理可得：

(14)

角α、β、θ8、θ4的關(guān)系可以表示為

(15)

綜合式(4)、(7)、(13)、(14)、(15)，即將α、β、θ8和θ4代入式(15)可得鉗板后擺臂與X軸的夾角θ31虛擬桿L7的關(guān)系，即鉗板前后運(yùn)動(dòng)與鉗板開(kāi)口的關(guān)系。

1.4 偏心軸機(jī)構(gòu)計(jì)算

圖2示出偏心機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖2 偏心機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of eccentric mechanism

圖2中Lth為加壓彈簧長(zhǎng)度；R為偏心距；α1為偏心位置角；θ為∠FHI；θp為偏心距與X軸正向的夾角；θ7為虛擬桿7與X軸正向的夾角。由△HIF中可得：

(16)

式中

(17)

本文以E62精梳機(jī)為例，E62型精梳機(jī)偏心位置角α1為90°，可得

(18)

將式(18)代入式(16)，可得：

(19)

E62型精梳機(jī)的偏心軸與鉗板擺軸通過(guò)齒輪箱傳動(dòng)，傳動(dòng)比一定，設(shè)為i，則偏心軸角位移θ7與鉗板擺軸角位移θ31的關(guān)系為

(20)

因此，式(19)中，偏心位置角α1，偏心距R及彈簧長(zhǎng)度Lth均為已知，可得鉗板擺軸角位移θ31與虛擬桿L7的關(guān)系。

由式(1)～(15)分析得到鉗板擺軸角位移θ31與虛擬桿7長(zhǎng)度L7的關(guān)系；由式(16)～(20)得到鉗板擺軸角位移θ31與虛擬桿7長(zhǎng)度L7的關(guān)系，利用計(jì)算機(jī)建立數(shù)學(xué)模型，并列2個(gè)關(guān)系得鉗到板開(kāi)閉口瞬時(shí)θ31k、θ31b、L7k、L7b。

2 鉗板開(kāi)閉口時(shí)間

棉精梳機(jī)的所有機(jī)構(gòu)都是以精梳分度值為運(yùn)動(dòng)時(shí)間坐標(biāo)，精梳工藝將1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期(錫林軸1轉(zhuǎn))分為40等份，每等份為1分度。

棉精梳機(jī)鉗板擺軸機(jī)構(gòu)如圖3所示。利用機(jī)構(gòu)學(xué)中同性異形規(guī)則[11]對(duì)鉗板機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。

注：1—錫林軸；2—曲柄；3—導(dǎo)塊；4—導(dǎo)桿；5—鉗板擺軸； I—鉗板最前位置。圖3 棉精梳機(jī)鉗板擺軸機(jī)構(gòu)圖Fig.3 Mechanism of nipper balance shaft of cotton comber

注：1—錫林軸；2—曲柄；3—導(dǎo)塊；4—導(dǎo)桿；5—鉗板擺軸； I—鉗板最前位置。圖4 棉精梳機(jī)鉗板擺軸機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic diagram of nipper balance shaft motion

將棉精梳機(jī)錫林軸1的運(yùn)動(dòng)周期分為40分度，即以9°為1分度，設(shè)分度數(shù)為F，當(dāng)24分度時(shí)鉗板在最前位置1處，此時(shí)鉗板擺軸的角位移θ3為θ3q；輸入軸的角位移θ1為θ1q；鉗板開(kāi)始開(kāi)口時(shí)(F為Fk)，鉗板擺軸的角位移θ3為θ3k；輸入軸的角位移θ1為θ1k，鉗板開(kāi)始閉合時(shí)(F為Fb)，鉗板擺軸的角位移θ3為θ3b；輸入軸的角位移θ1為θ1b。

根據(jù)圖4可以得到鉗板最前位置的輸入軸位移θ1q。

(21)

根據(jù)圖4，OAB在各矢量的方向上有：

(22)

在2個(gè)軸上分解，可得：

(23)

計(jì)算可得：

(24)

(25)

則：

(26)

注：1—錫林軸；2—鉗板擺軸；3—鉗板后擺臂；4—下鉗板； 5—鉗板前擺臂；6—分離羅拉；7—分離皮輥。圖5 鉗板運(yùn)動(dòng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of nipper motion

鉗板運(yùn)動(dòng)原理如圖5所示。由圖可得：

(27)

式中：Lf為下鉗板與分離鉗口的水平距離；Lm為鉗板前擺臂軸與分離羅拉的水平距離。

整理式(27)得：

(28)

當(dāng)鉗板運(yùn)動(dòng)到最前位置24分度時(shí)Lf=B(B為分離隔距)，此時(shí)Lf最小，通過(guò)式(8)、(28)可求得θ31與θ5在24分度時(shí)的角度θ31q與θ5q。

由鉗板后擺臂固結(jié)在鉗板擺軸上可得：

(29)

(30)

由式(24)得:

(31)

(32)

3 驗(yàn)證與討論

本文以E62精梳機(jī)為例，L0=207 mm、L1=65 mm、L3=82 mm、L4=187 mm、L41=75 mm、L42=112 mm、L5=74 mm、L6=72 mm、L9=74 mm、Lx=147.1 mm、Ly=211.65 mm、Lx1=59.3 mm、Ly1=211.65 mm、Lm=53.9 mm、θ0=8°、偏心位置角α1=90°、偏心距R=9 mm、開(kāi)閉口瞬時(shí)彈簧長(zhǎng)度Lth=110 mm、B的范圍為19～26 mm。

計(jì)算過(guò)程為：由式(1)～(20)得到鉗板開(kāi)閉口瞬時(shí)θ31k、θ31b；由式(8)、(28)求得θ31與θ5在24分度時(shí)的角度θ31q與θ5q；由式(26)求得θ3q；由式(28)、(29)得出θ3k、θ3b；最終由式(30)、(31)得出θ1k、θ1b。

為便于分析，根據(jù)式(32)將θ1轉(zhuǎn)換成分度數(shù)F，得到鉗板開(kāi)口和閉合的輸入軸分度數(shù)分別為Fk、Fb。

(32)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表中，B為分離隔距；θ1k、θ1b為鉗板開(kāi)口和閉合的錫林軸弧度數(shù)；Fk、Fb為鉗板開(kāi)啟和閉合時(shí)錫林軸的分度值；Tks、Tbs為鉗板開(kāi)口和閉合時(shí)間段對(duì)應(yīng)的分度數(shù)，由式(33)求得；|△Fk|、|△Fb|為相鄰分離隔距值得到的鉗板開(kāi)閉口分度值之差的絕對(duì)值； |△Tks|、|△Tbs|為相鄰分離隔距值得到的鉗板開(kāi)閉時(shí)間分度值之差的絕對(duì)值。

(33)

表1 分離隔距B與鉗板開(kāi)閉口時(shí)間表Tab.1 Relation between nipper opening-closing time and detaching gauge B

4 結(jié) 語(yǔ)

1)鉗板開(kāi)閉口定時(shí)及閉合時(shí)間由分離隔距B、偏心軸與鉗板擺軸的傳動(dòng)比i、偏心位置角α1及機(jī)構(gòu)尺寸等參數(shù)決定。

2)隨著分離隔距減小為1 mm，鉗板開(kāi)口定時(shí)Fk提前為0.38～0.51分度，閉口定時(shí)Fb推后為0.45～0.51分度，閉合時(shí)間Tbs增加為0.89～0.95分度。

3)分離隔距減小，開(kāi)口定時(shí)提前有利于錫林梳理后的棉叢提早抬頭，對(duì)分離接合工作有利；閉口定時(shí)推后，容易出現(xiàn)棉叢被錫林梳針抓走等問(wèn)題；閉合時(shí)間增加有利于錫林充分梳理須叢，提高精梳質(zhì)量。因此，鉗板機(jī)構(gòu)的開(kāi)閉口定時(shí)以及閉合時(shí)間與錫林的梳理、分離接合密切相關(guān)，應(yīng)根據(jù)分離接合和錫林梳理工序合理選擇分離隔距。

通過(guò)對(duì)分離隔距與鉗板開(kāi)閉口定時(shí)及閉合時(shí)間定量關(guān)系的研究，可進(jìn)一步研究影響鉗板開(kāi)閉口時(shí)間的其他因素，確定合理工藝參數(shù)，從而優(yōu)化鉗板開(kāi)口時(shí)間，為棉精梳機(jī)鉗板開(kāi)口控制技術(shù)提供參考資料，為研制高效精梳機(jī)提供理論支持。

FZXB

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Nipper opening-closing time of cotton comber

WANG Xiaowei， ZHOU Guoqing， LI Xinrong

(SchoolofMechanicalEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to realize accurate control on nipper motion of a cotton comber and determine the quantitative relations between process parameters and the nipper opening-closing time, a calculation model of the nipper opening-closing time was developed based on the analysis of the nipper driving mechanism of a cotton comber, the nipper mechanism and the nipper motion theory. The factors affecting the nipper opening-closing timing and closing time were obtained. Then, the quantitative relations between the detaching gauge and the nipper opening-closing time of a cotton comber was obtained by choosing the factor named detaching gauge. This study offers a reference for the nipper opening controlled technology of a cotton comber.

cotton comber; nipper mechanism; opening-closing time; detaching gauge

2014-06-16

2014-12-09

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2010CB334711)

王曉維(1990—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)榧徔棛C(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化。李新榮，通信作者，E-mail: lixinrong7507@hotmail.com。

10.13475/j.fzxb.20140603606

TS 112.2

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