陸宗源(安徽八一紡織器材有限公司，安徽 潛山 246316)

鋼絲圈變速運(yùn)動(dòng)對(duì)紗線斷頭的影響

陸宗源
(安徽八一紡織器材有限公司，安徽 潛山 246316)

為了避免高速環(huán)錠細(xì)紗機(jī)大小紗斷頭率高的問題，分析鋼領(lǐng)板的運(yùn)動(dòng)引起氣圈張力振動(dòng)的三個(gè)諧波中影響斷頭最大的鋼絲圈運(yùn)動(dòng)，揭示鋼絲圈是周期性的變速運(yùn)動(dòng)，其加速度、慣性力是造成張力波動(dòng)峰值的主要因素；理論上證明鋼領(lǐng)板往復(fù)運(yùn)動(dòng)在反向時(shí)出現(xiàn)突發(fā)張力峰值可能是紗線斷頭的主要原因，提出了解決此問題的建議。

鋼絲圈；氣圈張力；振動(dòng)；紗線；斷頭；諧波；共振；自然頻率；突發(fā)張力

1 高速紡紗的主要障礙是斷頭

環(huán)錠細(xì)紗機(jī)高速的主要障礙，是在大、小紗時(shí)紡紗氣圈的張力波動(dòng)造成斷頭率高的問題，目前采取的措施都是大、小紗減速，但是，未能徹底解決問題。

這方面已經(jīng)有許多研究，有幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)是一致的：

a) 紗線斷頭主要發(fā)生在前羅拉紡紗三角區(qū)，即在紗線強(qiáng)度最薄弱處。

b) 紡紗氣圈張力不是紗線斷頭原因，當(dāng)張力波動(dòng)、特別是出現(xiàn)突發(fā)超張力波動(dòng)，才是造成斷頭的主要原因。

在正常生產(chǎn)的中紗階段，錠速可以開得很高，鋼領(lǐng)板升降會(huì)造成氣圈變化、產(chǎn)生張力波動(dòng)，但尚未達(dá)到紗線的極限強(qiáng)度，其斷頭較少；而在大、小紗階段，即便降低錠速而斷頭率還是高，這是值得重點(diǎn)研究的問題。

表1是某紡織企業(yè)的測(cè)試數(shù)據(jù)[1]，A512型細(xì)紗機(jī)配408枚錠子；無變頻第一落紗為195 min，第二落紗為200 min；變頻參數(shù)中生頭頻率為35 Hz，小紗頻率為 45 Hz，中大紗頻率為47.5 Hz～50.0 Hz，中大紗頻率為47 Hz～52 Hz，大紗頻率為45 Hz。

表1 某紡織企業(yè)測(cè)試環(huán)錠細(xì)紗機(jī)斷頭數(shù)據(jù)

運(yùn)行狀態(tài)小紗斷頭中紗斷頭大紗斷頭根·(千錠·h)?1無變頻第一落紗16．599．806．79無變頻第二落紗18．387．355．15有大/小紗變頻15．085．281．51降低率/%-14-38-75

從表1數(shù)據(jù)可知，小紗階段斷頭率最高，變頻降速對(duì)大紗階段的效果最明顯。

當(dāng)然，該測(cè)試結(jié)果未必具有代表性，變頻調(diào)速措施也未能徹底解決問題。

圖1是細(xì)紗機(jī)動(dòng)態(tài)張力測(cè)試圖形，可見在正常張力波動(dòng)中經(jīng)常出現(xiàn)有數(shù)倍幅值的突發(fā)張力，而當(dāng)突發(fā)張力大于紗線極限強(qiáng)度則導(dǎo)致斷頭。

a) 小紗時(shí)

b) 大紗時(shí)

也有研究認(rèn)為，突發(fā)張力源于機(jī)械狀態(tài)不佳，如錠子、紗管的振程問題，鋼領(lǐng)的內(nèi)跑道嚴(yán)重磨損等，當(dāng)然這些都可能是紡紗斷頭的原因。問題是大、小紗斷頭多，中紗高速斷頭少，則不是機(jī)械狀態(tài)不良的問題；因?yàn)榇?、小紗階段的錠速是比中紗時(shí)低的，反而斷頭多，說明此種斷頭與此無關(guān)。

文獻(xiàn)[1]通過動(dòng)態(tài)張力測(cè)試，記錄了一落紗中紡紗張力的變化：① 在始紡空管時(shí)紡紗張力最大，是因?yàn)闅馊ψ铋L(zhǎng)而卷繞直徑偏?。虎?管底成形完成前后出現(xiàn)氣圈凸形最大，張力最不穩(wěn)定，造成鋼絲圈運(yùn)動(dòng)也不穩(wěn)定；③ 管底成形完成之后，卷繞直徑的變化對(duì)紗條張力影響起主要作用，鋼領(lǐng)板位置在上升(小直徑處)時(shí)紡紗張力大，氣圈凸形小。鋼領(lǐng)板在最低位置時(shí)(大直徑處)的紡紗張力小，氣圈凸形大；④ 中紗階段是紡紗張力和氣圈形狀最穩(wěn)定階段；⑤ 大紗滿紗前氣圈凸形較平直，但高度過小時(shí)紡紗張力有急劇回升現(xiàn)象，且失去對(duì)張力的調(diào)節(jié)作用，張力不穩(wěn)定；⑥ 紗線卷繞每次作短動(dòng)程升降，且上升慢、下降快。經(jīng)用張力儀測(cè)定，在鋼領(lǐng)板由上轉(zhuǎn)向下的瞬間，張力峰值出現(xiàn)突變，這時(shí)氣圈形態(tài)變化也較大，易引起斷頭及捻度傳遞不勻。

2 氣圈張力振動(dòng)系統(tǒng)

在錠子高速旋轉(zhuǎn)下，離心力形成了紗線氣圈，使紗線有較大張力、一定剛度與彈性，因而構(gòu)成了一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)。

張力波動(dòng)產(chǎn)生能導(dǎo)致紗線斷頭的突發(fā)張力，一個(gè)可能的原因是共振，因?yàn)橹挥泄舱癫女a(chǎn)生高出正常波動(dòng)張力數(shù)倍的突發(fā)張力波。

由于影響因素很多，氣圈張力振動(dòng)系統(tǒng)存在復(fù)雜的多變量，應(yīng)采用數(shù)值分析方法、借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)計(jì)算。

研究紡紗氣圈張力的振動(dòng)模型，探尋產(chǎn)生共振的結(jié)果，為進(jìn)一步的定量研究作基礎(chǔ)。東華大學(xué)陳人哲教授在他的著作《紗線力學(xué)問題》中[2]指出：紗線運(yùn)動(dòng)是一種振動(dòng)，既有橫波(質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和波傳動(dòng)方向垂直)，也有縱波(質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和波傳動(dòng)方向一致)，紗線的波動(dòng)和瞬時(shí)張力有密切的關(guān)系。

如圖2所示氣圈是一個(gè)圓偏振波，可以看作是

圖2 紡紗氣圈形態(tài)

兩個(gè)正交的平面波的合成，其直觀形態(tài)是一個(gè)“橫波”，頻率就是鋼絲圈的轉(zhuǎn)速，振幅是氣圈最大半徑y(tǒng)m，半周長(zhǎng)是氣圈從導(dǎo)紗鉤o開始經(jīng)過鋼絲圈(鋼領(lǐng)半徑R的箭頭處)延長(zhǎng)到錠子軸線(x)相交點(diǎn)的長(zhǎng)度(λ/2)。由于鋼領(lǐng)的升降運(yùn)動(dòng)，它是一個(gè)變周長(zhǎng)的復(fù)雜振動(dòng)，其周長(zhǎng)λ、振幅ym一直在有規(guī)律地變化。

紡紗三角區(qū)的紡紗張力(簡(jiǎn)稱 “導(dǎo)紗鉤處張力”)取決于氣圈張力。筆者關(guān)心的并不是氣圈本身的振動(dòng)形態(tài)，是為了研究由它引起的導(dǎo)紗鉤處張力的變化。

導(dǎo)紗鉤處張力顯然也是一個(gè)振動(dòng)波，張力波的形態(tài)屬于縱波，振動(dòng)規(guī)律與氣圈振動(dòng)波形有密切關(guān)系，所以研究氣圈波動(dòng)形態(tài)的振動(dòng)規(guī)律，也就可以知道導(dǎo)紗鉤處張力的變化規(guī)律。

導(dǎo)紗鉤處張力的波形還不是氣圈波形的直接反映，因?yàn)闅馊κ菆A偏振波，但在任何一個(gè)瞬時(shí)它始終存在一個(gè)全幅波形，只不過是方位在不斷地改變，所以只要?dú)馊π螒B(tài)是穩(wěn)定的，它引起導(dǎo)紗鉤處張力也是一個(gè)常量(穩(wěn)定的)，而不是一個(gè)波動(dòng)，只有當(dāng)氣圈有周期性的變化，形成的波動(dòng)對(duì)導(dǎo)紗鉤處張力才有明顯影響；所以導(dǎo)紗鉤處張力的波形不一定決定于氣圈波形，而是決定于氣圈波形的變化。

振動(dòng)體都存在一個(gè)自然頻率，振動(dòng)體的剛度愈大則自然頻率愈高；彈性愈好則自然頻率愈低。紗線氣圈畢竟是柔軟的，由于旋轉(zhuǎn)離心力形成的氣圈張力具有一定的剛度，因此它的自然頻率是偏低的。

因?yàn)殇擃I(lǐng)板的運(yùn)動(dòng)，紗線氣圈在不斷變化，自然頻率也是變化的，尤其是小紗時(shí)的氣圈長(zhǎng)度大，自然頻率更低。如果錠子轉(zhuǎn)速和紗線氣圈振動(dòng)波中的一個(gè)或數(shù)個(gè)諧波的自然頻率重合或成整倍數(shù)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，從而發(fā)生突發(fā)性的、振幅超過正常波數(shù)倍的共振波而導(dǎo)致紗線斷頭，應(yīng)該設(shè)法避免。

影響氣圈形態(tài)變化的研究很多，《環(huán)錠紡氣圈高度等因素對(duì)紗線張力變化的影響》[3](下文中稱《環(huán)》)建立了氣圈高度H、氣圈(鋼絲圈)轉(zhuǎn)速ω、紗線密度m、鋼領(lǐng)半徑R諸因素對(duì)導(dǎo)紗鉤處張力Tx影響的函數(shù)表達(dá)式：

并分析出以下結(jié)論：當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí), Tx是H的增函數(shù)；Tx是ω的增函數(shù)；Tx是R的增函數(shù)；Tx是m的增函數(shù)；Tx是αR的增函數(shù)。

這里研究的變化，只有氣圈高度H可以算是獨(dú)立變量，它隨鋼領(lǐng)板升降而有規(guī)律地變化；m是紗線線密度，應(yīng)為常數(shù)；鋼領(lǐng)半徑R也為常數(shù)。ω主要決定于錠子轉(zhuǎn)速，而它與錠子存在速度差，也是一個(gè)受H影響的周期性的變量。αR是氣圈底角，即鋼絲圈與紗線接觸處的切線方向和x軸(垂直軸)的夾角(見圖2)，它實(shí)際上是由氣圈狀態(tài)方程決定的，氣圈高度增大或氣圈直徑增加，αR都會(huì)變化，從而影響Tx變化。所以，氣圈高度H變化規(guī)律對(duì)各個(gè)參數(shù)都有決定性的影響，應(yīng)從鋼領(lǐng)板升降運(yùn)動(dòng)造成氣圈高度H的變化著手研究。

至少可以找到由于鋼領(lǐng)板升降和氣圈高度H變化而引起的3個(gè)諧波，以H作自變量的函數(shù)表達(dá)式來描述導(dǎo)紗鉤處張力Tx波形：

Tx=Th(H)+Tω[ω(H)]+Tα[αR(H)]

公式右邊的第一項(xiàng)是鋼領(lǐng)板升降造成氣圈高度H的變化，影響導(dǎo)紗鉤處張力變化成分為Th(H)；第二項(xiàng)是由H引起的ω變化，造成導(dǎo)紗鉤處張力的變化成分為Tω[ω(H)]；第三項(xiàng)是由H引起的αR變化，造成導(dǎo)紗鉤處張力的變化成分為Tα[αR(H)]。

分別討論如下。

a) 對(duì)于Th(H)，《環(huán)》文已經(jīng)得出結(jié)論：Tx是H的增函數(shù)。即當(dāng)鋼領(lǐng)板上升時(shí)，H在變小，導(dǎo)紗鉤處張力減?。讳擃I(lǐng)板下降時(shí)，張力在加大，Th(H)是一個(gè)以鋼領(lǐng)板為周期的縱波振動(dòng)。

b) 氣圈轉(zhuǎn)速ω的平均轉(zhuǎn)速是錠子轉(zhuǎn)速減去紗線卷繞轉(zhuǎn)速(前羅拉線速度除以紗管的卷繞直徑除以圓周率π)；由于鋼領(lǐng)板升降，管紗卷繞直徑在變化、鋼絲圈速度在變化，這是一個(gè)還沒有引起重視的重要因素。

c) αR在鋼領(lǐng)板下降時(shí)，由于氣圈高度增大和鋼絲圈的加速而變大(氣圈直徑增加)，Tα[αR(H)]遞增。

這些張力諧波，都沿著紗線向上傳遞，合成為一個(gè)復(fù)雜的波形。

Th(H)、 Tω[ω(H)] 和Tα[αR(H)]3個(gè)縱波的頻率是一樣的，是鋼領(lǐng)板升降頻率；相位也基本是一致的，鋼領(lǐng)板上升時(shí)期都是遞降的，鋼領(lǐng)板下降時(shí)期都是遞升的；但是，由于發(fā)生的空間位置不同，各個(gè)諧波傳遞到導(dǎo)紗鉤處時(shí)的相位就不同步了，這是Tx波形復(fù)雜的一個(gè)原因。

一個(gè)復(fù)雜的波動(dòng)可以用級(jí)數(shù)形式分解為若干個(gè)諧波的合成，則可以找出每一個(gè)諧波的自然頻率，只要外加的強(qiáng)迫頻率避開系統(tǒng)中這些自然頻率的共振區(qū)域，就可以避免共振的出現(xiàn)。

氣圈的振動(dòng)系統(tǒng)雖然可以分解為3個(gè)諧波，但由于這3個(gè)諧波中(Tω[ω(H)] 和Tα[αR(H)])間相互影響，從而使定量的理論研究很難；可變因數(shù)多且相互影響，還會(huì)存在更高階的諧波。在生產(chǎn)實(shí)踐中，可用試驗(yàn)方法找出某細(xì)紗機(jī)、某工藝條件下的氣圈系統(tǒng)的若干個(gè)自然頻率范圍，然后設(shè)定錠子速度的禁區(qū)，使斷頭率最低。

3 鋼絲圈的變速運(yùn)動(dòng)研究

由H引起的鋼絲圈轉(zhuǎn)速ω變化，造成導(dǎo)紗鉤處張力的變化成分Tω[ω(H)]。因?yàn)殇摻z圈的變速運(yùn)動(dòng)具有加速度和慣性力，直接影響紗線張力的變化。

鋼絲圈跟隨紗線在鋼領(lǐng)跑道上運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速等于錠子速度減去紗線卷繞速度；紗錠速度是恒定的，則鋼絲圈也是等速運(yùn)動(dòng)的；實(shí)際上，因?yàn)榧喚€卷繞在錐形紗管上，卷繞半徑在不斷地變化，因此造成鋼絲圈的速度也不斷地變化。速度變化就存在加速度、存在慣性力，在速度極高的情況下，即使鋼絲圈的質(zhì)量很小，也會(huì)因?yàn)榧铀俣阮l繁變化而造成慣性力的頻繁沖擊紗線張力；因此，為探求造成斷頭的原因，有必要研究鋼絲圈的運(yùn)動(dòng)特性。

如圖3所示，管紗由轉(zhuǎn)速為ω的錠子帶動(dòng)同步旋轉(zhuǎn)，紗線須條從前羅拉鉗口輸出，經(jīng)導(dǎo)紗鉤、鋼絲圈繞到管紗上。當(dāng)管紗帶動(dòng)鋼絲圈在鋼領(lǐng)跑道上旋轉(zhuǎn)時(shí)，也帶動(dòng)紗線旋轉(zhuǎn)，并因紗線的離心力形成氣圈，因而整個(gè)紗段都有了張力；恒定的氣圈速度使氣圈保持一定的張力，張力松弛就使鋼絲圈運(yùn)動(dòng)滯后，這就發(fā)生了卷繞運(yùn)動(dòng)；因此，鋼絲圈的轉(zhuǎn)速ωg小于錠速ω，(ω-ωg)就是卷繞速度。

1—鋼領(lǐng)；2—鋼絲圈；3—?dú)馊Γ?—管紗。圖3 紡紗氣圈與鋼絲圈

如圖4所示，為便于理解，假想與錠速ω相同、方向相反的回轉(zhuǎn)速度為-ω，以使紗管靜止不動(dòng)；而鋼絲圈A的移動(dòng)是它和管紗的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就是鋼絲圈對(duì)紗管的繞紗運(yùn)動(dòng)。

rd—管紗最大半徑；ro—紗管直徑；rp—卷繞半徑。圖4 紗線的卷繞

這里要研究的是從鋼絲圈A到卷入點(diǎn)J之間的一段紗線，稱之為卷繞紗段AJ。

在時(shí)間t時(shí)，鋼絲圈的位置在A，紗管上繞紗點(diǎn)在J，從鋼絲圈A到繞紗點(diǎn)J之間，設(shè)L=AJ。

由于繞紗，A點(diǎn)的相對(duì)位置在下移，過了一個(gè)很短的時(shí)間Δt，L發(fā)生了變化：前端J點(diǎn)由于紗線繞到紗管上，卷繞紗段在縮短；后端點(diǎn)A，由于從氣圈來的紗線的輸入(前羅拉的輸出)和鋼領(lǐng)板的升降，卷繞紗段在加長(zhǎng)(在鋼領(lǐng)板上升階段)，A點(diǎn)沿著鋼領(lǐng)軌道向后移動(dòng)。

為了解析需要，這里定義為：對(duì)于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn)矢量和線性矢量)，逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)；對(duì)于鋼領(lǐng)板運(yùn)動(dòng)：向上為正，向下為負(fù)。

在J點(diǎn)紗線被卷入長(zhǎng)度是:

在另一端A(鋼絲圈)，因?yàn)榍傲_拉等速的輸出，在不考慮氣圈變化因素時(shí)有一個(gè)前羅拉輸出紗條長(zhǎng)度的輸入；同時(shí)由于鋼領(lǐng)板的上升，還產(chǎn)生了一個(gè)附加長(zhǎng)度，總輸入量是：

式中：

C——前羅拉輸出線速度；

Δz——鋼領(lǐng)板上升距離。

所以Δt之后，卷繞紗段的長(zhǎng)度L′為：

L′= L+ΔL_+ΔL+=

L+ rp(ω-ωg)Δt+ CΔt+Δz=

L+(rpω-rpωg+C)Δt+Δz

卷繞紗段長(zhǎng)度變化為:

ΔL= L′-L=

(rpω-rpωg+C+Δz/Δt)Δt

當(dāng)Δt趨于0時(shí)，該式用微分表示為：

dL=rpωdt- rpωgdt+Cdt+(dz/dt)dt

dL/dt = rpω-rpωg+C+dz/dt=vAJ

vAJ是卷繞紗段長(zhǎng)度變化率，也即鋼絲圈在AJ方向上的線速度，是牽動(dòng)鋼絲圈的轉(zhuǎn)速，鋼絲圈在鋼領(lǐng)上的切向分量為：

vg= vAJcose=

(rpω-rpωg+C+dz/dt)cose

式中：

C——前羅拉輸出線速度，為常數(shù)；

rp——卷繞半徑。

此為鋼絲圈運(yùn)動(dòng)線速度多變量隱函數(shù)參數(shù)方程。

圖5為鋼絲圈運(yùn)動(dòng)與紗線卷繞，從圖5中有：

rp=(rd-r0)×(z0-zp) /z0+ r0

式中：

rd——管紗大半徑；

r0——空紗管半徑；

z0——鋼領(lǐng)板全動(dòng)程；

zp——鋼領(lǐng)板運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

圖5 鋼絲圈運(yùn)動(dòng)與紗線卷繞

可以將上式簡(jiǎn)化為：

rp=kr(z0-zp)+r0

這里的zp是在以鋼領(lǐng)板每一次升降動(dòng)程起始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系orz(見圖3)中的鋼領(lǐng)板位置參數(shù)(zp=o→z0)；鋼領(lǐng)板運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樽宰兞孔鴺?biāo)z，繞紗半徑方向?yàn)橐蜃兞孔鴺?biāo)r；zp為自變量，而rp為因變量(函數(shù))。

則dz/dt是鋼領(lǐng)板速度，在凸輪式升降機(jī)構(gòu)中除兩個(gè)轉(zhuǎn)折端點(diǎn)外，一般都設(shè)計(jì)為等速運(yùn)動(dòng)。鋼領(lǐng)板上升時(shí)，dz/dt≥0；鋼領(lǐng)板下降時(shí)，dz/dt≤0；在兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)上會(huì)有很大的加速度。

夾角e，它是鋼絲圈作圓周運(yùn)動(dòng)的切向線速度和卷繞紗段之間的夾角，在鋼領(lǐng)板升降的全過程中，由于卷繞半徑變化很大(r0→rd)，它有很大的變化范圍。

ωg是鋼絲圈運(yùn)動(dòng)的角速度，是我們要研究的主要參數(shù)。

從圖4中可以看出：三角形OAJ是直角三角形，e為對(duì)應(yīng)直角邊的中心角。

cose=2rp/D=[2kr(z0-zp)+r0]/D

鋼絲圈角速度與線速度的關(guān)系為：

vg=Dωg/2

D為鋼領(lǐng)直徑，將該式進(jìn)行分離變量整理：

C+dz/dt=D2·ωg/[4kr(z0-zp)+4r0]

分離變量的結(jié)果是：

kr(z0-zp)ω+r0ω+C+dz/dt

則：

這就是鋼絲圈速度與鋼領(lǐng)板運(yùn)動(dòng)的方程，自變量是鋼領(lǐng)板升降坐標(biāo)zp；dz/dt是鋼領(lǐng)板升降速度，在目前凸輪設(shè)計(jì)中為常數(shù)，上升階段為正值，下降階段為負(fù)值；C為前羅拉輸出線速度。

值得注意的是(C+dz/dt)/ω中，涉及的括號(hào)里的諸因子在目前機(jī)械結(jié)構(gòu)中都是常數(shù)，其中的dz/dt，上升為正值，下降為負(fù)值，數(shù)值一般上升慢，下降快；一般細(xì)紗機(jī)工藝設(shè)計(jì)中，這3個(gè)數(shù)都有適當(dāng)?shù)谋壤?，因此定義為與工藝設(shè)計(jì)有關(guān)的系數(shù)：

這就是以鋼領(lǐng)板移動(dòng)坐標(biāo)zp為自變量的鋼絲圈速度ωg的函數(shù)方程。

鋼絲圈的加速度ξg則是速度ωg對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，經(jīng)過和上述方法相似的推導(dǎo)，有最后結(jié)果是：

為了比較簡(jiǎn)潔，用上述方程組來表達(dá)。其中第一式為主方程ξg；kr是管紗成型參數(shù)；以此代入中間函數(shù)μz，就可以求得μz與鋼領(lǐng)板運(yùn)動(dòng)位置zp的函數(shù)關(guān)系。再代入主方程就可以求出鋼絲圈加速度ξg。

為了直觀，我們采用了常用的細(xì)紗機(jī)機(jī)械和工藝參數(shù)，畫成ξg-z曲線，如圖6所示。其橫坐標(biāo)是

圖6 鋼領(lǐng)板升降與鋼絲圈加速度變化

鋼領(lǐng)板一個(gè)升降周期，即從底部開始zg=0(最左端),向右逐步增加到中間zg=50mm為鋼領(lǐng)板上升到最高位置，然后開始回程(下降)，一直到最低位置zg=0。

縱坐標(biāo)是鋼絲圈的加速度，這里只是一個(gè)相對(duì)比值，不代表具體數(shù)值。

橫坐標(biāo)左側(cè)是鋼領(lǐng)板上升階段，是卷繞層，速度dz/dt比較小，是正值；鋼絲圈加速度是負(fù)值(減速)，隨著鋼領(lǐng)板上升其負(fù)數(shù)值在增大，鋼領(lǐng)板到達(dá)最高位置(zg=50mm)時(shí)鋼絲圈加速度達(dá)到最大負(fù)值；在這個(gè)階段鋼絲圈作減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鋼領(lǐng)板在最高位置時(shí)鋼絲圈速度達(dá)到最小值。

接著在橫坐標(biāo)右側(cè)，鋼領(lǐng)板開始下降，是束紗層卷繞，dz/dt是負(fù)值，數(shù)值一般比上升時(shí)大1倍。鋼絲圈的加速度是正值，而且逐步減小，到最低位置是達(dá)到最小值。

如圖7所示：

圖7 鋼領(lǐng)板升降與卷繞紗線張力變化

a) 鋼領(lǐng)板上升時(shí)，鋼絲圈在減速，加速度ξ是反方向(負(fù))的，慣性力g向前，卷繞紗線段的張力f1有減小趨向。

b) 因?yàn)榫砝@半徑愈來愈小，卷繞紗段和鋼絲圈運(yùn)動(dòng)方向夾角愈來愈大，導(dǎo)致卷繞紗線段張力加大，這兩個(gè)因素有互補(bǔ)性，但是數(shù)值未必相等。

與此相反，鋼領(lǐng)板下降時(shí)，鋼絲圈加速度為正值，速度加快、慣性力向后，將導(dǎo)致紗線線張力增大。

當(dāng)鋼領(lǐng)板處于最高位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)折點(diǎn)上的鋼絲圈加速度有一個(gè)突變，即由最大負(fù)值跳變?yōu)樽畲笳?。在理論上，其高次加速?或稱加加速度)是無窮大，這將導(dǎo)致振動(dòng)沖擊波、紗線張力的高峰值，此高峰值已經(jīng)被許多測(cè)定證實(shí)。

當(dāng)鋼領(lǐng)板處于最低位置時(shí)也存在方向轉(zhuǎn)折的沖擊峰值，從圖6可以看出鋼絲圈加速度跳變的幅度要小得多。

實(shí)際上，鋼領(lǐng)板速度的轉(zhuǎn)折不完全是剛性的，鋼領(lǐng)板系統(tǒng)巨大的慣性和設(shè)計(jì)上的緩沖措施，使鋼絲圈運(yùn)動(dòng)的加速度沖擊不會(huì)產(chǎn)生理論上的無窮大；但是，要完全消除這種沖擊是不可能的，因?yàn)樗艿焦芗喅尚魏屯馆啓C(jī)械設(shè)計(jì)的限制。

目前還無法判定斷頭是不是這種沖擊峰值直接引起，或是由它觸發(fā)氣圈振動(dòng)系統(tǒng)共振的更大張力峰值引起；后者的可能性更大，因?yàn)殇擃I(lǐng)板運(yùn)動(dòng)使氣圈的自然頻率在變、鋼絲圈速度在變，加上變頻調(diào)速使錠速也在變，這樣復(fù)雜交叉變動(dòng)會(huì)使鋼絲圈速度和氣圈自然頻率相吻合時(shí)遇到上述沖擊峰值的可能性很大，可能是紗線斷頭的主要原因。從斷頭在小紗時(shí)最多的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，理論上的解釋為：① 小紗時(shí)氣圈最大，自然頻率偏低，容易和鋼絲圈速度吻合；② 管底成形的機(jī)械設(shè)計(jì)使鋼領(lǐng)板動(dòng)程小、升降轉(zhuǎn)折頻繁、沖擊峰值多，這些因素會(huì)使共振概率增大。

[1]提供的測(cè)定數(shù)據(jù)表明，小紗階段斷頭最多，而且變頻降速的效果最不明顯，這足以說明上述分析的原因所在。

4 解決紡紗斷頭的方法

鋼絲圈變速產(chǎn)生動(dòng)態(tài)慣性力的主要原因是鋼領(lǐng)板的運(yùn)動(dòng)，解決方法應(yīng)在改變鋼領(lǐng)板運(yùn)動(dòng)規(guī)律上去尋找，這里介紹幾種方法。

4.1 成形凸輪反置

對(duì)在生產(chǎn)上目前使用最多的凸輪成形機(jī)構(gòu)，凸輪反置可以使情況得到緩解，即使鋼領(lǐng)板上升速度快(束紗層)，下降速度慢(繞紗層)。

如圖8所示，是成型凸輪反置前、后的鋼領(lǐng)板動(dòng)程圖、速度圖和鋼絲圈加速度圖(從上到下，圖中含義請(qǐng)參考圖6)。

a) 正置 b) 反置圖8 成型凸輪反置前后鋼領(lǐng)板、鋼絲圈運(yùn)動(dòng)變化

在凸輪正置、鋼領(lǐng)板上升時(shí)，鋼絲圈加速度為負(fù)值并逐步加大。此時(shí)，鋼絲圈的慣性力向前、卷繞紗線張力減小。待鋼領(lǐng)板到達(dá)最高位置轉(zhuǎn)向時(shí)，鋼絲圈加速度突然變?yōu)檎?、慣性力向后，卷繞紗線張力突然增大，張力的正跳變導(dǎo)致正的張力沖擊波形。

雖然當(dāng)凸輪反置、鋼領(lǐng)板到達(dá)最高位置轉(zhuǎn)向時(shí)，也有一個(gè)加速度跳變，但是，從正值跳到負(fù)值，鋼絲圈加速度從向后(增加紗線張力)變?yōu)橄蚯?減小紗線張力)的負(fù)跳變，導(dǎo)致紗線張力突然松弛,顯然不會(huì)形成張力增大的峰值。

鋼領(lǐng)板在到達(dá)最低位置轉(zhuǎn)向時(shí)，也有幅度較小的類似跳變，而且管紗上卷繞直徑大，紗線方向和鋼絲圈運(yùn)動(dòng)方向夾角小，張力跳變的影響比在最高位置時(shí)要小很多?？梢姡馆喎粗么胧┠苡行У馗纳其擃I(lǐng)板在頂部轉(zhuǎn)向時(shí)的張力峰值，也是減少觸發(fā)斷頭概率的最簡(jiǎn)便方法。

4.2 電子凸輪的無沖擊運(yùn)動(dòng)

電子凸輪技術(shù)改造為解決該問題創(chuàng)造了有利條件，筆者推薦一個(gè)無沖擊的理論運(yùn)動(dòng)方程供參考：

式中：

S——鋼領(lǐng)板位移；

h——升降動(dòng)程；

δ——凸輪轉(zhuǎn)角；

δ0——周期長(zhǎng)。

對(duì)S求一次、二次導(dǎo)數(shù)就分別得到速度v和加速度a方程：

v=ds/dt=[30h(δ/δ0)2-60h(δ/δ0)3+30h(δ/δ0)4]·ω

a=dv/dt=60[h(δ/δ0)-3h(δ/δ0)2+2h(δ/δ0)3]·ω2ω=dn/dt，n是錠子轉(zhuǎn)速。

它的特點(diǎn)是鋼領(lǐng)在兩個(gè)位移轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，速度和加速度曲線都是連續(xù)平滑的，無速度和加速度的沖擊。即當(dāng)δ=0或δ=δ0時(shí)有：v=0；a=0。加速度為零則慣性力為零，氣圈張力不會(huì)有突發(fā)性的沖擊波形。

這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)管紗成型有一定影響，可參考絡(luò)筒機(jī)成形導(dǎo)紗的變動(dòng)程，在細(xì)紗機(jī)電子成型凸輪技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上優(yōu)化程序，實(shí)現(xiàn)管紗成形要求和運(yùn)動(dòng)動(dòng)力特性兩者兼顧的技術(shù)方案。

4.3 鋼領(lǐng)板固定、錠子變速

上述分析說明一切波動(dòng)都源于氣圈高度的變化，而氣圈高度的變化是由于鋼領(lǐng)板的運(yùn)動(dòng)。理想的解決辦法是改變相對(duì)運(yùn)動(dòng)的形式，從理論上消除導(dǎo)致鋼絲圈變速的因素?！颁擃I(lǐng)板固定，錠子組合升降”的設(shè)想[4],如圖9所示。

1—鋼領(lǐng)；2—鋼絲圈；3—?dú)馊Γ?—管紗。圖9 鋼領(lǐng)板固定、錠子變速示意

為實(shí)施這個(gè)方案，要徹底變革細(xì)紗機(jī)結(jié)構(gòu)布局。機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)具備以下條件：① 單錠電機(jī)傳動(dòng)，廢除錠帶或龍帶傳動(dòng)錠子系統(tǒng)，使錠子升降的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成為可能；② 錠子轉(zhuǎn)動(dòng)和升降應(yīng)該是相互獨(dú)立的可控變速系統(tǒng)，以便可以由一可編程控制器協(xié)同控制。

鋼領(lǐng)板固定不動(dòng)而管紗升降，保持兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變。鋼領(lǐng)、前羅拉、導(dǎo)紗鉤的相對(duì)位置不變，氣圈高度H固定；錠子轉(zhuǎn)速隨卷繞直徑改變而改變以使卷繞速度恒定，那么上述Tx方程式中所有3個(gè)變量都成了恒量，氣圈的形態(tài)穩(wěn)定；鋼絲圈為等速運(yùn)動(dòng)，無加速度、慣性力，成形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生張力沖擊。

5 結(jié)論

5.1 環(huán)錠細(xì)紗機(jī)高速斷頭的原因不是正常的氣圈張力波動(dòng)，而是存在超大的突發(fā)性張力峰值。

5.2 導(dǎo)紗鉤處是紗線強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，此處紗線張力是一種復(fù)雜的振動(dòng)波，至少由鋼領(lǐng)板運(yùn)動(dòng)引起的3種主要諧波合成。

5.3 環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上紗線運(yùn)動(dòng)的自然振動(dòng)頻率隨氣圈變化而不斷變化，自然頻率如果和某一個(gè)諧波頻率相同或成整倍數(shù)時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振，這可能是突發(fā)張力造成斷頭的原因。

5.4 鋼絲圈的運(yùn)動(dòng)不是等速運(yùn)動(dòng)，而是由鋼領(lǐng)板升降規(guī)律變化的變速運(yùn)動(dòng)。研究證明，鋼領(lǐng)板由上升變?yōu)橄陆档霓D(zhuǎn)折點(diǎn)上，鋼絲圈慣性力的突變?cè)斐勺畲蟮膹埩Ψ逯?，它可能觸發(fā)氣圈共振或直接引起斷頭。

5.5 3種改善方案中最簡(jiǎn)單的是成形凸輪反置，傳統(tǒng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上都可以實(shí)現(xiàn)；電子成形凸輪為設(shè)計(jì)鋼領(lǐng)板無沖擊升降運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造條件；全新環(huán)錠細(xì)紗機(jī)設(shè)計(jì)可以采用“鋼領(lǐng)板固定，管紗升降”方案，徹底消除氣圈張力突變因素。

參考文獻(xiàn)：

[1] 繆定蜀.變頻調(diào)速技術(shù)在細(xì)紗機(jī)上的應(yīng)用[J].棉紡織技術(shù)，2003,31(5):27-30.

[2] 陳人哲.紗線力學(xué)問題[M].北京:紡織工業(yè)出版社，1989.

[3] 王亞倫.環(huán)錠紡氣圈高度等因素對(duì)紗線張力變化的影響[J].紡織器材,1994,31(4):36.

[4] 孫濤.單錠單電機(jī)細(xì)紗張力控制系統(tǒng)的研究[D].青島:青島大學(xué)紡織工程碩士論文,2004.

Effect of Variable Motion of the Traveler on the Yarn Breakage

LU Zongyuan
(Anhui Bayi Textile Equipment Co.,Ltd.,Qianshan 246316，China)

To avoid high breakage rate of high speed ring spinning frame,analysis is done of the ring rail of which the motion results in balloon tension vibration by the three harmonics among which the largest traveler motion has the main effect on the breakage.It proves that the traveler motion is periodic variable motion,the acceleration and inertial force are the main factors causing tension fluctuation peak.Theoretically speaking,in the reciprocating motion of the ring rail in reverse,the sudden tension peak may be the main cause of yarn breakage,and some suggestions to solve the problem are given.

traveler;balloon tension;vibration;yarn;breakage;harmonic wave;resonance;natural frequency;burst tension

2016-05-25

陸宗源(1936—)，男，上海人，高級(jí)工程師，主要從事集聚紡紗等新技術(shù)的研究。

時(shí)間：2016-10-08 09:30

TS103.82+2

A

1001-9634(2017)02-0006-07

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1131.TS.

20161008.0930.028.html