夏春明，吉宜軍

(南通雙弘紡織有限公司，江蘇 南通 226600)

0 引言

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

目前，化學纖維條并卷機存在的主要問題有：經(jīng)過預并條機生產的化學纖維條處于由后彎鉤向前彎鉤轉變的狀態(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，在高速下會產生斷層；成卷過程中化學纖維卷壓力存在內緊外松問題，造成化學纖維卷的內外層伸長率不一致，從而影響化學纖維卷的質量不勻率[1-2]。筆者通過對條并卷機加壓機構進行數(shù)學建模、力學分析、計算機編程，分析化學纖維卷在保持密度均勻時，不同長度化學纖維卷對應的加壓量，通過對壓力曲線進行模擬，得到化學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束保持恒定的目標，消除了化學纖維卷內緊外松的問題。

1 化學纖維條并卷機的優(yōu)化思路

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

b) 結合化學纖維特性，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，防止意外牽伸的產生。

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

2 化學纖維條并卷機的開發(fā)

2.1 牽伸裝置優(yōu)化

化學纖維條并卷機先將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)設置過大，則效果不佳。與棉纖維相反，化學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)團隊多次反復設計、驗證，最終確定化學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 化學纖維卷加壓系統(tǒng)優(yōu)化

2.2.1 加壓機構的力學分析

2.2.1.1 化學纖維卷受力分析

從圖1中可以看出，化學纖維卷有3個共點力(質量忽略不計)。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 化學纖維卷壓力分析

根據(jù)運動學分析中點的位置坐標[3]，求得：

(1)

(2)

(3)

根據(jù)理論力學建立平衡方程，得到化學纖維卷的方程式：

∑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纖維卷的支承力F1，F(xiàn)2與升降臂拉力Q間存在的關系為：

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之間的關系為：

(9)

圖2 剛體受力分析

2.2.2 加壓機構優(yōu)化

圖3為優(yōu)化后的化學纖維卷加壓機構示意。夾卷圓盤夾持化學纖維卷筒管與成卷羅拉同時旋轉，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，當化學纖維卷卷繞直徑增加時，氣缸連桿會跟隨化學纖維卷上升。在氣缸的驅使下，有向下的拉力施加到化學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 化學纖維卷加壓機構示意

2.2.3 加壓氣缸壓力在線控制

2.2.3.1 壓力曲線

通過前文的力學分析，針對新加壓機構建立化學纖維卷卷繞壓力與氣缸壓力的力學關系式[6]，通過程序計算出不同定量化學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纖維卷直徑增長非線性關系，在卷繞初期增長較快，在卷繞后期增長較慢；③ 當化學纖維卷定量變化時，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纖維卷定量增長而增大，當化學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束，化學纖維卷壓力保持恒定，解決了化學纖維卷內緊外松的問題。

圖4 不同定量化學纖維卷的壓力曲線

2.2.3.2 壓力在線控制技術

圖4的曲線近似多項式曲線，通過計算機模擬技術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)律調節(jié)輸入氣缸的壓力，從而合理控制不同階段化學纖維卷所受的壓力。

3 化學纖維條并卷機

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

表1 不同成卷速度下化學纖維卷質量對比

通過優(yōu)化牽伸機構及傳動速比，化學纖維條并卷機的成卷質量不勻率達到了FZ/T 93045—2018標準要求[7]。表2為不同化學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，雖然化學纖維卷質量不勻率有所增加，但遠低于化學纖維卷質量不勻率不大于1%的標準，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，化學纖維條并卷機的成卷質量和生產效率最為經(jīng)濟。

4 結論

4.1通過優(yōu)化化學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，可解決化學纖維伸直后存在抱和力差、纖維回彈問題。

4.2優(yōu)化設計后，加壓機構的升降臂為直線運動，與原加壓機構相比，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，使化學纖維卷所受壓力從成卷開始到成卷結束保持恒定，解決了化學纖維卷內緊外松問題。

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