HC181條并卷聯(lián)合機(jī)棉卷加壓機(jī)構(gòu)及其壓力

賈國(guó)欣, 任家智, 馮清國(guó)

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

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HC181條并卷聯(lián)合機(jī)棉卷加壓機(jī)構(gòu)及其壓力

賈國(guó)欣1, 任家智2, 馮清國(guó)2

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

為使條并卷聯(lián)合機(jī)的棉卷成型良好、精梳條的質(zhì)量?jī)?yōu)良，對(duì)HC181型條并卷聯(lián)合機(jī)的加壓機(jī)構(gòu)及壓力進(jìn)行研究。建立了加壓機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)數(shù)學(xué)模型，編制MatLab程序，計(jì)算并繪制出保持棉卷成型良好的壓力曲線，并模擬出曲線相應(yīng)的方程。把該壓力方程輸入可編程控制器(PLC)用以控制電子比例閥，調(diào)節(jié)氣缸壓強(qiáng)，對(duì)棉卷生成過(guò)程中的壓力進(jìn)行在線控制。據(jù)此方法實(shí)際生產(chǎn)的棉卷的質(zhì)量不勻率可降至0.1%。

條并卷聯(lián)合機(jī); 加壓機(jī)構(gòu); 棉卷; 壓力分析

精梳產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣與精梳準(zhǔn)備工序的設(shè)置是否合理有很大關(guān)系[1]。當(dāng)前常用的精梳準(zhǔn)備工序流程，以預(yù)并—條并卷并合根數(shù)多，混和均勻，落棉率較低等優(yōu)點(diǎn)成為精梳準(zhǔn)備工藝的首選[2]。條并卷機(jī)的主要任務(wù)是控制成卷的均勻度與質(zhì)量不勻,減輕精梳機(jī)的梳理負(fù)擔(dān)[3]，但該工藝流程的最大弊病是小卷易粘連即粘卷。特別是使用新疆含糖棉或車間溫濕度不正常時(shí)粘卷現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，直接影響精梳條的內(nèi)在質(zhì)量[4]。棉層卷成棉卷時(shí)，要適當(dāng)控制棉卷松緊，以免影響下道工序的效果而最終影響成紗質(zhì)量[5]。成卷壓力是影響棉卷大小和質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，所以壓力調(diào)整的是否合適，與棉卷的粘連關(guān)系很大[6]。本文針對(duì)棉卷成型，研究條并卷聯(lián)合機(jī)的加壓機(jī)構(gòu)及壓力，運(yùn)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)建模及計(jì)算機(jī)編程計(jì)算等方法，繪出保持棉卷成型良好的壓力曲線，并用PLC、電子比例閥等電子器件按壓力曲線規(guī)律在線控制棉卷壓力，使棉卷不粘連，不松動(dòng)，質(zhì)量不勻率低。

1 HC181條并卷聯(lián)合機(jī)棉卷加壓機(jī)構(gòu)

HC181條并卷聯(lián)合機(jī)的棉卷加壓機(jī)構(gòu)如圖1所示。按照機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的畫法[7]，加壓機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖見圖2。

注：1—后成卷羅拉; 2—前成卷羅拉; 3—筒管; 4—升降臂; 5—?jiǎng)傮w; 6—活塞桿; 7—?dú)飧? 8—夾持圓盤; 9—導(dǎo)軌。圖1 HC181條并卷聯(lián)合機(jī)棉卷加壓機(jī)構(gòu)Fig.1 Lap pressure mechanism of HC181 Unilap

注：1—后成卷羅拉; 2—前成卷羅拉; 3—筒管; 4—升降臂; 5—?jiǎng)傮w; 6—活塞桿; 7—?dú)飧? 8—夾持圓盤。圖2 HC181條并卷聯(lián)合機(jī)棉卷加壓機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Kinematic diagram of lap pressure mechanism of HC181 Unilap

由圖1、2可知，棉層在后、前2個(gè)成卷羅拉1、2的作用下卷繞在筒管3上形成棉卷，筒管3的兩端被左右夾持圓盤8夾持，夾持圓盤鉸接在升降臂4的上端，升降臂的下端鉸接在剛體5的B點(diǎn)，剛體5以O(shè)3為支點(diǎn)做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，剛體5的A點(diǎn)與氣缸活塞桿6鉸接，氣缸活塞桿在缸內(nèi)壓力的作用下可以左右移動(dòng)，氣缸7與機(jī)架在O5點(diǎn)鉸接。

在棉卷卷繞直徑增大過(guò)程中，氣缸始終給活塞桿施加向左的推力，活塞桿受到的向左推力傳遞到剛體上的A點(diǎn)，推力通過(guò)剛體傳到B點(diǎn)，A點(diǎn)受到向左的推力，則B點(diǎn)受到向下的拉力，從而升降臂受到向下的拉力，向下的拉力通過(guò)升降臂上的夾持圓盤作用在棉卷筒管上，使得棉層在卷繞過(guò)程中始終受到壓力。

2 加壓機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建立

加壓機(jī)構(gòu)要施加合適的棉卷壓力，必須對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律加以研究。以條并卷聯(lián)合機(jī)的機(jī)架左下角為原點(diǎn)建立如圖2所示的正交坐標(biāo)系，x軸與地基平行，表示機(jī)器的寬度，y軸沿鉛垂方向，表示機(jī)器的高度，x軸和y軸單位為mm。

2.1 棉卷中心O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建立

棉卷筒管3放在成卷羅拉上，在成卷羅拉的帶動(dòng)下，棉層被卷繞在筒管上，形成棉卷。2個(gè)成卷羅拉的直徑為700 mm，棉卷筒管的直徑為200 mm。隨著卷繞的進(jìn)行，筒管上的棉層越來(lái)越多，棉卷增大，棉卷的中心位置升高，如圖2所示。設(shè)棉卷中心為O，O點(diǎn)的坐標(biāo)為(xO,yO)，后前成卷羅拉的中心O1,O2坐標(biāo)分別為(xO1,yO1)，(xO2,yO2)。設(shè)O1O2連線的中點(diǎn)為O4，坐標(biāo)為(xO4,yO4)，則由幾何學(xué)[8]可知：

(1)

(2)

OO4是等腰△O1OO2的邊O1O2上的高，其長(zhǎng)度設(shè)為h。設(shè)OO1的長(zhǎng)度為l1，設(shè)O1O4長(zhǎng)度為l2。則：

(3)

(4)

(5)

如圖2所示，OO4和O4點(diǎn)與x軸平行的水平線所夾銳角設(shè)為θ1，O1O2和O1點(diǎn)與y軸平行的鉛垂線所夾銳角設(shè)為θ2，由圖可知，兩邊互相垂直的夾角θ1=θ2。

(6)

所以θ1可知，則棉卷中心O點(diǎn)的坐標(biāo)為：

xO=xO4+h×cos(θ1)

(7)

yO=yO4+h×sin(θ1)

(8)

2.2 剛體O3AB運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建立

2.2.1 剛體上B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建立

由圖2可知，加壓機(jī)構(gòu)中剛體O3AB于擺動(dòng)支點(diǎn)O3與機(jī)架鉸接，O3坐標(biāo)為(xO3,yO3)，O3B長(zhǎng)度為l5，連桿OB的長(zhǎng)度設(shè)為l4，O3點(diǎn)到O點(diǎn)的距離設(shè)為l8，則

(9)

O3O連線與x軸所夾銳角設(shè)為θ4，∠OO3B設(shè)為θ5，則：

(10)

(11)

B點(diǎn)的坐標(biāo)為

(12)

(13)

2.2.2 剛體上A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建立

O3AB為剛體，O3B長(zhǎng)度l5已知，AB長(zhǎng)度設(shè)為l6，l6已知,O3A長(zhǎng)度設(shè)為l7，l7已知，∠AO3B大小也已知，設(shè)為θ3，所以A點(diǎn)的位置坐標(biāo)為

(14)

(15)

3 加壓機(jī)構(gòu)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的建立

加壓機(jī)構(gòu)要施加合適的棉卷壓力，還必須研究機(jī)構(gòu)加壓運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的力學(xué)情況。

3.1 棉卷力學(xué)數(shù)學(xué)模型的建立

在棉卷形成過(guò)程中，棉卷質(zhì)量及成卷羅拉對(duì)棉卷的摩擦力忽略不計(jì)，棉卷上共有3個(gè)共點(diǎn)力，如圖3所示。

圖3 棉卷壓力分析Fig.3 Analysis of lap pressure

棉卷比較大的時(shí)候由于所受壓力較大，將產(chǎn)生一定的變形，使得棉卷并非絕對(duì)圓形，在此，為了研究方便，將卷繞過(guò)程中的棉卷假設(shè)為圓形。由于假設(shè)與實(shí)際情況的差異，可能會(huì)造成在棉卷較大時(shí)，理論計(jì)算壓力偏小。

3個(gè)共點(diǎn)力分別設(shè)為F1、F2和Q，F(xiàn)1、F2分別為后、前成卷羅拉對(duì)棉卷的支持力，即成卷羅拉對(duì)棉卷的壓力。為保持棉卷密度均勻，則要求棉卷形成過(guò)程中，F(xiàn)1、F2能夠隨著棉卷卷繞直徑的增長(zhǎng)而逐漸、穩(wěn)定增長(zhǎng)，使得棉卷每層厚度相同，從小卷到滿卷松緊一致。Q為升降臂通過(guò)夾持圓盤施加到棉卷上的力。F1、F2和Q分別沿圖2中OO1連線、OO2連線和升降臂OB方向。設(shè)F1、F2和Q與x軸所夾銳角分別為f1、f2和f3，由前面運(yùn)動(dòng)分析中點(diǎn)的坐標(biāo)可求得

(16)

(17)

(18)

根據(jù)力學(xué)知識(shí)[9]可知，棉卷滿足平衡方程:

(19)

F1×sinf1=0

(20)

通過(guò)式(19)、(20)可找出成卷羅拉對(duì)棉卷的支持力F1、F2與升降臂拉力Q之間的關(guān)系，分別為：

3.2 剛體O3AB力學(xué)數(shù)學(xué)模型的建立

如圖4所示，設(shè)剛體擺動(dòng)支點(diǎn)O3點(diǎn)到升降臂4的垂直距離為l9，∠O3BO為θ6，結(jié)合圖2得：

(23)

(24)

圖4 剛體力學(xué)分析Fig.4 Mechanical analysis of rigid body

同理，設(shè)O3點(diǎn)到活塞桿6的垂直距離為l10，∠O3AO5為θ7，結(jié)合圖2，A點(diǎn)到氣缸鉸接點(diǎn)O5的距離為l11，O3點(diǎn)到氣缸鉸接點(diǎn)O5的距離為l12，氣缸鉸接點(diǎn)O5坐標(biāo)設(shè)為(xO5,yO5)，則：

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

由式(29)可得：

(30)

把式(21)、(22)分別代入式(30)得：

U=F1×(cosf2×sinf1+cosf1×

sinf2×l9)/(sinf3×cosf2+sinf2×

(31)

U=-F2×(cosf2×sinf1+cosf1×

sinf2×l9)/(sinf1×cosf3-

(32)

由式(31)、(32)，可建立氣缸活塞桿推力U與最終作用在棉卷上的壓力F1、F2之間的關(guān)系。

棉卷成型要保持良好，則作用在棉卷上的壓力F1、F2隨棉卷增大能夠合理、穩(wěn)定增加，使棉卷在卷繞過(guò)程中，不粘連，不松動(dòng)，質(zhì)量不勻率低。棉卷壓力F1、F2是由加壓氣缸的活塞桿推力U決定的，所以，確定合適的活塞桿推力U即確定合適棉卷壓力，能保證棉卷成型良好。

活塞桿推力由氣缸壓強(qiáng)和氣缸截面積決定。設(shè)氣缸截面積為S，氣缸壓強(qiáng)為P，則氣缸壓強(qiáng)與活塞桿推力之間的關(guān)系可表示為

P=U/S

(33)

4 棉卷加壓在線控制

4.1 棉卷加壓氣缸壓強(qiáng)曲線

通過(guò)上面運(yùn)動(dòng)學(xué)及力學(xué)分析，建立棉卷成型中棉卷所受壓力與氣缸壓強(qiáng)之間的關(guān)系。將上述的常量、變量，式(1)～(33)聯(lián)立，在MatLab中編制M文件[10]。

例：

坐標(biāo)單位為mm，l4=1 019.9 mm，l5=300 mm，l6=401 mm，l7=438 mm。利用plot命令畫出棉條定量變化時(shí)，保持棉卷密度均勻、成型良好，氣缸壓強(qiáng)隨棉卷長(zhǎng)度變化的曲線，如圖5所示。

圖5 不同棉條定量、卷繞長(zhǎng)度時(shí)氣缸加壓曲線Fig.5 Cylinder pressure curves as different sliver quantitations and different coiling lengths

由圖5所示氣缸加壓曲線，能得到不同棉條定量，不同卷繞長(zhǎng)度時(shí)，棉卷加壓氣缸應(yīng)施加的壓強(qiáng)?？梢钥闯觯翰还苊迼l定量如何，隨棉卷卷繞長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，氣缸施壓都應(yīng)增加。氣缸壓強(qiáng)的增加和棉卷卷繞長(zhǎng)度的增長(zhǎng)并非成線性關(guān)系，而是在卷繞初期增長(zhǎng)較快，卷繞后期增長(zhǎng)較慢。當(dāng)棉條定量增加時(shí)，整個(gè)卷繞過(guò)程中氣缸壓強(qiáng)都增大。

4.2 棉卷加壓曲線模擬

對(duì)圖5所示壓強(qiáng)曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)它們符合多項(xiàng)式曲線的特點(diǎn)，使用MatLab中的polyfit功能擬合[11]，得到最小方差時(shí)，不同棉條定量時(shí)氣缸壓強(qiáng)隨棉層卷繞長(zhǎng)度變化的五次方程為

5.64×10-3×x+1.21+(K-1.2)×10×

x2+3.85×10-4×x+0.100 3

(34)

式中：Y為氣缸壓強(qiáng);K為不同棉條定量時(shí)的初始?jí)簭?qiáng);X為棉層長(zhǎng)度。

式(34)闡明了棉層卷繞長(zhǎng)度與加壓氣缸壓強(qiáng)之間的關(guān)系。將五次擬合方程得出的曲線與圖5的壓強(qiáng)曲線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比圖像如圖6所示。

圖6 擬合曲線與壓強(qiáng)曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of fitting curve and pressure curve

從圖6可看出：根據(jù)擬合五次多項(xiàng)式方程得出的曲線，與圖5中的氣缸壓強(qiáng)曲線幾乎重合，2根曲線之間誤差很小，證明了擬合方程的正確性。

把式(34)輸入可編程控制器PLC，可在線控制電子比列閥，比例閥按照方程所確定規(guī)律調(diào)節(jié)不同棉層卷繞長(zhǎng)度時(shí)輸入氣缸的壓強(qiáng)，調(diào)節(jié)后的氣缸力通過(guò)上面所述加壓機(jī)構(gòu)作用到棉卷上，使棉卷在卷繞過(guò)程中成型良好。

在山東明勝紡織有限公司使用上述棉卷壓力在線控制方法，實(shí)際生產(chǎn)棉卷的質(zhì)量不勻率可降至0.1%，故實(shí)踐驗(yàn)證本文理論與方法的正確性。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)條并卷聯(lián)合機(jī)棉卷加壓機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)建模，程序計(jì)算，得出了保持不同棉卷密度均勻的壓力曲線及方程。實(shí)際生產(chǎn)中把該方程輸入PLC，控制電子比例閥，按照方程所確定的規(guī)律在線調(diào)節(jié)加壓氣缸的壓強(qiáng)。實(shí)際生成棉卷的質(zhì)量不勻率可降至0.1%，證明了本文理論與方法的正確性。

不論工廠中棉條參數(shù)，機(jī)構(gòu)參數(shù)如何變化，都可按照本文的研究方法進(jìn)行機(jī)構(gòu)建模、軟件分析、實(shí)踐驗(yàn)證去研究棉卷成型，方法具有通用性。

紡紗過(guò)程中半制品的不勻率，是棉紡廠始終如一的研究方向，對(duì)于條并卷棉卷不勻率的研究還可以再深入，比如考慮到棉層的彈性，棉層卷繞速度等對(duì)棉卷不勻率的影響。

FZXB

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Lap pressure mechanism and its pressure of HC181 Unilap

JIA Guoxin1, REN Jiazhi2, FENG Qingguo2

(1.CollegeofTextiles,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou,Henan450007，China;2.CollegeofTextiles,ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou,Henan450007，China)

In order to obtain better lap forming and fine quality of combed slivers, the pressure mechanism and pressure on HC181 Unilap were studied. Kinematics and mechanical mathematical models of the pressure mechanism were developed to compile MatLab program and the pressure curve that kept lap forming better has been computed and drawn, and the corresponding pressure equation was simulated, which was put into PLC(programmable logic controller) for controlling electronic ratio valve and regulating cylinder pressure, thus effecting on-line control of lap pressure in the course of lap forming. Weight unevenness of practical lap produced by above method can decrease to 0.1%.

Unillap; pressure mechanism; lap; pressure analysis

0253- 9721(2013)07- 0115- 06

2012-07-28

2012-11-16

中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技指導(dǎo)性項(xiàng)目(2011159)

賈國(guó)欣(1975—)，女，副教授，碩士生。主要研究方向?yàn)樾滦兔藜徆に嚺c設(shè)備。E-mail:jgx.65@163.com。

TS 103.22.5

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