王曉維， 周國慶， 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)鉗板開閉口時間的研究

王曉維， 周國慶， 李新榮

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

為實現(xiàn)棉精梳機(jī)鉗板運動的精確控制，確定鉗板開閉口時間與工藝參數(shù)的定量關(guān)系，通過對鉗板傳動機(jī)構(gòu)、鉗板擺軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)及鉗板運動原理的分析，建立了棉精梳機(jī)鉗板開閉口時間的計算模型，得出影響開閉口定時及閉合時間的因素，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)分離隔距與鉗板開閉口時間的定量關(guān)系。研究結(jié)果可為棉精梳機(jī)鉗板開口控制技術(shù)提供參考。

棉精梳機(jī)； 鉗板機(jī)構(gòu)； 開閉口時間； 分離隔距

棉精梳機(jī)鉗板機(jī)構(gòu)包括鉗板擺軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)、鉗板傳動機(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的須叢送向分離機(jī)構(gòu)[1]。因此，鉗板機(jī)構(gòu)的開閉口定時以及閉合時間的長短與錫林的梳理、分離接合機(jī)構(gòu)密切相關(guān)，對須叢梳理質(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]，通過修改機(jī)構(gòu)參數(shù)，分析鉗板機(jī)構(gòu)參數(shù)對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)越來越不明顯，急需突破性的技術(shù)創(chuàng)新。未來精梳機(jī)將進(jìn)一步向高速、高質(zhì)、自動化、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，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，鉗板開口控制技術(shù)的開發(fā)是研制高效精梳機(jī)的要點之一[9-10]。為精確控制鉗板運動，應(yīng)明確鉗板開閉口時間與工藝參數(shù)的定量關(guān)系。因此，對鉗板開閉口時間的定量研究十分必要。

本文采用矢量法對鉗板傳動機(jī)構(gòu)、鉗板擺軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析計算，并結(jié)合鉗板的運動原理建立了完整的開閉口定時及閉合時間的計算模型，得到影響精梳機(jī)鉗板開閉口時間的因素，并得到分離隔距與鉗板開閉口時間的定量關(guān)系。本文研究可為棉精梳機(jī)鉗板開口控制技術(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)簡化圖。錫林軸到鉗板擺軸的距離為L0；鉗板前擺臂的長度為L5，鉗板前擺臂與X軸的夾角為θ5；鉗板后擺臂的長度為L3，鉗板后擺臂與X軸的夾角為θ31；下鉗板的長度為L4，下鉗板與X軸的夾角為θ4；下鉗板分為2部分為L41和L42；上鉗板架長度為L6；偏心導(dǎo)桿、偏心輪和皮老虎簡化為虛擬桿7，長度為L7；EH為虛擬桿8，長度為L8，與X軸的夾角為θ8；AH為虛擬桿10，長度為L10，與X軸的夾角為θ10；OH為虛擬桿11，長度為L11，與X軸的夾角為θ11；A、H兩點的水平距離為Lx,A、H兩點的垂直距離為Ly；O、H兩點的水平距離為Lx1,O、H兩點的垂直距離為Ly；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，長度單位為mm。圖1 精梳機(jī)鉗板機(jī)構(gòu)簡化圖Fig.1 Schematic diagram of nipper mechanism of cotton comber

1.1 計算虛擬桿與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個軸上分解得：

(3)

整理可得：θ8=π+

(4)

1.2 計算下鉗板與X軸夾角

OACD在各矢量的方向上有

(5)

在X、Y2個軸上分解，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，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，即鉗板前后運動與鉗板開口的關(guān)系。

1.4 偏心軸機(jī)構(gòu)計算

圖2示出偏心機(jī)構(gòu)簡圖。

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

圖2中Lth為加壓彈簧長度；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齒輪箱傳動，傳動比一定，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長度L7的關(guān)系，利用計算機(jī)建立數(shù)學(xué)模型，并列2個關(guān)系得鉗到板開閉口瞬時θ31k、θ31b、L7k、L7b。

2 鉗板開閉口時間

棉精梳機(jī)的所有機(jī)構(gòu)都是以精梳分度值為運動時間坐標(biāo)，精梳工藝將1個運動周期(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]對鉗板機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化，機(jī)構(gòu)簡圖見圖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)簡圖Fig.4 Schematic diagram of nipper balance shaft motion

將棉精梳機(jī)錫林軸1的運動周期分為40分度，即以9°為1分度，設(shè)分度數(shù)為F，當(dāng)24分度時鉗板在最前位置1處，此時鉗板擺軸的角位移θ3為θ3q；輸入軸的角位移θ1為θ1q；鉗板開始開口時(F為Fk)，鉗板擺軸的角位移θ3為θ3k；輸入軸的角位移θ1為θ1k，鉗板開始閉合時(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個軸上分解，可得：

(23)

計算可得：

(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 鉗板運動原理圖Fig.5 Schematic diagram of nipper motion

鉗板運動原理如圖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)鉗板運動到最前位置24分度時Lf=B(B為分離隔距)，此時Lf最小，通過式(8)、(28)可求得θ31與θ5在24分度時的角度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、開閉口瞬時彈簧長度Lth=110 mm、B的范圍為19～26 mm。

計算過程為：由式(1)～(20)得到鉗板開閉口瞬時θ31k、θ31b；由式(8)、(28)求得θ31與θ5在24分度時的角度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，得到鉗板開口和閉合的輸入軸分度數(shù)分別為Fk、Fb。

(32)

實驗結(jié)果如表1所示。表中，B為分離隔距；θ1k、θ1b為鉗板開口和閉合的錫林軸弧度數(shù)；Fk、Fb為鉗板開啟和閉合時錫林軸的分度值；Tks、Tbs為鉗板開口和閉合時間段對應(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閉口分度值之差的絕對值； |△Tks|、|△Tbs|為相鄰分離隔距值得到的鉗板開閉時間分度值之差的絕對值。

(33)

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

4 結(jié) 語

1)鉗板開閉口定時及閉合時間由分離隔距B、偏心軸與鉗板擺軸的傳動比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，鉗板開口定時Fk提前為0.38～0.51分度，閉口定時Fb推后為0.45～0.51分度，閉合時間Tbs增加為0.89～0.95分度。

3)分離隔距減小，開口定時提前有利于錫林梳理后的棉叢提早抬頭，對分離接合工作有利；閉口定時推后，容易出現(xiàn)棉叢被錫林梳針抓走等問題；閉合時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)的開閉口定時以及閉合時間與錫林的梳理、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。

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

FZXB

[1] 劉國濤.現(xiàn)代棉紡技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:中國紡織出版社, 2001:84-124. LIU Guotao. Modern Cotton Textile Technology Basis[M]. Beijing: China Textile & Apparel Press, 2001:84-124.

[2] E80 Comber for productivity, quality & economy[J]. Indian Textile Journal, 2012, 122(12):95.

[3] KULKARNI S G, PRAMOD R Badbade, NIYIN V Kalas, et al. Optimization of comber draft[J]. Indian Textile Journal, 2007,117(10):30-32.

[4] 賈國欣,任家智,楊玉廣. E62精梳機(jī)鉗板機(jī)構(gòu)參數(shù)對鉗持工藝性能的影響[J]. 紡織學(xué)報,2008,29(12):83-86. JIA Guoxin, REN Jiazhi, YANG Yuguang. Influence of nipper machine parameter of E62 comber on nipper holding process performance [J]. Journal of Textile Research, 2008, 29(12): 83-86.

[5] 賈國欣,任家智,郝鳳鳴. E7/6型精梳機(jī)偏心軸參數(shù)對工藝性能的影響[J]. 棉紡織技術(shù),2003(12):722-726. JIA Guoxin, REN Jiazhi, HAO Fengming. Influence of eccentric axis parameter on its processing property of E7/6 comber[J].Cotton Textile Technology, 2003(12):722-726.

[6] 任家智, 郁崇文. E7/6 型精梳機(jī)曲柄半徑對工藝性能的影響[J] . 紡織學(xué)報, 2004, 25(4):45-46. REN Jiazhi, YU Chongwen. Influence of crack radius of E7/6 type comber on its process performance[J]. Journal of Textile Research, 2004, 25(4): 45-46.

[7] 位迎光,龐家璐. 棉紡機(jī)械的技術(shù)發(fā)展與展望[J]. 紡織導(dǎo)報,2010(8):42-47. WEI Yingguang, PANG Jialu. Technology status and outlook of spinning machery[J]. China Textile Leader, 2010(8): 42-47.

[8] 周金冠. 新型精梳機(jī)在不斷創(chuàng)新中發(fā)展[J]. 棉紡織技術(shù),2012(1):5-7. ZHOU Jinguan. Innovation and development of new comber[J]. Cotton Textile Technology, 2012(1):5-7.

[9] 劉允光. 國產(chǎn)高效能精梳機(jī)技術(shù)發(fā)展近況與建議[J]. 棉紡織技術(shù),2012(5):65-68. LIU Yunguang. Development situation and suggestion of domestic high efficiency comber technology[J].Cotton Textile Technology, 2012(5):65-68.

[10] 劉允光. 高效能精梳機(jī)相關(guān)工藝技術(shù)分析[J]. 棉紡織技術(shù),2013(8):15-19. LIU Yunguang. Technology analysis of high efficiency

comber processing[J] .Cotton Textile Technology, 2013(8):15-19.

[11] 華大年，唐之偉.機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計[M].北京:中國紡織出版社,1985:10. HUA Danian, TANG Zhiwei. Mechanism Analysis and Design[M]. Beijing: China Textile & Apparel Press, 1985:10.

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

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2010CB334711)

王曉維(1990—)，女，碩士生。主要研究方向為紡織機(jī)械設(shè)計及自動化。李新榮，通信作者，E-mail: lixinrong7507@hotmail.com。

10.13475/j.fzxb.20140603606

TS 112.2

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