细纱机牵伸机构正压力分布的有限元分析

细纱机牵伸机构正压力分布的有限元分析

在棉纺系统中，张力过程是反映设备性能和影响生产能力最重要的部分。其对半成品质量、成纱条干均匀度及成品外观质量都有很大影响。由罗拉牵伸的基本原理可知,浮游纤维运动和变速主要取决于控制力和引导力的大小,因此为使浮游纤维不提早变速,必须加强控制力,即提高牵伸区内须条的中后部摩擦力界的强度和扩展强度,使整个摩擦力界的分布接近理论要求;所以摩擦力界分布状况的好坏,直接影响牵伸装置工作过程中成纱质量的高低。目前国外在这方面的研究主要围绕工艺参数对牵伸的影响,偏重于理论;我国在牵伸理论方面的基础研究不多,主要是结合生产工艺,针对某一具体设备,根据工艺实验来制定工序和设置参数,由于各种设备的具体情况不同,所得出的结论还不一致,甚至有相悖之处,这说明我国在牵伸技术领域缺乏具有共性的基础研究。摩擦力界的分布状况直接由皮圈间的正压力决定,所以本文以细纱牵伸理论为基础,通过细纱机双皮圈牵伸装置的三维建模与有限元分析,得到皮圈间正压力的分布状况,并用实验验证了模型的正确性,形成了完整的细纱机双皮圈牵伸机构的模拟计算方法。该方法可用于指导细纱机牵伸装置的机构设计,并为控制摩擦力界和提高纺纱质量提供理论参考。1张力开发的张力政策本文分析的细纱机双皮圈牵伸装置为A513型细纱机上的牵伸装置,所采用的摇架为TF18型摇架,如图1所示。皮圈牵伸装置由转动轴、摇架体、连接棒、加压辊、定位辊、加压弹簧、上罗拉、下罗拉、上销、上销弹簧、下销、上皮圈、下皮圈和张力棒共14个部件组成。其主要工作原理为:通过张力棒向下皮圈施加张力使下皮圈张紧,保证下皮圈内表面在工作过程中与下销、下罗拉有效接触。转动轴位置固定,摇架体一端与转动轴连接,在工作开始时,轻压摇架体沿逆时针方向绕转动轴旋转一定角度,使加压弹簧压缩一定距离,对加压辊产生预紧力。加压辊一端与摇架体上的连接棒铰接,一端与定位辊铰接,在受到手柄施加的初始压力后加压辊绕连接棒转动,以此向定位辊施加初始压力,从而带动与之配合的上罗拉向下罗拉压紧。上销弹簧一端与加压辊固定,另一端与上销固定,同时上销仅能绕定位辊转动,通过定位辊的初始压力对上销弹簧施加初始预紧力,从而带动上销向下销压紧,使上皮圈外表面与下皮圈外表面紧密接触,形成牵伸区域。最后由下罗拉转动带动下皮圈运转,进而通过皮圈间及上皮圈和上罗拉间的摩擦力使整个牵伸装置进入工作状态。2伸展系统的静态正压测试2.1皮圈中部静态正压力分布的测定先取掉上皮圈、上销、上罗拉以及定位辊等装置,以上下罗拉接触钳口的位置画线作为基准,在下皮圈工作面中间沿须条运动方向画一铅笔线,起始线距罗拉钳口位置为3mm,而后以2mm间距做若干等分,直至上销钳口,如图2所示。将1条略宽于下皮圈宽度的棉布条沿铅笔线放平,头端落在距罗拉钳口3mm的起始线上,尾端固定在一小铁棒上,小铁棒用1根帘子线绕过定滑轮与力传感器的一端相连,传感器另一端用另一条帘子线挂一重物,然后装上上销、上皮圈、上罗拉以及定位辊等装置,压下摇架以施加压力。然后,缓慢增加质量,并通过PC端开始实时记录,当棉布条开始滑动时停止记录,并输出在整个拉力变化过程中的峰值。经过标定处理后即可得到离罗拉钳口线3mm处至皮圈钳口分离点之间摩擦力总和。之后以同样的方法,把棉布条的头端放在离罗拉钳口线5mm处,PC端记录的拉力峰值经过标定处理后即为该处至皮圈钳口分离点之间的摩擦力总和。二者读数之差即为距离罗拉钳口线3~5mm一段的静态摩擦力,除以布条与皮圈之间的静摩擦因数,即为该段皮圈上的正压力。这样连续测定,即可做出皮圈中部静态正压力分布的直方图。实验所用棉布条长度为400mm,厚度为0.12mm,宽度为28mm。采用同样的实验装置可测得棉布条与皮圈之间的静摩擦因数和动摩擦因数。实验测得棉布条与皮圈之间的静摩擦因数为0.88,动摩擦因数为0.54。2.2皮圈相关系数计算以距罗拉钳口3mm的第1个测量点为例,每次取张力检测系统所记录的张力峰值,取3次峰值的平均值经标定处理后可得到该点至皮圈钳口分离点摩擦力总和。图3示出由张力检测系统记录下的3次实验的张力曲线。3次实验测量的峰值分别为45.5602、46.0404、43.3356N,其平均值为44.9787N,经标定后再除以测得的棉布条与皮圈间的静摩擦因数0.88,即可得到第1测量点到皮圈钳口分离点的正压力总和,计算得134.9361N。将第15测量点的正压力与第14测量点的正压力求差,即为从第15测量点到第14测量点的2mm长度上的皮圈静态正压力值。由以上方法即可依次求出从第1点到第15点的正压力实验平均值及单位长度上的静态正压力值,结果如表1所示。在表1中,第0测量点表示皮圈钳口外无法握持布条的临界点。根据表中数值,以测量点到皮圈钳口的距离为X轴,根据实验得出相邻测量点之间单位长度上的正压力值为Y轴,绘制出细纱机双皮圈牵伸装置皮圈中部正压力分布的直方图,与摩擦力界分布图基本一致,如图4所示。3摇架体初始加压建立细纱机双皮圈牵伸装置的有限元模型,并确定边界载荷条件和有限元分析计算步骤,有限元模型如图5所示。在皮圈中部静态正压力的分析过程中,通过2步即可实现整个机构运动状况的仿真。第1步为张力棒加入张紧力矩,实现下皮圈的张紧,第2步在边界条件中设置摇架体绕其转动轴轴心逆时针旋转,实现摇架体的初始加压过程。第2步最后时刻为摇架体加压完毕后的稳定时刻。使用ABAQUS中的Explicit模块对皮圈牵伸机构在加压后静态稳定时皮圈牵伸区内正压力的分布进行分析计算。边界条件设置:张力棒张紧力矩为540N·mm;摇架体加压旋转角度为0.0174rad;上下罗拉与皮圈之间的摩擦因数为0.45,皮圈间摩擦因数为0.65,上下销与皮圈内表面摩擦因数为0.35。图6示出皮圈中部静态接触应力输出单元。输出下皮圈外表面单元的接触应力取稳定工作时刻皮圈单元的法向接触应力与单元面积的乘积,将所求的一列上所有单元法向接触力之和作为下皮圈该列单元上的正压力。以此类推,得到皮圈接触表面上所有成列单元的静态正压力。根据所得数值,以单元到皮圈钳口的距离为X轴,以单元列的正压力值为Y轴,以列单元宽度0.8174mm为单位长度,棉布条上下表面与皮圈接触产生的中部静态正压力的分布如图7所示。4调查的基础条件在e区范围内,各有侧重,细纱机双皮圈牵伸装置皮圈中部静态正压力分布状况的实验测定结果(见图4)以及有限元分析结果(见图7)显示,正压力分布可划分为5个特征区域,即A、B、C、D和E区,图中X轴0点为钳口分离点。其中:A区范围为从钳口分离点到皮圈钳口峰值右侧且不低于30%钳口峰值的列单元之间的所有列单元宽度之和;B区范围为皮圈钳口峰值到皮圈中部峰值之间高于其间最小正压力但不超过2N的所有列单元宽度之和;C区范围为皮圈中部不低于50%中部峰值的所有列单元宽度之和;D区范围为从皮圈中部峰值到罗拉钳口峰值区域之间,且高于其间最小正压力,但不超过2N的所有列单元宽度之和;E区范围取皮圈后部所有不低于30%罗拉峰值的列单元宽度之和。表2示出实验与有限元分析结果。通过对比发现,细纱机双皮圈牵伸装置的有限元分析所得出的静态正压力分布与实验所测得的皮圈静态正压力分布规律基本一致。实验与有限元分析的正压力值在B、C、D区差异较小,而在A区与E区有一定的差异。主要原因是有限元分析与实验测量在正压力特征区域分区上的差异,加上A区与E区为皮圈边界区域,正压力变化较大,所以会造成A区与E区正压力的实验值与有限元分析值有一定差异。具体分析认为:实验中2个测量点间距离为2mm,在实验实际操作中已经是很小的距离,但相对于有限元计算中的0.8174mm仍然相差较大,同时由于E区为罗拉钳口区域,罗拉钳口处正压力很大,所以即使在E区区域范围统计上有较小的距离差异,也会对正压力的大小有很大的影响;而A区为钳口区域,距皮圈分离点较近,靠近皮圈分离点的区域由于皮圈握持力较小,在实验中无法夹持布条,故实验认定值为零。在有限元分析中可读出包括皮圈分离点在内的任意位置的正压力,造成有限元分析对A区的区域统计范围比实验中测量的区域范围要大,所以有限元分析的正压力值在A区与E区会比实验值大一些,但皮圈中整体摩擦力界分布规律基本一致。可见有限元分析方法在细纱机双皮圈牵伸装置中的运用是正确并合理的。5细纱机双皮圈检