棉精梳機分離運動的傳動方式探討

張慧芳

(上海一紡機械有限公司,上海200050)

目前國內(nèi)外棉精梳機分離運動的傳動方式基本有3大類：第1類是以瑞士某公司為代表的四連桿機構(gòu)的傳動方式,其不僅歷史悠久且至今使用最廣泛；第2類是20世紀80年代誕生的以意大利某公司為代表的機械凸輪加行星輪系合成的傳動方式；第3類是2005年中國上海一紡機械有限公司披露并成功應(yīng)用的以具有電子凸輪功能的伺服電機直接驅(qū)動的傳動方式[1-2]。由于近年電氣自動化領(lǐng)域的發(fā)展迅猛,第3類傳動方式給傳統(tǒng)的機械傳動方式帶來了一場變革,最近又衍生了其他幾種相關(guān)傳動。

本文介紹并探討了第3類分離運動的傳動方式。

1 精梳機分離傳動的特點、基本構(gòu)成形式及比較

1.1 棉精梳機分離傳動的特點

棉精梳機在棉紡廠前紡工序中的重要任務(wù)就是去除棉纖維中的雜質(zhì)、短絨,提高棉纖維的伸直度等。精梳機在運行過程中通過鉗板(負責(zé)握持棉網(wǎng))、錫林(負責(zé)下層梳理任務(wù))、頂梳(負責(zé)上層梳理任務(wù))、分離羅拉(負責(zé)拉伸和退回再搭接棉層任務(wù),因此是往復(fù)運動)、吸風(fēng)系統(tǒng)(負責(zé)吸走短纖維和梳理落下的雜質(zhì)等)的配合(如圖1所示)來完成整個梳理工序,其中最關(guān)鍵的運動就是分離羅拉高變速正反向切換的往復(fù)運動。隨著近幾年棉精梳機車速的逐漸提高,已經(jīng)有了500鉗次/分鐘(nips/min)的高速精梳機,即分離羅拉以500周期/分完成正反轉(zhuǎn)、且加速度最大達到20 000rad/s2以上,否則就不能理想、快速、精確地完成梳理。

圖1 梳理運動結(jié)構(gòu)

1.2 第1類傳動方式——四連桿機構(gòu)驅(qū)動分離羅拉

該傳動方式是以瑞士某知名紡機制造商為代表的延續(xù)了大半世紀的傳統(tǒng)型傳動方式。其特點是結(jié)構(gòu)比較簡單、制造方便,故仿制相對容易。因此國內(nèi)許多棉精梳機制造商都學(xué)習(xí)應(yīng)用了這樣的傳動方式。經(jīng)實踐證明,此方式在精梳機車速處于300 nips/min以下時,一般的機械制造水平都能取得比較好的效果,同時這些制造商也確實分享到了棉精梳機國內(nèi)市場的一定份額。隨著棉精梳機車速的不斷提高,制造、安裝精度高的國外企業(yè),仍然還可沿用四連桿機構(gòu)的傳統(tǒng)方式,使精梳機的車速達到500 nips/min。然而這樣的傳動方式能夠如此高速是相當(dāng)不易的。相比之下,不少同樣是仿制四連桿機構(gòu)的精梳機設(shè)備,在車速達到350 nips/min時,車頭的噪聲、振動都比較大。

1.3 第2類傳動方式——機械凸輪加行星輪合成驅(qū)動分離羅拉

該方式是以機械凸輪來達到分離羅拉所需要的加速度,并由共軛凸輪和行星輪系的合成來達到分離羅拉所需要的往復(fù)運動(如圖2所示)。從機械運動的精確性來講,機械凸輪與四連桿機構(gòu)相比,制造與安裝精度更容易保證,精梳機在開車運行中的車頭噪聲和振動前者較小,即使車速達到400 nips/min,其噪聲和振動也增加不多。

為使機械凸輪在長期運行中耐于磨損,故對其材料要求較高,以確保分離運動的加速度不會隨著機械凸輪的磨損而惡化。因此,該結(jié)構(gòu)的制造成本也高于四連桿機構(gòu)。

從圖2可見,第2類傳動方式的機械結(jié)構(gòu)還是相當(dāng)復(fù)雜的,從源傳動軸到分離羅拉的傳動齒輪必須經(jīng)過共軛凸輪組、擺桿、行星輪系等,其中由于分離運動的加速度軌跡主要依靠共軛凸輪的特性來完成,所以加速度曲線的極值取決于凸輪的設(shè)計和制作精度。

圖2 第2類傳動方式

1.4 第3類傳動方式——以伺服電機直接驅(qū)動分離羅拉

2003年起,上海一紡機械有限公司打破了棉精梳機僅有以上2類傳動方式的傳統(tǒng),通過與高速發(fā)展的電氣自動化的結(jié)合,發(fā)明了第3類分離羅拉的傳動方式,即采用具有電子凸輪功能的伺服控制器及伺服電機取代了傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu),由伺服電機直接驅(qū)動分離羅拉(如圖3所示)。其工作原理是用軟件編程的方法控制伺服電機對其傳動的元件進行類似于機械組件軌跡的運動,并且同時實現(xiàn)對主傳動的準(zhǔn)確跟蹤。

工作時,伺服電機在幾十毫秒的時間周期里,既要準(zhǔn)確地跟蹤主軸,又要根據(jù)事先設(shè)定好的軌跡,作正反向的快速切換。由于應(yīng)用了電子凸輪,并通過大量的數(shù)字化軟件編程的方法將分離羅拉的多根運行軌跡儲存在控制器里,在工藝需要時,可以通過人機界面隨時實現(xiàn)輕松切換。由于電子凸輪是虛擬的,無磨損,且電子凸輪的精度高,每個周期可以描繪幾千個點位,曲線切換亦方便。而傳統(tǒng)方式更換一個機械凸輪及相關(guān)零件要花半天以上時間才能完成。

圖3 第3類傳動方式

理論上,傳動方式只要電機的負載能力可行,車速高并不會由于分離運動加速度增大而產(chǎn)生更大的噪聲和振動。

這種新穎的傳動方式的特點是其分離運動軌跡可以根據(jù)工藝需要來調(diào)節(jié)和選用,只要機械制造商在開發(fā)過程和工藝完善中,將適應(yīng)不同棉花品種、各種工藝要求的分離運動軌跡事先設(shè)計好并編排在一個“專家導(dǎo)航系統(tǒng)”之內(nèi),在使用設(shè)備的過程中,用戶只要根據(jù)菜單選擇需要的分離運動曲線參數(shù)、機械參數(shù)即可[3]。

其優(yōu)點是減少了中間環(huán)節(jié),圖3的結(jié)構(gòu)與圖2相比就顯得相當(dāng)簡單。缺點是對伺服電機的負載能力要求較高,目前該類伺服電機還依賴于進口,成本有所增加。

1.5 第3類傳動方式的優(yōu)勢

精梳機分離羅拉運動的速度特征就是高速的正反向運動,隨著車速的提高,其加速度亦增大。由于電子凸輪的精度相當(dāng)高,其運行軌跡幾乎等于理想值,所以分離運動的加速度曲線是光滑和連續(xù)的,如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)的分離羅拉加速度

對于采用機械凸輪與行星輪組合的第2類傳動方式,機械加工和安裝存在一定的累積誤差,使得實際形成的分離羅拉加速度曲線不可能是光滑而連續(xù)的。而采用四連桿機構(gòu)的第1類傳動方式得到的分離運動曲線會比第2類傳動方式產(chǎn)生更大的累積誤差。通過理論分析,假定累積誤差達到0.02 mm,會給分離運動的加速度帶來非常厲害的負面效應(yīng),使得該加速度曲線產(chǎn)生明顯的跳變。如果整個周期中有幾個這樣的跳變,那么加速度軌跡就完全發(fā)生畸變,最大的加速度值將成倍放大。假定以上的加速度曲線等效于應(yīng)用機械凸輪的分離運動加速度軌跡,又假定在機械凸輪的277°和 303°兩處的位移量都增加0.02mm,得到的加速度曲線將如圖5所示。此時的分離運動加速度峰值已經(jīng)上升到93 000 rad/s2。反向達到了-130 000 rad/s2。

圖5 兩處誤差0.02mm的分離運動加速度

如果以上兩處的誤差分別是+0.05 mm,則得到的加速度曲線還會發(fā)生很大變化,注意它的極值已經(jīng)遠遠超過了原來的20 000 rad/s2,而達到了200 000 rad/s2,反向竟達-300 000 rad/s2,已經(jīng)擴大了15倍!如圖6所示。

圖6 兩處誤差0.05mm的分離運動加速度

由于分離運動本身的速度高、加速度大,所以它的加速度會隨位移量的變化而顯得非常敏感?？梢?對于傳動分離羅拉的驅(qū)動元件的精度要求很高。因此,高速精梳機在運用四連桿機構(gòu)時,機械加工、安裝精度不夠高的許多設(shè)備在車速開到350 nips/min以上時其噪聲和振動就很大。只有機械加工水平相當(dāng)高的國外同行才有可能運用第1類傳動方式,使精梳機車速達到500 nips/min,但是這種高水平的制造并非國內(nèi)企業(yè)能夠輕易模仿。

即使采用了第2類傳動方式,如果其加工精度不能保證,只要在整個凸輪中出現(xiàn)幾處0.02mm左右的誤差也將很大程度上影響到主傳動的沖擊以及引起車頭箱猛烈的噪聲。

顯然,運用第3類傳動方式可以較好地規(guī)避由于機械加工、安裝不夠精準(zhǔn)而令分離運動加速度惡化的不利因素。

2 第3類傳動方式的衍生方案分析

自從上海一紡機械有限公司推出首臺可實物運行的第3類分離傳動方式的新穎設(shè)備——運用伺服電機直接驅(qū)動分離羅拉的棉精梳機以來,這種傳動方式受到了不少同行的關(guān)注。同時,也掀起了各家制造商、研究單位、有關(guān)高等院校對于應(yīng)用第3類傳動方式的研制熱情?，F(xiàn)今,至少已有3～5家制造商也作了這方面的嘗試(暫時還都未達到可用于棉紡廠實物運轉(zhuǎn)的程度),現(xiàn)正在努力開發(fā)之中,相信一定會有越來越多的企業(yè)重視和明白這一傳動方式將是棉精梳機分離羅拉提升速度的有效途徑。國內(nèi)精梳機分離運動方式的進步也得到了國家科技部的肯定,現(xiàn)在國家科技部已與上海一紡機械有限公司簽下了“數(shù)字化多軸伺服驅(qū)動精梳機”的科技項目,并撥專款給予支持。立項至今,在第3類分離傳動方式的基礎(chǔ)上,已先后研制了借助于伺服電機與機械結(jié)構(gòu)相結(jié)合的其他幾種分離傳動方式,現(xiàn)分別介紹如下。

2.1 勻速電機加伺服電機通過行星輪系合成傳動分離羅拉

該傳動方式的特點是將原來正反轉(zhuǎn)的分離羅拉變速運動改成了單方向的變速運動,采取的方式是將原有分離羅拉的速度曲線完全上移到橫坐標(biāo)上方(見圖7中紅色曲線),這樣執(zhí)行變速運動的伺服電機就只需進行單方向的轉(zhuǎn)動了。然而該方式只是平移了速度曲線,所以將該速度曲線微分后得到的加速度曲線將不會發(fā)生改變,而伺服電機的平均速度要大大增加,電機做的功也隨之增大。另外還需要增加一個反向運動的勻速電機(見圖7中粉紅色直線),兩者通過行星輪系合成后得到分離羅拉所需要的變速運動軌跡(見圖7中綠色曲線)。

優(yōu)點：伺服電機只作單方向運動。

缺點：功耗大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高,需要行星輪機構(gòu)將2個傳動曲線合成。

圖7 分離羅拉線速度合成示意圖

經(jīng)伺服電機的實際空載試驗,以提高平均速度為代價的單方向運行效果并不理想,在同樣時間內(nèi),做以上單方向運動的電機溫升要略高于做以上正反向運動的電機。

2.2 2個伺服電機通過行星輪系合成來傳動分離羅拉

由于在開發(fā)第3類分離傳動方式后,已經(jīng)明白制約類似機器車速的難點在于該機種分離羅拉的瞬時加速度非常大,而伺服電機的負載能力完全取決于所驅(qū)動對象的轉(zhuǎn)動慣量、運行速度和加速度。因而除了減輕負載的轉(zhuǎn)動慣量外,降低負載的加速度成了項目的關(guān)鍵任務(wù)之一。于是設(shè)想通過2個伺服電機的合成來分擔(dān)加速度,最終達到降低加速度極值的目的。

優(yōu)點：分離運動軌跡拆開后,可降低原有分離運動的加速度達50%。

缺點：結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜,成本高。

方法：可按需要將圖4中的分離運動加速度曲線分解成2根,使每根加速度的極大值相對降低,這樣可以有效提高伺服電機的負載能力。

2.3 2個伺服電機通過機械齒輪硬連接合成傳動分離羅拉

優(yōu)點：分離運動軌跡拆開后,可大為降低原有分離運動的加速度,結(jié)構(gòu)較為簡單。

缺點：對2個伺服電機的同步要求相當(dāng)高,否則就容易損壞機械零件。

軟件分拆曲線方式同2.2節(jié),此方法也能提高伺服電機的綜合負載能力。

2.4 機械凸輪加伺服電機合成傳動分離羅拉

優(yōu)點：結(jié)合機械與電子技術(shù)的各自優(yōu)點,發(fā)揮了機械結(jié)構(gòu)承載慣量大、電子凸輪曲線可調(diào)的長處,兩者結(jié)合后,可望突破高速精梳機現(xiàn)有的技術(shù)瓶頸。在實現(xiàn)精梳機高速運行的同時,還能使合成后的運動軌跡隨意可調(diào),從而滿足不同的紡紗工藝要求[4],發(fā)明專利正處于公示階段。

缺點：機械結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜。

3 分離運動傳動方式的進一步探索

理想的精梳機分離傳動方式應(yīng)該是,既要適應(yīng)更高的車速,又要靈活多變地適應(yīng)各類棉紡纖維的品種以及不同需求的工藝配置等。因此,最大限度地發(fā)揮伺服電機的作用將是今后一段時間內(nèi)引起各精梳機制造商重視的關(guān)鍵技術(shù)。隨著精梳機車速的不斷提高,分離羅拉的加速度也必須相應(yīng)提高,才能在更短的時間周期里完成分離、搭接等梳理運動。如果只注重追求控制方式的性價比就會進入研發(fā)的死胡同。根據(jù)目前的研究,除了可以在上述方法中尋找出一種最適合自己設(shè)備運動控制的合成方式,還可探究出通過改變分離羅拉的運動規(guī)律直接降低分離運動的加速度,即在同樣車速下,降低圖8中黃色扭矩的峰值,只有降低了分離運動的加速度才是推廣應(yīng)用伺服電機組合控制分離羅拉運動的較好途徑,這樣就可克服伺服電機由于加速度大而受到的制約。因而要悉心研究原有的分離運動軌跡,在不違反工藝需要的前提下設(shè)計一種新穎的分離運動曲線,使分離羅拉的加速度比傳統(tǒng)的同類機器大為降低。如果該技術(shù)的研制和試驗?zāi)苁狗蛛x羅拉順利完成梳理工作,那么運用伺服電機直接驅(qū)動分離羅拉的運動將是本文所有方案中最為經(jīng)濟而有效的,會有較大的發(fā)展空間。

圖8 伺服電機負載曲線圖

4 結(jié) 語

隨著生活水平的不斷提高,人們對高支(精梳)紗的需求將日益增多。而伴隨著世界經(jīng)濟中心逐漸進入亞洲、進入中國,未來市場對國內(nèi)高速精梳機的需求也將隨之增多。因此,加快開發(fā)適紡纖維廣、適應(yīng)市場、高性價比的高速精梳機是所有從事研發(fā)、制造棉精梳機人的應(yīng)有責(zé)任。我們相信,國內(nèi)不斷會有好的新產(chǎn)品推出,從而能與一流的國外設(shè)備相抗衡。

[1] 上海一紡機械有限公司.一種具有工業(yè)總線的精梳機控制系統(tǒng)：中國,200510027373.9[P].2008-08-06.

[2] 劉恒琦,鄭秀實,陳光強,等.第十一屆上海國際紡織工業(yè)展覽會分析報告[R].上海：上海市紡織工程學(xué)會,2005：1-6,53-58,329-332.

[3] 上海一紡機械有限公司.一種棉精梳機分離羅拉的傳動結(jié)構(gòu)：中國,03230334.3[P].2004-05-19.

[4] 上海一紡機械有限公司.一種精梳機動力的驅(qū)動結(jié)構(gòu)：中國,200920071059.4[P].2010-01-27.