基于ADAMS的鋼絲圈性能分析

李思穎，徐伯俊，劉新金

(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122)

隨著細紗高速化的發(fā)展，鋼絲圈在鋼領(lǐng)上運行的線速度可達 35～50 m/s，其間的接觸溫度達300℃以上，同時還伴有鋼絲圈對鋼領(lǐng)的瞬時沖擊力。由于鋼領(lǐng)與鋼絲圈間的接觸面積很小且有瞬時性，所以鋼領(lǐng)鋼絲圈之間的溫度較難散去，瞬時高溫很易引起鋼絲圈表面的塑性變形［1］。目前的研究主要從機械加工與后處理方面出發(fā)，改善鋼絲圈的使用性能［2－4］，而對鋼絲圈幾何形狀與運動特征的研究較少。解決鋼絲圈易磨損、耗量大、更換頻繁問題的有效方法之一是通過優(yōu)化鋼領(lǐng)、鋼絲圈的結(jié)構(gòu)與運動形式，增大鋼領(lǐng)與鋼絲圈的接觸面積，降低瞬時高溫，減小鋼絲圈對鋼領(lǐng)的沖擊力，最終提升鋼領(lǐng)、鋼絲圈的使用性能。為此，本文通過分析鋼領(lǐng)與鋼絲圈間受力模型，利用ADAMS軟件對紡紗過程中不同幾何形狀的鋼絲圈的運行狀態(tài)進行仿真分析，為鋼絲圈結(jié)構(gòu)與運動形式的優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 紡紗過程中鋼絲圈上的受力

在忽略空氣阻力與鋼絲圈重力的情況下，鋼絲圈騎跨在鋼領(lǐng)上受到的力主要有離心力Ct、紗條卷繞張力Tw和氣圈底端紗線張力Tr組成的紡紗張力T、鋼絲圈對鋼領(lǐng)的正壓力N及摩擦力Ff。鋼絲圈受力圖如圖1所示。

圖1 鋼絲圈受力Fig.1 Force traveller

1.1 鋼絲圈受力分析中相關(guān)參數(shù)的確定

1.1.1 紗管卷繞半徑

在紡紗過程中紗管卷繞半徑rx在紗管半徑與紗管最大卷裝半徑之間連續(xù)變化。本文中純棉紗線線密度為14.58 tex;紡紗錠速選擇13000 r/min;紗管最大卷裝半徑為15mm;紗管半徑由12mm逐漸減小到6mm，本文選擇紗管高度方向的中間位置，半徑為10mm處進行分析研究。在鋼領(lǐng)板上升過程中，紗管半徑為10mm處，紗管卷繞半徑由15mm逐漸減小到10mm，用時25 s，可得紗管卷繞半徑隨時間t變化關(guān)系式為

1.1.2 氣圈底角

紡紗過程中由于鋼絲圈運行不穩(wěn)定以及紗管卷繞半徑不斷變化等因素的影響，紗線氣圈底角α1時刻在變化，但在較短時間內(nèi)氣圈底角變化較小。用高速攝像機拍攝3種不同幾何形狀的鋼絲圈分別在紗管半徑為10mm左右時，鋼領(lǐng)板上升過程中氣圈底角的變化情況，選取等時間間隔的10個點，求其平均值，結(jié)果如表1所示。

表1 氣圈底角Tab.1 Ballooning basic corner

1.1.3 紗線在鋼絲圈上的包圍角

不考慮空氣阻力時，紗線在鋼絲圈上的包圍角φ［1］可近似表示為

式中γ為卷繞段紗條與鋼領(lǐng)半徑間的夾角，稱為卷繞角，計算式為

1.2 鋼絲圈受到的離心力與紡紗張力

1.2.1 鋼絲圈離心力

鋼絲圈所受離心力 Ct表達式［1］為

式中:Ct為鋼絲圈離心力，N;M為鋼絲圈的質(zhì)量，kg;R為鋼領(lǐng)的半徑，m;nr為錠子轉(zhuǎn)速，r/min;nr0為羅拉轉(zhuǎn)速，r/min;dr0為前羅拉直徑，m;rx為某一位置管紗卷繞半徑，m，見式(1)。

1.2.2 氣圈底端紗線張力

不考慮空氣阻力和哥氏力的情況下，氣圈底端紗線張力Tr可近似認為在如圖1所示的x-O-y平面內(nèi)。從而可認為氣圈底端紗線張力Tr的表達式［5］可近似表示為:

式中:α1為氣圈底角;K為張力比，一般取K=eμφ，μ為紗線和鋼絲圈間的摩擦因數(shù);f為鋼領(lǐng)與鋼絲圈間的摩擦因數(shù);離心力 Ct見式(1)，包圍角 φ見式(2)，卷繞角γ見式(3)。

1.2.3 紗線卷繞張力

紗線卷繞張力［6］Tw為

2 鋼領(lǐng)與鋼絲圈實體模型構(gòu)建

SolidWorks是發(fā)行較早的一款三維建模軟件，包括參數(shù)化造型、運動仿真、工程制圖和數(shù)控加工等多個模塊，在機械設(shè)計和制造行業(yè)中使用廣泛［7］。本文采用該軟件構(gòu)建實體模型。

2.1 鋼絲圈幾何尺寸

鋼絲圈的主要幾何參數(shù)包括鋼絲圈的圈高、圈寬、截面形狀、截面長度、截面厚度及截面角度，如圖2所示。

圖2 鋼絲圈幾何尺寸Fig.2 Traveller's geometry.(a)Traveller cross section size;(b)Traveller longitudinal section size

本文選用的鋼絲圈型號分別為6903-7/0型薄矩形截面鋼絲圈、FO-7/0型厚矩形截面鋼絲圈和BU-7/0型弓形截面鋼絲圈，其幾何尺寸如表2所示。

表2 鋼絲圈幾何尺寸Tab.2 Traveller's geometry

2.2 實體建模

本文利用SolidWorks軟件根據(jù)表2建立實體模型，鋼絲圈型號為 6903-7/0、FO-7/0、BU-7/0，實體模型如圖3所示。鋼領(lǐng)型號為PG1-4254，邊寬為3.2mm，高度為8mm，鋼絲圈懸空套在鋼領(lǐng)上，鋼絲圈中心位置與鋼領(lǐng)跑道截面中心位置同心，此位置定為鋼絲圈運動的初始位置，如圖4所示。鋼領(lǐng)鋼絲圈材質(zhì)均選擇1023碳鋼板。

圖3 鋼絲圈實體模型Fig.3 Traveller entity model.(a)Traveller of 6903-7/0;(b)Traveller of FO-7/0;(c)Traveller of BU-7/0

圖4 騎跨在鋼領(lǐng)上鋼絲圈Fig.4 Traveller on ring

3 應(yīng)用ADAMS軟件的仿真分析

ADAMS軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成［8］。用戶不僅可采用通用模塊對一般的機械系統(tǒng)進行仿真，而且可采用專用模塊針對特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問題進行快速有效的建模與仿真分析。

3.1 仿真準備

SolidWorks軟件建立的實體模型中6903-7/0型薄矩形截面鋼絲圈質(zhì)量為0.0303 g，F(xiàn)O-7/0型厚矩形截面鋼絲圈質(zhì)量為0.0331 g，BU-7/0型弓形截面鋼絲圈質(zhì)量為0.0312 g，由于三者質(zhì)量接近，所以鋼絲圈質(zhì)量均取0.03 g。其他仿真參數(shù)設(shè)定為:錠子錠速nr為13000 r/min;全聚紡細紗機前羅拉直徑dr0為0.05 m，羅拉轉(zhuǎn)速nr0為68 r/min;依據(jù)棉纖維與鋼輥間的動摩擦因數(shù)，紗線和鋼絲圈間的摩擦因數(shù)取值為0.2;根據(jù)鋼與鋼間的動摩擦因數(shù)選擇鋼領(lǐng)與鋼絲圈間的摩擦因數(shù)取值0.25;鋼領(lǐng)半徑R為0.021 m。

鋼絲圈在鋼領(lǐng)上運行的線速度v為

由式(7)可知，當紗管卷繞半徑rx為15mm時鋼絲圈線速度為28.33 m/s，當紗管卷繞半徑rx為10mm時鋼絲圈線速度為28.21 m/s，因此，假設(shè)紗管卷繞半徑在1 s內(nèi)，維持最小紗管卷繞半徑10mm不變時，鋼絲圈仍可運行28.21 m，該距離足夠分析鋼絲圈的運動形態(tài)，所以本文只模擬1 s內(nèi)鋼絲圈的運動形態(tài)。由式(1)可知，在1 s內(nèi)紗管卷繞半徑從15mm逐漸減小到14.8mm，變化較小，因此近似認為1 s內(nèi)紗管卷繞半徑不變，取二者平均值為14.9mm。

如圖1所示的空間匯交力系，鋼絲圈受到的離心力Ct與紗線張力T根據(jù)力的分解原理建立x軸、y軸、z軸3個方向的方程得:

將式(1)～(6)代入式(8)～(10)中，根據(jù)實際紡紗條件將仿真參數(shù)代入，運用MatLab軟件進行換算可得3種不同幾何形狀的鋼絲圈在x軸、y軸、z軸3個方向上受力大小，如表3所示。

表3 鋼絲圈受力值Tab.3 Traveller's force N

3.2 仿真分析

3.2.1 仿真設(shè)置及結(jié)果

將SolidWorks中建立的3種實體模型分別導(dǎo)入到ADAMS軟件中。

在鋼領(lǐng)上添加固定副，使鋼領(lǐng)固定不動;根據(jù)表3所示數(shù)據(jù)在鋼絲圈的x軸、y軸、z軸分別添加約束力;在鋼領(lǐng)與鋼絲圈間添加接觸力驅(qū)動。設(shè)置仿真時間為1s，步數(shù)為50，進行仿真。仿真過程中鋼絲圈在鋼領(lǐng)上回轉(zhuǎn)，某一時刻鋼絲圈運動狀態(tài)如圖5所示。

在ADAMS后處理中生成鋼領(lǐng)與鋼絲圈間接觸力隨時間變化的曲線，各接觸力的平均值、最大值和方差如表4所示，各曲線如圖6所示。

3.2.2 結(jié)果分析

圖5 某一時刻仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results

表4 接觸力的平均值、最大值和方差Tab.4 Average，maximum and variance of contact force

從圖5可知，紡紗過程中鋼絲圈在鋼領(lǐng)上表現(xiàn)為三維傾斜狀態(tài)，在子午面上外腳下沉，水平面上外角超前和橫切面上整體前傾［9］。鋼絲圈的三維傾斜使得鋼絲圈與鋼領(lǐng)形成單邊接觸，因此鋼絲圈截面形狀對鋼領(lǐng)與鋼絲圈間作用力的影響顯著。

由表4及圖6可知:3種鋼絲圈中BU-7/0型弓形截面鋼絲圈方差最小，紡紗過程中運行平穩(wěn)性最好;平均值最小，鋼領(lǐng)與鋼絲圈間沖擊力小，對相同材質(zhì)與處理工藝的鋼絲圈來說，弓形截面較矩形截面使用壽命更長;最大值最小，紡紗張力突增值較小，紡紗意外斷頭率少。FO-7/0型厚矩形截面鋼絲圈，方差為三者中的中間值，運行平穩(wěn)性較好;平均值較BU-7/0型弓形截面鋼絲圈大，比6903-7/0型薄矩形截面鋼絲圈小，鋼絲圈使用壽命較6903-7/0型薄矩形截面鋼絲圈長;最大值較大，易引起紡紗張力突增，嚴重時引起紗線斷頭。6903-7/0型薄矩形截面鋼絲圈，方差最大，三者中運行平穩(wěn)性最差;平均值較大，對鋼領(lǐng)的沖擊力最大，鋼絲圈的使用壽命最短;最大值為三者中的中間值，紡紗意外斷頭率較FO-7/0型厚矩形截面鋼絲圈小。

綜上所述，BU-7/0型弓形截面鋼絲圈的使用性能最優(yōu)，F(xiàn)O-7/0型厚矩形截面鋼絲圈雖然與鋼領(lǐng)間沖擊力的最大值較大，但從圖6(b)中可知最大值為突變值，對曲線的整體規(guī)律影響較小，所以綜合各個因素可知，F(xiàn)O-7/0型厚矩形截面鋼絲圈的使用性能比6903-7/0型薄矩形截面鋼絲圈更優(yōu)。

圖6 鋼領(lǐng)與鋼絲圈間受力圖Fig.6 Force between ring and traveler.(a)Force between ring and traveler of 6903-7/0;(b)Force between ring and traveler of FO-7/0;(c)Force between ring and traveler of BU-7/0

從鋼絲圈幾何形態(tài)出發(fā)，結(jié)合表2與表4分析可知，BU-7/0型鋼絲圈截面形狀為弓形，與其他2種鋼絲圈相比截面角度最大。在紡紗過程中水平面上超前角的存在易導(dǎo)致鋼絲圈與鋼領(lǐng)單邊磨損，尤其是矩形截面的鋼絲圈最易發(fā)生單側(cè)接觸的“立錐”效應(yīng)［10］，從而產(chǎn)生嚴重的幾何楔，弓形截面的鋼絲圈能較好地適應(yīng)鋼絲圈的超前角，因此，BU-7/0型弓形截面鋼絲圈運行平穩(wěn)性好，平均值、峰值較小;FO-7/0型鋼絲圈為矩形截面，三者中截面長度最短，圈高最低，較小的圈高使其重心位置較低，有利于運行的平穩(wěn)性，但短而厚的截面易導(dǎo)致鋼絲圈運行過程中張力突變;6903-7/0型鋼絲圈幾何尺寸的大小為三者中的中間值，重心位置較高，截面形狀為矩形，因此其運行平穩(wěn)性及使用性能較差。

4 紡紗實驗

將3種截面形狀的鋼絲圈分別在同一個錠子上進行紡紗實驗，紡制14.58tex純棉紗線，測量紗線的質(zhì)量指標，由于鋼絲圈主要影響紗線的條干與毛羽，所以本文主要對紗線的條干CV值與毛羽指數(shù)H進行測量分析。實驗結(jié)果如表5所示。

由表可知:BU-7/0型弓形截面鋼絲圈的成紗質(zhì)量優(yōu)于FO-7/0型厚矩形截面鋼絲圈及6903-7/0型薄矩形截面鋼絲圈;FO-7/0型厚矩形截面鋼絲圈的成紗毛羽比6903-7/0型薄矩形截面鋼絲圈少，但成紗條干比6903-7/0型薄矩形截面鋼絲圈差，推測其原因，可能由于FO-7/0型厚矩形截面鋼絲圈在紡紗過程中與鋼領(lǐng)間的碰撞力突增造成的。

表5 成紗質(zhì)量Tab.5 Yarn quality

5 結(jié)論

鋼絲圈運行過程中對鋼領(lǐng)的瞬時沖擊力是導(dǎo)致鋼領(lǐng)鋼絲圈失效的主要原因之一。本文運用ADAMS軟件對不同型號鋼絲圈進行仿真分析及紡紗驗證得出:BU-7/0型弓形截面鋼絲圈運行過程對鋼領(lǐng)的沖擊力最小，運行平穩(wěn)性好;FO-7/0型厚矩形截面鋼絲圈對鋼領(lǐng)的沖擊力較大，伴隨著力的突變現(xiàn)象出現(xiàn)，運行平穩(wěn)性較BU-7/0型弓形截面鋼絲圈差;6903-7/0型薄矩形截面鋼絲圈對鋼領(lǐng)的沖擊力最大，運行平穩(wěn)性最差。

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