基于ADAMS的鋼絲圈性能分析

李思穎，徐伯俊，劉新金

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122)

隨著細紗高速化的發展，鋼絲圈在鋼領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的瞬時沖擊力。由于鋼領與鋼絲圈間的接觸面積很小且有瞬時性，所以鋼領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，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化鋼領、鋼絲圈的結構與運動形式，增大鋼領與鋼絲圈的接觸面積，降低瞬時高溫，減小鋼絲圈對鋼領的沖擊力，最終提升鋼領、鋼絲圈的使用性能。為此，本文通過分析鋼領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進行仿真分析，為鋼絲圈結構與運動形式的優化提供參考依據。

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參數的確定

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變化關系式為

1.1.2 氣圈底角

紡紗過程中由于鋼絲圈運行不穩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為鋼絲圈的質量，kg;R為鋼領的半徑，m;nr為錠子轉速，r/min;nr0為羅拉轉速，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。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;f為鋼領與鋼絲圈間的摩擦因數;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 鋼領與鋼絲圈實體模型構建

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

2.1 鋼絲圈幾何尺寸

鋼絲圈的主要幾何參數包括鋼絲圈的圈高、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。鋼領型號為PG1-4254，邊寬為3.2mm，高度為8mm，鋼絲圈懸空套在鋼領上，鋼絲圈中心位置與鋼領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。鋼領鋼絲圈材質均選擇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 騎跨在鋼領上鋼絲圈Fig.4 Traveller on ring

3 應用ADAMS軟件的仿真分析

ADAMS軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業領域模塊及工具箱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進行仿真，而且可采用專用模塊針對特定工業應用領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量為0.0303 g，FO-7/0型厚矩形截面鋼絲圈質量為0.0331 g，BU-7/0型弓形截面鋼絲圈質量為0.0312 g，由于三者質量接近，所以鋼絲圈質量均取0.03 g。其他仿真參數設定為: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，羅拉轉速nr0為68 r/min;依據棉纖維與鋼輥間的動摩擦因數，紗線和鋼絲圈間的摩擦因數取值為0.2;根據鋼與鋼間的動摩擦因數選擇鋼領與鋼絲圈間的摩擦因數取值0.25;鋼領半徑R為0.021 m。

鋼絲圈在鋼領上運行的線速度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，假設紗管卷繞半徑在1 s內，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，所以本文只模擬1 s內鋼絲圈的運動形態。由式(1)可知，在1 s內紗管卷繞半徑從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，根據實際紡紗條件將仿真參數代入，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 仿真設置及結果

將SolidWorks中建立的3種實體模型分別導入到ADAMS軟件中。

在鋼領上添加固定副，使鋼領固定不動;根據表3所示數據在鋼絲圈的x軸、y軸、z軸分別添加約束力;在鋼領與鋼絲圈間添加接觸力驅動。設置仿真時間為1s，步數為50，進行仿真。仿真過程中鋼絲圈在鋼領上回轉，某一時刻鋼絲圈運動狀態如圖5所示。

在ADAMS后處理中生成鋼領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 結果分析

圖5 某一時刻仿真結果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上表現為三維傾斜狀態，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形成單邊接觸，因此鋼絲圈截面形狀對鋼領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性最好;平均值最小，鋼領與鋼絲圈間沖擊力小，對相同材質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，三者中運行平穩性最差;平均值較大，對鋼領的沖擊力最大，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，FO-7/0型厚矩形截面鋼絲圈雖然與鋼領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，對曲線的整體規律影響較小，所以綜合各個因素可知，FO-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。

圖6 鋼領與鋼絲圈間受力圖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

從鋼絲圈幾何形態出發，結合表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致鋼絲圈與鋼領單邊磨損，尤其是矩形截面的鋼絲圈最易發生單側接觸的“立錐”效應［10］，從而產生嚴重的幾何楔，弓形截面的鋼絲圈能較好地適應鋼絲圈的超前角，因此，BU-7/0型弓形截面鋼絲圈運行平穩性好，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，有利于運行的平穩性，但短而厚的截面易導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H進行測量分析。實驗結果如表5所示。

由表可知:BU-7/0型弓形截面鋼絲圈的成紗質量優于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間的碰撞力突增造成的。

表5 成紗質量Tab.5 Yarn quality

5 結論

鋼絲圈運行過程中對鋼領的瞬時沖擊力是導致鋼領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的沖擊力最小，運行平穩性好;FO-7/0型厚矩形截面鋼絲圈對鋼領的沖擊力較大，伴隨著力的突變現象出現，運行平穩性較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的沖擊力最大，運行平穩性最差。

［1］張萬順.環錠紡紗鋼領、鋼絲圈系統的動態性能分析［D］.上海:東華大學，2007:13－31.ZHANG Wanshun.Dynamic analysis of ring/traveller system in ring spinning［D］.Shanghai:Donghua University，2007:13 －31.

［2］李東方.紡織用鋼領組織與高性能的研究［D］.上海:東華大學，2012:1－9.LI Dongfang.The study on microstructure and properties of textile steel ring［D］.Shanghai:Donghua University，2012:1－9.

［3］賈曉華.紡織鋼領新型拋光工藝及其拋光機理的研究［D］.天錫:江南大學，2008:1－7.JIA Xiaohua.Study on new polishing technology and mechanism of textile ring［D］.Wuxi:Jiangnan University，2008:1－7.

［4］唐海霞.鋼絲圈表面耐磨耐蝕涂層的理論與試驗研究［D］.無錫:江南大學，2008:1－10.TANG Haixia.Theoretical and experimental research of wear and corrosion resistance films for ring traveler［D］.Wuxi:Jiangnan University，2008:1 －10.

［5］唐文輝.鋼絲圈傾斜運動的分析與探討［J］.紡織器材，1982(3):1 －9.TANG Wenhui.Analysis and discussion on inclinations of traveller on ring spinning ［J］.Textile Accessories，1982(3):1－9.

［6］張萬順，吳文英，彭作珍.考慮空氣阻力及哥式慣性力后的氣圈底端張力分析［J］.東華大學學報，2007，33(6):729－732.ZHANG Wanshun，WU Wenying，PENG Zuozhen.On the yarn tension of balloon bottom after considering the effects of air-drag and coriolis force［J］.Journal of Donghua University，2007，33(6):729 －732.

［7］趙明俠.基于SolidWorks的盤形凸輪CAD設計［D］.西安:西安工業大學，2014:27－33.ZHAO Mingxia.The design of disc cam CAD based on SolidWorks ［D］. Xi'an:Xi'an Technological University，2014:27－33.

［8］陳德民，槐創鋒，張克濤.精通ADAMS2005/2007虛擬樣機技術［M］.北京:化學工業出版社，2010:2－18.CHEN Demin， HUAI Chuangfeng， ZHANG Ketao.Proficientin ADAMS2005/2007 Virtual Prototype Technology［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2010:2－18.

［9］周炳榮.紡紗鋼絲圈對鋼領位置傾斜分析［J］.紡織器材，2003，30(3):137 －139.ZHOU Bingrong.Analysis of the traveler inclination on the ring in the spinning performance［J］.Textile Accessories，2003，30(3):137 －139.

［10］周炳榮.紡紗氣圈理論［M］.上海:東華大學出版社，2010:99－111.ZHOU Bingrong. SpinningBalloon Theory ［M］.Shanghai:Donghua University Press，2010:99 －111.