棉精梳機鉗板開閉口時間的研究

王曉維， 周國慶， 李新榮

(天津工業大學 機械工程學院， 天津 300387)

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棉精梳機鉗板開閉口時間的研究

王曉維， 周國慶， 李新榮

(天津工業大學 機械工程學院， 天津 300387)

為實現棉精梳機鉗板運動的精確控制，確定鉗板開閉口時間與工藝參數的定量關系，通過對鉗板傳動機構、鉗板擺軸驅動機構及鉗板運動原理的分析，建立了棉精梳機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進行詳細的分析，得到棉精梳機分離隔距與鉗板開閉口時間的定量關系。研究結果可為棉精梳機鉗板開口控制技術提供參考。

棉精梳機； 鉗板機構； 開閉口時間； 分離隔距

棉精梳機鉗板機構包括鉗板擺軸驅動機構、鉗板傳動機構和上、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構[1]。因此，鉗板機構的開閉口定時以及閉合時間的長短與錫林的梳理、分離接合機構密切相關，對須叢梳理質量起著至關重要的作用，影響精梳條的質量。當前，在棉精梳機方面，人們比較注重研究鉗板的機構特性[2-3]，通過修改機構參數，分析鉗板機構參數對精梳工藝性能的影響[4-6]，但隨著精梳機車速的提高，機構優化的效果已經越來越不明顯，急需突破性的技術創新。未來精梳機將進一步向高速、高質、自動化、大卷裝的方向發展[7-8]。為了適應精梳機的發展趨勢，鉗板機構應該具有數字化、智能化、柔性化的輸出特性，鉗板開口控制技術的開發是研制高效精梳機的要點之一[9-10]。為精確控制鉗板運動，應明確鉗板開閉口時間與工藝參數的定量關系。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構、鉗板擺軸驅動機構進行了分析計算，并結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系。本文研究可為棉精梳機鉗板開口控制技術提供參考資料，為研制具有數字化、智能化、柔性化的輸出特性的高效精梳機提供理論支持。

1 鉗板機構分析

圖1示出精梳機鉗板機構簡化圖。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設為β；∠FED設為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 精梳機鉗板機構簡化圖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的關系

L02+L42+L32-L52-2L0L4cos(θ4)+

(7)

消去θ4得到θ5與θ31的關系

2L5L0cosθ5+2L3L0cosθ31=0

(8)

1.3 計算β

根據圖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的關系，即鉗板前后運動與鉗板開口的關系。

1.4 偏心軸機構計算

圖2示出偏心機構簡圖。

圖2 偏心機構簡圖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精梳機為例，E62型精梳機偏心位置角α1為90°，可得

(18)

將式(18)代入式(16)，可得：

(19)

E62型精梳機的偏心軸與鉗板擺軸通過齒輪箱傳動，傳動比一定，設為i，則偏心軸角位移θ7與鉗板擺軸角位移θ31的關系為

(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的關系，利用計算機建立數學模型，并列2個關系得鉗到板開閉口瞬時θ31k、θ31b、L7k、L7b。

2 鉗板開閉口時間

棉精梳機的所有機構都是以精梳分度值為運動時間坐標，精梳工藝將1個運動周期(錫林軸1轉)分為40等份，每等份為1分度。

棉精梳機鉗板擺軸機構如圖3所示。利用機構學中同性異形規則[11]對鉗板機構進行簡化，機構簡圖見圖4。

注：1—錫林軸；2—曲柄；3—導塊；4—導桿；5—鉗板擺軸； I—鉗板最前位置。圖3 棉精梳機鉗板擺軸機構圖Fig.3 Mechanism of nipper balance shaft of cotton comber

注：1—錫林軸；2—曲柄；3—導塊；4—導桿；5—鉗板擺軸； I—鉗板最前位置。圖4 棉精梳機鉗板擺軸機構簡圖Fig.4 Schematic diagram of nipper balance shaft motion

將棉精梳機錫林軸1的運動周期分為40分度，即以9°為1分度，設分度數為F，當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。

根據圖4可以得到鉗板最前位置的輸入軸位移θ1q。

(21)

根據圖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，根據式(32)將θ1轉換成分度數F，得到鉗板開口和閉合的輸入軸分度數分別為Fk、Fb。

(32)

實驗結果如表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；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的分度數，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 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及機構尺寸等參數決定。

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，提高精梳質量。因此，鉗板機構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，應根據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系的研究，可進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，從而優化鉗板開口時間，為棉精梳機鉗板開口控制技術提供參考資料，為研制高效精梳機提供理論支持。

FZXB

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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

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2010CB334711)

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

10.13475/j.fzxb.20140603606

TS 112.2

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