氣流紡紗器轉(zhuǎn)杯機械力學(xué)性能影響因素

邱海飛 黃鵬飛

摘要： 文章以自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯和抽氣式轉(zhuǎn)杯為研究對象，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、有限元建模及仿真計算，深入研究了轉(zhuǎn)杯的機械力學(xué)性能。動力學(xué)分析結(jié)果表明，抽氣式轉(zhuǎn)杯相對于自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯具有更優(yōu)的動態(tài)特性，兩種轉(zhuǎn)杯的振動變形薄弱部位均位于上壁杯口處;自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯抗振性能會隨著排氣孔數(shù)量增加而減弱，且選用6孔或7孔結(jié)構(gòu)時能夠更好地發(fā)揮轉(zhuǎn)杯工作效能。不同滑移面角度下的轉(zhuǎn)杯應(yīng)力分析結(jié)果顯示，當(dāng)自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯和抽氣式轉(zhuǎn)杯滑移面角度分別為24.5°、17°時，應(yīng)力集中對杯體結(jié)構(gòu)強度影響最小，有利于延長轉(zhuǎn)杯工作壽命，可為轉(zhuǎn)杯選型和氣流紡紗工藝優(yōu)化提供重要技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)杯;滑移面;排氣孔;應(yīng)力集中;有限元;紡紗;動力學(xué)

中圖分類號： TS104.7

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2020）09004606

引用頁碼： 091109

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.09.009（篇序）

Influencing factor for mechanical properties of the rotor on airflow spinner

QIU Haifei， HUANG Pengfei

（College of Mechanical Engineering， Xijing University， Xian 710123， China）

Abstract：

The self-exhaust rotor and aspirated rotor were chosen as research objects to deeply investigate mechanical properties of the rotor by structural design， finite element modeling and simulation. The results of dynamic analysis showed that compared with the self-exhaust rotor， the aspirated rotor had better dynamic characteristics， and the weak part of vibration deformation of the two rotors were located at the cup mouth of the upper wall. Besides， the anti-vibration performance of the self-exhaust rotor would be weakened with the increase of exhaust holes， and working efficiency of the rotor would be better when the 6-hole or 7-hole structure was selected. The stress analysis results of rotor under different slip plane angles showed that when the slip plane angles of self-exhaust rotor and aspirated rotor were 24.5° and 17° respectively， the stress concentration had the least influence on structural strength of the rotor， which is beneficial to prolong service life of the rotor. The results provide an important technical reference for rotor selection and optimization of rotor spinning process.

Key words：

rotor; slip plane; exhaust hole; stress concentration; finite element; spinning; dynamics

收稿日期： 20200127;

修回日期： 20200815

基金項目： 陜西省教育廳科研計劃資助項目（20JK0964）;西京學(xué)院橫向課題資助項目（2019610002001915）

作者簡介： 邱海飛（1983），副教授，主要從事機械系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計、機電產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計的研發(fā)。

轉(zhuǎn)杯紡是一種自由端新型氣流紡紗技術(shù)。作為氣流紡紗器的重要專件，轉(zhuǎn)杯在紡紗過程中長時間處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，準確掌握轉(zhuǎn)杯的紡紗機理和機械力學(xué)性能，對于提高成紗質(zhì)量、改進氣流紡紗工藝等具有重要現(xiàn)實意義[1]。目前國內(nèi)外對于轉(zhuǎn)杯紡的技術(shù)研究，主要集中在杯體內(nèi)氣流場的數(shù)值模擬方面，而對于轉(zhuǎn)杯機械結(jié)構(gòu)性能的關(guān)注則相對較少。張奇等[2]利用FLUENT對抽氣式轉(zhuǎn)杯氣流場速度進行了二維數(shù)值模擬，直觀展示了杯體內(nèi)氣流流動特征、驗證了纖維的運動趨勢;劉超等[1]通過紡紗通道內(nèi)三維氣流場數(shù)值模擬，分析并比較了U型槽和V型槽兩類轉(zhuǎn)杯的壓力場及速度場;楊西偉[3]采用流體力學(xué)和有限單元法，研究了轉(zhuǎn)杯紡紗通道內(nèi)流場模擬、結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流場影響、纖維流動特性及轉(zhuǎn)杯動力學(xué)特性;Kong等[4]通過數(shù)值模擬研究了分梳輥與纖維輸送管位置對氣流場的影響，同時分析了輸棉通道內(nèi)部的纖維形態(tài)特征;Yamamoto等[5]在考慮纖維剛度和柔性的條件下，建立了基于“珠-簧鏈結(jié)構(gòu)”的纖維模型，并分析模擬了纖維在氣流場中的運動特性。

為準確掌握轉(zhuǎn)杯的機械力學(xué)性能及轉(zhuǎn)動效應(yīng)，本文針對國家紡織行業(yè)標準FZ/T 93053—2010《轉(zhuǎn)杯紡紗機轉(zhuǎn)杯》所規(guī)定的兩種轉(zhuǎn)杯（抽氣式轉(zhuǎn)杯和自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯），從機械力學(xué)角度對其工作性能進行了深入研究，對于轉(zhuǎn)杯的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能改進具有重要參考價值。

1?氣流紡紗原理

氣流紡紗具有速度高、紗卷大、無錠子、機構(gòu)簡單及適應(yīng)性廣等諸多優(yōu)點[6]。氣流紡紗器的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要包括喂給喇叭、喂給羅拉、喂給板、分梳輥、排雜裝置、引紗管和紡紗杯。在氣流紡紗工藝過程中，纖維條經(jīng)由喂給系統(tǒng)到達分梳輥實現(xiàn)開清棉，開松后的單纖維通過排雜裝置在氣流導(dǎo)引下進入高速運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯，并在凝聚槽內(nèi)形成紗尾且加捻成紗，最后經(jīng)引紗羅拉導(dǎo)出卷繞形成筒子紗。

2?轉(zhuǎn)杯結(jié)構(gòu)設(shè)計

從結(jié)構(gòu)造型來看，轉(zhuǎn)杯屬于對稱旋轉(zhuǎn)類零件。氣流紡紗器工作時，轉(zhuǎn)杯通過高速回轉(zhuǎn)在杯體內(nèi)形成空氣負壓，以此實現(xiàn)纖維的輸送、滑移、凝聚和加捻[2]。按照杯體內(nèi)負壓產(chǎn)生方式可將轉(zhuǎn)杯分為抽氣式和自排風(fēng)式兩大類，其剖面結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示，其中抽氣式轉(zhuǎn)杯為U型凝聚槽，自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯為V型凝聚槽，轉(zhuǎn)杯直徑均為43 mm，滑移面與轉(zhuǎn)杯中心軸線夾角均為22°。

兩種轉(zhuǎn)杯的主要區(qū)別在于杯體內(nèi)氣流出入方式和流向不同，抽氣式轉(zhuǎn)杯內(nèi)的氣流是從纖維輸送管道補入后再從杯口吸出，要求纖維輸送管道必須伸入杯內(nèi)且接近滑移面，因此轉(zhuǎn)杯內(nèi)粉塵易被氣流吸走，凝聚槽比較清潔，紡紗斷頭后可以直接接頭;自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯相對于抽氣式轉(zhuǎn)杯在杯底側(cè)部開設(shè)了若干排氣孔，氣流經(jīng)纖維輸送管道補入經(jīng)過凝聚槽后由排氣孔排出。相對于抽氣式轉(zhuǎn)杯，自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯纖維輸送管道相對較短，且凝聚槽內(nèi)易積粉塵，在紡紗斷頭后需要先清除杯內(nèi)剩余纖維才可接頭。

3?轉(zhuǎn)杯動力學(xué)特性

3.1?有限元模型

轉(zhuǎn)杯屬于超高速回轉(zhuǎn)零件，其轉(zhuǎn)速一般在30 000～170 000 r/min。高轉(zhuǎn)速意味著更高的成紗效率和生產(chǎn)效益，但不同于一般轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的兩端支撐，轉(zhuǎn)杯軸承支撐總是位于杯體一端，這種支撐形式對于轉(zhuǎn)杯的抗振性能和回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性提出了更高要求[7]。因此，研究轉(zhuǎn)杯動力學(xué)特性對于氣流紡紗器的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

在WorkBench環(huán)境下分別對兩種轉(zhuǎn)杯進行有限元建模，本文以自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯有限元模型為例進行說明，如圖4所示。轉(zhuǎn)杯為旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，不符合映射網(wǎng)格劃分的幾何條件，同時由于轉(zhuǎn)杯CAD實體模型是由第三方軟件建立，不適合在原始面上生成面網(wǎng)格，故也不能采用掃掠網(wǎng)格劃分。在此，采用自由網(wǎng)格對轉(zhuǎn)杯進行結(jié)構(gòu)離散，網(wǎng)格劃分共產(chǎn)生13 669個單元和24 193個節(jié)點。轉(zhuǎn)杯采用鋼質(zhì)材料，其彈性模量E=200 GPa，泊松比γ=0.3，質(zhì)量密度ρ=7 850 kg/m3。同樣的方法建立抽氣式轉(zhuǎn)杯有限元模型，對此不予贅述。

3.2?自振頻率及振型

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動力學(xué)的理論基礎(chǔ)，通過模態(tài)分析能夠有效預(yù)測和評估機械零部件的動力學(xué)特性。對兩類不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)杯分別進行自由模態(tài)分析，提取1～6階自振頻率及振型，如圖5所示。由轉(zhuǎn)杯1～6階自振頻率可知，抽氣式轉(zhuǎn)杯各階自振頻率明顯高于自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯。從最為重要的低階自振頻率來看，兩者前3階自振頻率差值均在2 700 Hz以上，說明抽氣式轉(zhuǎn)杯相對于自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯具有更優(yōu)的動力學(xué)特性，在氣流紡紗過程中能夠適應(yīng)更高的工作轉(zhuǎn)速，符合轉(zhuǎn)杯的實際運行工況。

分析自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯振型（圖6）可知，由于自振頻率較為接近，轉(zhuǎn)杯的1階、2階振型相似，4階、5階振型相似，前者振動模式主要為上壁杯口的橢圓形變形，后者則為近三角形振動變形。相比之下，第3階振型為杯體沿軸向的伸縮變形，第6階振型為杯體的彎扭組合變形。比較抽氣式轉(zhuǎn)杯的振型（圖7）可知，其振動模式與自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯相似，只是1階、2階振型為上壁杯口的橢圓形變形，3階、4階振型為近三角形振動變形，5階振型為杯體沿軸向的伸縮變形，6階振型為杯體的彎扭組合變形。

綜合比較前6階振型可知，自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯和抽氣式轉(zhuǎn)杯的振動變形大部分發(fā)生于轉(zhuǎn)杯杯壁之上，且最大振動變形基本都位于上壁杯口處，說明當(dāng)轉(zhuǎn)杯在低階頻率處發(fā)生同頻共

振時，其杯口部分最容易產(chǎn)生振動破損。因此，在設(shè)計制造轉(zhuǎn)杯過程中，應(yīng)適當(dāng)增強杯口處的強度和剛度儲備，以提高杯體的機械抗振性能。

自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯在動力學(xué)特性方面雖然不及抽氣式轉(zhuǎn)杯，但其強力較高、占地空間小且能耗低，在實際生產(chǎn)中也有廣泛應(yīng)用[8]。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論和以往設(shè)計經(jīng)驗，該類轉(zhuǎn)杯底部的排氣孔數(shù)量會對杯體的振動特性產(chǎn)生重要影響。在排氣孔數(shù)量為4、5、6、7、8、9時，分別對轉(zhuǎn)杯進行自由模態(tài)分析，統(tǒng)計得出1階自振頻率分布情況，如圖8所示。十分明顯，隨著排氣孔數(shù)量的增加，自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯的1階自振頻率會逐階減小。比較可知，4孔轉(zhuǎn)杯的1階自振頻率最大，達到了6 038.2 Hz，而當(dāng)排氣孔數(shù)量增加至9孔時，轉(zhuǎn)杯1階自振頻率減小了約2.16%。轉(zhuǎn)杯在不同孔數(shù)量時的1階振型相似，均表現(xiàn)為上壁杯口處的橢圓形振動變形，如自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯在5孔、7孔和

9孔時的1階振型（圖9）。

根據(jù)自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯功能原理可知，排氣孔數(shù)量較少時，不利于轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流的排出，會影響杯內(nèi)負壓和纖維凝聚[9-10];而當(dāng)排氣孔數(shù)量較多時，轉(zhuǎn)杯1階自振頻率又相對較小，使得杯體在工況下的抗振性較差，不利于轉(zhuǎn)杯的高速化運轉(zhuǎn)。因此，從1階自振頻率計算分析結(jié)果來看，優(yōu)先選用6孔或7孔結(jié)構(gòu)時，能夠使自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯更好地發(fā)揮其轉(zhuǎn)動效能。

4?轉(zhuǎn)杯應(yīng)力分析

實際氣流紡紗生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)杯的工作轉(zhuǎn)速從30 000～170 000 r/min不等。相對于杯體內(nèi)氣流纖維、對中偏心力等影響因素，杯身質(zhì)量在高速運轉(zhuǎn)時形成的離心力對轉(zhuǎn)杯的應(yīng)力作用更為突出[3]。對自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯和抽氣式轉(zhuǎn)杯進行應(yīng)力分析，參考轉(zhuǎn)杯工作轉(zhuǎn)速范圍，假設(shè)轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速為75 000 r/min（即7 850 rad/s），將離心力以角速度形式加載在轉(zhuǎn)杯有限元模型之上，并約束轉(zhuǎn)杯中心孔圓柱面軸向和徑向自由度。

考慮滑移面角度影響，分別對自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯（8孔結(jié)構(gòu)）和抽氣式轉(zhuǎn)杯進行有限元應(yīng)力分析，以滑移面角度在17°、19.5°、22°、24.5°和27°時的轉(zhuǎn)杯應(yīng)力分布進行對比，如圖10、圖11所示。分析可知，自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯的最大應(yīng)力均位于杯體內(nèi)側(cè)排氣孔邊緣處，而抽氣式轉(zhuǎn)杯的最大應(yīng)力均位于杯壁上部杯口處，說明這兩處部位存在較大應(yīng)力集中，當(dāng)轉(zhuǎn)杯在75 000 r/min工作轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)時，這兩處部位更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

比較滑移面角度和最大應(yīng)力可知，當(dāng)轉(zhuǎn)杯以75 000 r/min轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯的最大應(yīng)力值明顯高于抽氣式轉(zhuǎn)杯，如圖12所示。自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯最大應(yīng)力在滑移面角度為17°時最大，而在24.5°時最小;相比之下，隨著滑移面角度增加，抽氣式轉(zhuǎn)杯的最大應(yīng)力從17°時的303.2 MPa增大到了27°時的308.8 MPa。因此，從應(yīng)力破壞程度來看，當(dāng)自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯滑移面為24.5°、抽氣式轉(zhuǎn)杯滑移面為17°時，杯體質(zhì)量離心力所產(chǎn)生的應(yīng)力影響相對較小，采用這兩種滑移面角度設(shè)計，有利于延長轉(zhuǎn)杯工作壽命、節(jié)約紡紗成本。

5?結(jié)?論

通過兩種轉(zhuǎn)杯機械力學(xué)性能的仿真計算及影響因素分析，為氣流紡紗器的轉(zhuǎn)杯選型和工藝優(yōu)化提供了有力依據(jù)，主要有以下結(jié)論：

1）抽氣式轉(zhuǎn)杯的機械動力學(xué)特性明顯優(yōu)于自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯，能夠適應(yīng)更高的工作轉(zhuǎn)速。在發(fā)生低階同頻共振時，兩種轉(zhuǎn)杯的上壁杯口處都是容易被破壞的薄弱部位，所以在改進轉(zhuǎn)杯結(jié)構(gòu)時應(yīng)適當(dāng)加強杯口處的剛度設(shè)計。

2）對于自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯，隨著排氣孔數(shù)量的增多，其1階自振頻率將會逐階減小，抗振性能也隨之減弱。考慮到氣流紡

紗工藝實際情況，優(yōu)先選用6孔或7孔結(jié)構(gòu)的自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯，能夠在穩(wěn)定杯內(nèi)負壓的同時保證紡紗效率。

3）滑移面角度對轉(zhuǎn)杯應(yīng)力分布影響明顯，當(dāng)自排風(fēng)式轉(zhuǎn)杯采用24.5°滑移面、抽氣式轉(zhuǎn)杯采用17°滑移面時，杯體在高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下受到的應(yīng)力影響最小，且前者應(yīng)力集中位于杯體內(nèi)側(cè)排氣孔邊緣處，后者應(yīng)力集中位于上壁杯口處。

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