棉精梳機鉗板機構開閉口分度分析及仿真研究

王延蒙，紀 紅

(濟寧職業技術學院，山東 濟寧 272073)

0 引言

在棉精梳工藝過程中，鉗板機構握持須叢供錫林梳理，并將錫林梳理好的須叢送向分離羅拉。精梳機高速運轉時，鉗板的開口分度、閉口定時及閉合分度的長短對精梳條質量有重要影響[1]。

目前，對精梳機鉗板機構的研究主要有：黃華等基于ADAMS對精梳機鉗板機構進行優化設計[2]；賈國欣等對瑞士立達棉精梳機的鉗板機構進行運動學分析，討論了影響鉗板開口量的因素，并對鉗板運動的振動進行優化[3-4]；王曉維在不改變工藝參數的情況下，利用伺服電機改變輸入規律減少鉗板機構的振動情況[5]。以上研究均未對鉗板機構的開閉口定時分度進行詳細分析。

為此，筆者利用運動學矢量方法分析鉗板開口機構，建立其開閉口時間及開閉合分度與機構參數關系的數學模型，通過三維虛擬樣機模型導入ADAMS進行仿真，得到開口時間和設想桿長度的變化關系，精確計算出開閉口定時分度及開口時間，以提高精梳質量。

1 棉精梳機鉗板開口機構

精梳機鉗板開口機構簡圖如圖1所示。鉗板開口機構為二自由的七連桿機構，筆者根據鉗板開口機構工作狀態簡化為雙擺桿機構和偏心機構，將偏心輪、皮老虎、偏心導桿等同于設想桿[6]。以設想桿長度作為研究變量，使用運動學矢量分析方法計算鉗板開口機構各參數之間的定量關系。

1—輸入軸；2—鉗板擺軸；3—后擺臂；4—下鉗板；5—偏心軸；6—虛擬桿；7—上鉗板架；8—上鉗板；9—前擺臂。

以輸入軸和鉗板擺軸連線記作x方向，其距離為L0；前擺臂長度為L5，與x方向的夾角為θ5；后擺臂長度為L3，與x方向的夾角為θ31；下鉗板長度為L4，與x方向的夾角為θ4；下鉗板以鉸接點為界又分為L41和L42；上鉗板架長度為L6；EH長度為L8，與x軸的夾角為θ8；AH長度為L10，與x方向的夾角為θ10；OH長度為L11，與x方向的夾角為θ11；A，H兩點x方向距離為Lx，垂直距離為Ly；O，H兩點的x方向距離為Lx1，垂直距離為Ly1；∠FEH為β；∠FED為α；x方向與水平軸x1的夾角為θ0。

1.1 簡化鉗板開口機構分析

1.1.1 計算θ8

在圖1中ACEH在各矢量的方向上有：

(1)

在x，y兩軸上分解，得：

(2)

整理可得：

θ8=π+

(3)

1.1.2 計算θ4

OACD在各矢量的方向上有：

L5eiθ5+L4eiθ4=L0+L3eiθ31

(4)

在x，y兩軸上分解，得：

(5)

消去θ5得θ4與θ31的關系：

L02+L42+L32-L52-2L0L4cosθ4+2L0L3cosθ31-2L3L4cos(θ31-θ4)=0

(6)

消去θ4得θ5與θ31的關系：

L52+L32+L02-L42=2L5L3cos(θ31-θ5)+2L5L0cosθ5-2L3L0cosθ31

(7)

1.1.3 計算β

ODEH在各矢量的方向上有：

(8)

在x，y兩軸上分解，得：

(9)

消去θ8得：

L82=L52+L412+Lx2+Ly2-2LxL5cosθ5-2LxL41cosθ4-2LyL5sinθ5-2LyL41sinθ4+2L5L41cos(θ5-θ4)

(10)

在ΔEFH中，可得：

(11)

角α，β，θ8，θ4的關系可以表示為：

α+β+θ8-θ4=π

(12)

綜合公式(3)，(6)和(11),即將β，θ8和θ4代入式(12)可得θ31與L7的關系。

1.2 鉗板開口分度分析

如圖2所示，Lf為分離羅拉與下鉗板的水平距離，Lm為分離羅拉與輸入軸的水平距離，根據幾何關系：

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—分離膠輥；7—分離羅拉。

Lf=Lm-L5cos(π-θ5+θ0)

(13)

整理得：

(14)

設鉗板在24分度時，鉗板擺軸角位移等于θ3q，錫林軸的角位移等于θ1q；鉗板開口瞬時分度，鉗板擺軸的角位移等于θ3k，鉗板后擺臂與x軸的夾角記為θ31k；24分度時，鉗板后擺臂與x軸的夾角為θ31q，錫林軸的角位移等于θ1k；鉗板閉口瞬時，鉗板擺軸的角位移等于θ3b，鉗板后擺臂與x軸的夾角記為θ31b，錫林軸的角位移等于θ1b。由幾何關系可得：

θ1q=2π-arccos(L1/L0)

(15)

(16)

θ3k=θ3q-(θ31q-θ31k)

(17)

θ3b=θ3q-(θ31q-θ31b)

(18)

結合式(2)和式(3)得：

(19)

(20)

2 仿真驗證

以立達E62型精梳機為例：L0為207 mm，L1為65 mm，L3為82 mm，L4為187 mm，L41為75 mm，L42為112 mm，L5為74 mm，L6為72 mm，L9為74 mm，Lx為147.1 mm，Ly為211.65 mm，Lx1為59.3 mm，Ly1為211.65 mm，Lm為53.9 mm，θ0為8°，落棉隔距B的范圍為19 mm～26 mm。首先利用Pro/E軟件建立鉗板開口機構三維模型，如圖3所示。將該模型保存為x-t格式導入ADAMS軟件。根據其自由度數設置兩臺伺服電機驅動，建立轉動副約束和移動副約束。

圖3 Pro/E三維機構建模圖

設定精梳機工作轉速為400 r/min，1個工作周期為0.15 s，將仿真時間也設置為0.15 s。在ADAMS環境下的模擬結果如圖4所示。

圖4 虛擬樣機模擬圖

將鉗板輸入軸運動規律輸入到伺服電機中，進行運動學仿真分析，利用ADAMS/PostProcessor模塊輸出設想桿長度L7與運行時間t的仿真關系曲線，如圖5所示。

由圖5可知：在一個工作周期內設想桿L7在開始時刻和結束時刻長度值最大，約為111.8 mm，長度最小時L7min為94.01 mm；當L7為103 mm時是鉗板開口瞬時時刻和閉口瞬時時刻，鉗板開口定時時刻tk為0.0844 s、閉口定時的時刻tb為0.028 6 s；在開、閉口瞬時時刻設想桿長度越長，鉗板開口定時時刻會越早，鉗板閉口定時會延遲。

圖5 鉗板運行時間t與設想桿長度L7的關系

把上文中列出的公式輸入MATLAB中，進行精梳機鉗板機構參數計算，得到鉗板開口機構的開口時刻為0.087 5 s、閉口時刻為0.030 s。由于在ADAMS環境下，鉗板機構虛擬模型不可避免的存在裝配誤差，所以ADAMS仿真結果存在一定誤差。為得到鉗板開閉口分度值，用公式(21)將鉗板開口定時時刻tk和閉口定時時刻tb進行轉化，得到鉗板開口機構開閉口分度表。其中Fk，Fb為鉗板開口和閉合的輸入軸分度數，T為輸入軸旋轉1周的時間，結果見表1。

(21)

3 結論

3.1鉗板開閉口機構的開口定時、閉口定時及開閉口分度影響錫林梳理、分離結合等后續工藝，利用運動學方法建立開閉口分度與機構參數之間的數學模型，通過仿真驗證鉗板機構開閉口定時分度及開閉口時間與設想桿長度的關系。在開閉口瞬時時刻，開口定時分度為6.587 9、閉口定時分度為32.436；在開閉口瞬時時刻隨設想桿長度增加，開口定時分度會變早，閉口定時分度會推遲。

表1 鉗板運動關鍵位置點計算結果對比

3.2利用鉗板機構開閉口數學模型可以進一步研究其他參數對開閉口分度的影響，為提高精梳機精梳質量提供參考。