高速節能精梳技術的研究與應用

任家智，馬 馳，張一風，馮清國

(1.中原工學院 紡織學院，河南 鄭州 450007;2.上海昊昌機電設備有限公司，河南 鄭州 450007)

精梳機是紡制高檔紗線的關鍵設備，它是通過錫林與頂梳對棉叢的兩端進行梳理，除去短絨、棉結與雜質，提高纖維的伸直度、平行度及分離度，從而使成紗質量大幅度提高。為了完成梳理及棉網的搭接工作，精梳機的鉗板要進行前、后往復運動，分離羅拉要進行倒轉、靜止及順轉運動，因此精梳機是由多個做正反轉運動及平面復合運動的機件組成。在精梳機高速性能的研究方面，有學者提出了采用降低機件質量的方法，例如鉗板組件采用鈦合金、減輕齒輪的質量等，減小機件運動的慣性力［1-3］;也有學者采用改進機件尺寸方法，減小機件的回轉半徑，取得了較好的效果［4-6］。本文在 HC350型精梳機的基礎上，從機構運動學的角度，采用優化設計的方法，降低了精梳機分離羅拉、鉗板及其傳動機件在1個運動周期內運動的最大加速度、速度值，開發了HC500型新型精梳機，并將HC500型及HC350型精梳機的性能進行了對比實驗。

1 精梳機高效節能的機制分析

1.1 機件的慣性力與慣性力矩

棉紡精梳機高效的重要指標之一是高速，因為速度越高精梳機單位時間內的產量越高。根據精梳機的產量分析可知，精梳機的產量與精梳條的輸出速度成正比，與喂入精梳機內的小卷定量成正比，因此，提高精梳機的產量，必須提高精梳機的速度。提高精梳機的速度，分離羅拉、鉗板及其傳動機構所產生的慣性力將急劇增大，精梳過程中產生的沖擊、噪聲越大，精梳機機件越易損壞，因此精梳機的高速機制就是要減小精梳機高速運動時分離羅拉及鉗板機構的慣性力及慣性力矩。圖1示出機件的慣性力及慣性力矩，對于高速回轉的機件，A點為其回轉的中心，S為其質心，其慣性力P(N)和慣性力矩M(N·cm)是決定精梳機能否高速的重要條件。根據理論力學和機械原理［7-8］可知：

式中：m為往復運動件的質量，kg;a為回轉機件質心的加速度，mm/s2;JA為機件對 A點的轉動慣量，kg·m2;ω為回轉件的角速度，rad/s;ε為回轉機件對A點的角加速度，rad/s2;r為往復運動件對其重心的回轉半徑，m。

圖1 機件的慣性力及慣性力矩Fig.1 Inertia force＆moment of machine

隨著精梳機速度的增加，鉗板與分離羅拉運動的加速度a急劇增加，慣性力P和慣性力矩M也將急劇增加。

1.2 精梳機能耗的數學模型

精梳機是由錫林、鉗板、分離羅拉等m個往復、回轉機件組成的傳動系統。如圖2所示，設第 i個作平面復合運動的機件所消耗的功率為Ni(kW)，則精梳機的總功率 N(kW)［9］為

式中：ωi為第 i個機件運動的轉速，rad/s;εi為第i個機件運動的角加速度(rad/s2)，Ji為第 i個機件的轉動慣量，kg·m2;Fi為作用在第 i個機件的作用力，N;vi為 Fi作用點的速度，mm/s;βi為 Fi與 vi的夾角，rad;ai為機件質心的加速度，mm/s2。

由式(3)可知：1)對于作變速回轉運動的機件，當其質心與回轉中心重合時，其耗電量與機件的轉動慣量成正比，與機件的角加速度及角速度成正比;2)對于作往復直線運動的機件，其耗電量與機件的質量成正比，與機件的質心加速度成正比，與機件的質心速度成正比，與機件的質心加速度和速度的夾角余弦成正比。

1.3 精梳機高速、節能的技術措施

綜上所述，提高精梳機速度，降低精梳機的能耗應從以下2個方面考慮：

1)采用機械優化設計的方法，減小精梳機主要運動機件質心的速度及加速度，以減小機件的慣性力及慣性力矩。

2)利用改進精梳機鉗板組件、分離羅拉傳動等機構的設計，減輕機件的質量及轉動慣量。在精梳機主要機件及材質設計方面采取以下措施：改進鉗板組件的結構設計，并選用輕質合金以減輕鉗板組件的質量;改進分離羅拉輪系傳動部件結構，以減輕行星齒輪、差動齒輪、分離齒輪及連桿機件的質量。

2 精梳機主要機件運動參數的優化

2.1 鉗板運動的優化

在HC350型精梳機基礎上，以鉗板擺軸為原點建立坐標系，構建上、下鉗板鉗持點的位移、速度及加速度的數學模型［2，10-11］。以降低鉗板運動的速度及加速度，降低能耗及提高錫林、鉗板及分離羅拉運動配合精度為目標，改變鉗板擺軸的運動參數，運用計算機編程方法計算鉗板的位移、速度及加速度值，對計算結果進行運動配合分析，選取最優方案，并以此設計HC500型新型精梳機的鉗板傳動機構。

在精梳機的速度為350鉗次/min時，計算得到HC350型及 HC500型精梳機1個工作循環中鉗板鉗持點在水平方向運動的速度及加速度的變化規律，結果見圖3、4，鉗板速度、加速度的最大值及平均值分別見表1、2。

圖3 鉗板運動的速度曲線Fig.3 Speed curve of nipper

圖4 鉗板運動的加速度曲線Fig.4 Acceleration curve of nipper

表1 1個工作周期鉗板速度的峰值、谷值及平均值Tab.1 Peak，valley and mean values of nipper speed in one work period mm/s

表2 1個工作周期鉗板運動加速度谷值、峰值及平均值Tab.2 Valley，peak and mean values of nipper acceleration in one work period mm/s2

由表 1可知：在速度為 350鉗次/min時，與HC350型精梳機相比，HC500型精梳機鉗板運動速度的谷值減小了453 mm/s，降低31.3%;1個工作循環中鉗板速度的平均值減小131.6 mm/s，平均速度減幅為28.3%。因此就鉗板傳動系統而言，HC500型精梳機相對于HC350型精梳機，在高速與節能方面具有明顯的優勢。

由表2可知，HC500型精梳機與HC350型精梳機相比，鉗板的鉗持點在水平方向加速度的谷值與峰值都小。由計算可知：加速度的谷值減小33.55%，加速度的峰值減小33%。HC500型精梳機與HC350型精梳機相比，鉗板加速度的平均值減小6 825 mm/s2，減幅為27%。因此，HC500型精梳機具有明顯的高速與節能優勢，并有利于減小精梳機高速時的振動與噪聲。

2.2 分離羅拉運動的優化

在HC350型精梳機基礎上，以錫林軸為原點建立坐標系，構建分離羅拉的位移、速度及加速度的數學模型［12］。以降低分離羅拉運動的速度及加速度，降低能耗及提高錫林、鉗板及分離羅拉運動配合精度為目標，改變分離羅拉平面連桿尺寸，運用計算機編程方法計算分離羅拉的位移、速度及加速度參數，選取最優方案，并以此設計HC500新型精梳機的分離羅拉機構。

在精梳機的速度為350鉗次/min時，計算得到HC350型及 HC500型精梳機1個工作循環中分離羅拉運動的速度及加速度的變化規律見圖5、6，分離羅拉速度、加速度的最大值及平均值分別見表 3、4。

由表3可知：HC500型精梳機與 HC350型相比，分離羅拉的速度值減小了491 mm/s，減幅為15%;平均速度減小了72.3 mm/s，減幅為10%。

圖5 分離羅拉速度曲線Fig.5 Speed curve of detaching roller

圖6 分離羅拉加速度曲線Fig.6 Acceleration curve of detaching roller

表3 1個工作周期分離羅拉速度的峰值、谷值及均值Tab.3 Peak，valley and mean values of detaching roller speed in one work period mm/s

表4 1個工作周期分離羅拉加速度曲線的谷值、峰值及均值Tab.4 Valley，peak and mean value of detaching roller acceleration in one work period mm/s2

HC350型及HC500型精梳機的分離羅拉加速度的峰值均是出現在分離羅拉由倒轉至順轉的過渡期。由表 4可知，與HC350型精梳機相比，HC500型精梳機分離羅拉的最大加速度降低了50%，平均速度減幅為29%。因此HC500型精梳機的分離羅拉傳動系統具有較好的高速及節電性能。另外，與HC350型精梳機相比，HC500型精梳機的分離羅拉運動加速度曲線的平穩性較好，具體表現在分離羅拉加速度曲線的峰值與谷值明顯降低，減小了分離羅拉高速運動時的慣性力及慣性力矩，有利于減小分離羅拉高速時的振動與沖擊。

3 結果與分析

為了考察HC500型精梳機的高速性能、節電效果及紡紗質量，在山東明勝紡織有限公司進行了紡紗測試，并在許昌華豐紡織有限公司對HC500型及HC350型精梳機的耗電量進行測試對比。

3.1 HC500型精梳機速度

對分離羅拉及鉗傳動機構未優化的HC350型精梳機，與優化后的HC500型精梳機的紡紗速度進行對比，結果表明，HC350型精梳機最高生產速度為400鉗次/min，HC500型精梳機的最高生產速度為500鉗次/min。2種機型不同速度時的噪聲及振動參數見表5。

表5 噪聲與振動參數對比Tab.5 Contrast of noise and vibration parameters

由表5的測試結果可知：HC500型精梳機在生產速度為500鉗次/min時與HC350型精梳機在生產速度為400鉗次/min時的噪聲及振動基本相當;在生產速度為400鉗次/min時，HC500型精梳機的噪聲及振動明顯低于 HC350型精梳機。因此，HC500型精梳機的高速性能明顯優于HC350型。

3.2 HC500型精梳機耗電量測試

3.2.1 測試條件

精梳機主要工藝參數：棉卷定量為61.03g/m，喂棉方式為后退給棉，給棉長度為4.3 mm，錫林定位37分度，頂梳插入深度為 +0.5，落棉隔距為10 mm，精梳條定量為22.07g/5 m。

3.2.2 測定結果

在車速分別為 330、400、450、500 鉗次/min時，利用DTS8666型電能表測定得到HC500型及HC350型精梳機的耗電量，結果見表6。

表6 耗電量Tab.6 Power consumption

由表 6可知，在生產速度為 330鉗次/min，HC500型精梳機的耗電量比HC350型約節電7%，具有較好的節電效果。

4 結論

1)精梳機的高速性能及節電性能取決于運動部件的轉動慣量及1個工作周期內的速度及加速度值的大小。

2)利用機械優化方法及計算機編程技術，對鉗板機構、分離羅拉傳動機構進行優化設計，可大幅地降低1個工作周期內的速度及加速度值。

3)利用機械優化設計方法開發的HC500型新型精梳機，生產速度可達500鉗次/min，并具有明顯的節能效果。

［1］任家智.高效能精梳技術及技術創新的探討［J］.棉紡織技術，2001，29(4)：12-16.REN Jiazhi.Discussion of technology and processing innovation on high-efficacy comber［J］.Cotton Textile Technology，2001，29(4)：12-16.

［2］任家智.E7/5型精梳機鉗板機構分析［J］.棉紡織技術，1998，26(6)：16-20.REN Jiazhi.Analyses of nipper driving mechanisms on E7/5 comber［J］.Cotton Textile Technology，1998，26(6)：16-20.

［3］戴步忠，曾一平，朱麗華.高速精梳機用鈦制上下鉗板：中國 ZL200610053294.X［P］.2007-03-07.DAI Buzhong，ZENG Yiping，ZHU Lihua.High speed comber with titanium nipper：ZL200610053294.X［P］.2007-03-07.

［4］任家智，李營建，宋道義.A201C型精梳機技術改造的研究與實踐［J］.棉紡織技術，1995，23(2)：16-19.REN Jiazhi，LI Yingjian，SONG Daoyi.Type A201C comber technical reform of research and practice［J］.Cotton Textile Technology，1995，23(2)：16-19.

［5］任家智，郁崇文.E7/6型精梳機鉗板機構運動特性分析［J］.紡織學報，2004，25(6)：30-31.REN Jiazhi，YU Chongwen.E7/6 type comber clamp plate of mechanism motion characteristic analysis ［J］.Journal of Textile Research，2004，25(6)：30-31.

［6］任家智，楊玉廣.精梳系統技術的新進展［J］.棉紡織技術，2007，35(10)：25-28.REN Jiazhi，YANG Yuguang.New development of combing system technology ［J］.Cotton Textile Technology，2007，35(10)：25-28.

［7］華大年.機械原理［M］.第2版.北京：高等教育出版社，1994：36-382.HUA Danian.Theory of Machines［M］.2nd ed.Beijing：Higher Education Press，1994：36-382.

［8］南京工學院.理論力學：下冊［M］.北京：人民教育出版社，1979：76-79.Nanjing College of Engineering.Theoretical Mechanics：Ⅱ［M］.Beijing：People's Education Press，1979：76-79.

［9］孫桓，陳作模，葛文杰，等.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006：82-171.SUN Huan，CHEN Zuomo，GE Wenjie，et al.Theory of Machines［M］.Beijing：Higher Education Press，2006：82-171.

［10］任家智，馬宏慶.立達精梳機計算機輔助工藝設計與優化分析［J］.棉紡織技術，2008，36(9)：26-29.REN Jiazhi，MA Hongqing.Rieter comber computer aided process design analyses ［J］.Cotton Textile Technology，2008，36(9)：26-29.

［11］符煒.機構設計學［M］.長沙：湖南大學出版社，2001：43-44.FU Wei.Mechanism Design［M］.Changsha：Hunan University Press，2001：43-44.

［12］任家智，尹燕芬.棉精梳機分離羅拉傳動機構分析［J］.中原工學院學報，2006，17(4)：12-16.REN Jiazhi，YIN Yanfen.Theanalysisofdriving mechanism of detaching roller on comber［J］.Journal of Zhongyuan Institute of Technology，2006，17(4)：12-16.