淺析高速紡紗錠子振動特性

尚會超 翁玉東 王成銀

摘 要：錠子是紡織機械重要的紡紗專件，錠子的優劣不僅與能源消耗、環境噪音緊密相關，而且嚴重影響人的心理健康和生理健康，因此研究錠子振動特性可以有效改善產業工人的勞動環境和提高生產效率。

關鍵詞：錠子；回轉軸；振動

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.189

1 前言

隨著經濟和科技的發展，我國已經成為世界第一大紡織成品生產國，大約占世界總產量的60%，但是我國的紡織裝備在可靠性和效率方面與西方國家仍有很大差距。經過世界各國的努力，由之前的剛性錠子到現在的彈性錠子，錠子的結構已經有了很大的改善，并且大幅度提高了錠子的紡紗速度。

2 錠子的結構

紡紗錠子的主要作用是加拈卷繞，是以兩點支承的細長回轉體。根據紡紗原料和品種的不同、工藝的發展，目前錠子主要分為粗紗錠子和細紗錠子。細紗錠子主要由錠桿、錠膽、軸承等組成。

紡織機械制造加工正向著高速度、高效率、高精度的方向發展，對錠子各部件的加工工藝提出了更高的標準。錠桿作為錠子的主要工作部位，對其硬度、平面度有很高的要求，因此用和軸承相同的鋼材，首先車削成細長桿坯料，再經過熱處理后磨削成形。錠桿的中部為了避免磨損，需要有較高的磨削精度。由于支承筒管在錠桿的上部，所以錠桿要盡可能得筆直，且有韌性[1]。錠盤緊套于錠桿的中部，作為錠子的傳動件，由錠帶傳動，上軸承置于錠盤中，能有效防止塵埃浸入軸承。錠腳不僅是錠子的支座，而且還有儲存潤滑油的作用。錠鉤用以擋住錠盤，防止錠桿、錠盤在拔筒管時產生劇烈竄動。

3 錠子的振動特性

紡紗錠子作為一種專用特殊的回轉體，在理想的情況下，錠子無論是靜態還是動態，對軸承產生的壓力應該是一樣的。但實際工作中的錠子，由于毛坯材質缺陷、加工精度低及裝配方法的問題，致使錠子高速運轉時，錠子的離心力不能相互抵消，并且作用到其它零部件，在放大振幅的同時產生難以忍受的噪音，還有可能焼蝕軸承，縮短了錠子壽命。

錠子高速回轉時會產生相對于筒管的上下跳動和不規則的擺頭。錠子擺頭即錠子的橫向振動，是指錠子在水平方向上不規則的曲線運動。錠子的橫向振動有不同的分類方法，按產生振動的原因可分為自由振動、受迫振動和自激振動。

自由振動是指在不需要外力的情況下，物體在振動系統按照其固有頻率，做與振幅無關的阻尼運動。振動系統撤去初始條件后，不再受其它因素的影響而在其平衡位置附近振動，因此錠子自由振動是受到突然的外力作用而產生的振動，隨著外界阻尼作用而逐漸消失。

強迫振動是指錠子在外來周期性力的持續作用下，產生了振動頻率等于錠子自轉轉速的振動形式，振動系統發生的這種振動稱為受迫振動，驅動力是指周期性的外力。在錠子高速旋轉過程中，由于錠膽、錠桿材質不均勻及皮帶輪等的不平衡，這些都會引起整個錠子的強迫振動，同時增加錠子各部件之間的相對振動幅值，一般情況下隨錠速增大而增大[2]。錠子的強迫振動有以下四個特點：

（1）錠子作為回轉體干擾力絕大部分來自各部件旋轉時每個質點的偏心，但是干擾力一旦消除，振動停止，因此要盡可能找到振源，降低強迫振動的影響。

（2）強迫振動的頻率與驅動力的頻率相同，或者呈線性的函數關系。

（3）驅動力的頻率和系統的固有頻率接近時，容易產生共振。

（4）強迫振動的振幅與驅動力，系統的剛度及阻尼大小有關。驅動力越大、剛度及阻尼越小，則振幅越大，對高速運轉中的錠子影響也就越大[3]。

自激振動和受迫振動一樣也是在自然界和工程中最常見的一種振動形式，它是一種不衰減的振動，自激振動需要外界的激勵，從不具備交變特性的能源中周期性地獲得能量補充，振動的能源是恒定的，自激振動的產生機理卻復雜得多，絕大部分是非線性系統[4]。自激振動的發生需要兩個條件：第一，振動系統在平衡點附近的不穩定性；第二，需要外力的作用使系統偏離穩定點。第三，取決于振動系統在每一個振動周期內獲得和消耗能量的對比。若獲得能量大于消耗能量，則振幅會隨之改變，若獲得能量小于消耗能量，則自激振動不會產生。

錠子自激振動的能量是由系統本身產生或控制，自激振動頻率低于強迫振動頻率，并接近于第一臨界轉速頻率。錠子的自激振動表現為錠子自轉軸繞一中心的旋轉。在高速時進動的方向與錠子的旋轉的方向相同，在低速時則相反，自激振動復雜多變，因此是研究錠子振動的主要對象。

錠子各小段的質心不可能嚴格處于回轉軸上，且接近于自由振動的固有頻率時會出現橫向干擾，即系統產生共振現象，此時系統會產生強烈的振動，這時的轉速就是臨界轉速。臨界轉速的大小與錠子的結構、粗細、軸的支承方式等因素有關。錠子如果在臨界轉速下運行，會出現劇烈的振動，而且錠桿的傾斜程度明顯增大，長時間運行還會造成錠桿根部的彎曲變形，因此要盡可能的避免錠子在臨界速度附近工作，細紗錠子的工作轉速介于第一、第二階臨界轉速之間，在此區間的錠子由于強迫振動的急劇減少，從而改善了錠子的振動狀況[5]。

4 結語

高速旋轉的錠子的振動實質上是復合振動，既有強迫振動，又有自激振動，因此要從這兩方面降低振動給錠子帶來的影響。一方面從強迫振動考量，盡量減少回轉件不平衡所引起的周期性變化的離心力，降低旋轉部件運動方向改變時產生的慣性沖擊。另一方面，從自激振動考量，選用適當的傳動機構，保證機構內合理的傳動間隙，保證足夠合理的潤滑，控制合適的動力速度。

參考文獻：

[1]李軍.錠子裝配中錠桿與錠盤壓配變形機理研究[D].中原工學院， 2011.

[2]李世春.剛度理論視域下薄壁零件加工工藝研究[J].煤礦機械， 2009（08）：121-123.

[3]裴艷梅.機械加工過程中的振動和防止方法[J]. 中小企業管理與科技（上旬刊），2008（11）：225.

[4]劉世良.切削加工中振動產生的原因及消減措施[J].硅谷， 2011（14）：166.

[5]陳延軍.切削顫振系統動態特性分析[D].西北工業大學，2006.

作者簡介：尚會超（1974-），男，博士，副教授，主要研究方向：機械電子。