HC181条并卷联合机棉卷加压机构及其压力

贾国欣, 任家智, 冯清国

(1. 河南工程学院 纺织学院， 河南 郑州 450007; 2. 中原工学院 纺织学院， 河南 郑州 450007)



HC181条并卷联合机棉卷加压机构及其压力

贾国欣1, 任家智2, 冯清国2

(1. 河南工程学院 纺织学院， 河南 郑州 450007; 2. 中原工学院 纺织学院， 河南 郑州 450007)

为使条并卷联合机的棉卷成型良好、精梳条的质量优良，对HC181型条并卷联合机的加压机构及压力进行研究。建立了加压机构的运动学、力学数学模型，编制MatLab程序，计算并绘制出保持棉卷成型良好的压力曲线，并模拟出曲线相应的方程。把该压力方程输入可编程控制器(PLC)用以控制电子比例阀，调节气缸压强，对棉卷生成过程中的压力进行在线控制。据此方法实际生产的棉卷的质量不匀率可降至0.1%。

条并卷联合机; 加压机构; 棉卷; 压力分析

精梳产品质量的优劣与精梳准备工序的设置是否合理有很大关系[1]。当前常用的精梳准备工序流程，以预并—条并卷并合根数多，混和均匀，落棉率较低等优点成为精梳准备工艺的首选[2]。条并卷机的主要任务是控制成卷的均匀度与质量不匀,减轻精梳机的梳理负担[3]，但该工艺流程的最大弊病是小卷易粘连即粘卷。特别是使用新疆含糖棉或车间温湿度不正常时粘卷现象相当严重，直接影响精梳条的内在质量[4]。棉层卷成棉卷时，要适当控制棉卷松紧，以免影响下道工序的效果而最终影响成纱质量[5]。成卷压力是影响棉卷大小和质量的关键因素之一，所以压力调整的是否合适，与棉卷的粘连关系很大[6]。本文针对棉卷成型，研究条并卷联合机的加压机构及压力，运用机构运动学、力学建模及计算机编程计算等方法，绘出保持棉卷成型良好的压力曲线，并用PLC、电子比例阀等电子器件按压力曲线规律在线控制棉卷压力，使棉卷不粘连，不松动，质量不匀率低。

1 HC181条并卷联合机棉卷加压机构

HC181条并卷联合机的棉卷加压机构如图1所示。按照机构运动简图的画法[7]，加压机构运动简图见图2。

注：1—后成卷罗拉; 2—前成卷罗拉; 3—筒管; 4—升降臂; 5—刚体; 6—活塞杆; 7—气缸; 8—夹持圆盘; 9—导轨。图1 HC181条并卷联合机棉卷加压机构Fig.1 Lap pressure mechanism of HC181 Unilap

注：1—后成卷罗拉; 2—前成卷罗拉; 3—筒管; 4—升降臂; 5—刚体; 6—活塞杆; 7—气缸; 8—夹持圆盘。图2 HC181条并卷联合机棉卷加压机构运动简图Fig.2 Kinematic diagram of lap pressure mechanism of HC181 Unilap

由图1、2可知，棉层在后、前2个成卷罗拉1、2的作用下卷绕在筒管3上形成棉卷，筒管3的两端被左右夹持圆盘8夹持，夹持圆盘铰接在升降臂4的上端，升降臂的下端铰接在刚体5的B点，刚体5以O3为支点做摆动运动，刚体5的A点与气缸活塞杆6铰接，气缸活塞杆在缸内压力的作用下可以左右移动，气缸7与机架在O5点铰接。

在棉卷卷绕直径增大过程中，气缸始终给活塞杆施加向左的推力，活塞杆受到的向左推力传递到刚体上的A点，推力通过刚体传到B点，A点受到向左的推力，则B点受到向下的拉力，从而升降臂受到向下的拉力，向下的拉力通过升降臂上的夹持圆盘作用在棉卷筒管上，使得棉层在卷绕过程中始终受到压力。

2 加压机构运动数学模型的建立

加压机构要施加合适的棉卷压力，必须对机构的运动规律加以研究。以条并卷联合机的机架左下角为原点建立如图2所示的正交坐标系，x轴与地基平行，表示机器的宽度，y轴沿铅垂方向，表示机器的高度，x轴和y轴单位为mm。

2.1 棉卷中心O点运动数学模型的建立

棉卷筒管3放在成卷罗拉上，在成卷罗拉的带动下，棉层被卷绕在筒管上，形成棉卷。2个成卷罗拉的直径为700 mm，棉卷筒管的直径为200 mm。随着卷绕的进行，筒管上的棉层越来越多，棉卷增大，棉卷的中心位置升高，如图2所示。设棉卷中心为O，O点的坐标为(xO,yO)，后前成卷罗拉的中心O1,O2坐标分别为(xO1,yO1)，(xO2,yO2)。设O1O2连线的中点为O4，坐标为(xO4,yO4)，则由几何学[8]可知：

(1)

(2)

OO4是等腰△O1OO2的边O1O2上的高，其长度设为h。设OO1的长度为l1，设O1O4长度为l2。则：

(3)

(4)

(5)

如图2所示，OO4和O4点与x轴平行的水平线所夹锐角设为θ1，O1O2和O1点与y轴平行的铅垂线所夹锐角设为θ2，由图可知，两边互相垂直的夹角θ1=θ2。

(6)

所以θ1可知，则棉卷中心O点的坐标为：

xO=xO4+h×cos(θ1)

(7)

yO=yO4+h×sin(θ1)

(8)

2.2 刚体O3AB运动数学模型的建立

2.2.1 刚体上B点运动数学模型的建立

由图2可知，加压机构中刚体O3AB于摆动支点O3与机架铰接，O3坐标为(xO3,yO3)，O3B长度为l5，连杆OB的长度设为l4，O3点到O点的距离设为l8，则

(9)

O3O连线与x轴所夹锐角设为θ4，∠OO3B设为θ5，则：

(10)

(11)

B点的坐标为

(12)

(13)

2.2.2 刚体上A点运动数学模型的建立

O3AB为刚体，O3B长度l5已知，AB长度设为l6，l6已知,O3A长度设为l7，l7已知，∠AO3B大小也已知，设为θ3，所以A点的位置坐标为

(14)

(15)

3 加压机构力学数学模型的建立

加压机构要施加合适的棉卷压力，还必须研究机构加压运动过程中的力学情况。

3.1 棉卷力学数学模型的建立

在棉卷形成过程中，棉卷质量及成卷罗拉对棉卷的摩擦力忽略不计，棉卷上共有3个共点力，如图3所示。

图3 棉卷压力分析Fig.3 Analysis of lap pressure

棉卷比较大的时候由于所受压力较大，将产生一定的变形，使得棉卷并非绝对圆形，在此，为了研究方便，将卷绕过程中的棉卷假设为圆形。由于假设与实际情况的差异，可能会造成在棉卷较大时，理论计算压力偏小。

3个共点力分别设为F1、F2和Q，F1、F2分别为后、前成卷罗拉对棉卷的支持力，即成卷罗拉对棉卷的压力。为保持棉卷密度均匀，则要求棉卷形成过程中，F1、F2能够随着棉卷卷绕直径的增长而逐渐、稳定增长，使得棉卷每层厚度相同，从小卷到满卷松紧一致。Q为升降臂通过夹持圆盘施加到棉卷上的力。F1、F2和Q分别沿图2中OO1连线、OO2连线和升降臂OB方向。设F1、F2和Q与x轴所夹锐角分别为f1、f2和f3，由前面运动分析中点的坐标可求得

(16)

(17)

(18)

根据力学知识[9]可知，棉卷满足平衡方程:

(19)

F1×sinf1=0

(20)

通过式(19)、(20)可找出成卷罗拉对棉卷的支持力F1、F2与升降臂拉力Q之间的关系，分别为：

3.2 刚体O3AB力学数学模型的建立

如图4所示，设刚体摆动支点O3点到升降臂4的垂直距离为l9，∠O3BO为θ6，结合图2得：

(23)

(24)

图4 刚体力学分析Fig.4 Mechanical analysis of rigid body

同理，设O3点到活塞杆6的垂直距离为l10，∠O3AO5为θ7，结合图2，A点到气缸铰接点O5的距离为l11，O3点到气缸铰接点O5的距离为l12，气缸铰接点O5坐标设为(xO5,yO5)，则：

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

由式(29)可得：

(30)

把式(21)、(22)分别代入式(30)得：

U=F1×(cosf2×sinf1+cosf1×

sinf2×l9)/(sinf3×cosf2+sinf2×

(31)

U=-F2×(cosf2×sinf1+cosf1×

sinf2×l9)/(sinf1×cosf3-

(32)

由式(31)、(32)，可建立气缸活塞杆推力U与最终作用在棉卷上的压力F1、F2之间的关系。

棉卷成型要保持良好，则作用在棉卷上的压力F1、F2随棉卷增大能够合理、稳定增加，使棉卷在卷绕过程中，不粘连，不松动，质量不匀率低。棉卷压力F1、F2是由加压气缸的活塞杆推力U决定的，所以，确定合适的活塞杆推力U即确定合适棉卷压力，能保证棉卷成型良好。

活塞杆推力由气缸压强和气缸截面积决定。设气缸截面积为S，气缸压强为P，则气缸压强与活塞杆推力之间的关系可表示为

P=U/S

(33)

4 棉卷加压在线控制

4.1 棉卷加压气缸压强曲线

通过上面运动学及力学分析，建立棉卷成型中棉卷所受压力与气缸压强之间的关系。将上述的常量、变量，式(1)～(33)联立，在MatLab中编制M文件[10]。

例：

坐标单位为mm，l4=1 019.9 mm，l5=300 mm，l6=401 mm，l7=438 mm。利用plot命令画出棉条定量变化时，保持棉卷密度均匀、成型良好，气缸压强随棉卷长度变化的曲线，如图5所示。

图5 不同棉条定量、卷绕长度时气缸加压曲线Fig.5 Cylinder pressure curves as different sliver quantitations and different coiling lengths

由图5所示气缸加压曲线，能得到不同棉条定量，不同卷绕长度时，棉卷加压气缸应施加的压强。可以看出：不管棉条定量如何，随棉卷卷绕长度的增长，气缸施压都应增加。气缸压强的增加和棉卷卷绕长度的增长并非成线性关系，而是在卷绕初期增长较快，卷绕后期增长较慢。当棉条定量增加时，整个卷绕过程中气缸压强都增大。

4.2 棉卷加压曲线模拟

对图5所示压强曲线进行分析，发现它们符合多项式曲线的特点，使用MatLab中的polyfit功能拟合[11]，得到最小方差时，不同棉条定量时气缸压强随棉层卷绕长度变化的五次方程为

5.64×10-3×x+1.21+(K-1.2)×10×

x2+3.85×10-4×x+0.100 3

(34)

式中：Y为气缸压强;K为不同棉条定量时的初始压强;X为棉层长度。

式(34)阐明了棉层卷绕长度与加压气缸压强之间的关系。将五次拟合方程得出的曲线与图5的压强曲线进行对比，对比图像如图6所示。

图6 拟合曲线与压强曲线对比Fig.6 Comparison of fitting curve and pressure curve

从图6可看出：根据拟合五次多项式方程得出的曲线，与图5中的气缸压强曲线几乎重合，2根曲线之间误差很小，证明了拟合方程的正确性。

把式(34)输入可编程控制器PLC，可在线控制电子比列阀，比例阀按照方程所确定规律调节不同棉层卷绕长度时输入气缸的压强，调节后的气缸力通过上面所述加压机构作用到棉卷上，使棉卷在卷绕过程中成型良好。

在山东明胜纺织有限公司使用上述棉卷压力在线控制方法，实际生产棉卷的质量不匀率可降至0.1%，故实践验证本文理论与方法的正确性。

5 结 语

本文通过对条并卷联合机棉卷加压机构的运动学、力学建模，程序计算，得出了保持不同棉卷密度均匀的压力曲线及方程。实际生产中把该方程输入PLC，控制电子比例阀，按照方程所确定的规律在线调节加压气缸的压强。实际生成棉卷的质量不匀率可降至0.1%，证明了本文理论与方法的正确性。

不论工厂中棉条参数，机构参数如何变化，都可按照本文的研究方法进行机构建模、软件分析、实践验证去研究棉卷成型，方法具有通用性。

纺纱过程中半制品的不匀率，是棉纺厂始终如一的研究方向，对于条并卷棉卷不匀率的研究还可以再深入，比如考虑到棉层的弹性，棉层卷绕速度等对棉卷不匀率的影响。

FZXB

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Lap pressure mechanism and its pressure of HC181 Unilap

JIA Guoxin1, REN Jiazhi2, FENG Qingguo2

(1.CollegeofTextiles,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou,Henan450007，China;2.CollegeofTextiles,ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou,Henan450007，China)

In order to obtain better lap forming and fine quality of combed slivers, the pressure mechanism and pressure on HC181 Unilap were studied. Kinematics and mechanical mathematical models of the pressure mechanism were developed to compile MatLab program and the pressure curve that kept lap forming better has been computed and drawn, and the corresponding pressure equation was simulated, which was put into PLC(programmable logic controller) for controlling electronic ratio valve and regulating cylinder pressure, thus effecting on-line control of lap pressure in the course of lap forming. Weight unevenness of practical lap produced by above method can decrease to 0.1%.

Unillap; pressure mechanism; lap; pressure analysis

0253- 9721(2013)07- 0115- 06

2012-07-28

2012-11-16

中国纺织工业联合会科技指导性项目(2011159)

贾国欣(1975—)，女，副教授，硕士生。主要研究方向为新型棉纺工艺与设备。E-mail:jgx.65@163.com。

TS 103.22.5

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