气流纺纱器转杯机械力学性能影响因素

邱海飞 黄鹏飞

摘要： 文章以自排风式转杯和抽气式转杯为研究对象，通过结构设计、有限元建模及仿真计算，深入研究了转杯的机械力学性能。动力学分析结果表明，抽气式转杯相对于自排风式转杯具有更优的动态特性，两种转杯的振动变形薄弱部位均位于上壁杯口处;自排风式转杯抗振性能会随着排气孔数量增加而减弱，且选用6孔或7孔结构时能够更好地发挥转杯工作效能。不同滑移面角度下的转杯应力分析结果显示，当自排风式转杯和抽气式转杯滑移面角度分别为24.5°、17°时，应力集中对杯体结构强度影响最小，有利于延长转杯工作寿命，可为转杯选型和气流纺纱工艺优化提供重要技术参考。

关键词： 转杯;滑移面;排气孔;应力集中;有限元;纺纱;动力学

中图分类号： TS104.7

文献标志码： A

文章编号： 10017003（2020）09004606

引用页码： 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： 陕西省教育厅科研计划资助项目（20JK0964）;西京学院横向课题资助项目（2019610002001915）

作者简介： 邱海飞（1983），副教授，主要从事机械系统动态设计、机电产品数字化设计的研发。

转杯纺是一种自由端新型气流纺纱技术。作为气流纺纱器的重要专件，转杯在纺纱过程中长时间处于高速运转状态，准确掌握转杯的纺纱机理和机械力学性能，对于提高成纱质量、改进气流纺纱工艺等具有重要现实意义[1]。目前国内外对于转杯纺的技术研究，主要集中在杯体内气流场的数值模拟方面，而对于转杯机械结构性能的关注则相对较少。张奇等[2]利用FLUENT对抽气式转杯气流场速度进行了二维数值模拟，直观展示了杯体内气流流动特征、验证了纤维的运动趋势;刘超等[1]通过纺纱通道内三维气流场数值模拟，分析并比较了U型槽和V型槽两类转杯的压力场及速度场;杨西伟[3]采用流体力学和有限单元法，研究了转杯纺纱通道内流场模拟、结构参数对转杯内气流场影响、纤维流动特性及转杯动力学特性;Kong等[4]通过数值模拟研究了分梳辊与纤维输送管位置对气流场的影响，同时分析了输棉通道内部的纤维形态特征;Yamamoto等[5]在考虑纤维刚度和柔性的条件下，建立了基于“珠-簧链结构”的纤维模型，并分析模拟了纤维在气流场中的运动特性。

为准确掌握转杯的机械力学性能及转动效应，本文针对国家纺织行业标准FZ/T 93053—2010《转杯纺纱机转杯》所规定的两种转杯（抽气式转杯和自排风式转杯），从机械力学角度对其工作性能进行了深入研究，对于转杯的结构设计和性能改进具有重要参考价值。

1 气流纺纱原理

气流纺纱具有速度高、纱卷大、无锭子、机构简单及适应性广等诸多优点[6]。气流纺纱器的结构组成如图1所示，主要包括喂给喇叭、喂给罗拉、喂给板、分梳辊、排杂装置、引纱管和纺纱杯。在气流纺纱工艺过程中，纤维条经由喂给系统到达分梳辊实现开清棉，开松后的单纤维通过排杂装置在气流导引下进入高速运转的转杯，并在凝聚槽内形成纱尾且加捻成纱，最后经引纱罗拉导出卷绕形成筒子纱。

2 转杯结构设计

从结构造型来看，转杯属于对称旋转类零件。气流纺纱器工作时，转杯通过高速回转在杯体内形成空气负压，以此实现纤维的输送、滑移、凝聚和加捻[2]。按照杯体内负压产生方式可将转杯分为抽气式和自排风式两大类，其剖面结构如图2、图3所示，其中抽气式转杯为U型凝聚槽，自排风式转杯为V型凝聚槽，转杯直径均为43 mm，滑移面与转杯中心轴线夹角均为22°。

两种转杯的主要区别在于杯体内气流出入方式和流向不同，抽气式转杯内的气流是从纤维输送管道补入后再从杯口吸出，要求纤维输送管道必须伸入杯内且接近滑移面，因此转杯内粉尘易被气流吸走，凝聚槽比较清洁，纺纱断头后可以直接接头;自排风式转杯相对于抽气式转杯在杯底侧部开设了若干排气孔，气流经纤维输送管道补入经过凝聚槽后由排气孔排出。相对于抽气式转杯，自排风式转杯纤维输送管道相对较短，且凝聚槽内易积粉尘，在纺纱断头后需要先清除杯内剩余纤维才可接头。

3 转杯动力学特性

3.1 有限元模型

转杯属于超高速回转零件，其转速一般在30 000～170 000 r/min。高转速意味着更高的成纱效率和生产效益，但不同于一般转子系统的两端支撑，转杯轴承支撑总是位于杯体一端，这种支撑形式对于转杯的抗振性能和回转稳定性提出了更高要求[7]。因此，研究转杯动力学特性对于气流纺纱器的稳定运行至关重要。

在WorkBench环境下分别对两种转杯进行有限元建模，本文以自排风式转杯有限元模型为例进行说明，如图4所示。转杯为旋转体结构，不符合映射网格划分的几何条件，同时由于转杯CAD实体模型是由第三方软件建立，不适合在原始面上生成面网格，故也不能采用扫掠网格划分。在此，采用自由网格对转杯进行结构离散，网格划分共产生13 669个单元和24 193个节点。转杯采用钢质材料，其弹性模量E=200 GPa，泊松比γ=0.3，质量密度ρ=7 850 kg/m3。同样的方法建立抽气式转杯有限元模型，对此不予赘述。

3.2 自振频率及振型

模态分析是结构动力学的理论基础，通过模态分析能够有效预测和评估机械零部件的动力学特性。对两类不同结构的转杯分别進行自由模态分析，提取1～6阶自振频率及振型，如图5所示。由转杯1～6阶自振频率可知，抽气式转杯各阶自振频率明显高于自排风式转杯。从最为重要的低阶自振频率来看，两者前3阶自振频率差值均在2 700 Hz以上，说明抽气式转杯相对于自排风式转杯具有更优的动力学特性，在气流纺纱过程中能够适应更高的工作转速，符合转杯的实际运行工况。

分析自排风式转杯振型（图6）可知，由于自振频率较为接近，转杯的1阶、2阶振型相似，4阶、5阶振型相似，前者振动模式主要为上壁杯口的椭圆形变形，后者则为近三角形振动变形。相比之下，第3阶振型为杯体沿轴向的伸缩变形，第6阶振型为杯体的弯扭组合变形。比较抽气式转杯的振型（图7）可知，其振动模式与自排风式转杯相似，只是1阶、2阶振型为上壁杯口的椭圆形变形，3阶、4阶振型为近三角形振动变形，5阶振型为杯体沿轴向的伸缩变形，6阶振型为杯体的弯扭组合变形。

综合比较前6阶振型可知，自排风式转杯和抽气式转杯的振动变形大部分发生于转杯杯壁之上，且最大振动变形基本都位于上壁杯口处，说明当转杯在低阶频率处发生同频共

振时，其杯口部分最容易产生振动破损。因此，在设计制造转杯过程中，应适当增强杯口处的强度和刚度储备，以提高杯体的机械抗振性能。

自排风式转杯在动力学特性方面虽然不及抽气式转杯，但其强力较高、占地空间小且能耗低，在实际生产中也有广泛应用[8]。根据结构动力学理论和以往设计经验，该类转杯底部的排气孔数量会对杯体的振动特性产生重要影响。在排气孔数量为4、5、6、7、8、9时，分别对转杯进行自由模态分析，统计得出1阶自振频率分布情况，如图8所示。十分明显，随着排气孔数量的增加，自排风式转杯的1阶自振频率会逐阶减小。比较可知，4孔转杯的1阶自振频率最大，达到了6 038.2 Hz，而当排气孔数量增加至9孔时，转杯1阶自振频率减小了约2.16%。转杯在不同孔数量时的1阶振型相似，均表现为上壁杯口处的椭圆形振动变形，如自排风式转杯在5孔、7孔和

9孔时的1阶振型（图9）。

根据自排风式转杯功能原理可知，排气孔数量较少时，不利于转杯内气流的排出，会影响杯内负压和纤维凝聚[9-10];而当排气孔数量较多时，转杯1阶自振频率又相对较小，使得杯体在工况下的抗振性较差，不利于转杯的高速化运转。因此，从1阶自振频率计算分析结果来看，优先选用6孔或7孔结构时，能够使自排风式转杯更好地发挥其转动效能。

4 转杯应力分析

实际气流纺纱生产中，转杯的工作转速从30 000～170 000 r/min不等。相对于杯体内气流纤维、对中偏心力等影响因素，杯身质量在高速运转时形成的离心力对转杯的应力作用更为突出[3]。对自排风式转杯和抽气式转杯进行应力分析，参考转杯工作转速范围，假设转杯转速为75 000 r/min（即7 850 rad/s），将离心力以角速度形式加载在转杯有限元模型之上，并约束转杯中心孔圆柱面轴向和径向自由度。

考虑滑移面角度影响，分别对自排风式转杯（8孔结构）和抽气式转杯进行有限元应力分析，以滑移面角度在17°、19.5°、22°、24.5°和27°时的转杯应力分布进行对比，如图10、图11所示。分析可知，自排风式转杯的最大应力均位于杯体内侧排气孔边缘处，而抽气式转杯的最大应力均位于杯壁上部杯口处，说明这两处部位存在较大应力集中，当转杯在75 000 r/min工作转速下运转时，这两处部位更容易发生结构破坏。

比较滑移面角度和最大应力可知，当转杯以75 000 r/min转速运转时，自排风式转杯的最大应力值明显高于抽气式转杯，如图12所示。自排风式转杯最大应力在滑移面角度为17°时最大，而在24.5°时最小;相比之下，随着滑移面角度增加，抽气式转杯的最大应力从17°时的303.2 MPa增大到了27°时的308.8 MPa。因此，从应力破坏程度来看，当自排风式转杯滑移面为24.5°、抽气式转杯滑移面为17°时，杯体质量离心力所产生的应力影响相对较小，采用这两种滑移面角度设计，有利于延长转杯工作寿命、节约纺纱成本。

5 结 论

通过两种转杯机械力学性能的仿真计算及影响因素分析，为气流纺纱器的转杯选型和工艺优化提供了有力依据，主要有以下结论：

1）抽气式转杯的机械动力学特性明显优于自排风式转杯，能够适应更高的工作转速。在发生低阶同频共振时，两种转杯的上壁杯口处都是容易被破坏的薄弱部位，所以在改进转杯结构时应适当加强杯口处的刚度设计。

2）对于自排风式转杯，随着排气孔数量的增多，其1阶自振频率将会逐阶减小，抗振性能也随之减弱。考虑到气流纺

纱工艺实际情况，优先选用6孔或7孔结构的自排风式转杯，能够在稳定杯内负压的同时保证纺纱效率。

3）滑移面角度对转杯应力分布影响明显，当自排风式转杯采用24.5°滑移面、抽气式转杯采用17°滑移面时，杯体在高速运转状态下受到的应力影响最小，且前者应力集中位于杯体内侧排气孔边缘处，后者应力集中位于上壁杯口处。

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