基于ADAMS的钢丝圈性能分析

李思颖，徐伯俊，刘新金

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏 无锡 214122)

随着细纱高速化的发展，钢丝圈在钢领上运行的线速度可达 35～50 m/s，其间的接触温度达300℃以上，同时还伴有钢丝圈对钢领的瞬时冲击力。由于钢领与钢丝圈间的接触面积很小且有瞬时性，所以钢领钢丝圈之间的温度较难散去，瞬时高温很易引起钢丝圈表面的塑性变形［1］。目前的研究主要从机械加工与后处理方面出发，改善钢丝圈的使用性能［2－4］，而对钢丝圈几何形状与运动特征的研究较少。解决钢丝圈易磨损、耗量大、更换频繁问题的有效方法之一是通过优化钢领、钢丝圈的结构与运动形式，增大钢领与钢丝圈的接触面积，降低瞬时高温，减小钢丝圈对钢领的冲击力，最终提升钢领、钢丝圈的使用性能。为此，本文通过分析钢领与钢丝圈间受力模型，利用ADAMS软件对纺纱过程中不同几何形状的钢丝圈的运行状态进行仿真分析，为钢丝圈结构与运动形式的优化提供参考依据。

1 纺纱过程中钢丝圈上的受力

在忽略空气阻力与钢丝圈重力的情况下，钢丝圈骑跨在钢领上受到的力主要有离心力Ct、纱条卷绕张力Tw和气圈底端纱线张力Tr组成的纺纱张力T、钢丝圈对钢领的正压力N及摩擦力Ff。钢丝圈受力图如图1所示。

图1 钢丝圈受力Fig.1 Force traveller

1.1 钢丝圈受力分析中相关参数的确定

1.1.1 纱管卷绕半径

在纺纱过程中纱管卷绕半径rx在纱管半径与纱管最大卷装半径之间连续变化。本文中纯棉纱线线密度为14.58 tex;纺纱锭速选择13000 r/min;纱管最大卷装半径为15mm;纱管半径由12mm逐渐减小到6mm，本文选择纱管高度方向的中间位置，半径为10mm处进行分析研究。在钢领板上升过程中，纱管半径为10mm处，纱管卷绕半径由15mm逐渐减小到10mm，用时25 s，可得纱管卷绕半径随时间t变化关系式为

1.1.2 气圈底角

纺纱过程中由于钢丝圈运行不稳定以及纱管卷绕半径不断变化等因素的影响，纱线气圈底角α1时刻在变化，但在较短时间内气圈底角变化较小。用高速摄像机拍摄3种不同几何形状的钢丝圈分别在纱管半径为10mm左右时，钢领板上升过程中气圈底角的变化情况，选取等时间间隔的10个点，求其平均值，结果如表1所示。

表1 气圈底角Tab.1 Ballooning basic corner

1.1.3 纱线在钢丝圈上的包围角

不考虑空气阻力时，纱线在钢丝圈上的包围角φ［1］可近似表示为

式中γ为卷绕段纱条与钢领半径间的夹角，称为卷绕角，计算式为

1.2 钢丝圈受到的离心力与纺纱张力

1.2.1 钢丝圈离心力

钢丝圈所受离心力 Ct表达式［1］为

式中:Ct为钢丝圈离心力，N;M为钢丝圈的质量，kg;R为钢领的半径，m;nr为锭子转速，r/min;nr0为罗拉转速，r/min;dr0为前罗拉直径，m;rx为某一位置管纱卷绕半径，m，见式(1)。

1.2.2 气圈底端纱线张力

不考虑空气阻力和哥氏力的情况下，气圈底端纱线张力Tr可近似认为在如图1所示的x-O-y平面内。从而可认为气圈底端纱线张力Tr的表达式［5］可近似表示为:

式中:α1为气圈底角;K为张力比，一般取K=eμφ，μ为纱线和钢丝圈间的摩擦因数;f为钢领与钢丝圈间的摩擦因数;离心力 Ct见式(1)，包围角 φ见式(2)，卷绕角γ见式(3)。

1.2.3 纱线卷绕张力

纱线卷绕张力［6］Tw为

2 钢领与钢丝圈实体模型构建

SolidWorks是发行较早的一款三维建模软件，包括参数化造型、运动仿真、工程制图和数控加工等多个模块，在机械设计和制造行业中使用广泛［7］。本文采用该软件构建实体模型。

2.1 钢丝圈几何尺寸

钢丝圈的主要几何参数包括钢丝圈的圈高、圈宽、截面形状、截面长度、截面厚度及截面角度，如图2所示。

图2 钢丝圈几何尺寸Fig.2 Traveller's geometry.(a)Traveller cross section size;(b)Traveller longitudinal section size

本文选用的钢丝圈型号分别为6903-7/0型薄矩形截面钢丝圈、FO-7/0型厚矩形截面钢丝圈和BU-7/0型弓形截面钢丝圈，其几何尺寸如表2所示。

表2 钢丝圈几何尺寸Tab.2 Traveller's geometry

2.2 实体建模

本文利用SolidWorks软件根据表2建立实体模型，钢丝圈型号为 6903-7/0、FO-7/0、BU-7/0，实体模型如图3所示。钢领型号为PG1-4254，边宽为3.2mm，高度为8mm，钢丝圈悬空套在钢领上，钢丝圈中心位置与钢领跑道截面中心位置同心，此位置定为钢丝圈运动的初始位置，如图4所示。钢领钢丝圈材质均选择1023碳钢板。

图3 钢丝圈实体模型Fig.3 Traveller entity model.(a)Traveller of 6903-7/0;(b)Traveller of FO-7/0;(c)Traveller of BU-7/0

图4 骑跨在钢领上钢丝圈Fig.4 Traveller on ring

3 应用ADAMS软件的仿真分析

ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成［8］。用户不仅可采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。

3.1 仿真准备

SolidWorks软件建立的实体模型中6903-7/0型薄矩形截面钢丝圈质量为0.0303 g，FO-7/0型厚矩形截面钢丝圈质量为0.0331 g，BU-7/0型弓形截面钢丝圈质量为0.0312 g，由于三者质量接近，所以钢丝圈质量均取0.03 g。其他仿真参数设定为:锭子锭速nr为13000 r/min;全聚纺细纱机前罗拉直径dr0为0.05 m，罗拉转速nr0为68 r/min;依据棉纤维与钢辊间的动摩擦因数，纱线和钢丝圈间的摩擦因数取值为0.2;根据钢与钢间的动摩擦因数选择钢领与钢丝圈间的摩擦因数取值0.25;钢领半径R为0.021 m。

钢丝圈在钢领上运行的线速度v为

由式(7)可知，当纱管卷绕半径rx为15mm时钢丝圈线速度为28.33 m/s，当纱管卷绕半径rx为10mm时钢丝圈线速度为28.21 m/s，因此，假设纱管卷绕半径在1 s内，维持最小纱管卷绕半径10mm不变时，钢丝圈仍可运行28.21 m，该距离足够分析钢丝圈的运动形态，所以本文只模拟1 s内钢丝圈的运动形态。由式(1)可知，在1 s内纱管卷绕半径从15mm逐渐减小到14.8mm，变化较小，因此近似认为1 s内纱管卷绕半径不变，取二者平均值为14.9mm。

如图1所示的空间汇交力系，钢丝圈受到的离心力Ct与纱线张力T根据力的分解原理建立x轴、y轴、z轴3个方向的方程得:

将式(1)～(6)代入式(8)～(10)中，根据实际纺纱条件将仿真参数代入，运用MatLab软件进行换算可得3种不同几何形状的钢丝圈在x轴、y轴、z轴3个方向上受力大小，如表3所示。

表3 钢丝圈受力值Tab.3 Traveller's force N

3.2 仿真分析

3.2.1 仿真设置及结果

将SolidWorks中建立的3种实体模型分别导入到ADAMS软件中。

在钢领上添加固定副，使钢领固定不动;根据表3所示数据在钢丝圈的x轴、y轴、z轴分别添加约束力;在钢领与钢丝圈间添加接触力驱动。设置仿真时间为1s，步数为50，进行仿真。仿真过程中钢丝圈在钢领上回转，某一时刻钢丝圈运动状态如图5所示。

在ADAMS后处理中生成钢领与钢丝圈间接触力随时间变化的曲线，各接触力的平均值、最大值和方差如表4所示，各曲线如图6所示。

3.2.2 结果分析

图5 某一时刻仿真结果Fig.5 Simulation results

表4 接触力的平均值、最大值和方差Tab.4 Average，maximum and variance of contact force

从图5可知，纺纱过程中钢丝圈在钢领上表现为三维倾斜状态，在子午面上外脚下沉，水平面上外角超前和横切面上整体前倾［9］。钢丝圈的三维倾斜使得钢丝圈与钢领形成单边接触，因此钢丝圈截面形状对钢领与钢丝圈间作用力的影响显著。

由表4及图6可知:3种钢丝圈中BU-7/0型弓形截面钢丝圈方差最小，纺纱过程中运行平稳性最好;平均值最小，钢领与钢丝圈间冲击力小，对相同材质与处理工艺的钢丝圈来说，弓形截面较矩形截面使用寿命更长;最大值最小，纺纱张力突增值较小，纺纱意外断头率少。FO-7/0型厚矩形截面钢丝圈，方差为三者中的中间值，运行平稳性较好;平均值较BU-7/0型弓形截面钢丝圈大，比6903-7/0型薄矩形截面钢丝圈小，钢丝圈使用寿命较6903-7/0型薄矩形截面钢丝圈长;最大值较大，易引起纺纱张力突增，严重时引起纱线断头。6903-7/0型薄矩形截面钢丝圈，方差最大，三者中运行平稳性最差;平均值较大，对钢领的冲击力最大，钢丝圈的使用寿命最短;最大值为三者中的中间值，纺纱意外断头率较FO-7/0型厚矩形截面钢丝圈小。

综上所述，BU-7/0型弓形截面钢丝圈的使用性能最优，FO-7/0型厚矩形截面钢丝圈虽然与钢领间冲击力的最大值较大，但从图6(b)中可知最大值为突变值，对曲线的整体规律影响较小，所以综合各个因素可知，FO-7/0型厚矩形截面钢丝圈的使用性能比6903-7/0型薄矩形截面钢丝圈更优。

图6 钢领与钢丝圈间受力图Fig.6 Force between ring and traveler.(a)Force between ring and traveler of 6903-7/0;(b)Force between ring and traveler of FO-7/0;(c)Force between ring and traveler of BU-7/0

从钢丝圈几何形态出发，结合表2与表4分析可知，BU-7/0型钢丝圈截面形状为弓形，与其他2种钢丝圈相比截面角度最大。在纺纱过程中水平面上超前角的存在易导致钢丝圈与钢领单边磨损，尤其是矩形截面的钢丝圈最易发生单侧接触的“立锥”效应［10］，从而产生严重的几何楔，弓形截面的钢丝圈能较好地适应钢丝圈的超前角，因此，BU-7/0型弓形截面钢丝圈运行平稳性好，平均值、峰值较小;FO-7/0型钢丝圈为矩形截面，三者中截面长度最短，圈高最低，较小的圈高使其重心位置较低，有利于运行的平稳性，但短而厚的截面易导致钢丝圈运行过程中张力突变;6903-7/0型钢丝圈几何尺寸的大小为三者中的中间值，重心位置较高，截面形状为矩形，因此其运行平稳性及使用性能较差。

4 纺纱实验

将3种截面形状的钢丝圈分别在同一个锭子上进行纺纱实验，纺制14.58tex纯棉纱线，测量纱线的质量指标，由于钢丝圈主要影响纱线的条干与毛羽，所以本文主要对纱线的条干CV值与毛羽指数H进行测量分析。实验结果如表5所示。

由表可知:BU-7/0型弓形截面钢丝圈的成纱质量优于FO-7/0型厚矩形截面钢丝圈及6903-7/0型薄矩形截面钢丝圈;FO-7/0型厚矩形截面钢丝圈的成纱毛羽比6903-7/0型薄矩形截面钢丝圈少，但成纱条干比6903-7/0型薄矩形截面钢丝圈差，推测其原因，可能由于FO-7/0型厚矩形截面钢丝圈在纺纱过程中与钢领间的碰撞力突增造成的。

表5 成纱质量Tab.5 Yarn quality

5 结论

钢丝圈运行过程中对钢领的瞬时冲击力是导致钢领钢丝圈失效的主要原因之一。本文运用ADAMS软件对不同型号钢丝圈进行仿真分析及纺纱验证得出:BU-7/0型弓形截面钢丝圈运行过程对钢领的冲击力最小，运行平稳性好;FO-7/0型厚矩形截面钢丝圈对钢领的冲击力较大，伴随着力的突变现象出现，运行平稳性较BU-7/0型弓形截面钢丝圈差;6903-7/0型薄矩形截面钢丝圈对钢领的冲击力最大，运行平稳性最差。

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