应用张力波谱图的织机张力异常故障分析

王 培， 周其洪,2， 于文岗

(1. 东华大学 纺织装备教育部工程研究中心， 上海 201620； 2. 东华大学 机械工程学院， 上海 201620)

应用张力波谱图的织机张力异常故障分析

王 培1， 周其洪1,2， 于文岗1

(1. 东华大学 纺织装备教育部工程研究中心， 上海 201620； 2. 东华大学 机械工程学院， 上海 201620)

为解决织造加工过程中引起经纱张力异常的机械故障难以发现的问题，在对经纱张力信号进行研究分析的基础上，提出了基于经纱张力波谱图的故障诊断方法。首先分析了理想织造状态下，张力的时域信号特征及其波谱形态；同时研究了因经纱张力系统不同形式的机械故障产生的叠加张力波及其在波谱图上所表现的特征；通过比较二者在波谱图上的差异来诊断造成经纱张力异常的机械故障。同时通过织机后梁故障实例验证了本文方法的正确性。结果表明，基于张力波谱图可对引起张力异常的机械故障部件进行快速精确定位，也为织造加工过程中相应工艺参数的调整提供了重要参考。

织机机械故障； 张力异常； 叠加张力波； 张力波谱图； 经纱张力

织机经纱张力系统结构复杂，其不仅关系着织机生产运行状态，而且更对织物的质量有着重要的影响。张力异常会导致织物质量不符合要求，品质下降，经纱断头等情况的出现，因此，实际生产过程中保持经纱恒定张力很重要[1-2]。通常对织机经纱张力的研究主要集中在织机系统的张力控制方面，研究通过改善机械结构，如在送经机构中加入补偿张力辊等[3]；或使用新的控制策略如改进PID算法、神经网络控制等方式来补偿张力[4-5]，进而提高张力控制速度和精度，减小张力波动以提高织物的质量和生产效率。但在织造过程中，常常会出现织机一直在正常工作状态，而张力却异常的情况。如果单纯从控制角度分析，往往无法找到原因，因此，严重影响了生产的顺利进行。实际证明这种情况多是由于经纱张力系统的机械故障引起的，但目前普遍采用的织机控制系统中并没有根据张力异常特性分析机械故障的功能，基于此，本文提出在频域内对经纱张力进行研究，通过绘制张力波谱图实现对经纱张力的监控，并分析得到的波谱图的谱线特征，找到相应波长段的异常，从而及时发现织造过程中的张力异常，并从机械方面分析产生异常的原因。这种方法可大大加快解决张力异常问题的速度，快速准确查找织机机械故障部位，降低故障排除成本，同时也为织造工艺参数的调整提供重要参考。

1 张力信号分析

理想情况下，织机经纱张力在时域上应该表现为一个恒定的均值信号。但是由于各生产工序、工作环境以及机械缺陷等影响，原理想张力信号上总会叠加各种随机信号，因此实际通过传感器得到的张力信号总是表现为如图1所示的非周期信号[6-7]。

图1 时域张力信号Fig.1 Time domain tension waveform

对张力信号进行时域分析计算，能够得到张力的最大最小值、均值、平均差、方差等相关信息。使用这些参数虽然可表征经纱张力的实时状态，也能及时地发现张力的异常[8]，但却不能直观地反映造成经纱张力异常的原因。本文将重点从频域上对经纱张力信号进行分析。

根据傅里叶变换的原理，任何时域内的随机信号都可被分解为各种频率不同、振幅不同的波，因此，无论是一般的周期性函数，还是非周期函数波形曲线，都可看成是由若干周期性函数曲线叠加而成，即可被分解为若干种不同频率的正弦波以及余弦波[9-10]。将图1所示的张力信号根据傅里叶级数展开，可将其分解为波长在(0～+∞)范围的无数个正弦波或者余弦波。

但是在实际织造过程中，并没有必要对分解出的每个波长的正弦波信号都进行分析，只需要研究在织造加工过程，原理想的张力信号的基础上，叠加的影响比较大的正弦波分量即可。

实际应用中，可通过数字带通滤波将需要研究的波分量滤出[11]，然后以这些被分解出的正弦波的幅值作为纵坐标，相应的波长为横坐标，绘制出张力信号波谱图，并赋予这些分解出的正弦波分量以实际的物理意义，这样就可根据这些正弦波分量来分析造成张力不匀的原因。

利用张力波谱图分析张力不匀，首先必须要明确，实际的织造过程，即使没有出现任何机械故障，也会由于各道工序、环境等不可抗拒因素对张力产生一定影响，即在原始张力基础上叠加一些不可避免的波，这样的波称为原始波。原始波的波长以及幅值也会在波谱图中体现出来，将称其为理想波谱图。因为原始波分解的正弦波或者余弦波的幅值都很小，所以在研究波长区间内，会在某些波长段形成较小的不明显的“凸起”，如图2所示。原始波在波谱图上的特征作为波谱分析时一个理想化参考。

图2 理想张力波谱图Fig.2 Ideal wave spectrum of tension

2 故障波在张力波谱图上的特征

在实际织造过程中，由于特殊的机械性缺陷，在原理想的张力信号基础上会叠加各种幅值比较大的不同形式的机械波。这些波将对理想张力波谱图产生一定影响。具体表现为：某些波长值处，波幅比较大，形成明显的“山峰”。以下将分析因机械故障产生的不同机械波在波谱图上的表现特征。

2.1标准的正弦波形

由于织机旋转机构偏心等原因而在原始理想波的基础上叠加一个标准的正弦波形，如图3所示。图中t为时间基准，用于表示实际正弦波的周期情况，t与织机运转速度相关(速度越快，时间基准越小)；h为幅值基准量度，根据实际情况得出具体值。

图3 标准正弦波Fig.3 Standard sine wave

由于是理想的标准正弦波，很容易得到其波长以及幅值,其在波谱图上表现为：对应波长(横坐标)出现一个明显的“山峰”(正弦波幅值)，如图4所示。

图4 标准正弦波波谱特征Fig.4 Characteristic of standard sine wave spectrum

2.2非标准正弦波

如果在理想张力波的基础上叠加的是标准正弦波以外的其他所有周期性曲线，波谱分析除了会得到其本身波长λ0的幅值信息外，还会得到λ0/2，λ0/3，λ0/4，…等一系列波长对应的幅值，将本身波长为λ0的波称为主波，而其余的称为主波的谐波。谐波的幅值一般比主波长的要小，谐波的波长可能只存在奇数值，即λ0/3，λ0/5，λ0/7，…，也可能只存在偶数值，即λ0/2，λ0/4，λ0/6，…，当然也可能既存在奇数值，也存在偶数值，这取决于叠加的周期波的形状。

如果由于织机某个故障结构，如齿轮断齿等的往复运动造成对称性的经纱张力不匀，即在原张力的基础上叠加波长为λ0三角波，如图5所示。

图5 三角波Fig.5 Triangle wave

要对该叠加的三角波进行波谱分析，首先对其进行傅里叶展开，得出

(1)

式中：f(t)为张力值；A为三角波幅值；w0为角频率；t为时间。因为

w0=2π/f0

(2)

v=λf0

(3)

所以式(1)转化为

(4)

式中：λ0为主波波长；f0为主波频率；v为经纱速度。

从上式可看出，除了计算出主波波长λ0外，还将增加一连串奇数谐波，且谐波的幅度较主波长的幅度渐次减弱，如图6所示。

图6 三角波波谱特征Fig.6 Characteristic of triangular wave spectrum

同理，如果由于机械结构故障叠加一个锯齿波(如图7所示)，分析过程与上类似，其傅里叶展开结果为

(5)

同样将式(5)中w0用主波波长λ0替换,结果如下：

1209 Prognostic value of preoperative serum pre-albumin in patients with bladder urothelial carcinoma

(6)

图7 锯齿波Fig.7 Sawtooth wave

依据式(6)可知，绘制的波谱图特征如图8所示。

图8 锯齿波波谱特征Fig.8 Characteristic of sawtooth wave spectrum

此外，在织机的运行过程中，常常会出现一些随机性的张力异常，如因织机卷取、送经伺服联轴的时而打滑、综框运动异常等故障而造成非周期性的、随机性的张力不匀。可将这些随机产生的张力不匀归纳为一类。因为这种随机产生的张力不匀并不会在张力波谱图上表现为固定的形态，所以如果只分析某个具体时间段的单张波谱图是无法得到引起张力异常的具体原因。为解决这个问题，在实际工作过程中，可将波谱图每隔一定的时间进行保存，然后将数张波谱图对比分析，并结合张力信号的时域变化规律，二者相结合最终找到引起张力异常的具体原因。

当然对于织机不同的故障机构，叠加的波的种类还有很多其他情况，本文就不逐一分析了。下面基于上述理论，以织机后梁机构挠曲变形为例来进行验证。

3 实例分析

在织机的工作过程中，与经纱直接接触的回转部件自身的状态会实时地反映到经纱的张力值上，如图9所示。当后梁机构处于正常的工作状态，即其截面的旋转运动为标准的正圆运动时，这时后梁对张力的影响等效为旋转中心到圆上点的距离。因为圆上任一点到圆心的距离是一个定值，所以此时后梁对经纱张力值应没有任何影响，不会引起任何波长的波动。

图9 正常情况后梁结构示意图Fig.9 Schematic diagram of normal back rest

但是当后梁结构出现挠曲变形，如图10所示，经纱的张力会因该结构的周期性旋转而产生波动。

图10 挠曲后梁结构示意图Fig.10 Schematic diagram of flexural back rest

为了便于分析，需要对挠曲后的后梁结构进行建模。因为实际织造过程中后梁的挠曲变形不会很大，只可能是微量的变形，所以将挠曲后的后梁旋转运动看成为圆的偏心运动，且将纱线速度与后梁偏心圆旋转线速度设为一致。图11示出后梁结构截面示意图。

图11 后梁结构截面示意图Fig.11 Schematic diagram of back rest section

如图11所示,O点是正圆圆心,C点是偏心圆圆心(这里代表后梁挠曲变形后的旋转中心)，CD的长度等效为后梁变形后对经纱张力值的影响。AD圆弧代表时间t内纱线走过的距离L,OA的长度为R(即正圆的半径为R),OC代表偏心的距离，AD圆弧对应的圆心角设为θ。结合给定条件可以推导出：

(7)

式中:R为后梁的半径；△R为偏心距；V为经纱速度；t表示时间。设N为由长度表征张力值的转换系数，则张力公式为

(8)

式(8)即反映出因后梁挠曲变形而叠加的经纱张力随时间的变化规律。从式(8)可知该函数是周期函数，且是偶函数。为了后续计算方便，令

θ=Vt/R

(9)

所以

(10)

下面对式(10)进行分析，首先对其进行傅里叶级数展开，结果如下：

(11)

(12)

其中n=0,1,2,…,给上述公式赋予实际值：取后梁的半径OA=R=60 mm，偏心的距离△R=10 mm，V=10 mm/s，N=100。代入式(8)，得到下式：

(13)

根据式(13)绘制的因后梁挠曲变形而引起的张力波动如图12所示。

图12 张力波动Fig.12 Tension fluctuation

将实际值代入式(12)得到波动张力的傅里叶展开式：

(14)

从式(14)可以看出分解出的余弦波的幅值，再利用式(15)、(16)求出对应正弦分量的波长，结果见式(17)。这里省略了极小幅值的余弦波对应的波长。

f=w/2π

(15)

v=λf

(16)

λ0=0.376 8 m

λ1=0.188 4 m

(17)

λ2=0.125 6 m

接下来对f(t)做波谱分析，将式(13)代表的时域信号通过带通滤波器，通带频率可按照式(14)进行设置，得到图13所示的结果，图中忽略了原始波在波谱图上的特征。

图13 后梁挠曲在波谱图上的特征Fig.13 Characteristic of back rest deflection in wave spectrum

图13示出后梁发生上述条件的挠曲变形时,实际张力信号通过带通滤波器后的波谱结果。通过与式(17)计算对比，结果基本一致。则实际织造过程中，当实测波谱图具有上述特征，即波长40 cm处有较大的凸起且幅值为1 000 mm左右时，说明后梁可能发生挠曲变形。

综上所述，在波谱分析中，关键的工作在于计算故障部件产生波的波长分布。将一台设备所有可能发生故障的部件波的波长及幅值都计算出来并列表，这样在分析时，把波谱图上实测幅值和表中计算的幅值相比较，计算值与实测值的幅值只需“基本相符”(允许差异在±10%以内)，即可初步推断故障部位。

4 结 论

本文主要通过对织造过程中实时的经纱张力进行频域分析，根据得到的张力波谱图实现对引起经纱张力异常的机械故障进行诊断。不同的机械故障产生的叠加波在波谱图上具有不同的特征，通过分析这些差异特征能够快速准确地找到产生机械波的工序和部位, 进而调整修理织机设备消除机械波，解决张力异常问题，达到提高织造效率，改善织物质量的目的。本文方法既可单独开发成一个故障诊断系统进行独立工作，也可集成嵌入现有的织机控制系统中。

FZXB

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Loomfaultanalysesoftensionanomalybasedontensionspectrum

WANG Pei1, ZHOU Qihong1,2, YU Wengang1

(1.EngineeringResearchCenterofTextileEquipment,MinistryofEducation，DonghuaUniversity,Shanghai201620,China； 2.CollegeofMechanicalEngineering,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

During the process of weaving, loom mechanical failure causing warp tension anomaly is difficult to find. A new fault diagnosis method was put forward based on the analysis of the warp tension signal and spectrum of warp tension. First the time domain signal and spectral shape of tension under ideal weaving condition were analyzed. At the same time, superposed tension caused by different forms of mechanical faults of warp tension system and their characteristics in the wave spectrum were studied; By comparing the spectrum difference mechanical faults causing warp tension anomaly were diagnosed. The correctness of this method was proved using the example of back rest of looms. Based on tension spectrum, mechanical failure parts which caused abnormal tension are positioned quickly and accurately, and it also provides an important reference for the adjustment of weaving process parameters.

loom mechanical fault; tension anomaly; superposed tension wave; mechanical wave; warp tension

TS 157

：A

2017-01-04

：2017-05-30

上海市自然科学基金项目(16ZR1401800)

王培(1991—)，男，硕士生。主要研究方向为先进纺织装备机电一体化。周其洪，通信作者，E-mail：zhouqihong@dhu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20170100806