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标题 标题: 一种新型智能环锭纺部件 发表回复 发表新贴
第1楼        zhangkeyu2 发表于 2019/04/16 15:19      

 我公司正在研发一种新型智能环锭纺部件,该部件利用原有的锭子,加上电机与CPU控制,不用传统的纲领,钢丝圈,皮带传动等,消除了加捻时的气圈。能完成恒捻度加捻,恒张力卷绕,智能移纱。预计算功耗比传统的环锭纺要低,效率要高。目前已完成原理性科研样机。下一步寻求感兴趣并有纺机械设计加工的单位合作。

第2楼        zhangkeyu2 发表于 2019/04/17 13:56      

 智能封闭环锭纺设计方案可行性探讨

 问题的提出

环锭纺纱机自1828年查普(Thorp)所发明的最初雏型开始,至今已有160多年的历史了。但是,长期以来由于受到大卷装和高速度的限制,环锭纺纱机的发展受到了一定限制。

本发明的目的与大多数发明者一样,试图提高纺纱效率,降低纺纱功耗,改进纱线质量,降低纺纱成本,控制整机造价。为达到此目的我们分三步进行。

首先采用单锭电机驱动,为后面的智能控制打开道路。

然后采用封闭式结构,降低各种空气干扰。

最后也是最重要的一步就是在前两项的基础上采用一个沿Z轴浮动的旋转磁环加捻,抛弃传统的钢领钢丝圈,打开高速加捻的障碍,采用各自独立又关联的电脑控制加捻,卷绕及纱。

 

第一步 环锭纺的单锭电机驱动

 

首先我们分析一下环锭纺在运行时的功耗。作为一个新项目如果功耗比原来的大,那么该项目将来是不会受到市场欢迎的。

在一些文献中把环锭纺全机功率分为 纺锭功率,辅助功率,基础功率三大部分。

纺锭功率又分为 主要功率,次要功率。

主要功率又分为 卷绕功率,卷装功率

次要功率又分为 空锭功率,传动功率

辅助功率又分为 牵伸功率,成型功率。

也有文献分析功耗如下

理论功耗组成、估算及影响因素分析见下表所示

 

锭子功耗

的构成

影响因素

理论功耗(w)

(1)油膜阻

尼功耗N1

油的粘度μ、锭速2、

锭杆外径、中心套管内径、油面高度

0.324

(2)上轴承

功耗N2

摩擦系数f、油的粘度μ、轴承节圆直径3、

轴承负荷(锭带张力)

4.08

(3)锭尖与锭

底功耗N3

锭底载荷=锭子重+纱管重、锭尖与锭底接触半径2、锭速

0.015

(4)空气阻力

功耗N4

锭速3、管纱高度H、直径D、空气阻力系数λ

2.71

(5)卷绕张力

Tw功耗N5

小纱大/小直径

钢丝圈离心力、摩擦系数、卷绕角

16.1/12.3

 

本方案分三个步骤解决纺锭功耗。

(一)维持次要功率中空锭功耗,减少传动功耗

空锭功耗主要在锭子本身的设计和使用环境,多年来纺纱界已研究改造的相当好了现在重点放在减少传动功耗。采用的方法类似直流无刷单电机驱动模式(单锭单电机驱动市场已有,但未推广开,原因需调查。目前稀土永磁直流无刷电机的转换效率已达到95%,其转换效率不比单一大电机差。)但在本方案中将纺纱锭子构件基本不动,全部保留作为电机转子,只在原皮带处一个磁钢,锭子原皮带的一些多余的部分可车去。在锭子外圈加上电磁线圈,即相当电机的定子,产生旋转磁场。由单片机控制转速等,达到了结构最简化,基本无机械传动等功耗,保留了纺纱锭子轴承的优点,减少传送皮带带来的上轴承侧向压力。同时适当的利用磁场上引力可减少锭尖与锭低部的垂直压力,还可以很方便实现了智能控制启停,调速,急刹车,故障报警等一系列功能。单电锭电机驱动试验如下

试验条件:电路板采用旧电机驱动板临时改装,锭子采用榆次的尖头铝管锭子改造,锭子可以方便地拔出以便维护,外加旋转磁场利用一旧电机锭子临时替代。

整个试验结构如下图所示

 

 

                     图一

 

 

试验结果:

静态功耗约(电路板的功耗)  3W

加速到1万转 空锭 功耗 6.3W

也就是说空锭功耗3~6W左右。传动功耗接近0W


第3楼        zhangkeyu2 发表于 2019/04/17 18:52      

本文仅限于内部讨论。文中许多理论公式为本人自编非教科书经典,难免有错,请各位自行判断批评指正,有问题尽管提出。上面一段只是方案第一部分,其中数据摘自网上海啸的文章。后面部分看情况再定是否发表。欢迎感兴趣者加入。


第4楼        zhangkeyu2 发表于 2019/04/22 10:00      

没人感兴趣?,再登一小段。恕我不能多发,牵扯到技术保密。

(二) 降低主要功率中的空气阻力

与该项有关的参数是锭速S、管纱高度H、直径D、空气阻力

空气阻力应分两部分:(1)空气与卷装表面的摩擦阻力。(2)纱线在空气中高速运行受到风阻。

1)首先看空气与卷装表面的摩擦阻力,理论计算公式如下

  F=CpSV^2

  N=FV=CpSV^3

  Cp:阻力系数,取决卷装表面状态,空气密度等因素。

  V:卷装表面线速度。

  S:卷装表面面积。

  N:功率消耗。

随着现代纺纱速度的提高,空气与细纱卷装表面摩擦产生的功耗越来越大,成为不可忽视的一部分。这公式里我们唯一可做的就是减少阻力系数Cp,也就是使卷装表面尽可能的光滑。于是我们设计出一款整流罩,将卷装部分罩起来,罩表面很光滑,Cp极小。整个卷装工作是在一个准密闭空间进行。

如图二右侧

                    图二

试验结果一万转时

空纱筒 功耗  7.2W

满纱筒 功耗9.9W

整流罩加满纱筒 功耗 12W

与设想的结果有点差异,加罩后功耗没降反升。分析原因是加罩后表面光滑虽然降低了表面摩擦产生的功耗,但整流罩加重了锭尖摩擦产生的功耗,尤其是我们试验是就地取材采用了一种较重的PVC管,在正式设计时将选用较轻的材料专门加工,重量会降低。另外还有一项利用磁力减低重力对锭尖压力的试验没试(此项供讨论)。

2)其次是空气阻力中纱线在空气中高速运行受到迎面吹来的风阻。

  假设现代环锭纺机在目前最高22000转,钢领直径45mm时线速度51.8m/s。相当于在186公里/小时的敞篷车上纺纱。这还没计算气圈的直径,高速旋转时的离心力问题。这点就是纺纱讨论中说的气圈问题。

 气圈在纺纱行业及教科书中已讨论了很多。其一个优点就是很巧妙地利用它的弹性稳定纱线张力。但它带来的弊病很多,尤其是风阻产生的功耗。

另外纱线在高速运行中受到不单单是迎面吹来的风阻,还有气流的扰动的问题,纱线会急速无规律的抖动,造成纱线张力的跳动。

因此当纺纱速度越来越高时我们就再也不能忽视高速气流对纱线的影响,不单单是一个能耗问题了。见下示意图

 

参考风阻计算公式是:Fw=1/16·A·Cz·V^2

其中:V线速度,A为横截面面积,Cz为风阻系数。

在这里ACz我们无法控制,唯一可想的办法是降低V

如前面设想的解决方案 在卷绕部件外加一个整流罩。

纱线卷绕处理在一个密封的舱体内进行,相当从敞篷车移到密封的轿车里绕纱,外面车速再高影响不到内部处理纱线,内部一切是准静态的,只有每分钟200转左右的卷绕和移纱,没有气流的扰动。 纱线加捻仍在整流罩外进行,但是在单一出口N进行,加捻没有侧向气流的干扰,出口可以控制在2mm以内摆动,消除了大气圈,也就是说纱线的线速度V变得极小,趋近于0,仅在原地旋转加捻。同时也极大地降低了高速气流对纱线的扰动,可以使纱线在较稳定的条件下加捻。此项除了降低风阻外对纱线的质量也应该有所改善,(此论点请纺纱工艺方面的专家指正或以后在实际纺纱中验证)。见图二中右图纱线出口N

罩内由于风阻的影响很小,主要考虑离心力的影响。这是一个相对气流影响而言较稳定的一个力,纱线主要是贴筒壁上下滑动,移动速度0.3~0.4/秒左右。

       图三

试验数据如下

模拟有气圈加捻 功耗    15W

模拟中心加捻   功耗  13.5W

仍是一万转,功耗减低了10%

这里有一个捻陷的问题。

当对纱线加捻时,中间遇到障碍时会产生一种使捻度不均匀的现象,称为捻陷。如图四中C

           图四

我们的设计中将纱线通过整流罩出口N加捻,在上图四N处会不会出现导纱勾C一样的捻陷呢?要注意到N点不是静止的,它是以与加捻磁环(加捻磁环在后文描述)相同的速度相同的方向高速旋转。也就是说它是加捻动力的一部分。真正的捻度梯度应从N点向上传递,或从罩内的加捻磁环端均匀地通N点向上传递。(此项供讨论)

 


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