织机纯气动折边装置设计与优化

发布时间：2016-08-01 07:43

第一章  绪论 

1.1  课题研究背景及意义 
伴随着纺织工业的蓬勃发展，作为纺织工业的技术基础，我国纺织机械行业也取得了巨大的进步。至 2010 年，我国已经成为全球最大的纺织机械制造国[1]，中国的纺机行业是世界纺机领域不可或缺的重要部分，更是中国经济发展的重要组成部分。内需持续稳定扩大也为行业发展提供了良好市场条件和广阔发展空间；其在全球纺织产业格局中发挥着不可替代的作用，体现了中国纺织品的竞争优势，国际新兴市场纺织品服装需求量也在不断增长，为拓展多元化出口市场、稳定以及提升国际市场份额提供了良好机会[2]。目前，纺织工业的结构调整和产业升级正在不断提速，将进一步加快推进技术改造和淘汰落后产能。 织机作为现代纺织机械的一大种类，是集光、机、电、液、气等技术于一体的系统，织机的作用是将纱线织成布匹，其出布的速度、质量是织机的主要评价因素。随着近年人们对纺织品要求的提高，高速高性能织机成为世界纺织机械工业强国的重要发展对象。 织布生产技术有着悠久的历史，根据其发展过程可分为：原始手工织布、手工急切织布、普通织机织布、自动织机织布和无梭织机织造五个阶段[3]。根据其引纬方式的特点，把采用传统的梭子作载纬器来引纬的普通织机、自动织机和手工织机这三种织机划分为有梭织机。有梭织机因其特殊的引纬方式具有以下特征：梭口尺寸要设计的特别大，以此来避免梭子进出梭口时与经纱产生过度的摩擦和挤压而破损经纱；即使在较低织机转速和引纬率的情况下，由于梭子的加速和减速两个过程都特别激烈，对织机的零部件的磨损较大，且机器震动不稳定噪声高达 100-105DB，工人的劳动环境较差且劳动强度大。有梭织机的这些缺点极大限制了织机转速和入纬率的进一步提高。从 20 世纪初开始，人们提出了一种新型引纬方法：由引纬器直接从固定筒子上将纬纱引入梭口，以此来克服梭子引纬的缺陷。无梭织机应运而生。剑杆织机、喷气织机、片梭织机等无梭织机的开发应用，使纺织工业产量跨上了一个新台阶，其中普及型无梭织机因其价格便宜更是深受中小型纺织企业的青睐，但普及型无梭织机在织造过程中由于引纬机构的结构特点，如图 1.1 和图 1.2 所示布边均为毛边，不能像有梭织机一样在引纬过程中形成自然纬纱折入布边，影响了布匹质量，如若有光边要求时还需进行裁剪、折边、缝纫等后处理工序，不但费工费时还浪费了大量的原材料，大大加大了纺织企业的生产成本[4-6]。 
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1.2  国内外研究现状及发展趋势
在“十二五”规划的指导和指引下，我国纺织行业正在从推进高新技术纤维产业化，促进产品功能、性能创新，提升质量档次，提高装备自主化水平，大力推进节能减排等方面着手提速产业升级的步伐。目前，国内纺织装备重点实验室，研究开发中心等不断增多，积极投身于纺织工程研发技术的专家学者和研究人员的比例不断扩大，这将使纺织产业的发展进一步提速；欧美如德国、意大利、英国、瑞士、比利时等西方发达国家以及日本等织机生产强国对织机系统特别是对无梭织机的毛边处理进行了长期的基础与实验研究，形成了大量专利技术产品，，并且还在进行深入研究，而我国在这方面基础理论研究与世界发达国家相差较大，具有世界级水平的理论研究、专利技术和产品极少[17-19]。 目前我国著名的无梭织机生产厂家主要有浙江省新昌鹤群有限公司，山东日发纺织机械有限公司，常熟纺织机械有限公司，青岛天一集团红旗纺织机械有限公司，张家港市第五纺织机械厂[20]。 常熟纺织机械有限公司的汪建明等人在 2003 年设计了一种纯机械式的折入边装置[12]。该折入边装置为一种共轭凸轮式折入边装置。由于其特殊的设计结构在一定程度上改善了机械式折入边装置的稳定性，有效提高了钩针钩入纬纱端头动作的成功率、降低引纬失误率。 青岛天一集团红旗纺织机械有限公司的邱智杰和李帅等人在 2012 年设计了一种气动与机械混合式折入边装置[14]。如图 1.4 所示，机械部分采用了共轭凸轮式设计来控制钩针按时进入织口，将纬纱端头折入织口；气动部分，当纬纱进入织口时，上喷嘴喷射气流将纬纱端头吹入导气孔中，当钩针运动到上下喷嘴之间时将纬纱端头带入织口实现一次折边。该折入边装置能较好的将 12~17mm 的长度的纬纱纱头折入织口内达到光边效果。 
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第二章  纯气动折边装置设计方案 

2.1  纯气动折边装置的工作原理及相关织机机构

无梭织机出现后，其单向引纬导致纬纱在布边处不连续形成毛边，为锁住织物布边达到光边的要求，各类锁边装置应运而生。锁边装置在在无梭织机机构分类中属于辅助机构中的织边机构，辅助机构虽然不直接参与形成织物，但想要达到光边要求每台无梭织机必须配备一套锁边装置。故只有有效调节好锁边装置与主要机构的配合才能提高织物的产量和质量水平，降低劳动强度[25]。 因无梭织机机构的特殊性，折入边装置广泛应用于片梭织机、剑杆织机和喷气织机上。纯气动折边装置因革除了机械钳口和钩针部件，在织造时不仅在布边锁边过程中省去了假边解决了织机产生的回丝问题，还避免了因为机构磨损而不适宜高速引纬[8]。 纯气动折入装置作原理如下：在无梭织机开始织造前预先通过调压阀调好各个气路的压缩气流压力。织机开始引纬后，在布幅引供纬侧，在电剪刀剪断纬纱时相应的电磁阀开启，通过握持气流将纬纱纱端握持住；当织机运转到一定角度时该电磁阀关闭，与此同时控制其他流道的两个电磁阀开启，通过斜吹气流和折入气流的协同作用将纬纱末头吹入梭口，随后来引入的纬纱一同打入织口，完成一次折边织造；如此往复即可形成光边效果[26]。 折入边的特点是可以织出与有梭织机相似的光边，纬纱回丝率较低，而且布边的经纱可以和布身相同。然而，折入边会增加布边处的纬纱密度，会使布边厚度增加，可能导致布边变硬，染整时产生布边与布身的色差和裁剪困难.

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2.2  纯气动折边装置结构设计
在为期一年的研发过程中，纯气动折边装置的设计方案经过多次优化设计得到了很大的改善，达到了更短的纬纱纱头也能平稳的折入梭口以达到光边效果。 对比分析市场上现有的气动和机械混合式毛边折入装置，第一轮设计方案如图 2.3 所示。纯气动毛边装置的第一轮设计方案基本可以满足对毛边折入的要求，在此设计方案中纬纱斜吹孔喷射气流方向朝向织口且与水平面成 45°交角。考虑到要与标准气动接口连接和各气流入口空间布局的问题该装置设计厚度为 15mm，但当纬纱毛边长度小于 15mm 时，由于装置本身厚度较大的缺陷，其毛边折入的效果并不理想。此外该设计方案中此装置需要通过配套的机构使其做往复运动不适合织机转速高速发展的要求，且难以在现有的无梭织机上自适应安装，所以从提高无梭织机织造效率和改造成本上考虑纯气动折边装置需要进一步设计优化。 汲取纯气动折边装置第一轮的设计经验，第二轮设计方案为达到在现有无梭织机上自适应安装的要求，纯气动折边装置不再采用往复式的运动方式，通过在装置上开设相应的Y 型导纱口以供引纬器穿过，使其可以固定安装在织机上。如图 2.4 所示第二轮设计方案中纬纱斜吹孔开设在 Y 型导纱口窄口侧的末端，斜吹气流朝 Y 型导纱口开口且与水平面成45°交角方向喷射。此设计方案中纯气动折边装置的厚度为 10mm，在理论上尺寸大小上基本能实现短毛边（10-13mm）的光边效果。但在数值模拟仿真时发现此设计方案无论怎么改变下握持孔流道与斜吹孔流道之间的距离，斜吹气流和折入气流协同作用所形成的流场都无法满足将纬纱纱端平稳地吹入布幅梭口的要求，故该装置在结构布局上还需要进一步优化。 
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第三章  纯气动折边装置流场分析及研究 ............ 15 
3.1  纯气动折边装置流场数学模型 ...... 15 
3.1.1  空气流动的一般特性 ........... 15 
3.1.2  气体动力学基本控制方程 ............ 16 
3.1.3  湍流控制方程 ..... 18 
3.2  纯气动折边装置离散建模 ..... 20 
3.2.1  流场三维建模 ..... 20 
3.2.2  流场网格划分 ..... 22 
3.2.3  流场边界条件设置 ...... 24 
3.3  数值模拟结果与分析 .... 24 
3.4  本章小结 ...... 32 
第四章  基于 PLC 的纯气动折边装置控制系统设计 .... 33 
4.1  纯气动折边装置的控制要求 .......... 33
4.2  纯气动折边装置的控制元件及 PLC 选型 ....... 35
4.3 I/O 通道分配及 I/O 接线图 .... 40 
4.4  利用 NP-Designer 编写人机交互界面 .... 41
4.5  利用 CX-Programme 编写主控制程序 .... 47
4.6  本章小结 ...... 54 
第五章  纯气动折边装置的试验研究 ........... 55
5.1  试验平台搭建 ....... 55 
5.2  纯气动折入边装置加工 ......... 56 
5.3  纯气动折入边装置应用试验研究 ........... 58
5.4  本章小结 ...... 64 

第五章  纯气动折边装置的试验研究 

5.1  试验平台搭建
通过对不同折入孔结构折边装置的折入效果对比分析、不同长度纱线的折入效果对比分析和不同抗弯刚度纱线的折入效果对比分析三个试验研究来验证纯气动折边装置的折入效果。由于条件所限，我们无法做到电剪刀和探纬器检测，故在试验研究中不做考虑。在实测实验时，搭建了一个具有塑料薄片布幅梭口模拟装置的简易试验平台来模拟纯气动折边装置对单根纬纱末端的折入。试验平台主要包括空气压缩机、储气罐、调压阀、电磁阀、纯气动折边装置、PLC、触摸屏和塑料导气软管等。 如图 5.1 所示为试验装置示意图，从空压机出来的压缩空气进入储气罐，然后经过三个流道分别通过调压阀和电磁阀进入纯气动毛边折入装置。其中 MHJ10-S-2，5-QS-6-HF快速切换电磁阀的开与闭由型号为 CP1H-XA40DT-D 的欧姆龙 PLC 控制。每次试验之前，通过调压阀分别将纯气动折边装置中握持孔入口压力设定为 0.18  MP、斜吹孔入口压力为0.25 MP 和折入孔的入口压力为 0.35 MP，最后待流量稳定后进行试验。如图 5.2 为试验装置实物图。
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总结 

随着国内外纺织机械的高速发展，对纺织机械产品的自动化程度要求也在不断提高，为适应这一发展需求本文设计并优化了可用于高速无梭织机锁边的纯气动折边装置。本文基于折边装置的原理设计了纯气动折边装置，运用有限元数值模拟软件 ANSYS14.0 模拟分析了不同折入孔位置对纯气动毛边折入装置流场的影响，基于欧姆龙 PLC 和触摸屏实现了纯气动折边装置的自动控制和人机交互，并通过试验验证纯气动折边装置结构的合理性及其折入效果。具体成果如下： 
（1）基于纯气动折边装置的工作原理，设计了可用于 8mm 以下毛边长度折入的纯气动折边装置的结构，运用三维实体造型软件 UG，构建了纯气动折边装置的三维模型。 
（2）运用有限元数值模拟软件 ANSYS14.0，采用雷诺平均方程和 RNGk 湍流模型，选用结构化网格和非结构化网格划分流道计算区域，运用 SIMPLE 算法对纯气动折边装置流场进行了数值模拟，探讨了不同折入孔位置对纯气动毛边折入装置流场的影响。对数值计算结果进行分析研究得出如下结论：折入孔位置的改变主要影响几股超音速紊流射流间的相互引射作用，以此来改变流场的稳定性，同时影响纯气动折边装置对纬纱末端的折入效果。f 过大、e 过大或过小和 d 过小都会增强几股平行超音速紊流射流相互引射的作用破坏流场的稳定性，而 f 过小或 d 过大则会导致上下两折入孔组附近相对高速的流场区域太小不易于纬纱末端的折入。综合对比分析七种不同结构的纯气动折边装置得到合理的结构参数为：上下两折入孔组间距为 3 mm，各折入孔组中两折入孔间距为 3 mm，上下两折入孔组与 Y 型导纱口底部间距为 7.5 mm。 
（3）以型号为 CP1H-XA40DT-D 的欧姆龙 PLC 和型号为 NP5-MQ001B 的欧姆龙触摸屏为纯气动折边装置的控制核心，根据全自动控制和单周期控制要求设计合理的梯形图程序来实现纯气动折边装置的自动控制和人机交互。 
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参考文献(略)

本文编号：80145