在棉紡工程中，粗紗機的主要任務(wù)是把并條后的熟條加工成符合一定工藝要求的粗紗，供細(xì)紗機紡制細(xì)紗。要完成這一任務(wù)，必須具備喂入、牽伸、加捻、卷繞成型等機構(gòu)，如何對這些機構(gòu)的執(zhí)行零件進行優(yōu)化設(shè)計是決定粗紗機整體質(zhì)量和紡紗質(zhì)量的關(guān)鍵所在。
一般機械設(shè)計都存在著許多種設(shè)計方案。傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計如下圖：
設(shè)計（綜合） ←
↓ ∣
評價（分析）
↓ ∣
選用（決策）－否
↓ 是
理想的設(shè)計方案
這個理想的設(shè)計方案就是“傳統(tǒng)的優(yōu)化”方案，由于設(shè)計方法的局限性這種優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量和效率都較差；隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，可利用計算機輔助設(shè)計高速度、高質(zhì)量地去完成上述的“評價——再設(shè)計”過程。懸錠粗紗機的優(yōu)化設(shè)計實質(zhì)上就是把紡紗工藝對機械的要求問題模型化，即抽象為優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，然后應(yīng)用優(yōu)化計算方法的程序在計算機上求解這個數(shù)學(xué)模型。
一、 喂入機構(gòu)
懸錠粗紗機因機架較高而普遍采用四列（400條筒）或五列（500條筒）高架導(dǎo)條輥積極喂入，工藝要求棉條在輸送過程中應(yīng)保持一定的張力不致松垂，又要盡量避免意外牽伸，以保證粗紗質(zhì)量。因此，合理確定后羅拉與各導(dǎo)條輥之間的距離及速比是設(shè)計過程中的重要一環(huán)。導(dǎo)條輥的截面設(shè)計有圓環(huán)形和中空六邊形，一般采用圓環(huán)形截面設(shè)計。隨著電腦形高速粗紗機的開發(fā)應(yīng)用，棉條的輸送速度在不斷提高，導(dǎo)條輥的優(yōu)化設(shè)計成為一個不可忽略的問題，否則，容易造成意外牽伸或機械震動；設(shè)計時的目標(biāo)函數(shù)是導(dǎo)條輥重量為最輕即：
min W=(D2-d2)/4.ρ.L ，其約束條件是D和撓度Y=5qL4/384EI
目前一般采用復(fù)合不銹鋼管制造，成本低，質(zhì)量好。
二、 牽伸機構(gòu)
牽伸機構(gòu)是懸錠粗紗機的重要組成部分，它直接決定紡紗質(zhì)量的好壞。該機構(gòu)主要包括：清潔裝置、羅拉、加壓搖架、握持及集束元件、傳動裝置。
1、牽伸形式：根據(jù)所紡纖維的長度不同，懸錠粗紗機一般采用三羅拉或四羅拉雙皮圈牽伸；四羅拉雙皮圈牽伸是在三羅拉雙皮圈牽伸的基礎(chǔ)上增加一個整理區(qū)（1.05倍左右的牽伸倍數(shù)），紗條輸出時的集束器放置在整理區(qū)內(nèi)，使?fàn)可炫c集束分開，實現(xiàn)牽伸區(qū)不集束、集束區(qū)不牽伸；由于集束器前置，鉗口對纖維的控制作用增強，浮游區(qū)長度縮小，牽伸變速點前移，為提高粗紗條干質(zhì)量創(chuàng)造了必要的條件。四羅拉雙皮圈牽伸在紡制重定量、小捻度以及化纖產(chǎn)品時優(yōu)于三羅拉雙皮圈牽伸，并且粗紗光潔度好，毛羽少，因而被廣泛應(yīng)用在懸錠粗紗機上。
2、羅拉：羅拉是牽伸機構(gòu)的主要元件之一。一般采用45號鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼制造，工作面為人字形斜齒溝槽和菱形網(wǎng)紋滾花結(jié)構(gòu)，工作部分經(jīng)過高頻熱處理和鍍硬鉻處理；懸錠粗紗機的羅拉已成為紡織專件，直徑多為25～32mm，各廠家的設(shè)計思路不同其羅拉規(guī)格、結(jié)構(gòu)也多種多樣。目前，通過優(yōu)化設(shè)計生產(chǎn)的一種超高精度羅拉正在投放市場，羅拉自由對接精度好，抗彎、抗扭強度高，不需機下校正，無牽伸機械波。
3、加壓搖架： 懸錠粗紗機的牽伸加壓通常采用彈簧搖架加壓或板簧、氣動搖架加壓；加壓量與壓力的合理分布與紡紗質(zhì)量的關(guān)系極為密切。氣動、板簧加壓壓力恒定，成本較高，推廣范圍小。彈簧搖架加壓、釋壓方便，但存在抗疲勞性較差，錠差壓力較大等缺點。牽伸加壓質(zhì)量取決于彈簧的設(shè)計質(zhì)量，保持加壓穩(wěn)定，必須注重彈簧的設(shè)計。彈簧的優(yōu)化設(shè)計建模時要綜合考慮，常取恒力下的變形量為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，承受交變載荷次數(shù)為其主要約束條件。
4、握持及集束元件：四羅拉雙短皮圈牽伸彈性握持鉗口的設(shè)計是整個牽伸機構(gòu)的關(guān)鍵；皮輥、上皮圈、上銷組成握持鉗口的彈性部分,皮輥一般采用鋁襯套結(jié)構(gòu)；上銷通常選用金屬材料或碳纖維材料制造，碳纖維上銷不變形、抗靜電，是設(shè)計發(fā)展的方向。羅拉、下皮圈及下銷組成彈性鉗口的固定部分；下銷有弧面直線形和階梯曲面開槽形，后者工作面能使上下皮圈工作面形成緩和的曲線牽伸通道，防止皮圈回轉(zhuǎn)出現(xiàn)中凹現(xiàn)象，使皮圈中部的摩擦力界因增強而穩(wěn)定，有利于纖維變速的穩(wěn)定性和伸直平行；開槽后對皮圈運動的控制能力增強；應(yīng)用廣泛。
5、清潔裝置： 懸錠粗紗機普遍采用積極回轉(zhuǎn)式上下清潔器，清潔器的設(shè)計較以前有所進步，但還需要進一步優(yōu)化改進。設(shè)計的重點應(yīng)放在減輕重量，降低摩擦力，利于清潔絨帶平穩(wěn)回轉(zhuǎn)。 <BR>6、牽伸傳動裝置：牽伸傳動是產(chǎn)生粗紗條干機械波的主要根源。設(shè)計過程中除保證各支架的幾何精度外，應(yīng)重點對牽伸傳動齒輪進行優(yōu)化設(shè)計，編程設(shè)計時取齒輪一轉(zhuǎn)為周期的誤差最小為目標(biāo)函數(shù)；重量和抗膠合強度為其主要約束條件之一。
三、 加捻機構(gòu)
1、錠翼：錠翼是加捻機構(gòu)的主要元件，它的數(shù)量和重量在單臺粗紗機中占有很大的比重，是粗紗機設(shè)計的重點之一。錠翼有開式和閉式之分，閉式錠翼因具有通道光滑、斷頭率低、對溫濕度敏感性小等特點在粗紗機設(shè)計中占主導(dǎo)地位。經(jīng)不斷地設(shè)計改進錠翼最高速度目前已達到1800r/min，主要技術(shù)指標(biāo)是末端開張量和剩余不平衡力矩；錠翼的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)以重量最小為目標(biāo)函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)參數(shù)為其約束條件。
2、假捻器：錠翼頂端至前羅拉之間存在捻陷現(xiàn)象，其間的粗紗捻度比設(shè)計捻度低20%～40%，并且前后排錠翼導(dǎo)紗角不等易造成粗紗意外伸長，導(dǎo)致細(xì)紗重量不勻率提高。為減少伸長差異，在設(shè)計上采用等導(dǎo)紗角錠翼和假捻器進行補償。假捻器的優(yōu)化設(shè)計非常重要，前、后排紗段的長度不同、導(dǎo)紗角不等對應(yīng)的假捻器應(yīng)該是入紗角不等、刻槽數(shù)量不等。
四、 卷繞成型機構(gòu)
傳統(tǒng)粗紗機的卷繞和成型機構(gòu)是一個復(fù)雜的機械混合機構(gòu)，通常由主電機提供錠翼旋轉(zhuǎn)的恒速，同時帶動主軸上的差動裝置，把筒管所需的恒速與下錐輪提供的變速合成后形成卷繞速度。其數(shù)學(xué)表達式為：
N合成速度=i(輸入至輸出傳動比)× N(輸入轉(zhuǎn)速)+（1-i）×N轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速。
電腦型粗紗機該機構(gòu)演化為以紡紗數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的程序軟件。
1、多電機傳動的電腦型粗紗機取消了錐輪變速機構(gòu)和機械成型機構(gòu)。根據(jù)傳動電機的多少，卷繞形式分為獨立電機驅(qū)動（變頻或伺服）或合成轉(zhuǎn)速驅(qū)動。為實現(xiàn)恒張力紡紗，一般按數(shù)學(xué)式： <BR>NT=ND+L/π(d0+2tn) 建立數(shù)學(xué)模型�！綨T筒管轉(zhuǎn)速 ND錠翼轉(zhuǎn)速 d0紗管直徑 n卷繞層數(shù) t粗紗厚度 L前羅拉輸出長度】紡紗數(shù)學(xué)模型的設(shè)計與實際紡紗狀況存在許多不確定的因素，真正做到智能型恒張力紡紗還要不斷地對數(shù)學(xué)模型進行優(yōu)化設(shè)計。
2、傳統(tǒng)粗紗機卷繞成型機構(gòu)的設(shè)計重點是差速機構(gòu)和變速機構(gòu)，差速機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計除了要保證卷繞恒速與錠翼恒速的不一致系數(shù)為零外，差速傳動齒輪要按重量最輕為設(shè)計目標(biāo)。變速機構(gòu)中的錐輪變速比PIV變速具有許多優(yōu)點，因而被廣泛采用，目前對變速曲線的設(shè)計及加工還存在誤差，有待進一步優(yōu)化設(shè)計。
懸錠粗紗機在設(shè)計方面還存在許多系統(tǒng)的、隨機的影響紡紗質(zhì)量的弊病，與國際先進技術(shù)水平相比有一定的差距，只有經(jīng)過不斷地設(shè)計改進提高其可靠性，才能顯示出產(chǎn)品的優(yōu)勢和先進性。
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