第1章 绪论
1.1 课题选题依据和意义
锭子是细纱机上加捻卷绕的重要部件，纱锭的数量也是衡量纺织规模的标准,其动态性能的好坏直接影响纱线的产量和质量，对纺织业的发展起着举足轻重的作用[1-2]。从古老的手工纺纱到现代的机器纺纱，锭子转速不断提高，结构形式不断变化。锭速的不断提高，对锭子结构和性能的要求也越来越高。振动、磨损和噪声等是旋转部件高速的障碍，故运转稳定性随锭子速度的提高显得越来越重要。锭子的转速决定了纱线的产量，锭子的动态性能影响着纱线的质量，高速和高性能是现代纺织业对锭子的要求。因此，有必要对锭子的动态性能作深入的研究。 振动和噪声是评价锭子动态性能的重要指标。锭子高速回转时，剧烈的振动会引起纱管的窜跳，使纱线断头或成型不良、加速机件的磨损，同时产生噪声等。因此，研究锭子的振动特性对提高锭子的动态性能起着重要的作用[3-5]。 相关资料表明，细纱机发展的大方向之一为单锭子，小卷装，高速卷绕，自动化和智能化。随着科技的进步，电锭细纱机逐渐问世。我国上海二纺机已经成功推出全球首台PFA1505型1008锭智能化电锭细纱机，转速高达25000r/min。山西鸿基开发了516锭电锭细纱机，单锭功率11W，直流电压24V，锭速16000r/min。ITMA 2011欧洲国际纺机展上，有数家展出了电锭细纱机。德国SFN单独展出电锭，每锭45欧元[6]。 由于电锭是单锭单电机传动，使主轴、滚盘、张力盘以及锭带等机械传动机构完全取消，完全脱离了机械传动的范畴。细纱机采用电锭的优点有：减少传动磨耗、节能显著；锭速稳定，捻度变异小；可实行一机多品种生产；可实行纱线断头、锭子同步停转；减少占地面积；润滑简化、降低噪声和振动等[7-11]。 随着科技的进步，驱动、控制和信息技术不断的进步和成本下降，电锭细纱机将随现代纺织时代的需要逐步体现其价值。
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1.2 锭子和电机振动研究现状
前苏联学者在锭子的研究与实践工作方面已经做了大量的工作，1932年马雷歇夫发表了一篇名为“环锭纺纱锭子的结构计算原理”的著作，该著作引述了环锭纺纱锭子的锭杆振动近似计算的理论依据，指出了靠底式和悬挂式锭子的特性，并对回转仪式的锭子工作时一定会发生剧烈的振动现象找到了数学上的根据。马卡罗夫对棉纺锭子与捻线锭子的特殊形状的锭杆在受到横向弯曲时，如何来决定锭杆的自然振动频率，提出了近似的及精确的测定方法。此外，他还研究出了一种测定复杂形状锭杆的基本自然振动频率近似值的方法。前苏联学者科里蒂斯基在早期锭子的系统建模、弹性管的刚度分析，以及卷簧系统的阻尼特性等方面进行了较为深入的研究，他将锭杆作为刚性转子，分析了锭子的振动特性[16]。 国内也有不少专家学者对锭子振动方面做了不少研究工作。陈瑞琪从五十年代开始从事锭子设计理论与测试的研究，取得了多项研究成果。陈瑞琪用SAP5程序计算了D3203型纺纱锭子的临界转速及振型，开辟了锭子设计的一个新途径，即由传统的静态设计变成动态设计[17]。吴文英分别采用传递矩阵法与子结构模态综合法计算了新型高速空心锭子的临界转速，分析了其主要结构参数对临界转速的影响[18]。马晓建研制了一套锭子动态性能测试系统，分别对锭子上轴承与失效锭子进行了振动测试与分析，找出了锭子失效的原因，并提出了改进措施[19]。钱家德用近代非线性动力学理论分析了纺纱锭子的动态特性，用数值方法得到转子系统在某些参数区域内的轴心轨迹图、Poincare映射图和分岔图等，讨论了系统各种形式的倍周期、拟周期和混沌运动，分析结果为定性地改善转子系统的稳定运行状态提供了理论依据[20]。
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第2章 电机式锭子性能要求与总体实现方案
纺织产业一直以来都是我国经济的支柱产业之一。细纱工序是纱线成型的最后一道工序，锭子是细纱机上完成加捻卷绕的关键部件，是纺织工业的象征，是衡量纺织规模的标准。锭子性能的好坏直接影响纱线的质量与产量，同时对纺织厂能耗、车间环境、细纱机寿命等也有较大的影响。因此，一直以来，锭子结构和性能都是研究的热点。由于传统机械锭子结构复杂，属于竖直高速运转的细长杆件，加之纱线带来的变负载和负载不平衡等特殊的工作环境，使锭子性能的分析成为了难点。 环锭细纱机，品种适应性广，是细纱机中最为常见的细纱机之一。传统的环锭细纱机，通过锭带或龙带传动锭子，这种机械式的带传动使得环锭细纱机具有体积庞大、噪声来源多、不利于智能控制等缺点，但由于成本低、维护方便等优点使得此种传动方式仍广泛应用于环锭细纱机。电锭细纱机的出现，革新了传统的锭子及其传动方式。这种单锭单电机传动方式既有利于减小细纱机的体积，又能够实现纱线状态的自动检测，对于精确控制纱线状态非常有帮助，有助于提高纱线质量；同时可以提高锭子工作转速，有利于提高纱线产量。电锭细纱机是今后细纱机发展的方向。但限于电锭的一些关键技术和成本问题未能得到很好的解决，电锭细纱机还未走向市场。近年来，随着劳动力成本的上升、电机技术及其控制系统等技术的发展，使得电锭式环锭细纱机又成为了研究的热点。 本章将对电机式锭子的结构特点、性能要求以及性能影响因素作简要的介绍，并对本论文的总体实现方案进行部署。
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2.1 电机式锭子结构特点
电机式锭子（简称：电锭）在继承传统机械锭子的功能、支承方式等基础上，改变传统锭子在细纱机上的传动方式，将电机直接集成到锭杆上，实现单锭单电机的传动方式。 由外形结构图（图 2-1）可以看出：电锭系统主要由锭杆、锭钩、电机以及锭脚四部分组成。由爆炸视图（图 2-2）可以清楚地看到电锭系统内部组成结构，特别是电机与锭子的结合部分。电机转子部分（包括：转子铁芯、永磁体、衬套等）压配在锭杆上，与锭杆组成电锭系统的旋转部件，同时锭杆充当电机的转轴。电机定子部分（包括：锭子铁芯、各相绕组等）装配在电机外壳内，电机后端盖压配在锭脚上，用来定位电机外壳，从而控制电机定子位置。锭钩装配在电机前端盖上，用来挡住锭盘（锭杆上的一部分），以防止在拔管时锭盘锭杆一起被带出或剧烈窜动。同时前端盖也起到了定位电机转子的作用，以保证电机定转子的相对位置，从而保证电机能够正常工作。 锭杆前端部分呈锥形，其锥度是用来插放纱管的，这一部分的直径和锥度大小应考虑到既要有足够的摩擦力来带动筒管，又要便于拔管，因此必须十分平直、坚韧而有弹性。锭杆前端镶上铝质套管，薄壁纸质（塑料或铝合金）铜管则套在铝套管上，由锭杆带动运转，此种铝套管锭子适用于棉纺大卷装，能适应高速纺纱。
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2.2 电机式锭子性能要求
电机式锭子运转情况的良好与否直接影响电锭细纱机产出纱线的质量和产量。 从经济的角度来看，电锭的设计在满足纺纱的必要功能的前提下，应尽量降低制造、维护及保养的成本，减小使用中的消耗，且尽量保证其有较长的使用寿命。在实际工作环境中，纱管与纱线的不平衡、处于变化状态的纱线张力以及电锭本身引起的不平衡量，将不可避免地加剧电锭振动和磨损。剧烈的振动又会引起纱管的窜动，从而导致纱线断头和管纱成形不良，和加快机件磨损、降低机件寿命、产生噪声、降低产量等后果[34]。因此，电锭的运转平稳性是电锭设计的第一要素。 锭子是纺织产业的象征，锭子的数量是衡量纺织厂产量的标准。锭子是细纱机上用于生产的主要部件，是细纱机上主要的功耗部件。锭子的功耗指标一直都是纺织生产中众所关心的问题。降低锭子的功率消耗是纺纱厂节能的主要着眼点。因此，功耗是电锭细纱机对电锭性能的另一个要求指标。
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第 3 章 电机式锭子不平衡磁拉力的分析与计算 .... 13
3.1 不平衡磁拉力产生原因............ 13
3.2 径向磁拉力的分析与计算........ 14
3.3 轴向磁拉力的分析与计算........ 21
3.4 本章小结......... 24
第 4 章 基于数值算法的电机式锭子振动模型 ........ 25
4.1 传递矩阵法基本原理....... 25
4.2 电机式锭子简化模型....... 30
4.3 电机式锭子临界转速计算模型......... 31
4.4 电机式锭子振型计算模型........ 33
4.5 电机式锭子不平衡响应计算模型..... 34
4.6 本章小结......... 35
第 5 章 电机式锭子振动特性分析 .......... 36
5.1 基于 Ansys Workbench 的电机式锭子振动模型 ........ 36
5.2 临界转速计算结果分析............ 40
5.3 振型计算结果分析........... 41
5.4 不平衡响应计算结果分析........ 44
5.5 电机式锭子振动特性总结........ 45
5.6 本章小结......... 46
第5章 电机式锭子振动特性分析
在现存的各种纺纱技术中,环锭纺纱由于能提供最好的原料利用率、最大的适纺范围以及不可比拟的纺纱质量，在纺纱工程中仍占有主要的地位。电锭是环锭纺纱加捻卷绕机构中的重要部件，具有量大面广的特点，因而继续发展环锭纺纱技术，对电锭的研究、改进和提高仍是至关重要的。 电锭是一个高速回转部件，而它的结构和工作状态又是不利于高速的，锭杆的长度，锭盘的质量，锭杆与轴承、轴承与支座、锭杆与弹性套管之间的配合间隙，锭尖与锭底的接触半径，油膜阻尼的吸振效果等都直接影响着锭子的振动特性。各种因素的耦合使锭子在高速时会出现很多问题，如：异常振动、功耗增加、噪声大以及机件磨损等，但其主要障碍是振动问题。 本章主要从临界转速、振型以及不平衡响应三方面来研究电锭的振动特性。以基于数值算法的振动模型和基于有限元的振动模型两种方法来分析表征电锭振动的参数。
5.1 基于 Ansys Workbench 的电机式锭子振动模型
传递矩阵法中，矩阵的阶数不会随系统自由度的增加而增加，因此计算程序简单，占用内存小，运行速度快。但如果考虑到电锭系统转子周围的支承于复杂外力等影响时，传递矩阵法将难以实现。另外，传递矩阵法将大量的转子结构信息简化为集中质量，运用梁模型进行分析，在一定程度上并不能保证转子模型的完整性和分析的准确性。然而，在有限元法中，适合将转子和周围各种边界条件结合起来进行分析。同时，随着计算机技术的发展，有限元分析软件的分析精度与运行速度得到了很好的保证。 为了保证本课题研究的准确度，将采用有限元法对电锭系统振动特性进行研究，以达到与数值分析结果的对比与相互验证的效果。 在有限元法中，进行转子振动特性分析计算之前，要对转子系统进行有限元建模，需要重点考虑模型的简化、支承与约束等边界条件的选择等[55-56]。 本节将介绍基于有限元分析软件 Ansys Workbench 的电锭振动模型。由于本文着重研究电锭轴系的振动特性，加之要考虑不平衡磁拉力对电锭振动特性的影响，将不平衡磁拉力考虑为预应力进行分析，因此，需要建立有预应力的模态分析模型和无预应力的模态分析模型，通过两种模态分析的结果来分析电锭振动特性。
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总结
首先，本文详细介绍了电锭的结构特点、性能要求、影响电锭性能的主要因素等。其次，研究了不平衡磁拉力。再者，分别建立了电锭振动数值和有限元计算模型。最后，分析并总结了电锭振动特性。具体来说，本文的主要内容包括以下几个方面：
1) 详细介绍了电锭的结构特点。电锭是电机和锭子的组合，电机转轴是锭杆的一部分，电机是电锭系统的驱动部件。电锭系统可以认为是复杂长轴立式电机。
2) 详细介绍了电锭细纱机对电锭性能的要求。除了运转稳定、耐磨、节能、承载能力大、品种适应性广等对机械锭子的性能要求外，还有转速范围、功率范围、转速差、温升、启动时间、制动时间等对电锭驱动电机的性能方面的特殊要求。
3) 详细介绍了影响电锭系统性能的主要因素。包括：电锭驱动电机，主要是电机带来的不平衡磁拉力；支承方面，支承类型、支承刚度、支承跨度；锭尖与锭底方面，锭尖与锭底形式、材料、硬度、表面粗糙度、润滑情况等。
4) 不平衡磁拉力的研究。首先，介绍了不平衡磁拉力的产生原因；其次，分别搭建了径向磁拉力和轴向磁拉力的计算模型。最后，计算分析了不平衡磁拉力随偏心的趋势。得出结论：可以认为径向磁拉力随偏心量的增加而线性增长；在一定的轴向偏心范围内，轴向磁拉力随轴向偏心量的增大基本上呈线性增长；轴向偏心超过一定值时，可以认为磁拉力随偏心量的增大不做变化。
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参考文献(略)