新型纺纱加捻卷绕系统的研究

论文摘要

环锭纺纱是目前应用最广泛的一种纺纱方法，与其它纺纱方法比较，环锭纺纱具有适纺原料多、成纱特数宽和成纱质量高的优点。经过科研人员对环锭纺纱技术的大量探讨发现：环锭纺纱的关键技术主要取决于其牵伸和加捻卷绕两个系统。对于牵伸而言，科技人员开发了一些新型的纺纱技术，如紧密纺纱技术（Compactspinning）和SoloSpun纺纱技术等，使成纱质量得到了提高；而对于加捻卷绕系统来说，由于受以下两方面的限制，使生产率不可能有突破性的提高，一是受钢丝圈速度的限制，生产速度不可能大幅提高；二是受钢领直径的限制，大幅增加卷装容量也不可能。其问题的核心在于加捻和卷绕机构本身存在着不可克服的矛盾，即加捻器和卷绕机构构成了一个相互制约的整体系统。只有在加捻器和卷绕件同时回转时，纱线才能获得捻回和实现卷绕，即纱条的加捻和卷绕作用必须同时进行才能连续纺纱。在这种情况下，如要加大卷装就应降低锭速；如要提高锭速，就应减小卷装，两者不可兼得。为了解决这一矛盾，就必须改进现有的加捻卷绕方法并研究新的加捻卷绕方法。本文首先对新型纺纱方法做了综述，对其中应用最广泛的转杯纺纱进行了深入探讨。对环锭纺纱原有的加捻卷绕系统进行分析，根据运动学和动力学原理，将钢丝圈的运动分解为绕锭子中心轴回转的牵连运动和自身的相对运动，详细分析了钢丝圈的受力情况，并根据纱线气圈理论，求得了钢丝圈的动力学微分方程；应用Matlab数学工具，求得了钢丝圈各个力的数值解法，并进一步得出了运动过程中钢丝圈的空间位置及钢丝圈三向倾角的大小。从计算结果可以看出：气圈底部卷绕张力TR仅与气圈高度L有关，随着气圈高度的增加而增加，而与管纱直径几乎无关，这就说明气圈底部卷绕张力TR只与气圈形态有关；同时可以看出，钢丝圈的重心位置与管纱的直径关系不大，而与气圈的高度关系较大，这也就说明当纺某种纱时，纱线张力和钢丝圈的空间位置是随着气圈高度的不断变化而变化的；在钢丝圈的三向倾角中，前倾角最大，外倾角次之，超前角最小。为了对理论分析结果进行比较，本文采用国外进口的MotionXtra HG-100K／LE高速数码摄影机系统，拍摄了纺纱过程中钢丝圈的实际运动情况，从中选取了前倾角、外倾角和超前角的一些钢丝圈照片，从照片可以看出：前倾角最大，外倾角次之，超前角最小。这样可以定性地看出实验结果与理论分析基本一致，从一方面验证了理论分析方法的正确性。应用摩擦学原理，分析了钢领与钢丝圈之间的摩擦现象，指出钢领与钢丝圈之间的摩擦属于干摩擦加上边界摩擦的混合摩擦，找出了影响钢领与钢丝圈之间摩擦的一些因素，提出控制钢领钢丝圈之间摩擦的措施有合理选择钢领与钢丝圈的材料、采用适当的表面处理方法和提高表面的加工精度等。并且设计了一套测试钢领与钢丝圈之间摩擦力的装置，该装置采用电阻式应变片，将钢领与钢丝圈之间的摩擦力转换为应变片的阻值变化，再转换为输出电信号的改变，通过动态应变仪的放大即可显示产生的应变值，经过标定即可从应变放大器上直接读取钢领钢丝圈之间的摩擦力。该测试装置具有结构简单，易于操作的特点。该装置的核心部件悬臂梁的设计既考虑了频率特性，又考虑了测试应变灵敏度的要求，其一阶固有频率（1015Hz）为实测摩擦力的最高脉动频率（12000／60=200）的5倍，因此测量精度较高。由于标定时采用10组数据，而每组数据又采取测量10次，对于每一个载荷值取其10次的平均值作为该载荷的标定值，因此标定结果相对可靠。通过标定可以看出，该测试装置的测量精度可达0.5g。将测得的摩擦力实验数据与前面的理论分析结果进行比较可以发现，二者基本相符，这也进一步证明了前面的理论分析是比较可靠的。详细分析了钢领与钢丝圈之间的磨损机理，指出钢领与钢丝圈之间的磨损是十分复杂的，有氧化磨损、磨料磨损、机械粘合、接触疲劳、撕裂等，但其主要磨损形式是粘着磨损和疲劳磨损，兼有其它形式的磨损。推导出钢领钢丝圈之间磨损量的粗略计算公式，并提出了钢领钢丝圈磨损的影响因素，其中包括：（1）材料的质量、化学成分和机械性能的影响，（2）金属组织结构的影响，（3）冶金相容性的影响，（4）材料表面状态和表层状况的影响，（5）温度的影响，（6）载荷的影响，（7）滑动速度的影响等。根据影响钢领钢丝圈磨损的因素，为了减少钢领钢丝圈之间的磨损，提高其使用寿命，提出了抗磨损设计的一些措施，如钢领钢丝圈摩擦副材料选配及钢领钢丝圈的表面处理等，对生产实践具有一定的指导意义。根据电磁学理论，提出了新型加捻卷绕系统——磁悬浮钢领钢丝圈系统的新技术，建立了磁悬浮钢丝圈的数学模型及其控制模型，分析了磁悬浮钢丝圈的受力情况和运动情况，推导出磁悬浮钢丝圈的动力学微分方程，指出不加控制的磁悬浮钢丝圈具有固定的二阶无阻尼自振振荡特性，是一个不稳定的系统；设计了磁悬浮钢丝圈装置，分别介绍了磁悬浮钢丝圈控制系统的硬件设计，该系统由传感器、信号预处理环节、A／D转换、DSP、PWM波形输出环节及功放电路组成。建立了以扰动信号为输入信号的主动磁悬浮钢丝圈控制系统的传递函数，并对传递函数进行了分析，指出该系统是能控和能观的。在工业控制中，应用最广泛和最成熟的是PID控制方法，本文详细介绍了PID控制方法在磁悬浮钢丝圈系统中的应用，并根据具体研究对象，采用两种经验方法对PID控制器的参数进行了整定，得到了比较理想的PID控制器参数。神经网络控制方法作为一门新型的控制技术，具有学习能力、记忆能力、计算能力和各种智能处理的能力，可在不同层次和程度上模仿人脑神经系统的信息处理、存贮和检索的功能。本文将神经网络PID控制方法应用到磁悬浮钢丝圈的控制系统中，利用梯度下降法对神经网络权值进行了优化，先用常规PID控制方法整定得到一组参数，然后再用这组参数作为神经网络PID控制的初始值，这样可以使神经网络控制的学习时间缩短，最后找出了神经网络PID控制方法的优化参数。对神经网络PID控制下的磁悬浮钢丝圈系统的单位阶跃响应曲线与常规PID控制下的磁悬浮钢丝圈系统的单位阶跃响应曲线进行比较可以发现，采用神经网络PID控制器，系统的超调量减少、稳定时间缩短、静动态性能指标得到较大的改善，系统具有较好的鲁棒性与自适应性，可以取得良好的控制效果。系统仿真是上世纪迅速发展起来的一门新型学科，是以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的一门多学科的综合性技术。本文应用仿真技术对磁悬浮钢丝圈控制系统进行了仿真分析，可以看出，采用仿真方法，能加快系统的设计过程，节省时间，提高工作效率；并且开发了磁悬浮钢丝圈控制系统的应用软件，达到了计算机辅助设计的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 新型环锭加捻卷绕系统的发展概况
• 1.1.1 钢领钢丝圈的表面处理
• 1.1.2 改变钢领材料
• 1.1.3 新型钢领钢丝圈结构
• 1.2 论文的主要内容
• 1.2.1 本文的创新点
• 1.2.2 本文的关键技术及研究方法
• 第二章 新型纺纱加捻卷绕方法
• 2.1 新型纺纱概述
• 2.1.1 摩擦纺纱
• 2.1.2 喷气纺纱
• 2.1.3 平行纺纱
• 2.1.4 转杯纺纱
• 2.2 转杯纺纱动力学探讨
• 2.2.1 自由纱段力学分析及其形态
• R的计算'>2.2.2 剥离点纱张力T_R的计算
• 2.2.3 假捻盘上纱段力学分析及其形态
• 2.3 转杯纺纱纱段离开假捻盘表面点的轨迹方程
• 2.4 转杯纺纱纱曲线形状和张力的求解
• 2.5 本章小结
• 第三章 钢领钢丝圈的结构、作用及运动分析
• 3.1 钢领作用及结构分析
• 3.2 钢丝圈及其动力学分析
• 3.3 钢丝圈的运动分析及其空间位置求解
• 3.4 钢丝圈空间位置计算实例
• 3.5 本章小结
• 第四章 应用高速摄影技术对钢丝圈运动的测定及分析
• 4.1 高速摄影系统介绍
• 4.2 高速摄影系统的安装
• 4.3 钢丝圈高速摄影测试及其分析
• 4.3.1 钢丝圈前倾角的分析
• 4.3.2 钢丝圈超前角的分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 钢领钢丝圈的摩擦机理及其磨损分析
• 5.1 钢领钢丝圈表面形态与表面接触
• 5.2 钢领与钢丝圈之间的摩擦及其控制
• 5.2.1 干摩擦分析
• 5.2.2 边界摩擦分析
• 5.2.3 钢领钢丝圈摩擦的影响因素及其控制
• 5.3 钢领钢丝圈的磨损机理分析及磨损量计算
• 4.3.1 IBM计算方法
• 4.3.2 组合磨损计算方法
• 4.3.3 钢领钢丝圈的磨损计算
• 5.4 钢领钢丝圈磨损的影响因素及抗磨设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 钢领钢丝圈摩擦力测试装置及其测定分析
• 6.1 现有的钢领钢丝圈摩擦力测试装置
• 6.2 钢领钢丝圈摩擦力测试装置总体设计
• 6.3 电阻式应变测力仪设计
• 6.3.1 电阻式应变测力仪的原理及悬臂梁设计
• 6.3.2 电阻式应变测力仪电桥设计
• 6.4 钢领钢丝圈摩擦力测试装置的标定与测量
• 6.5 实验结果及分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 磁悬浮钢丝圈的工作原理及模型建立
• 7.1 磁悬浮钢丝圈工作原理
• 7.2 磁路设计及分析
• 7.3 电磁力计算
• 7.4 钢丝圈的运动方程
• 7.5 电磁铁的控制模型
• 7.6 磁悬浮钢丝圈的控制模型
• 7.7 印度磁悬浮钢丝圈介绍
• 7.8 本章小结
• 第八章 磁悬浮钢丝圈控制方案探讨
• 8.1 系统的状态方程及能控能观性
• 8.2 常规 PID控制方法
• 8.2.1 概述
• 8.2.2 PID控制器参数的确定
• 8.3 最优控制
• 8.3.1 概述
• 8.3.2 最优参数的确定
• 8.4 神经网络控制方法
• 8.4.1 概述
• 8.4.2 神经网络控制方法
• 8.4.3 神经网络参数的确定
• 8.5 本章小结
• 第九章 磁悬浮钢丝圈系统仿真分析
• 9.1 仿真工具介绍
• 9.1.1 Matlab语言简介
• 9.1.2 Simulink建模方法
• 9.2 钢丝圈控制系统分析
• 9.2.1 控制系统的时域分析
• 9.2.2 控制系统的频率分析
• 9.3 钢丝圈控制系统仿真
• 9.4 钢丝圈控制系统仿真开发
• 9.5 本章小结
• 第十章 总结与展望
• 10.1 本文的主要研究成果与创新点
• 10.2 今后继续开展本研究工作的设想
• 10.3 对未来加捻卷绕系统的展望
• 参考文献
• 附录A 符号说明
• 攻读学位期间发表的学术论文目录