熔融紡絲高速卷繞機(jī)復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、熔融紡絲高速卷繞機(jī)是整個(gè)長(zhǎng)絲生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，目前國產(chǎn)高速卷繞機(jī)與國外同類產(chǎn)品相比仍有一定差距，尤其表現(xiàn)在高速卷繞頭的動(dòng)力學(xué)性能方面。高速卷繞頭是高速卷繞機(jī)的核心，是由錠軸夾頭和卷裝構(gòu)成的一個(gè)變質(zhì)量、變剛度、變轉(zhuǎn)速的柔性支撐懸臂細(xì)長(zhǎng)薄壁高速復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。
　　本文結(jié)合上海市科委立項(xiàng)項(xiàng)目（高速卷繞機(jī)的設(shè)計(jì)制造與關(guān)鍵技術(shù)研究）、與高速卷繞機(jī)生產(chǎn)企業(yè)合作對(duì)高速卷繞頭（卷繞線速度5500m/min以上、錠軸長(zhǎng)度1500mm）系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)

2、行研究，為高速卷繞頭的自主設(shè)計(jì)提供相關(guān)理論技術(shù)指導(dǎo)。
　　本文采用理論建模、動(dòng)態(tài)仿真和試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法對(duì)高速卷繞頭時(shí)變系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。主要工作如下:
　　1、考慮卷裝變質(zhì)量、變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和“O”型橡膠圈頻變支撐剛度特性，運(yùn)用空間梁?jiǎn)卧?、質(zhì)量單元和彈簧單元對(duì)高速卷繞頭進(jìn)行理論建模，并給出可適應(yīng)時(shí)變振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程求解的改進(jìn)算法。
　　仿真得出:過盈聯(lián)接可按固結(jié)方式簡(jiǎn)化，轉(zhuǎn)動(dòng)件和非轉(zhuǎn)動(dòng)件可簡(jiǎn)化為空間梁?jiǎn)卧?。而軸承和

3、“O”型橡膠圈可簡(jiǎn)化為具有等效彈簧和阻尼的彈簧單元，卷裝可簡(jiǎn)化為質(zhì)量單元。建模得到一個(gè)考慮剪切變形對(duì)橫向位移的影響，計(jì)入軸向變形與橫向變形的影響，引入卷裝變質(zhì)量變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，考慮“O”型橡膠圈頻變支撐剛度的變質(zhì)量、變剛度、變轉(zhuǎn)速高速卷繞頭時(shí)變振動(dòng)系統(tǒng)有限元數(shù)學(xué)模型。改進(jìn)Newmark法，以適應(yīng)高速卷繞頭時(shí)變振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的求解。
　　2、考慮陀螺效應(yīng)和“O”型橡膠圈頻變支撐剛度特性，計(jì)算分析了高速卷繞頭在“空卷”和“滿卷”兩特定

4、狀態(tài)下時(shí)不變參數(shù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，并進(jìn)行了相應(yīng)分析比較。
　　從而得出:高速卷繞頭工作過程中不存在像定常系統(tǒng)那樣恒定不變的固有頻率與振形;陀螺效應(yīng)對(duì)滿卷狀態(tài)高速卷繞頭的同步臨界轉(zhuǎn)速影響較大，而對(duì)空卷狀態(tài)的同步渦動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速影響較小;“O”型橡膠圈的頻變特性在高速卷繞頭寬頻轉(zhuǎn)速(4547～14252r/min)工作范圍內(nèi)的動(dòng)力學(xué)分析中不可忽略。高速卷繞頭全工作過程的動(dòng)態(tài)性能并非針對(duì)某一“定卷狀態(tài)”進(jìn)行分析就能獲得，實(shí)際研究需全面考慮其變質(zhì)

5、量、變剛度、變轉(zhuǎn)速的時(shí)變特性。
　　3、考慮高速卷繞頭系統(tǒng)變質(zhì)量、變剛度、變轉(zhuǎn)速的時(shí)變特性，對(duì)其空卷啟動(dòng)、恒線速度卷繞（恒線速度變轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)）和滿卷停止全工作過程動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算仿真，分析了其響應(yīng)峰值速度特性:
　　當(dāng)高速卷繞頭空卷狀態(tài)以不同等角加速啟動(dòng)時(shí)，不平衡激勵(lì)的頻變快慢對(duì)空卷高速卷繞頭啟動(dòng)過程響應(yīng)幅頻曲線峰值所對(duì)應(yīng)臨界轉(zhuǎn)速大小無明顯影響;當(dāng)高速卷繞頭在不平衡質(zhì)量的激勵(lì)下空卷啟動(dòng)、恒線速度卷繞和滿卷停止工作時(shí)，其全工作過

6、程中最大不平衡響應(yīng)峰值轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)在空卷啟動(dòng)過程的最高轉(zhuǎn)速，這為目前該型高速卷繞頭僅針對(duì)空卷狀態(tài)進(jìn)行有效動(dòng)平衡即可滿足高速卷繞頭全工作過程運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定要求，提供了可靠的理論依據(jù)。
　　4、在專用動(dòng)平衡機(jī)上對(duì)空卷狀態(tài)高速卷繞頭進(jìn)行動(dòng)平衡，在高速卷繞頭樣機(jī)上對(duì)空卷狀態(tài)啟動(dòng)、穩(wěn)定高速、停車三階段過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試分析，并與對(duì)應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　動(dòng)平衡試驗(yàn)中得到與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)的空卷狀態(tài)高速卷繞頭臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn);響應(yīng)測(cè)試結(jié)

7、果表明動(dòng)態(tài)啟動(dòng)激勵(lì)快慢即等角加速度角大小對(duì)空卷高速卷繞頭啟動(dòng)響應(yīng)的影響與理論分析基本一致，引起高速卷繞頭振動(dòng)的主要原因是其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡。通過以上試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本文理論模型是可行的、有效的，能反映工程實(shí)際。
　　5、對(duì)高速卷繞頭系統(tǒng)及其組成部件主要參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究，分析其影響，綜合考慮給出了高速卷繞頭進(jìn)一步自主設(shè)計(jì)指導(dǎo)。
　　分析薄壁筒管（白套）、細(xì)長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)軸、軸承支承位置調(diào)節(jié)、“O”型橡膠圈及懸臂支撐架等零部件相關(guān)參數(shù)與高

8、速卷繞頭系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系，得出在不改變高速卷繞頭現(xiàn)有裝配結(jié)構(gòu)的前提下，可通過把薄壁筒管材料替換為碳纖維復(fù)合材料，減小懸臂支撐架外端“O”型橡膠圈的個(gè)數(shù)以減小其支撐剛度，增大懸臂支承架的壁厚來改善高速卷繞頭系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，綜合優(yōu)化以上參數(shù)對(duì)改善高速卷繞頭系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果更明顯。
　　本文創(chuàng)新點(diǎn)在于:
　　考慮變質(zhì)量、變剛度、變轉(zhuǎn)速特性，建立了一個(gè)包括卷裝變質(zhì)量變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、“O”型橡膠圈頻變支撐剛度的高速卷繞頭時(shí)變系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

9、模型，并給出了可適應(yīng)時(shí)變振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程求解的改進(jìn)算法。
　　按實(shí)際工況，全面研究了高速卷繞頭空卷啟動(dòng)、恒線速度變轉(zhuǎn)速卷繞和滿卷停止整個(gè)工作過程時(shí)變系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，并通過分析計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)在整個(gè)工作過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)幅頻特性曲線，發(fā)現(xiàn):高速卷繞頭全工作過程中最大不平衡響應(yīng)峰值轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)在空卷啟動(dòng)過程的最大轉(zhuǎn)速，這為目前該型高速卷繞頭只針對(duì)空卷狀態(tài)進(jìn)行有效動(dòng)平衡提供了可靠的理論依據(jù)。
　　研究了高速卷繞頭系統(tǒng)及其組成部件主要參數(shù)的關(guān)系，