熔融紡絲高速卷繞機復雜轉子系統(tǒng)動力學研究.pdf

1、熔融紡絲高速卷繞機是整個長絲生產的關鍵設備，目前國產高速卷繞機與國外同類產品相比仍有一定差距，尤其表現(xiàn)在高速卷繞頭的動力學性能方面。高速卷繞頭是高速卷繞機的核心，是由錠軸夾頭和卷裝構成的一個變質量、變剛度、變轉速的柔性支撐懸臂細長薄壁高速復雜轉子系統(tǒng)。
　　本文結合上海市科委立項項目（高速卷繞機的設計制造與關鍵技術研究）、與高速卷繞機生產企業(yè)合作對高速卷繞頭（卷繞線速度5500m/min以上、錠軸長度1500mm）系統(tǒng)的動態(tài)性能進

2、行研究，為高速卷繞頭的自主設計提供相關理論技術指導。
　　本文采用理論建模、動態(tài)仿真和試驗測試相結合的方法對高速卷繞頭時變系統(tǒng)進行動力學研究。主要工作如下:
　　1、考慮卷裝變質量、變轉動慣量和“O”型橡膠圈頻變支撐剛度特性，運用空間梁單元、質量單元和彈簧單元對高速卷繞頭進行理論建模，并給出可適應時變振動系統(tǒng)動力學方程求解的改進算法。
　　仿真得出:過盈聯(lián)接可按固結方式簡化，轉動件和非轉動件可簡化為空間梁單元。而軸承和

3、“O”型橡膠圈可簡化為具有等效彈簧和阻尼的彈簧單元，卷裝可簡化為質量單元。建模得到一個考慮剪切變形對橫向位移的影響，計入軸向變形與橫向變形的影響，引入卷裝變質量變轉動慣量，考慮“O”型橡膠圈頻變支撐剛度的變質量、變剛度、變轉速高速卷繞頭時變振動系統(tǒng)有限元數(shù)學模型。改進Newmark法，以適應高速卷繞頭時變振動系統(tǒng)動力學方程的求解。
　　2、考慮陀螺效應和“O”型橡膠圈頻變支撐剛度特性，計算分析了高速卷繞頭在“空卷”和“滿卷”兩特定

4、狀態(tài)下時不變參數(shù)系統(tǒng)動態(tài)特性，并進行了相應分析比較。
　　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;陀螺效應對滿卷狀態(tài)高速卷繞頭的同步臨界轉速影響較大，而對空卷狀態(tài)的同步渦動臨界轉速影響較小;“O”型橡膠圈的頻變特性在高速卷繞頭寬頻轉速(4547～14252r/min)工作范圍內的動力學分析中不可忽略。高速卷繞頭全工作過程的動態(tài)性能并非針對某一“定卷狀態(tài)”進行分析就能獲得，實際研究需全面考慮其變質

5、量、變剛度、變轉速的時變特性。
　　3、考慮高速卷繞頭系統(tǒng)變質量、變剛度、變轉速的時變特性，對其空卷啟動、恒線速度卷繞（恒線速度變轉速轉動）和滿卷停止全工作過程動態(tài)響應進行計算仿真，分析了其響應峰值速度特性:
　　當高速卷繞頭空卷狀態(tài)以不同等角加速啟動時，不平衡激勵的頻變快慢對空卷高速卷繞頭啟動過程響應幅頻曲線峰值所對應臨界轉速大小無明顯影響;當高速卷繞頭在不平衡質量的激勵下空卷啟動、恒線速度卷繞和滿卷停止工作時，其全工作過

6、程中最大不平衡響應峰值轉速對應在空卷啟動過程的最高轉速，這為目前該型高速卷繞頭僅針對空卷狀態(tài)進行有效動平衡即可滿足高速卷繞頭全工作過程運轉穩(wěn)定要求，提供了可靠的理論依據(jù)。
　　4、在專用動平衡機上對空卷狀態(tài)高速卷繞頭進行動平衡，在高速卷繞頭樣機上對空卷狀態(tài)啟動、穩(wěn)定高速、停車三階段過程進行動態(tài)響應測試分析，并與對應動力學模型計算結果進行了驗證。
　　動平衡試驗中得到與理論計算結果對應的空卷狀態(tài)高速卷繞頭臨界轉速點;響應測試結

7、果表明動態(tài)啟動激勵快慢即等角加速度角大小對空卷高速卷繞頭啟動響應的影響與理論分析基本一致，引起高速卷繞頭振動的主要原因是其轉子系統(tǒng)的不平衡。通過以上試驗結果驗證本文理論模型是可行的、有效的，能反映工程實際。
　　5、對高速卷繞頭系統(tǒng)及其組成部件主要參數(shù)的關系進行研究，分析其影響，綜合考慮給出了高速卷繞頭進一步自主設計指導。
　　分析薄壁筒管（白套）、細長驅動軸、軸承支承位置調節(jié)、“O”型橡膠圈及懸臂支撐架等零部件相關參數(shù)與高

8、速卷繞頭系統(tǒng)的動態(tài)響應關系，得出在不改變高速卷繞頭現(xiàn)有裝配結構的前提下，可通過把薄壁筒管材料替換為碳纖維復合材料，減小懸臂支撐架外端“O”型橡膠圈的個數(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)的動態(tài)響應，綜合優(yōu)化以上參數(shù)對改善高速卷繞頭系統(tǒng)的動態(tài)響應效果更明顯。
　　本文創(chuàng)新點在于:
　　考慮變質量、變剛度、變轉速特性，建立了一個包括卷裝變質量變轉動慣量、“O”型橡膠圈頻變支撐剛度的高速卷繞頭時變系統(tǒng)動力學

9、模型，并給出了可適應時變振動系統(tǒng)動力學方程求解的改進算法。
　　按實際工況，全面研究了高速卷繞頭空卷啟動、恒線速度變轉速卷繞和滿卷停止整個工作過程時變系統(tǒng)動態(tài)性能，并通過分析計算關鍵點在整個工作過程的動態(tài)響應幅頻特性曲線，發(fā)現(xiàn):高速卷繞頭全工作過程中最大不平衡響應峰值轉速對應在空卷啟動過程的最大轉速，這為目前該型高速卷繞頭只針對空卷狀態(tài)進行有效動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)的關系，