熔融紡絲高速卷繞機復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)研究.pdf

1、熔融紡絲高速卷繞機是整個長絲生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，目前國產(chǎn)高速卷繞機與國外同類產(chǎn)品相比仍有一定差距，尤其表現(xiàn)在高速卷繞頭的動力學(xué)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(gòu)成的一個變質(zhì)量、變剛度、變轉(zhuǎn)速的柔性支撐懸臂細長薄壁高速復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。
　　本文結(jié)合上海市科委立項項目（高速卷繞機的設(shè)計制造與關(guān)鍵技術(shù)研究）、與高速卷繞機生產(chǎn)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(shè)計提供相關(guān)理論技術(shù)指導(dǎo)。
　　本文采用理論建模、動態(tài)仿真和試驗測試相結(jié)合的方法對高速卷繞頭時變系統(tǒng)進行動力學(xué)研究。主要工作如下:
　　1、考慮卷裝變質(zhì)量、變轉(zhuǎn)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(zhì)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(yīng)時變振動系統(tǒng)動力學(xué)方程求解的改進算法。
　　仿真得出:過盈聯(lián)接可按固結(jié)方式簡化，轉(zhuǎn)動件和非轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)量變轉(zhuǎn)動慣量，考慮“O”型橡膠圈頻變支撐剛度的變質(zhì)量、變剛度、變轉(zhuǎn)速高速卷繞頭時變振動系統(tǒng)有限元數(shù)學(xué)模型。改進Newmark法，以適應(yīng)高速卷繞頭時變振動系統(tǒng)動力學(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(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)對滿卷狀態(tài)高速卷繞頭的同步臨界轉(zhuǎn)速影響較大，而對空卷狀態(tài)的同步渦動臨界轉(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)的動力學(xué)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(zhì)

5、量、變剛度、變轉(zhuǎn)速的時變特性。
　　3、考慮高速卷繞頭系統(tǒng)變質(zhì)量、變剛度、變轉(zhuǎn)速的時變特性，對其空卷啟動、恒線速度卷繞（恒線速度變轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動）和滿卷停止全工作過程動態(tài)響應(yīng)進行計算仿真，分析了其響應(yīng)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(yīng)幅頻曲線峰值所對應(yīng)臨界轉(zhuǎn)速大小無明顯影響;當高速卷繞頭在不平衡質(zhì)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(yīng)峰值轉(zhuǎn)速對應(yīng)在空卷啟動過程的最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)測試分析，并與對應(yīng)動力學(xué)模型計算結(jié)果進行了驗證。
　　動平衡試驗中得到與理論計算結(jié)果對應(yīng)的空卷狀態(tài)高速卷繞頭臨界轉(zhuǎn)速點;響應(yīng)測試結(jié)

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(yīng)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(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡。通過以上試驗結(jié)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(guān)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(shè)計指導(dǎo)。
　　分析薄壁筒管（白套）、細長驅(qū)動軸、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(yīng)，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(yīng)效果更明顯。
　　本文創(chuàng)新點在于:
　　考慮變質(zhì)量、變剛度、變轉(zhuǎn)速特性，建立了一個包括卷裝變質(zhì)量變轉(zhuǎn)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(xué)

9、模型，并給出了可適應(yīng)時變振動系統(tǒng)動力學(xué)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(zhuǎn)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(guān)鍵點在整個工作過程的動態(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)速對應(yīng)在空卷啟動過程的最大轉(zhuǎn)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(guān)系，