北京中丽高速卷绕头产品的仿真与性能分析

高速卷绕头产品的仿真与性能分析

高速卷绕头，是化纤长丝纺丝设备中的关键核心设备，由机械部分和电气控制系统和气动系统三部分组成。高速卷绕头结构复杂，涉及机械、电气、气动等多种学科，属高科技产品，它的性能优劣，品质高低，直接影响成品丝的质量。

北京中丽制机有限公司研发的高速卷绕头产品填补了国内空白，改变了我国化纤纺丝产品高速卷绕头设备长期以来主要依靠进口的局面。企业的 BWA 系列高速卷绕头共有 4 种规格 ， 最高机械速度 6000 米 / 分钟（ m /mim ） ， 纺丝工艺速度最高可达 5500 米 / 分钟（ m /min ） ， 控制系统采用全电脑控制 ， 全自动换筒切换 ， 无废丝。

目前企业 BWA 系列高速卷绕头的机械系统主要包括横动、锭轴、压丝辊、旋转、生头等主要部件。其中，压丝辊与锭轴结构是高速卷绕头产品的关键部件，其性能优劣，直接影响产品纺丝过程能否顺利进行。

高速卷绕头具有完善的数字化控制与通讯系统，可以控制锭轴转速和纺丝的卷绕角的变化。锭轴转速采用闭环控制，保持纺丝时丝束运动的线速度恒定。根据不同种类的丝，纺丝速度不同，一般在 2500 ～ 5500 米 / 分钟（ m /min ）范围内。

高速卷绕头工作时，工作锭轴以与用户设定的纺丝速度相对应的旋转速度高速旋转，压丝辊位于锭轴的上面，其下配置有压力调节气缸，使得压丝辊以设定的接触压力压在锭轴的上面，为卷绕成型提供适当

压力。压丝辊是一个被动辊，靠锭轴摩擦带动转动。压丝辊上安装有速度传感器，检测压丝辊的速度，通过控制系统与锭轴的速度进行比较，根据此速度对锭轴的速度进行调节，保证卷绕过程接近恒定的线速度卷绕。当丝饼的直径将要达到预先设定值时，备用锭轴提前启动并加速到工作转速，通过旋转盘的旋转，带有空纸管的备用锭轴转动到纺丝位置，配合生头机构的动作，将丝束从满卷丝饼上转移到空纸管上，继续正常的纺丝。同时，带有满卷丝饼的锭轴转动到下方落丝的位置，在此位置上不断减速，停止后自动松筒，操作工人按推筒按钮，推筒气缸动作，可将丝饼推出。 主要技术难题

企业拥有自主知识产权的高速卷绕头产品深受市场欢迎，但某些技术难题亟待解决。主要体现在以下两个方面：

(1) 压丝辊高速状态下动平衡难以合格 。压丝辊作为高速旋转部件，在装配之前需要在专门的动平衡实验机上进行动平衡实验，确保压丝辊在高速旋转下仍能保持平衡后才能进行产品总装，交付使用。目前企业生产的高速卷绕头产品压丝辊部件高速状态下难以实现动平衡，产品废品率过高，大概在一半左右。在动平衡机上一般测试 3000 rpm 和 13000 rpm 两个转速下的动平衡情况，测试最大转速 13000 rpm ，企业期望压丝辊 最高转速从目前的 13000 rpm 提升至 21000 rpm 。

(2) 锭轴高速状态下动平衡状态难以实现 。锭轴和压丝辊一样为高速旋转部件，在装配之前及装配之后都要进行动平衡实验，通过动平

衡实验检测和必要的配重，达到满意的动平衡性能。目前，企业的高速卷绕头产品锭轴部件在高速状态下动平衡难以实现。 锭轴为悬臂梁结构，轴中部连接处为实际支撑点，支撑位置和重量分布可能会影响到锭轴高速运动下的动平衡状态。企业希望能找到支撑分布的具体影响规律，用以改进锭轴结构设计。

(3) 锭轴部件减速过程中的颤振问题 。自动换筒时 锭轴有时会出现轻微的颤动，特别是在绕丝量达到一定程度 （绕丝直径约在 300mm 以后） 时候出现的频率较高。一般在丝饼 切换完成后锭轴减速过程中，大约在转速为 2000 rpm 左右时出现。具体表现为有小幅振动，且无法稳定。企业希望能研究和探索颤振现象发生的原因。

(4) 锭轴 与转盘联接部位损坏问题 。当 转盘转动完成切换即自动换筒完成后，满卷锭轴已经开始减速时，锭轴与转盘之间联接螺栓曾出现过剪断，造成较严重的整机失效。企业希望能探索该失效机理，为锭轴结构设计改进提供参考。 项目期望的研究目标：

经与企业友好协商，本项目期望在以下几个方面有所突破： (1) 研究、探索实心压丝辊高速状态下动平衡难以合格的机理。提出满足转速 13000 ～ 21000 rpm, 外形尺寸为 Φ 85x1200 、 Φ 85x1500 的实心压丝辊 结构 。

(2) 研究重量分布与支撑位置对锭轴部件动平衡的影响规律。 提出满足转速 2600 ～ 12500 rpm, 外形尺寸为 Φ 140x1500 的锭轴的结构、重量分布及最佳支撑位置。

(3) 研究自动换筒时锭轴部件减速过程中的颤振问题。探讨并寻找锭轴颤振的原因，例如是锭轴减速控制系统的影响或者是锭轴结构本身的影响等。

(4) 研究、探索锭轴部件与固定转盘之间联接螺栓的剪断失效机理。探讨并给出可能引起锭轴部件联接螺栓剪切失效的原因或解释。 实际取得的研究进展：

项目实施过程中，配合企业卷绕头产品研发与生产进度，实际取得如下几个方面的研究进展：

(1) 研究与探索了实心压丝辊高速状态下动平衡失效机理。分别针对两种长度（ Φ 85 × 1200 、 Φ 85 × 1500 ） 、两种材质（ 42CrMo 、 38CrMoAl ）共四种组合的实心压丝辊进行了模态分析，基于仿真计算结果讨论了实心压丝辊的结构尺寸合理性。 (2) 研究与探索了空心压丝辊高速状态下动平衡失效机理。 分别 针对两种外径、两种长度共三种组合（ Φ 85 × 1200 、 Φ 85 × 1500 、 Φ 110 × 1380 ）的空心压丝辊进行了分析计算和结构优化。与相同规格的实心压丝辊性能进行了对比，讨论了空心压丝辊可行尺寸的变化趋势，并给出了最佳结构尺寸。

(3) 研究与分析了重量分布与支撑位置对锭轴部件动平衡的影响规律。针 对 Φ 140x1500 锭轴结构， 基于 初始化仿真分析提出了

优化数学模型，进而对锭轴结构进行了优化分析，得到了锭轴结构支撑位置对于结构动力学性能的影响规律，并为锭轴结构设计方案给出了建议。

(4) 研究了自动换筒时锭轴部件减速过程中的颤振问题。 从控制系统角度对绕丝、切换、减速等过程进行了理论探讨和实验分析，排除了锭轴减速控制系统有可能是颤振现象发生根源的疑虑。 (5) 研究、探索了锭轴部件与固定转盘之间联接螺栓的剪断失效机理。对一般构件的失效形式和原因进行了探讨，通过像片观察并结合厂方理化试验结果等对锭轴部件与转盘联接处断裂形式和原因进行了初步分析，并给出了改进措施。

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