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地毯簇绒系统纱线张力建模与分析

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第31卷第l2期 纺织学报 Vo1.31, No.12 Dec., 2O10 2010年12月 Journal of Textile Researeh 文章编号:0253—9721(2010)12.0116.06 地毯簇绒系统纱线张力建模与分析 徐 洋 ,孙志军 ,孟 婢 ,孙以泽 ,陈广锋 ’ (1.东华大学机械工程学院,上海201620;2.东华大学纺织装备教育部工程研究中心,上海201620) 摘 要 为提高簇绒地毯分辨率,提升地毯的品质,建立正确的纱线张力模型是精确控制地毯绒高的关键。首先 介绍了簇绒装备系统的组成及纱线的导向路径,然后将米纳科夫的拓展欧拉公式引入纱线张力系统,考虑纱线束 为黏弹性负载,分阶段对张力系统进行建模。其中,纱线张力系统模型包括提花罗拉、恒张力导纱罗拉和多层导纱 器。通过对比仿真与实验所得的纱线张力变化曲线,验证了模型的准确性,为下一步张力控制器的设计提供了 参考。 关键词簇绒地毯;黏弹性负载;纱线束;张力公式;建模 文献标志码:A 中图分类号:TS 103.3 Modeling and analysis on yarn tension of carpet tufting machine XU Yang 一,SUN Zhijun ,MENG Zhuo ,SUN Yize ,CHEN Guangfeng ' (1.School of Mechanical Engineering,Donghua University,Shanghai 20 1 620,China;2.Engineering Research Center ofAdvanced Textile Machinery,Ministry ofEducation,Donghua University,Shanghai 201620,China) Abstract In order to improve the resolution of tufted carpet and enhance its quality,constructing a proper yarn tension model is the key to accurately control the pile height of tufted carpet.This paper firstly introduced the components of a carpet tufting machine and the path of yarns.Then,Euler formula derived from A.兀.MHHaKOB is introduced into yarn tension system.Considering yarn bundle as viscoelastic load,sectional modeling for the yarn tension system is undertaken,including models of jacquard roller,constant tension guide yarn roller,and multi—layer yarn guides.Finally,the correctness of the models is verified by comparing the simulated yarn tension curves with those achieved by experimental methods.This research provides a reference for further work in designing yarn tension controllers. Key words tufted carpet;viscoelastic load;yarn bundle;tension formula;modeling 绒高是指地毯底布面到绒头顶部的距离,是调 整绒纱质量的重要手段之一…。随着绒高有层次 的变化,簇绒地毯会产生浮雕效果。目前,满幅浮雕 式提花地毯是国际上公认的较高品质的地毯,绒高 一成绒圈 ~ 。通过控制罗拉的转速,可改变绒纱在 地毯成圈过程的张力,进而获得不同的绒圈高度;但 是,当纱线绕过罗拉与各种材料接触作相对运动时 会产生摩擦阻力,引起张力的变化 ,影响绒圈 高度。 般在2~16 mm。 簇绒地毯的织造过程十分复杂,绒纱要经过穿 纱管、分线架、提花罗拉、恒张力导纱罗拉和多层导 纱器后,簇绒针才能将绒纱植入底布,在底布背面形 为提高簇绒地毯分辨率,提升地毯的品质,研究 包括提花罗拉、恒张力导纱罗拉和多层导纱器在内 的纱线张力系统的建模十分重要,可为设计张力控 收稿日期:2010—01—21 修回日期:2010—07—18 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50775033);中央财政资金资助项目(9D10304;9D10310) 作者简介:徐洋(1977一),女,副研究员,博士。主要从事纱线力学、复杂系统结构建模、主动控制等的研究。E-mail:xuyang@ dhu.edu.cn。 第12期 徐洋等:地毯簇绒系统纱线张力建模与分析 ・117・ 制器提供依据。 径,将纱线视为黏弹性负载,把米纳科夫拓展欧拉 然而,我国的地毯织造装备几乎全部依赖进口, 公式引入纱线张力系统,研究包括提花罗拉、恒张 对地毯织造装备的应用基础理论研究完全是空白, 力导纱罗拉和多层导纱器在内的纱线张力系统的 装备市场及关键技术被少数发达国家的几家著名厂 建模,通过仿真获得纱线张力变化的曲线,并与实 商所垄断 ,如:美国的Tuftco公司、CMC公司和 验数据进行比较,验证其准确性。 英国的Cobble公司 ,对应国际上地毯簇绒装备 的主流机型,美国拥有US5182997、US5287819、 1 簇绒装备系统组成及纱线路径 US4465001等多项专利,公开发表的相关文献很难 查到。在国内,仅有王治平等 针对底布张力的控 地毯簇绒装备系统主要由进布部件、出毯部 制进行了研究。 件、平圈送纱部件、提花部件、卷毯部件、刺针、成 本文针对簇绒装备系统开展了建模的研究工 圈钩、箱体等组成。图1示出了地毯簇绒装备的 作。介绍了簇绒装备系统的组成及纱线的导向路 示意图。 图1 地毯簇绒装备系统组成图 Fig.1 Carpet tufting equipment setup 纱线首先从纱架上纱筒出发,经过穿纱管、顶穿 前苏联著名学者米纳科夫拓展了经典的欧拉公 纱板后,到达分线架,随后进入平圈送纱系统和提花 式,对纱线在动态条件下进行分析与研究,认为在粗 系统。经过提花路径的纱线,通过导纱器1进入提 糙表面上的纱线张力应满足 : 花部件,穿过导纱器2、集纱箱、恒张力导纱罗拉以 T:(To—m )e +my (1) 及3层导纱器3、4、5后,最终到达簇绒针。在主轴 式中:T为纱线离开柱面处的张力;To为引入端的 系统驱动的针、钩以及进布、出毯罗拉的精确配合 纱线张力;m为单位长度纱线的质量; 为纱线运动 下,绒纱被刺入地毯底布,在底布上形成绒圈。 的线速度;0为纱线与柱面被包围角;tx为纱线与接 触面间摩擦因数。该式不仅适用于圆柱面,对任意 2米纳科夫理论的应用 非圆形的一般柱面也同样适用。 在地毯簇绒装备系统中,纱线基本为同侧绕过 经典的欧拉(Euler)张力公式有许多假设条件, 圆柱体,如图2所示。假设纱线以曲线Y=_厂( ,z) 描述的是纱线与柱体静态接触条件下张力的变化规 绕过柱面,AB是接触路径的曲线。定义纱线在柱 律。若忽略其假设条件,就可能产生较大的偏差,脱 面2边的切点分别为包角的起始点,r为所在点处 离实际情况,甚至引出错误的结果。 曲线的曲率半径,R为圆柱体的半径,ds为微段弧 ・1 l8・ 纺织学报 第31卷 长, 为纱线与柱面的倾斜角,OXY为纱线经过的 截面,通过旋转oyz可获得平面oL角度。 图2纱线绕过柱体示意图 Fig.2 Sketch map of yarn around cylinder 弧线上任意一点的坐标( ,Y,Z)满足圆柱体表 面的方程: IX2+y R2 (2) LZ=Z 将其变换到OXYZ坐标系,方程变为 , = { =Ycosc ̄+Zsin( ̄ (3) 【z:一l,sin +zcos 整理后得到 _X2 Y:— ̄R2r41 根据弧长ds对曲率圆的包围角公式(5)、弧长 微分公式(6)及曲率计算公式(7),可得包围角计算 公式(8)。 dO=ds/r (5) ds= ̄/1+(1, ) dx (6) r= (7) =j^: d =/: 南dy =arctanY 2一arctanY l (8) 因此,只要计算出纱线在OXYZ坐标系下切点 的导数Y 和,, :,便可确定包围角,进而求得纱线 所受的张力。 3绒纱张力模型建立 根据绒纱的导向路径,应用米纳科夫定理对纱 线张力进行建模。纱线张力建模主要分为下几个 阶段。 1)第1阶段为纱线从纱筒出发,经穿纱管到达 分线架前的过程。假定纱线初始张力为 ,纱线到 达分线架处的张力为T ,则T,模型为 T1=To/rll (9) 式中 为纱线经过穿纱管时张力的有效系数,可通 过实验测定。 2)第2阶段为纱线从分线架到达导纱器1前 的过程,分线架张力模型如图3所示。 柱面1 图3分线架张力模型 Fig.3 Tension model for sub-line frame 图3中:0 为纱线与分线架柱面1之间的包围角; 0,为纱线与分线架柱面2间的包围角;进入分线架 前的张力为T。;出分线架后的张力为T ;V,为纱线 的线速度,与提花罗拉转速相关。 根据米纳科夫定理,可得7I,模型: T2=[(Tl—my )e ]e№ +mv (10) 式中: 为纱线与分线架柱面1之间的摩擦因数; :为纱线与分线架柱面2之间的摩擦因数。 3)第3阶段为纱线经过导纱器1进入提花部 件前的过程,导纱器张力模型如图4所示。出导纱 器1的纱线张力 T3=(T2一my )e +m (1 1) 式中:肛 为纱线与导纱器1柱面之间的摩擦因数; 0 为纱线与导纱器1柱面问的包围角。 图4导纱器张力模型 Fig.4 Tension model for yarn guide 4)第4阶段为纱线经过提花系统的过程。由 于纱线是黏弹性体,兼具弹性固体和黏性流体的变 形特征,因此,在一定负荷的作用下会发生形变,从 而导致张力变化 。本文将纱线考虑为黏弹性负 载,研究纱线张力 的建模。其中,提花轮是由步 进电动机驱动,图5为电机负载模型示意图。图中: e (t)为步进电动机输入电压;i。(t)为流过电动机 第12期 徐洋等:地毯簇绒系统纱线张力建模与分析 ・1l9・ D 图5 步进电动机负载模型 Fig.5 Load model of step motor 绕组的电流;R。为绕组电阻;L。为绕组电感;Ke为 反电势系数;e (t)为步进电动机反电势;T(t)为 电动机转矩;0 为电动机输出转角,D为黏滞摩擦 因数;J为电动机及负载折合到电动机轴上的转动 惯量;K 为电动机力矩系数; 为提花罗拉半径; ,为负载转矩。 根据步进电动机电压平衡方程,可得: e (t)=R i。(t)+,J di (t)/dt+e (t)(12) 根据电动机转矩平衡方程,可得: T(t)一D 0l。 (t)一T =J 0 (t) (13) 由磁场对载流线圈的作用定律,可得: T(t)=K i。(t) (14) 由电磁感应定律,可得: e (t)=K…0 (t) (15) 根据提花罗拉力矩平衡原理,可得: T =( 一 )r (16) 将式(12)~(16)联立,可得负载转矩 传递 函数为 = [ 一( 卜T3 (17) 因此,当给定电动机电流、电动机转速等一系列 参数后,可得出纱线经过提花罗拉后的张力 。 假设:每对提花罗拉上缠绕n根纱线,采用三元 件模型描述纱线在小变形条件下的黏弹性力学性 能,纱线束的黏弹性负载模型如图6所示。 图6纱线束负载模型 Fig.6 Load model of yarn bundle 图中:E 、s 和 分别为虎克弹簧的弹性模 量、变形和应力;E 和00 分别为伏欧脱模型的弹 性模量和变形;叼 和00” 分别为伏欧脱模型的牛顿 黏壶和变形;or 为伏欧脱模型的应力(i=1,2,…, n);A为纱线横截面积。 由纱线束模型的本构关系式,可列得下式: 一 =( 1+ + 2+ +…+ +or )A 。 = + := + : (18) = :+ 1 0 ̄2 … S 假定每根纱线E 、伏欧脱模型E:以及牛顿黏 壶r/ (i:1,2,…,n)相同,可推导出纱线束应力与 应变之间的关系式: 因此,可推导出纱线张力与变形量之间的传递函 数为 L=—— — ——了 ÷ {: 1I —二 (20),Ji 1_凸i _——— (20)  由此可知,提花罗拉处纱线的张力变化,由黏弹 性纱线负载形变引起。随着纱线束的形变,提花罗 拉柱面处的张力 也发生变化。 5)第5阶段为纱线经过导纱器2,进入集纱箱 的过程。经过导纱器2的张力 与第3阶段经过 导纱器1的过程相同,张力模型为: . T5=( —mv )e心 +my (21) 式中: 为纱线与导纱器2柱面之间的摩擦因数; 0 为纱线与导纱器2柱面间的包围角; 为纱线线 速度,与恒张力导纱罗拉转速相关。 经过集纱箱的纱线张力71^与第1阶段相同,采 用张力有效系数卵:描述,模型为 T6=T5/町2 (22) 6)第6阶段为纱线从集纱箱出发,经过恒张力 导纱罗拉的过程。图7示出地毯簇绒机中恒张力导 纱罗拉装置。图8为纱线经过恒张力导纱罗拉装置 结构图。图中:0 和0 分别为恒张力导纱罗拉 和曰的中心;0 为罗拉齿外圆弧的中心:OL 为纱线 接触罗拉的包围角(i=1,2,…,n),半径为r 根据米纳科夫理论,可列出张力 模型为 T7=(T6一my;)e +my; ・120・ 纺织学报 表1 系统主要参数 Tab.1 System main parameters 第31卷 一 . 参数 数值 纱线与分线架柱面1包角0 /(。) 尺一 纱线与分线架柱面1包角0,/(。) 图7牵引导纱罗拉装置 Fig.7 Pull roller device 图8绒纱与牵引罗拉结构示意图 Fig.8 Structure diagram of yarn and pull roller device =(T6一my )e +m (23) 式中0 为纱线接触恒张力导纱罗拉的包围角之和。 7)第7阶段为纱线从铝辊出发经过导纱器3、 4、5的过程。张力模型分别为 T8=(T7一my )e +my (24) T9:(T8一my )e +my (25) Tl5 4 20=( 8  5 —m )e m 擅 ∞∞ +my =n 卜 兮m m 0 (26)2  4 8 式中: 、 和 分别为纱线与导纱器3、4和5柱 面之间的摩擦因数;0 、0 和0。分别为纱线与导纱 器3、4、和5柱面间的包围角。 将式(9)~(26)联立,可得纱线从纱筒到簇绒 针完整路径的张力变化过程。 4仿真与实验 假定纱线从纱筒的退绕张力恒定,利用上述模 型对表1所示参数的簇绒地毯装备系统进行张力计 算,并与实际数据相比较,可得图9所示的绒纱张力 变化曲线。 分析图中曲线可知,绒纱从纱筒到进入恒张力 导纱罗拉前,张力的仿真与实验数据基本吻合,而绒 纱从恒张力导纱罗拉出来经过导纱器3、4和5的张 纱线与导纱器1柱面包角0 /(。) 纱线与导纱器2柱面包角0 /(。) 纱线与恒张力导纱罗拉柱面包角之和0 /(。) 纱线与导纱器3柱面包角0 /(。) 纱线与导纱器4柱面包角0 /(。) 纱线与导纱器5柱面包角0。/(。) 电机及负载折合转动惯量J/(kg・m ) 提花罗拉半径r /m 张力有效系数 . 张力有效系数 电机转速/(r・min ) 9绒纱张力曲线 Fig.9 Yarn tension curve 力实验数据与仿真数据差别很大。这是因为仿真时 只考虑了纱线为固定路径的情况,而实际上,随着簇 绒针与毯面位置的变化,绒纱的路径和其纱线伸缩 量也发生变化。当纱线路径达到最长时,纱线张力 达到最大;回程时,纱线路径减小,纱线松弛,张力变 小;因此,上述张力模型只适用于成圈前半程情况, 当簇绒针回程时,张力模型不适用,需要对欧拉张力 公式进行修正后才能使用。 5 结 论 1)簇绒针与毯面位置的变化,导致绒纱的路径 和其纱线伸缩量也发生变化。纱线张力模型只适用 于簇绒地毯成圈前半程情况。簇绒针回程时模型不 适用,需要对欧拉张力公式进行修正后才能使用。 2)绒纱从纱筒到进入恒张力导纱罗拉前,仿真 与实验结果十分吻合,纱线张力模型准确。 3)在簇绒地毯成圈前半程时,纱线路径变长, 纱线张力变大;当回程纱线路径减小时,纱线松弛, 第12期 张力变小。 参考文献: 徐洋等:地毯簇绒系统纱线张力建模与分析 GJ ̄BL R.New trends and possibilities of double carpet weaving[J].Melliand—China,2006(3):42—52. d—Monroe Corp.Forming cut and loop pile tufts[J]. 6] CarAdvances in Textiles Technology,2006(1):7—8. 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