气动调压式纺纱摇架的设计.docx
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气动调压式纺纱摇架的设计
气动调压式纺纱摇架的设计
现科院机械电子工程0901班：
吴冰峰
指导教师：
王会强李新领孙维连
摘要：
摇架作为短纤维环锭细纱机的主要牵伸器件，其使用效果直接影响成纱质量的优劣。
纺织业开始注重对摇架性能的研究和结构的改进，于是摇架从圈簧摇架加压发展到气动摇架加压和板簧摇架加压。
从性价比和使用效果上气动摇架有着很大的优势，主要表现在压力稳定并且可调，能耗低，锭差小，调节方便等特点。
本设计在详细分析压制工件过程中对各执行机构的动作要求。
根据加工的实际条件，参考气动纺纱摇架的一些典型结构并进行分析比较，确定总体设计方案。
然后对主要零部件和气动系统等零部件设计提出具体的要求，进行详细计算。
最终达到了预期的设计要求。
关键词：
气动纺纱摇架；气动加压；自锁
Abstract：
Cradleasthemainstapleringspinningdrawingdevice,theuseofeffectsdirectlyaffectthequalityofyarnanddisadvantages.Textileindustrybegantofocusontheperformanceofthecradleandimprovementofthestructure,sothecoilspringfromthecradletocradlepressurizeddevelopmentandpneumaticallyloadedcradlespringpressure,Fromthecostandtheeffectonthepneumaticcradlehasagreatadvantage,mainlyinthepressureisstableandadjustable,lowenergyconsumption,ingotissmall,easytoadjustandsoon.
Inadetailedanalysisofthedesignprocessofthepressingoftheworkpieceactionrequiredoftheimplementingagencies.Accordingtotheactualconditionsofprocessing,referencesomeofthetypicalpneumaticspinningcradlestructurecomparisonandanalysistodeterminetheoveralldesign.Thenthemaincomponentsandpneumaticsystemsandothercomponentsdesignedtoputforwardspecificrequirementsfordetailedcalculations.Ultimatelyachievethedesireddesignrequirements.
Keywords：
Pneumaticspinningcradle;Pneumaticpressure;Self-locking
1引言
纺纱摇架作为纺纱工业中的传统纺纱工艺，已有150多年的历史了。
在过去的数十年中，人们开发了各种新型纺纱工艺以期获得较高的单纱产量，它们在提高纺纱速度，获得较高的单纱产量方面具有显著的成效，其中纺纱摇架就是纺纱工艺中重要的一环，纺纱摇架的质量关系到纺纱的质量仍是无可争议的。
对于每一种纺纱系统来说，在提高产量和成纱质量都必须用到纺纱摇架。
到目前为止没有一种纺纱机构可以替代纺纱摇架在纺纱工业中的作用。
而随着生活水平的提高，人们更重视的是产品的质量，也就是成纱的质量。
目前，现有纺纱摇架采用两只紧固螺钉把摇架体紧固在摇架支杆上，其中一只螺钉还兼有调节摇架高低功能，这种摇架的紧固机构不可靠，而且在工作中调节摇架高低还需要到摇架的后方调节，给纺织工人带来操作苦难。
现有纺纱摇架上罗拉和下罗拉的前、中、后罗拉的中心距调节范围小，罗拉加压机构的压力校准装置调节不方便，压力变化范围小，不能进行纺纱摇架工作压力的快速、便捷的调节和切换。
为了解决上述问题，满足机械加工需要，设计一种方便快捷、准确性高的经济型纺纱摇架越来越受到用户的青睐，纺纱摇架也朝着这个方向不断的完善和改进。
设计一种高性能，调整方便，尽可能进一步提高纺纱精确度，适合我国现阶段纺纱工业的发展需要的新型纺纱摇架。
根据纺纱系统的自身特点，通过创新机械机构，设计高效率、低成本和可靠性好的纺纱摇架具有较大可行性。
气动纺纱摇架将会较大的提高生产效率，降低劳动强度，节约生产成本，对我国纺纱工业和用户将产生巨大的经济效益和社会效益。
使我国纺织行业的技术水平、工艺性能和设备运行稳定性等达到一个相当高的水平。
2气动纺纱摇架的设计概述
2.1气动纺纱摇架的任务来源
随着人们生活水平的提高对纺纱的需求量不断增加，同时对纺纱的质量的要求也不断提高。
摇架作为细纱机牵伸部分的重要部件，对成纱质量及稳定性的影响越来越受到人们的重视。
目前，国外生产的纺纱摇架多采用独立气囊式直压式结构，属软弹性加压，有吸振能力，加压比较稳定、可靠，压力可方便地进行调整，满足纺纱工艺要求。
其压力变化由气压表显示，可以实现半释压和全释压。
它以净化的压缩空气作为压力源，需要一个空压机供气系统，包括空压机、储气筒、油水分离器、减压阀、安全阀系统，投资费用较高。
平时虽耗气不多，但各管道连接、气囊密封要求极高，一旦漏气就会降压或失压。
气囊要求弹性好，耐老化，日常维护保养费用也较大。
使用气压摇架会增加能耗支出，空压机的噪音也大。
国外这样的摇架售价多在500美元以上，维修同样不方便。
设计一种高性能，调整方便，尽可能进一步提高纺纱精确度，适合我国现阶段纺纱工业的发展需要的新型纺纱摇架。
根据纺纱系统的自身特点，通过创新机械机构，设计高效率、低成本和可靠性好的纺纱摇架具有较大可行性。
气动加压机构以其稳定充分的压力、锭差小、调节方便等特点，日益被各个企业看好。
同时，国内气动摇架生产厂家也在不断地开发适合棉企改造推广的各类气动摇架，大有逐渐取代弹簧加压摇架的趋势，为此拟设计一部气动纺纱摇架。
2.2气动纺纱摇架的原理
图1气动摇架工作原理图
1.气缸2.压力杆部件3.压力杆4.摇架体5.皮圈
如图1是气动纺纱摇架的工作原理图。
外界的空气通过空气压缩机输送到气缸中，来调节气缸的压强。
从而改变气压缸的压力，以达到改变皮圈的压力的目的。
采用了气动摇架加压。
气动加压的特点是：
压力源由统一的气压机提供，压力稳定，锭间差小，强吸振，无疲劳衰退，调节方便，可进行集体无级调压、释压及半释压，避免停车压坏皮辊，开车断头少，使得重加压、大牵伸倍数得以实现。
非控区小，有利于前纺粗纱配置供应和纱支调整。
这种方式结构简单，系统压力调节方便，整个操作过程被简化，便于纺纱过程中的调节。
2.3气动纺纱摇架的设计原则
纺纱摇架有气动调压式纺纱摇架和弹簧调压式纺纱摇架两种，气动调压式纺纱摇架主要包括气动加压单元，自锁单元，调节单元和摇架体。
（1）摇架锁紧机构
锁紧机构是为实施摇架加压和卸压的机构，其工作的可靠性，决定了摇架工作的可靠性。
为此，对锁紧机构有如下要求。
1）锁紧机构中有关零件要有足够的强度和刚度，较高的精度和硬度，使摇架体工作位置保持正确和一致，确保加压力准确稳定。
2）锁紧机构设计应考虑在保证加压的条件下，尽量降低锁紧力和挤压应力，这是减少零件变形和磨损，确保摇架工作可靠和延长使用寿命的根本性措施。
3）摇架操作方便省力。
4）卸压后摇架掀起的定位角度，便于操作人员操作。
在纺纱机的牵伸装置中，纱线由罗拉牵伸。
罗拉上套有橡皮圈，橡皮圈上有气压缸给予加压，则纱线在橡皮圈的夹紧力的作用下，罗拉转动带动橡皮圈转动，从而牵伸纱线运动。
气动摇架就是上述气缸加压，在工作时，气动摇架处于工作位置，气缸加压；在检修保养时，气动摇架释放压力并且抬起。
气动摇架的锁紧机构的作用是操纵气动摇架的运动，并对其工作状态和抬起位置给予锁紧。
图2摇架锁紧机构
如图2本气动摇架锁紧机构有摇架座、摇架体、自锁片、手柄、调节模块。
摇架体2通过销轴与摇架座6相连，摇架体2通过销轴与手柄1相连，锁紧片3两端通过销轴分别与调节模块4和手柄1相连这样就构成手柄连杆、摇架座连杆、锁紧片连杆和摇架体连杆组成的四连杆机构。
其中四连杆的长度分别为：
摇架座连杆长度为66mm，手柄连杆长度等于0.35～0.4摇架座连杆的长度；锁紧片连杆长度等于0.7～0.75摇架座连杆长度；摇架体连杆长度等于0.4～0.65摇架座连杆长度。
以几何作图方法可以证明上述的四连杆相对长度构成的锁紧机构，可以使气动摇架仰角为80～90度，可以达到气动摇架的要求。
（2）气动摇架气压缸加压
集体调压是气动摇架有别于（或优越于）弹簧摇架的又一大显著功能。
因为气压缸内气体的气压对摇架皮圈的加压力有直接的影响，而每台摇架内气压大小是通过气路控制系统的调压阀集中控制的；所以，我们只须调整气路控制系统的减压阀，便可以使每套摇架的工作气压统一改变,从而改变皮圈的加压力，称之为集体调压。
而且，工作气压可以在某一区间内连续（非离散）调节，从而得到在某特定区间内连续的皮圈加压力（有别于弹簧摇架的压力分档的方式），称之为无级调压。
这可以大大提高因纺纱工艺要求而改变胶辊加压力的效率，降低该工作的劳动强度，而且为探索最优化的纺纱加压参数提供了可能；但是，这种方法的力学基础就是皮圈加压力必须与气压缸工作气压成线性关系，而且各套摇架之间的线性曲线应基本一致；否则，便会影响集体调压的效果、加大集体调压后的压力锭差。
3气动纺纱摇架的设计
3.1主要规格的确定
气动纺纱摇架主要技术规格是设计工作中最重要的步骤之一。
因为它直接关系到所设计的部件是否能满足纺纱的质量和生产率要求。
同时它也是设计各零部件的依据，它对零部件的尺寸、要求加工设备的能力和整机成本有极大的影响。
因此，必须仔细分析气动纺纱摇架所加工工件的工艺动作程序，仔细分析所使用的模具尺寸和安装要求；仔细分析各工艺动作要求的压力、速度、相对位置关系，工作位置和非工作点的位置精度要求。
在确定主要技术规格时，我们还应深入地调查研究同类型设备的结构，主要技术规格、操作性能等有关资料，并应充分重视用户单位的要求和改进意见。
3.1.1气动摇架的主要技术参数
牵伸装置加压摇架的两个基本作用是对皮圈进行加压和对皮圈进行握持定位。
为此摇架通常由加压机构和锁紧机构组成。
气动加压摇架作用原理是采用气压缸为牵伸罗拉加压的动力源，经过加压组件将力传递给上罗拉，实现上下罗拉的加压；再与手柄、摇架体、锁紧件、摇架座等零件所组成的四连杆机构的锁紧操作组件相结合，成为气动加压摇架的设计整体。
摇架的加压机构是由加压部分和握持定位部分组成，并且有机地构成一个整体。
主要技术规格是表述摇架工作性能的指标。
通常包括以下部分：
第一，主要规格，又称主参数，它是表示气动纺纱摇架主要特性的参数。
第二，气动摇架的外观尺寸。
本设计的气动纺纱摇架其主要技术要求为：
（1）工作气压0.2MPa。
（2）罗拉加压值100～200N。
（3）上罗拉持握部分尺寸Φ9×18mm。
（4）前中后罗拉中心距50mm。
（5）摇架卸压后掀起角为45°。
（6）通过摇架体上方微调摇架体高度，调节范围：
0～0.5mm。
（7）上罗拉直径（前、中、后）：
Φ28×Φ25×Φ28mm。
摇架支杆：
Φ28mm。
3.1.2气动加压系统
摇架由摇架体、加压元件、加压组件、锁紧组件和摇架的紧固机构组成。
加压元件的质量、加压组件的形式、摇架的锁紧机构的性能、摇架的固定方式的可靠性是实现纺纱摇架所具有特性和功能的决定因素。
加压元件是纺纱摇架中的关键性元件，也是整个纺纱摇架的核心元件。
加压元件的质量决定厂摇架的基本性能与类型。
现有的气加压摇架的加压元件是气囊与气缸，常用的气囊有独一立小气囊和整体长气囊两种。
摇架工作时，加压元件变形产生的压力，可以对罗拉直接加压或通过加压杆传递给上罗拉，实施摇架对罗拉的加压作用。
本书设计气动加压系统主要有气缸，各种阀，空气压缩机和气压管等组成，气缸提供的压力为0.2Mpa,缸径为10mm.图3为气缸。
根据气缸的负载状态和负载运动状态确定负载力F和负载率，再根据使用压力应小于气源压力85％的原则，按气源压力确定使用压力P。
对单作用缸按杆径与缸径比为0.5，双作用缸杆径与缸径比为0.3～0.4预选，并根据公式便可求得缸径D，将所求出的D值标准化即可。
如D尺寸过大，可采用机械扩力机构。
根据使用目的和安装位置确定气缸的品种和安装形式。
可参考相关手册。
气缸选用理论计算校核图3气缸
F:
气缸理论输出力（kgf）
F1:
效率为85%时的输出力（kgf）——（F′=F×85%）
D:
气缸缸径（mm）
L:
气缸行程（mm）
P:
工作压力（kgf/cm2）
单位换算：
0.2Mpa=2kgf/cm2
由公式P=F/DL；
可知
F=3kgf；
F1=2.55kgf。
4气动摇架各部分的设计
4.1摇架结构设计
纺纱摇架是牵伸装置中最重要的专件，也是牵伸装置中最基础的专件，摇架质量水平的高低，直接影响其他牵伸专件、器材性能的发挥。
尤其是当前推广“粗纱重定量、细纱大牵伸”工艺条件下，纺纱摇架的结构性能、发展方向和成纱质量关系到整个纺纱行业的未来，因此对纺纱摇架设计基本要求有如下几个方面：
（1）提供足够的加压力，使牵伸罗拉有足够握持力，以适应“重加压、强控制”基本工艺不断发展的需要。
（2）上下、前后罗拉三线平行度好，确保牵伸零部件正常运行。
（3）加压可靠，正确，稳定，持久，锭间，台间差异小。
（4）对牵伸工艺、胶辊适应性强。
（5）调压，加压，卸压操作方便省力。
遇到较长时间停车时，能方便地部分卸压。
（6）吸振性能好，使牵伸罗拉的振动较少地传递到机架上。
（7）摇架结构简洁，外形美观、管理、维修简便。
纺纱摇架机械部分主要由加压元件、加压组件、锁紧组件组成。
如图4气动摇架包括摇架体、与摇架体相连接的摇架座座、与摇架座相连接的调节模块、固定在调节模块上的的自锁片、自锁片另一端与手柄相连,手柄安装在摇架体上。
摇架壳体相连的槽座、与槽座铰连的罗拉架、固定在槽座上的气缸、安装在罗拉架上的前握持爪和中握持爪、安装在后皮圈座上的后握持爪、连接气缸的管子。
前握持爪、中握持爪、后握持爪的爪间距分别与前、中、后皮辊的握持档端部的直径西，匹配，前握持爪、中握持爪、后握持爪的宽度分别与前、中、后皮圈的握持档长度匹配。
使用此种摇架，将皮圈被握持部位从握持档中部改变为握持档两端部，使皮圈被握持部增大，有利于大幅度提高三列皮圈之间的平行。
图4摇架结构
1.手柄2.摇架体3.手柄连杆4.端盖5.调节螺钉6.调节弹簧7.固定杆8.调节块
9.锁紧螺钉10.锁紧块11.锁紧片12.上罗拉架部件13.罗拉架14.皮圈15.调整架
4.2加压组件的设计
加压组件按其结构方式的不同，可分为直接加压式和间接加压式两种。
直接加压式不设加压杆，间接加压式又分为杠杆间接加压式与非杠杆间接加压式两种，其中杠杆间接加压式的加压组件件结构比较复杂，加压稳定、可靠。
4.2.1加压杆的设计
由于其加压组件中设有加压杆，加压杆的前端是上罗拉握持爪，它的作用是握持罗拉，保持上罗拉对下罗拉的平行，并将弹簧压缩后产生压力方向指向其中某一部位压力，按一定的比例作用到罗拉上。
间接式加压设置加压杆，歪斜的皮圈产生一个与皮圈歪斜相反的复位力矩，有利于皮圈自调复位作用的发挥。
皮圈与罗拉间的平行度影响罗拉钳日的正确位置和稳定性，从而影响牵伸后纱条的均匀度。
在旧式纺纱摇架机构中，皮圈芯子采用工字架定位，生产上工字架校正（俗称三直线）是十分严格的。
摇架加压取消工字架后，在杠杆式加压组件中，皮圈芯子由加压杆前端的握持爪握持其中部轴芯，以实现定位。
由于摇架加压组件中各零件制造、安装精度上的误差累积，则通常使胶辊歪斜达不到工艺上对平行度的要求。
因此在加压组件的设计中，如何获得皮圈对下罗拉较好的平行度，就成为设计中的关键难题。
纺纱摇架的加压组件设计中，采用摆动加压杆式胶辊自调平行组件，在运转中皮圈与罗拉接触后，加压杆带着皮圈可绕支销轴左右摆动，利用罗拉与皮圈相对运动时产生摩擦力来调节上、下罗拉之间的平行度。
皮圈自调平行原理如图所示。
加压杆前端的握持爪握持胶辊中部轴芯档，加压杆的后端挂在支销轴上。
这样，加压杆一方面将弹簧压力传递给皮圈。
4.2.2压力调节机构的设计
为了增加对纺纱工艺的适应性，在摇架加压组件的设计中，设有摇架压力的调节机构。
摇架采用集体调压的方式，在纺纱的过程中通过改变空气的量来改变气缸的压力。
4.2.3摇架紧固机构
目前国内外现有纺纱摇架通常通过紧固螺钉和调节螺钉来进行摇架体的固定和摇架体高度的调节，摇架体高度的调节即压力校准装置。
这种纺纱摇架采用两只紧固螺钉把摇架体紧固在摇架支杆上，其中一只螺钉还兼有调节摇架高低功能，这种摇架的紧固机构不可靠，而且在工作中调节摇架高低还需要到摇架的后下方调节，给纺织工人带来操作苦难，导致调整不方便、费时费力，增大操作人员的工作强度。
因此，为了摇架紧固的持久性、稳定性和可靠性，且能方便调整摇架体高度，即校准纺纱摇架的工作压力而创新设计了新型纺织摇架压力校准机构,如图所示。
此装置通过旋转紧固螺钉，紧固螺钉14顶紧锁紧块，锁紧块两个面顶住六角摇架轴，来进行摇架体锁紧和固定，使得摇架体予以定位。
这种六角的紧固装置具有持久性、稳定性和可靠性。
而在进行摇架工作压力校准时，或是摇架高度微调时，即可通过摇架体顶部的调整螺钉进行微调，方便、快捷。
调整位于摇架顶部的调整螺钉进行工作压力的校准，实现了调整摇架工作压力值的准确，并且可以保证摇架性能稳定可靠。
4.2.4圆柱销和螺钉的选择
圆柱销和螺钉均选用国家标准：
圆柱销B型10×30[GB/T119-2000]
圆柱销B型6×26[GB/T119-2000]
圆柱销B型6×22[GB/T119-2000]
内六角花形盘头螺钉M6×35[GB2672-86]
内六角花形盘头螺钉M6×15[GB2672-86]
销轴的计算：
1）销轴的抗弯强度验算
式中M：
销轴承受的最大弯矩；
：
销轴抗弯截面模数；
：
许用弯曲应力，对于45号钢
=360MPa。
2）销轴的抗扭强度验算
：
销轴许用剪应力，45号钢
=125MPa
:
称为抗扭截面系数；
由公式
得
=196.25m3
远小于
=125MPa符合要求。
5结论
气加压摇架所具有的部分特性是弹簧摇架所不能达到的，是今后牵伸加压装置的发展方向。
对于气加压摇架，首先要充分认识到各类气加压摇架的结构特性，要有为合理使用气加压摇架创造条件的意识，要有鉴别和调整各类气加压摇架平行度和压力的能力。
气加压摇架固定与调压（调整工作高度）方式的分离、加压握持与上罗拉平行度控制的分离是保证气加压摇架机械性能的稳定性、一致性和可靠性的改进方向；在此基础上，减轻气加压摇架的安装调整工作量更是设计的重点。
本设计在结合了国内外各种气动纺纱摇架的形式和特点的基础上，设计出的气缸直接调压的气动调压式纺纱摇架，既结合了弹簧调压式纺纱摇架和气动板簧调压式的优点，同时又很好的减少了它们的缺点，达到了设计要求。
6致谢
本设计是在指导老师王会强老师的悉心指导下完成的。
从设计的选题、资料的查阅和整理、实验的进行到最后说明书的撰写工作，王老师给予了很大的帮助，并倾注了大量的心血和精力。
王老师要求严格、思路敏锐，给学生树立了光辉的榜样；一丝不苟的性格、以及对科学真理孜孜不倦的追求精神，令我深感钦佩；平易近人的工作作风和关心他人的高尚品质给了我极大的帮助和教诲。
在此，谨向尊敬的王老师表示诚挚的谢意！
衷心地感谢王老师对我的谆谆教诲和辛勤栽培。
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