CN102808255B - 一种粗纱机纺纱速度调节装置及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粗纱机纺纱速度调节装置及调节方法，包括输入单元；模型单元；计算单元；输出单元；所述计算单元根据模型单元计算粗纱机的筒管角速度、粗纱机的锭翼角速度、粗纱机的纺纱速度，以实现调节粗纱机的纺纱速度。本发明粗纱机纺纱速度调节方法以精确的数学模型为依据，在给定的爆粗纱安全阈值下，可以获得少爆粗纱和最大效率的最佳结合点，可获得最大机器生产效率。

Description

一种粗纱机纺纱速度调节装置及其调节方法

技术领域

本发明涉及的是一种计算机应用工艺优化领域的方法，特别是一种粗纱机纺纱速度调节装置的调节方法。

背景技术

粗纱机纺纱过程中，纺纱速度(行业内以锭翼角速度表征)过高或者随着管纱直径不断增大，已卷绕的管纱内部张力将越来越大，当粗纱内部张力超过粗纱强力时，就会出现所谓的“爆粗纱”现象，导致机器停车，增加挡车工接头工作量，而且严重降低粗纱机生产效率。

经对现有技术文献的检索发现，在纺纱品种及工艺确定的条件下，目前国内外粗纱机控制“爆粗纱”的方法通常为：1、降低纺纱速度，2、控制卷装尺寸。降低纺纱速度会降低机器设备的生产效率，控制卷装尺寸对于确定尺寸的锭翼来说，是极大浪费。近来，国内外先进的电脑控制粗纱机采用在大纱(纺到一定尺寸或者层数的纱)时降低纺纱速度的方法，即先按起始速度纺纱，纺到大纱后，按照设定逐步降低纺纱速度。纺纱速度降低多以斜线居多，亦见曲线形态。这种在大纱时逐步降低纺纱速度的方法，具有一定的效果。但是这种方法是一种试验摸索过程，无精确数学模型作为指导，而且实际操作起来各参数确定不易，最关键的是无法获得“爆粗纱”和“纺纱效率”的最佳结合点。

发明内容

本发明克服了现有技术的上述缺陷，提出了一种粗纱机纺纱速度调节装置及其调节方法。相较于现有方法，本发明调节方法无需“大纱降速点”以及“降速斜率”，因而取消了这两个参数。本发明增加一个表征“粗纱强力”的工艺参数，或者直接借用现有方法的“终纺速度”而不新增加任何输入工艺参数。本发明调节方法中新增的“粗纱强力”或者借用的“终纺速度”这两个参数物理意义明确易懂，数值确定简单方便。本发明调节方法以精确的数学模型为依据，在给定的“爆粗纱”安全阈值下，可以获得“少爆粗纱”和“最大效率”的最佳结合点，可获得最大机器生产效率。

本发明提出了一种粗纱机纺纱速度调节装置，包括：

输入单元，其实现采集粗纱机的机器参数以及纺制粗纱的工艺参数；

模型单元，其建立并存储模型，包括爆粗纱力学模型、纺纱卷绕模型和纺纱速度限制模型；

计算单元，其与所述输入单元以及模型单元连接，采用所述输入单元采集的粗纱机的机器参数以及纺制粗纱的工艺参数，依据所述模型单元中的爆粗纱力学模型、纺纱卷绕模型和纺纱速度限制模型计算所述粗纱机纺纱速度；

输出单元，以所述计算单元计算获得的所述粗纱机纺纱速度调节粗纱机的纺纱速度。

其中，所述输入单元采集的粗纱机的机器参数包括空筒管半径R_b、最大纱锭半径R_e。所述输入单元采集的纺制粗纱的工艺参数包括粗纱捻度T_w、始纺速度ω_fs、粗纱强力S或者终纺速度ω_fe二者其一、粗纱径向厚度d或者其它可以表征粗纱径向厚度的组合参数。

其中，所述模型单元中建立的爆粗纱力学模型为：

ω_br＝S， $(S=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ηF}}_t}{\mathrm{\ρ}}})---\left(I\right)$

式(I)中，ω_b是筒管角速度，r是纱锭半径，S是所述粗纱强力工艺参数，η是爆粗纱阈值，Ft是粗纱单根强度，ρ是粗纱单位长度质量。

其中，所述模型单元中建立的纺纱卷绕模型为：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_f}{T_w}=2\mathrm{\π}(R_b+\mathrm{nd})({\mathrm{\ω}}_f-{\mathrm{\ω}}_b)---\left(\mathrm{II}\right)$

式(II)中，ω_f是锭翼角速度，T_w是所述粗纱捻度工艺参数，R_b是所述空筒管半径机器参数，n是当前纺纱层数，d是所述粗纱径向厚度工艺参数，ω_b是式(I)中的筒管角速度。

其中，所述模型单元中建立的纺纱速度限制模型为：

ω＝MIN(ω_fs，ω_f)    (III)

式(III)中，ω是所述粗纱机纺纱速度，ω_fs是所述始纺速度工艺参数，ω_f是式(II)中的锭翼角速度。

本发明中，所述计算单元首先根据所述模型单元中的爆粗纱力学模型计算粗纱机的筒管角速度，接着根据所述模型单元中的纺纱卷绕模型计算粗纱机的锭翼角速度，最后根据所述模型单元中的纺纱速度限制模型计算粗纱机的纺纱速度。

其中，所述输出单元作用于纺纱速度可调节粗纱机上。优选地，作用于采用如变频或伺服(包括但不限于)调速等技术的纺纱速度可调节粗纱机上。

本发明还创新地提出了一种粗纱机纺纱速度调节装置的调节方法，包括如下步骤：

步骤一：所述输入单元获取粗纱机的机器参数与所述纺制粗纱的工艺参数。其中，所述机器参数包括空筒管半径R_b、最大纱锭半径R_e。所述工艺参数包括粗纱捻度T_w、始纺速度ω_fs、粗纱强力S或者终纺速度ω_fe二者其一、粗纱径向厚度d、以及其它可以表征粗纱径向厚度的组合参数。

步骤二：所述模型单元建立爆粗纱力学模型、纺纱卷绕模型和纺纱速度限制模型；

步骤三：所述计算单元利用所述输入单元获取的粗纱机的机器参数与纺制粗纱的工艺参数，根据所述模型单元中的爆粗纱力学模型，计算得到粗纱机的筒管角速度；

步骤四：所述计算单元利用所述输入单元获取的粗纱机的机器参数与纺制粗纱的工艺参数，根据所述模型单元中的纺纱卷绕模型，在所述步骤三获得的粗纱机的筒管角速度基础上，计算得到粗纱机的锭翼角速度；

步骤五：所述计算单元利用所述输入单元获取的粗纱机的机器参数与纺制粗纱的工艺参数，根据所述模型单元中的纺纱速度限制模型，对所述步骤四获得的粗纱机的锭翼角速度进行约束，计算得到所述粗纱机纺纱速度；

步骤六：所述输出单元以所述步骤五计算获得的所述粗纱机纺纱速度，从而调节粗纱机纺纱速度。

其中，所述步骤三得到的筒管角速度为：

${\mathrm{\ω}}_b=\frac{S}{R_b+\mathrm{nd}}---\left(\mathrm{IV}\right)$

式(IV)中，ω_b是筒管角速度，S是所述粗纱强力工艺参数，R_b是所述空筒管半径机器参数，n是当前纺纱层数，d是所述粗纱径向厚度工艺参数。

其中，所述步骤四得到的锭翼角速度为：

${\mathrm{\ω}}_f=\frac{2\mathrm{\π}{T}_{w}S}{2\mathrm{\π}(R_b+\mathrm{nd})T_w-1}---\left(V\right)$

式(V)中，ω_f是锭翼角速度，T_w是所述粗纱捻度工艺参数，S是所述粗纱强力工艺参数，R_b是所述空筒管半径机器参数，n是当前纺纱层数，d是所述粗纱径向厚度工艺参数。

其中，所述步骤四得到的锭翼角速度亦表示为：

${\mathrm{\ω}}_f=\frac{(2\mathrm{\π}{R}_e{T}_w-1){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fe}}}{2\mathrm{\π}(R_b+\mathrm{nd})T_w-1}---\left(\mathrm{VI}\right)$

式(VI)中，ω_f是锭翼角速度，R_e是所述最大纱锭半径机器参数，T_w是所述粗纱捻度工艺参数，ω_fe是所述终纺速度工艺参数，R_b是所述空筒管半径机器参数，n是当前纺纱层数，d是所述粗纱径向厚度工艺参数。

其中，所述步骤五得到的所述粗纱机纺纱速度为：

ω＝MIN(ω_fs，ω_f)    (VII)

式(VII)中，ω是所述粗纱机纺纱速度，ω_fs是所述始纺速度工艺参数，ω_f是式(V)或式(VI)中的锭翼角速度。

本发明以“爆粗纱”力学模型为依据，在给定的“爆粗纱”安全阈值下，可以获得“少爆粗纱”和“最大效率”的最佳结合点，可获得最大机器生产效率。配置本发明的粗纱机在产品化生产过程中，质量优异，性能稳定，效率及产量优势明显。

附图说明

图1为本发明粗纱机纺纱速度调节装置的示意图。

图2为本发明调节方法的流程图。

图3纺纱最外层粗纱受力示意图。

图4粗纱机纺纱速度计算结果曲线图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明粗纱机纺纱速度调节装置，如图1所示，包括输入单元1、模型单元2、计算单元3、输出单元4。输入单元1用于采集粗纱机的机器参数以及纺制粗纱的工艺参数。模型单元2用于建立并存储爆粗纱力学模型(I)、纺纱卷绕模型(II)和纺纱速度限制模型(III)。计算单元3与输入单元1以及模型单元2连接，用于采用所述输入单元1采集的粗纱机的机器参数以及纺制粗纱的工艺参数，依据所述模型单元3中的爆粗纱力学模型(I)、纺纱卷绕模型(II)和纺纱速度限制模型(III)计算所述粗纱机纺纱速度。输出单元4利用如变频、伺服(包括但不限于)等技术，以计算单元3计算获得的粗纱机纺纱速度调节粗纱机纺纱速度。

本发明粗纱机纺纱速度调节装置的调节方法，如图2所示，具体步骤如下：

步骤一：输入单元1获取粗纱机的机器参数，包括空筒管半径R_b、最大纱锭半径R_e；输入单元1获取纺制粗纱的工艺参数，包括粗纱捻度T_w、始纺速度ω_fs、粗纱强力S或者终纺速度ω_fe二者其一、粗纱径向厚度d。

步骤二：模型单元2建立爆粗纱力学模型式(I)、纺纱卷绕模型(II)和纺纱速度限制模型(III)。

建立爆粗纱力学模型式(I)：纺纱过程中，“爆粗纱”的本质在于卷绕在纱管上的粗纱张力超过所纺粗纱强力。纺纱品种确定，假设所纺粗纱单根强度为F_t，η≤1为给定的安全阈值。如图3示意的一圈最外层粗纱，当前纱锭半径为r，筒管角速度为ω_b，粗纱单位长度质量为ρ，粗纱截面上的张力为T，分析截取的d_θ增量片段的受力：

增量片段质量：m＝ρl＝ρrd_θ    (1)

增量片段离心力： $F=\mathrm{ma}={\mathrm{m\ωb}}_b^{2}r=\mathrm{\ρr}{d}_{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\ω}}_b^{2}r---\left(2\right)$

增量片段在离心力F和两处张力T的作用下平衡，有

$F=2T\sin \frac{d_{\mathrm{\θ}}}{2}---\left(3\right)$

式(2)代入式(3)得

$\mathrm{\ρ}{\mathrm{rd}}_{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\ω}}_b^{2}r=2T\sin \frac{d_{\mathrm{\θ}}}{2}---\left(4\right)$

当dθ→0时，有： $\mathrm{\ρ}{\mathrm{\ω}}_b^2{r}^2=T---\left(5\right)$

因此，在给定的安全阈值η下的“爆粗纱”平衡方程为：

$\mathrm{\ρ}{\mathrm{\ω}}_b^2{r}^2=\mathrm{\η}{F}_t---\left(6\right)$

本发明引入一个表征粗纱强力的工艺参数则：

ω_br＝S    (7)

至此，建立了本发明模型单元2中的爆粗纱力学模型(I)。

建立纺纱卷绕模型(II)：假设ω_f是锭翼角速度，T_w是粗纱捻度工艺参数，R_b是空筒管半径机器参数，n是当前纺纱层数，d是粗纱径向厚度工艺参数，ω_b是粗纱机的筒管角速度。根据捻度定义和卷绕理论，建立模型单元2中的纺纱卷绕模型(II)：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_f}{T_w}=2\mathrm{\π}(R_b+\mathrm{nd})({\mathrm{\ω}}_f-{\mathrm{\ω}}_b)---\left(8\right)$

建立纺纱速度限制模型(III)：由于受到机械及工艺的限制，粗纱机纺纱速度ω不能太大。因此，引入ω_fs这个始纺速度工艺参数，建立模型单元2中的纺纱速度限制模型(III)：

ω＝MIN(ω_fs，ω_f)    (9)

步骤三：计算单元3利用所述输入单元1获取的粗纱机的机器参数与纺制粗纱的工艺参数，根据模型单元2中的爆粗纱力学模型(I)，计算得到粗纱机的筒管角速度。

输入单元1获得的空筒管半径为R_b，所纺粗纱的径向厚度为d，n表示当前纺纱层数。根据模型单元2中的爆粗纱力学模型(I)，计算单元3获得粗纱机的筒管角速度ω_b：

${\mathrm{\ω}}_b=\frac{S}{r}=\frac{S}{R_b+\mathrm{nd}}---\left(10\right)$

步骤四：计算单元3利用输入单元1获取的粗纱机的机器参数与纺制粗纱的工艺参数，根据模型单元2中的纺纱卷绕模型(II)，在步骤三获得的粗纱机的筒管角速度基础上，计算得到粗纱机的锭翼角速度ω_f。

如果输入单元1获得粗纱捻度工艺参数T_w，粗纱强力工艺参数S，空筒管半径机器参数R_b，粗纱径向厚度工艺参数d，n是当前纺纱层数。根据模型单元2中的纺纱卷绕模型(II)，计算单元3可获得粗纱机的锭翼角速度ω_f

${\mathrm{\ω}}_f=\frac{2\mathrm{\π}{T}_{w}S}{2\mathrm{\π}(R_b+\mathrm{nd})T_w-1}---\left(11\right)$

输入单元1获得的粗纱强力工艺参数S物理意义明确，通过试验确定其数值容易，而且可以像其它很多工艺参数一样，给出常用纱线品种的推荐值。但是若本发明调节方法应用于现有的粗纱机上，现有技术的粗纱机在应用操作中需要输入始纺速度和大纱速度。借用现有方法中的参数大纱速度，并改名为终纺速度。本发明中的“终纺速度”表示纺到最大纱锭半径(是一个确定值，由机械锭翼尺寸决定，以R_e表示)时的纺纱速度，设为ω_fe，通过输入单元(1)获得。此时的纺纱速度同样满足式(11)，有：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fe}}=\frac{2\mathrm{\π}{T}_{w}S}{2\mathrm{\π}{R}_e{T}_w-1}---\left(12\right)$

只是该式中S为未知而ω_fe为已知。可得

$S=\frac{(2\mathrm{\π}{R}_e{T}_w-1){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fe}}}{2\mathrm{\π}{T}_w}---\left(13\right)$

式(13)代入式(11)得

${\mathrm{\ω}}_f=\frac{(2\mathrm{\π}{R}_e{T}_w-1){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fe}}}{2\mathrm{\π}(R_b+\mathrm{nd})T_w-1}---\left(14\right)$

应用式(14)，计算单元3可获得锭翼角速度ω_f在输入单元1获得终纺速度工艺参数ω_fe而非粗纱强力工艺参数S条件下的值。

步骤五：计算单元3利用输入单元1获取的粗纱机的机器参数与纺制粗纱的工艺参数，根据模型单元2中的纺纱速度限制模型(III)，对步骤四获得的粗纱机的锭翼角速度进行约束，计算得到所述粗纱机纺纱速度。

从步骤四计算出的锭翼角速度看出，在纱锭较小时，纺纱速度可以很快。但是，由于受到机械及工艺的限制，并不能以计算单元3在步骤四中计算得到的锭翼角速度ω_f为本发明粗纱机纺纱速度ω。使用输入单元1获取的始纺速度ω_fs和模型单元2中的纺纱速度限制模型(III)对步骤四计算得到的锭翼角速度进行限制，即当计算单元3在步骤四中得到的锭翼角速度小于或者等于输入单元1获取的始纺速度时，本发明粗纱机纺纱速度等于步骤四中得到的锭翼角速度，否者，本发明粗纱机纺纱速度等于输入单元1获取的始纺速度。

步骤六：输出单元4利用如变频、伺服、包括但不限于同类技术，以步骤五计算获得的粗纱机纺纱速度调节粗纱机纺纱速度。

实施例：

本实施例通过应用本发明的粗纱机设备生产556Tex纯棉普梳粗纱为例。通过输入单元1得到如下机械参数和工艺参数并转换为国际单位制：

空筒管半径R_b＝0.0225m

最大纱锭半径：R_e＝0.075m

粗纱捻度T_w＝51T/m

终纺速度ω_fe＝800RPM

始纺速度ω_fs＝1500RPM

粗纱径向厚度d＝0.00043m

运用输入单元1得到的机械参数和工艺参数，以模型单元2中的模型为依据，根据本发明实现技术方案的具体步骤，计算单元3最终得到在该粗纱机设备上，该品种粗纱在该工艺参数下的纺纱速度曲线，如图4所示。输出单元4以此纺纱速度曲线控制粗纺机纺纱，平均百锭“爆粗纱”故障明显降低，减轻了挡车工的接头工作量，应用本发明技术的粗纱机班产显著高于其它设备。

以上所述仪为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种变动与润饰，本发明保护范围应以权利要求书所界定的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种粗纱机纺纱速度调节装置，其特征在于，包括：

输入单元（1），其实现采集粗纱机的机器参数以及纺制粗纱的工艺参数；

模型单元（2），其建立并存储爆粗纱力学模型、纺纱卷绕模型、和纺纱速度限制模型；其中，爆粗纱是指当粗纱内部张力超过粗纱强力时，粗纱发生爆裂的现象；

计算单元（3），其与所述输入单元（1）以及模型单元（2）连接，采用所述机器参数以及所述工艺参数，依据所述模型单元（2）中的爆粗纱力学模型、纺纱卷绕模型、和纺纱速度限制模型计算所述粗纱机纺纱速度；

输出单元（4），以所述计算单元（3）计算获得的所述粗纱机纺纱速度调节粗纱机的纺纱速度。

2.如权利要求1所述粗纱机纺纱速度调节装置，其特征在于，所述机器参数包括空筒管半径R_b、最大纱锭半径R_e；所述工艺参数包括粗纱捻度T_w、始纺速度ω_fs、粗纱强力S，终纺速度ω_fe，粗纱径向厚度d。

3.如权利要求1所述粗纱机纺纱速度调节装置，其特征在于，所述爆粗纱力学模型为：

${\mathrm{\ω}}_{b}r=S,S=\sqrt{\frac{\mathrm{\η}{F}_t}{\mathrm{\ρ}}}---\left(I\right)$

式（I）中，ω_b是筒管角速度，r是纱锭半径，S是粗纱强力工艺参数，η是爆粗纱阈值，F_t是粗纱单根强度，ρ是粗纱单位长度质量。

4.如权利要求1所述粗纱机纺纱速度调节装置，其特征在于，所述纺纱卷绕模型为：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_f}{T_w}=2\mathrm{\π}(R_b+\mathrm{nd})({\mathrm{\ω}}_f-{\mathrm{\ω}}_b)---\left(\mathrm{II}\right)$

式（II）中，ω_f是锭翼角速度，T_w是粗纱捻度工艺参数，R_b是空筒管半径机器参数，n是当前纺纱层数，d是粗纱径向厚度工艺参数，ω_b是筒管角速度。

5.如权利要求1所述粗纱机纺纱速度调节装置，其特征在于，所述纺纱速度限制模型为：

ω=MIN(ω_fs,ω_f)            （III）

式（III）中，ω是粗纱机纺纱速度，ω_fs是始纺速度工艺参数，ω_f是锭翼角速度。

6.如权利要求1所述粗纱机纺纱速度调节装置，其特征在于，所述输出单元（4）作用于纺纱速度可调节的粗纱机上。

7.一种粗纱机纺纱速度调节装置的调节方法，其特征在于，包括：

步骤一：输入单元（1）获取机器参数与工艺参数；

步骤二：模型单元（2）建立爆粗纱力学模型、纺纱卷绕模型、和纺纱速度限制模型；

步骤三：计算单元（3）利用所述机器参数与所述工艺参数，根据所述爆粗纱力学模型计算得到粗纱机的筒管角速度；

步骤四：所述计算单元（3）利用所述机器参数与所述工艺参数，根据所述纺纱卷绕模型，在所述步骤三获得的所述筒管角速度的基础上，计算得到粗纱机的锭翼角速度；

步骤五：所述计算单元（3）利用所述机器参数与所述工艺参数，根据纺纱速度限制模型，对所述步骤四获得的所述锭翼角速度进行约束，计算得到粗纱机纺纱速度；

步骤六：输出单元（4）根据所述步骤五获得的所述粗纱机纺纱速度，来调节粗纱机的纺纱速度。

8.如权利要求7所述的调节方法，其特征在于，所述步骤三得到的筒管角速度为：

${\mathrm{\ω}}_b=\frac{S}{R_b+\mathrm{nd}}---\left(\mathrm{IV}\right)$

式（IV）中，ω_b是筒管角速度，S是粗纱强力工艺参数，R_b是空筒管半径机器参数，n是当前纺纱层数，d是粗纱径向厚度工艺参数。

9.如权利要求7所述的调节方法，其特征在于，所述步骤四得到的锭翼角速度为：

${\mathrm{\ω}}_f=\frac{2\mathrm{\π}{T}_{w}S}{2\mathrm{\π}(R_b+\mathrm{nd})T_w-1}---\left(V\right)$

式（V）中，ω_f是锭翼角速度，T_w是粗纱捻度工艺参数，S是粗纱强力工艺参数，R_b是空筒管半径机器参数，n是当前纺纱层数，d是粗纱径向厚度工艺参数。

10.如权利要求7所述的调节方法，其特征在于，所述步骤四得到的锭翼角速度为：

${\mathrm{\ω}}_f=\frac{(2\mathrm{\π}{R}_e{T}_w-1){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fe}}}{2\mathrm{\π}(R_b+\mathrm{nd})T_w-1}---\left(\mathrm{VI}\right)$

式（VI）中，ω_f是锭翼角速度，R_e是最大纱锭半径机器参数，T_w是粗纱捻度工艺参数，ω_fe是终纺速度工艺参数，R_b是空筒管半径机器参数，n是当前纺纱层数，d是粗纱径向厚度工艺参数。

11.如权利要求7所述的调节方法，其特征在于，所述步骤五得到的所述粗纱机纺纱速度为：

ω=MIN(ω_fs,ω_f)             （VII）

式（VII）中，ω是粗纱机纺纱速度，ω_fs是始纺速度工艺参数，ω_f是锭翼角速度。