CN110082085B - 一种丝线卷装动态接触动力学参数测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种丝线卷装与接触辊之间的动态接触动力学参数测试装置和方法。本发明涉及涤纶长丝生产装备和机械动力学领域。本发明所提出的测试装置和方法是在旋转状态下，利用机械动力学原理，测试卷装与接触辊之间的动态接触刚度和接触阻尼值。采用伺服电机驱动锭轴卷装和接触辊旋转，采用气缸加压保持接触辊与卷装相接触并有一定的接触压力，采用电动振动台提供系统激振力，分别测试卷装与接触辊的振动信号，计算求取动态接触刚度和接触阻尼。本发明可准确测试不同转速、不同卷装直径、不同接触压力下的动态接触刚度和接触阻尼值。解决了长期采用静态刚度和阻尼，甚至采用预估参数设计卷绕系统而造成设计参数不准确，分析结果与实际测量有出入等弊端。

Description

一种丝线卷装动态接触动力学参数测试装置和方法

技术领域

本发明专利涉及机械动力学领域，具体涉及一种丝线卷装与接触辊之间的动态接触动力学参数测试装置和方法。

背景技术

为便于储藏和运输等作业，涤纶长丝通常在卷绕机上被卷绕成一定规格的圆盘形状(又称丝饼)，因此，卷装是一种暂态。根据工艺和市场需要，卷装既要卷绕密度大以增加容量，又要外观形状符合规定且丝线铺放均匀不塌边，同时便于在后续工序中可顺利退绕。根据目前涤纶长丝生产工艺，卷绕线速度高达6000m/min，为保持卷绕线速度恒定，在卷绕过程，随着卷装直径的增大，锭轴转速由18000r/min逐渐下降至3000r/min，同时为使刚卷绕上卷装表面的丝线能稳定、正确地铺放在卷装表面，卷绕机上安装有接触辊装置，接触辊以恒定的高转速旋转确保与卷装表面只产生相对转动而不发生相对滑动，避免造成卷装表面丝线受损，接触辊与卷装表面的压力要适中，太小起不到稳定丝线的作用，太大会破坏丝线质量。卷绕系统是由锭轴、卷装和接触辊所形成的转速、质量时变，柔性支承参数频变且结构耦合的高速柔性转子时频变系统，图5为卷绕转子系统核心结构示意图。

在“锭轴-卷装-接触辊”相互耦合作用下完成卷绕工艺，卷装与接触辊之间的动态接触动力学参数(接触刚度和接触阻尼)是设计卷绕转子系统的基础参数，也是调节卷绕过程接触辊压力变化的主要参考参数，目前接触动力学参数通常采用预估的办法，或直接选取静态测量值，然后通过试凑来调节其他参数确保转子稳定运转和卷装质量。随着高速精密卷绕工艺要求的提出和优化设计卷绕系统结构参数的需要，获得卷装与接触辊准确的动态接触动力学参数显得尤为重要。

发明内容

针对目前还没有一套装置用以测试在运转状态下卷装与接触辊之间的动态接触刚度和接触阻尼参数，本发明提出一种丝线卷装与接触辊动态接触动力学参数测试装置和方法。

本发明依据单自由度强迫非共振法进行实施：能够在瞬时卷装直径、转速和接触辊压力保持不变的状态下，采用振动台在锭轴(含卷装)竖直方向上进行激励，使锭轴(含卷装)和接触辊发生振动，通过2套振动加速度传感器分别测试出锭轴(含卷装)和接触辊在接触竖直方向上的振动信号。并通过信号处理和相应计算得到卷装与接触辊之间的动态接触刚度系数和动态接触阻尼系数。在允许压力、转速和卷装直径参数范围内，改变接触辊压力和卷装直径，即可得到对应的卷装与接触辊之间的动态接触刚度系数和动态接触阻尼系数，上述测试是在锭轴(含卷装)和接触辊转动状态下进行测量，运动状态与实际工况保持一致。

为达到以上目的，本发明提供的用于动态接触动力学参数测试装置包括：用于驱动锭轴(包括卷装)和接触辊转动的动力装置，具有隔振效果的传动装置，保持接触辊与卷装表面具有一定法向接触压力的压力控制气路，保持“锭轴-卷装-接触辊”系统竖直运动导向装置，接触辊结合件，锭轴和卷装结合件，用于驱动卷装振动的振动台和固定上述装置及零件的支撑架，所述锭轴和接触辊的构造形式与卷绕机对应结合件保持一致。

本发明所述的支撑架安装固定在地基上，用于驱动锭轴(包括卷装)和接触辊转动的动力装置和具有隔振效果的传动装置安装在传递装置支撑架上，保持接触辊与卷装表面具有一定法向接触压力的双作用气缸和保持“锭轴-卷装-接触辊”系统竖直运动导向装置安装在“锭轴-卷装-接触辊”系统支撑架上，接触辊结合件和锭轴与卷装结合件通过螺栓安装保持“锭轴-卷装-接触辊”系统竖直运动导向装置的滑块的轴承座上。具有隔振效果的传动装置通过同步带分别与锭轴和接触辊相连，保持接触辊与卷装表面具有一定法向接触压力的双作用气缸通过螺栓与接触辊连接件相连，安装锭轴与卷装结合件的轴承座通过两端含有螺纹的圆形连接件与振动台动圈相连。

所述的用于驱动锭轴(含卷装)和接触辊转动的动力装置1主要包括两个伺服电机、一套模组和一套导轨滑块(包括直线导轨和安装在导轨上的滑块)。一个伺服电机安装在固定板上用于驱动卷装的转动；另一个伺服电机固定在连接板上，用于驱动接触辊的转动，该连接板通过螺栓分别安装在模组的滑块和导轨的滑块上，通过模组电机转动实现连接板竖直上下运动，可调节安装位置以适应对不同直径的卷装进行测试；通过调速驱动锭轴和接触辊转动的伺服电机实现不同转速下的接触动力学参数测试。

所述的具有隔振效果的传动装置主要包括两套同步带轮。两个大同步带轮分别安装在伺服电机轴上，一个小同步带轮安装在锭轴上，另一个小同步带轮安装在接触辊的轴上；大同步带轮和小同步带轮之间通过同步带相连，驱动锭轴和接触辊的转动，并减小动力部件和传动部件对卷装和接触辊动态测试的影响。

所述的保持接触辊与卷装表面具有一定法向接触压力的压力控制气路主要包括双作用气缸和气路控制系统。双作用气缸安装在竖直于接触辊上方的固定结构上，气缸活塞杆与接触辊上的连接件通过螺母对拧连接，用于给接触辊提供一定的压力；气路控制系统主要由空压机、两位五通换向阀、过滤减压阀、速度调节阀、气管以及管接头等组成，各元器件之间通过气管连接，用于给气缸提供所需压强的气体。

所述的保持“锭轴-卷装-接触辊”系统竖直运动导向装置主要包括两副导轨和四个滑块，每个导轨上安装有两个滑块。导轨竖直安装在固定结构上且之间有一定距离；每个滑块上面安装轴承座，下方两个轴承座间安装锭轴，上方两个轴承座安装接触辊。

本发明装置和方法可准确测量卷装与接触辊在不同直径、不同转速、不同压力下的动态接触刚度和接触阻尼值。本发明的优点在于：

(1)首次发明丝线卷装与接触辊动态接触动力学参数测试装置和方法。

(2)本发明能够测试转动过程卷装与接触辊动态接触时的接触刚度和接触阻尼参数，采用同步带轮传动，实现了伺服电机只对锭轴和接触辊提供旋转驱动，减少电机自身振动对卷装接触动力学参数测试的影响。

(3)本发明所述的装置和方法能够快速、有效地获得卷装动态接触时的接触刚度和接触阻尼参数，为“锭轴-卷装-接触辊”刚柔耦合动力学研究、产品设计和工艺参数调整提供必要的基础动力学参数。

附图说明

图1为本发明的丝线卷装与接触辊动态接触动力学参数测试装置示意图；

图2为本发明的丝线卷装与接触辊动态接触动力学参数测试装置结构图；

图3为双作用气缸的压力控制气路图；

图4为振动台驱动锭轴和卷装振动结构示意图；

图5为卷绕转子系统核心结构示意图；

附图1～5标记说明如下：

0.1—锭轴二，0.2—锭轴一(转速时变)，0.3—气缸一(加压)，0.4—卷装(转速恒定)，0.5—接触辊(转速恒定)，0.6—气缸二(加压)，0.7—转盘；

1—动力装置，2—传动装置，3—压力控制气路，4—竖直运动导向装置，5—接触辊结合件，6—锭轴和卷装结合件，7—振动台，8—支撑架；

1a、1b—伺服电机；

2.1—固定板，2.2—传动装置导轨滑块，2.3—连接板，2.4—模组，2.5、2.6—大同步带轮，2.7、2.8—同步带，2.9、2.10—小同步带轮；

3.1—空压机，3.2—空气过滤器，3.3—油雾及微雾分离器，3.4a、3.4b、3.4c—精密减压阀，3.5a、3.5b—两位五通换向阀，3.6—双作用气缸；

4—导轨滑块；

5.1—轴承座，5.2—接触辊；

6.1—卷装，6.2—锭轴，6.3—轴承座；

7.1—连接件，7.2—振动台动圈，7.3—振动台台体；

8.1—“锭轴-卷装-接触辊”系统支撑架，8.2—传动装置支撑架。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施中的用于卷装与接触辊动态接触动力学参数测试装置，包括用于驱动锭轴(含卷装)和接触辊转动的动力装置1，具有隔振效果的传动装置2，保持接触辊与卷装法向具有一定接触压力的压力控制气路3，保持“锭轴-卷装-接触辊”系统竖直运动导向装置4，接触辊结合件5，锭轴和卷装结合件6，用于驱动锭轴(含卷装)振动的振动台7和固定上述装置及零件的支撑架8。

参见图2所示，本文所述的支撑架8安装固定在地基上，用于驱动锭轴(包括卷装)和接触辊转动的动力装置1和具有隔振效果的传动装置2安装在传递装置支撑架8.2上，保持接触辊与卷装表面具有一定法向接触压力的双作用气缸3.6和保持“锭轴-卷装-接触辊”系统竖直运动导向装置4安装在“锭轴-卷装-接触辊”系统支撑架8.1上，接触辊结合件5和锭轴与卷装结合件6通过螺栓安装保持“锭轴-卷装-接触辊”系统竖直运动导向装置4中滑块的轴承座上。具有隔振效果的传动装置2通过同步带2.7和2.8分别与接触辊5.2和锭轴6.1相连，保持接触辊与卷装表面具有一定法向接触压力的双作用气缸3.6与接触辊5.1上连接件通过螺母对拧相连，安装锭轴与卷装结合件6的轴承座通过两端含有螺纹的圆形连接件7.1与振动台动圈7.2相连。

参见图2所示，所述用于驱动锭轴(含卷装)和接触辊转动的动力装置，一个伺服电机1a通过螺栓安装在支撑结构8.2的固定板2.1上；另一个伺服电机1b通过螺栓安装在连接板2.3上，连接板2.3通过螺栓安装在模组2.4的滑块和导轨2.2的滑块上，模组2.4和导轨2.2竖直安装在固定支撑8.2上，通过模组电机驱动实现连接板2.3竖直上下运动，当卷装直径变化时，接触辊可相应调整上下位置。

参见图2所示，具有隔振效果的传动装置2的同步带轮系统，同步带轮系统包括同步带轮2.5、2.6、2.9、2.10和同步带2.7、2.8。电机1a的轴与同步带轮2.5固定，同步带轮2.9与锭轴5.2的轴固定。电机1b的轴与同步带轮2.6固定，同步带轮2.10固定在接触辊6.2左端的轴上。

参见图2、图3所示，保持接触辊与卷装表面具有一定接触压力的压力控制气路主要包括双作用气缸3.6和气路控制系统；双作用气缸3.6通过螺栓安装在支撑结构8.1上，气路控制系统由空压机3.1、空气过滤器3.2、油雾及微雾分离器3.3、精密减压阀3.4和两位五通电磁阀3.5组成，各元器件之间通过气管连接，通过压力控制气路控制气缸活塞作用在接触辊上的压力。

参见图2、图4所示，保持“锭轴-卷装-接触辊”系统竖直运动导向装置主要包括导轨滑块4和与振动台7的连接件7.1，其中导轨滑块4的直线导轨上安装有两个滑块，导轨4通过螺栓竖直固定在支撑结构8.1上，导轨上的滑块通过螺栓连接轴承座6.3，锭轴6.2安装在两个轴承座6.3之间。接触辊5.2安装在上面两个轴承座5.1之间，锭轴上装有卷装6.1并与接触辊5.2接触。锭轴的轴承座6.3通过两端含有螺纹的圆形连接件7.1与振动台动圈7.2连接，锭轴和接触辊沿着导轨方向竖直上下运动。

本发明实施例是基于上述装置的一种用于卷装与接触辊动态接触动力学参数测试方法，包括以下步骤：

Ⅰ：安装要测试卷装于锭轴上，刚性连接件7.1上端与锭轴轴承座6.3连接，下端通过螺栓与振动台动圈7.2连接；

Ⅱ：打开空压机3.1以及气压控制系统，控制双作用气缸3.6气压使接触辊5.2先与卷装6.1分开；

Ⅲ：启动动力装置的伺服电机1a和1b，分别通过同步带轮系统驱动锭轴6.2和接触辊5.2转动，控制伺服电机1a和1b的转速，保证锭轴6.2上的卷装6.1外圆的线速度与接触辊5.2的线速度相同；

Ⅳ：调节气压控制系统的精密减压阀3.4，通过气缸3.6对接触辊5.1的作用，使接触辊5.1与卷装6.1之间具有一定接触压力；

Ⅴ：启动振动台7，振动台7的激励动圈7.2沿着竖直方向上下高频振动，把1个加速度传感器贴在轴承座6.3上，，用于采集锭轴(含卷装)在竖直方向上的振动加速度信号(激励信号)；把另一个加速度传感器贴在轴承座5.1上，用以采集接触辊在竖直方向上的振动加速度(响应信号)，完成激励和响应加速度数据采集；

Ⅵ：通过相关分析法对测得的激励和响应加速度信号进行数据处理，可得到激励信号x₀的加速度幅值为a₀、响应信号x₁的加速度幅值为a₁以及它们之间的相位差

令χ＝a₁/a₀，通过单自由度强迫非共振法计算得到该卷装的接触刚度系数：

和接触阻尼系数：

其中m为卷装质量，ω为激励角频率。

根据以上方法，并采用所介绍的装置，给出实际应用示例：测试卷装直径为380mm，涤纶长丝材料参数220dtex/72，测试激励驻留频率200Hz，振动台正弦激励位移幅值为0.05mm，卷装所受接触辊压力为14N，卷装转速50r/min，接触辊转速184r/min，通过本发明装置和方法获得测试数据，并计算得到“锭轴-卷装-接触辊”系统在该激励下的动态接触刚度系数k(ω)＝1.95×10⁷N/m，动态接触阻尼系数c(ω)＝172.13N·s/m。

Claims (4)

1.一种丝线卷装与接触辊动态接触动力学参数测试装置，包括用于驱动卷装转动的动力装置(1)、具有隔振效果的传动装置(2)、保持接触辊与卷装表面具有一定接触压力的压力控制气路(3)、保持“锭轴-卷装-接触辊”竖直运动控制装置(4)，接触辊结合件(5)，锭轴和卷装结合件(6)，用于驱动卷装振动的振动台(7)和固定上述装置及零件的支撑架(8)，其特征在于，所述的压力控制气路还包括一套气压控制系统；

支撑架(8)安装固定在地基上，用于驱动锭轴及卷装和接触辊转动的动力装置(1)和具有隔振效果的传动装置(2)安装在传递装置支撑架(8.2)上，保持接触辊与卷装表面具有一定法向接触压力的双作用气缸(3.6)和保持“锭轴-卷装-接触辊”系统竖直运动导向装置(4)安装在“锭轴-卷装-接触辊”系统支撑架(8.1)上，接触辊结合件(5)和锭轴与卷装结合件(6)通过螺栓安装保持“锭轴-卷装-接触辊”系统竖直运动导向装置(4)中滑块的轴承座上；具有隔振效果的传动装置(2)通过同步带分别于接触辊(5.2)和锭轴(6.2)相连，保持接触辊与卷装表面具有一定法向接触压力的双作用气缸(3.6)与接触辊(5.2)上连接件通过螺母对拧相连，安装锭轴与卷装结合件(6)的轴承座通过两端含有螺纹的圆形连接件(7.1)与振动台动圈(7.2)相连；

具有隔振效果的传动装置包括同步带轮系统，大同步带轮(2.5)和(2.6)通过紧定螺钉分别安装在伺服电机(1a)和伺服电机(1b)的光轴上，小同步带轮(2.9)和(2.10)通过紧定螺钉安装在接触辊(5.2)和锭轴(6.2)左端的光轴上；连接板(2.3)通过螺栓安装在模组(2.4)的滑块和导轨的滑块(2.2)上，其中模组(2.4)和导轨滑块(2.2)通过螺栓竖直安装在支撑架(8.2)上，通过模组电机驱动实现连接板(2.1)上下运动；

保持接触辊与卷装表面具有一定接触压力的压力控制气路包括双作用气缸(3.6)和气压控制系统(3)，双作用气缸(3.6)通过螺栓固定在支撑架(8.1)上；气压控制系统(3)主要包括空压机(3.1)、带手动排水器的空气过滤器(3.2)、油雾及微雾分离器(3.3)、精密减压阀(3.4)和两位五通电磁阀(3.5)，各气路控制元件之间通过气管相连。

2.如权利要求1所述的一种丝线卷装与接触辊动态接触动力学参数测试装置，其特征在于，所述的用于驱动卷装转动的动力装置包括伺服电机(1a)和伺服电机(1b)，电机(1a)通过螺栓安装在固定板(2.1)上，电机(1b)通过螺栓安装在连接板(2.3)上。

3.如权利要求1所述的一种丝线卷装与接触辊动态接触动力学参数测试装置，其特征在于，所述的保持“锭轴-卷装-接触辊”竖直运动控制装置包括导轨滑块(4)，每个导轨上安装有两个滑块，导轨竖直安装在支撑架(8.1)上，滑块上通过螺栓安装轴承座(5.1和6.3)，下面同水平两个承座(6.3)之间安装锭轴(6.2)，上面同水平两个承座(5.1)上安装接触辊(5.2)。

4.一种基于权利要求1至3任一项所述装置的用于丝线卷装与接触辊动态接触动力学参数测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

Ⅰ：安装要测试的卷装于锭轴上，刚性连接件(7.1)上端与锭轴轴承座(6.3)连接，下端通过螺栓与振动台动圈(7.2)连接；

Ⅱ：打开空压机(3.1)以及气压控制系统(3)，控制双作用气缸(3.6)气压使接触辊(5.1)先与卷装(6.1)分开；

Ⅲ：启动动力装置的伺服电机(1a)和(1b)，分别通过同步带轮系统驱动锭轴(6.2)和接触辊(5.2)转动，控制伺服电机(1a)和(1b)的转速，保证锭轴(6.2)上的卷装(6.1)最外圆的线速度与接触辊(5.2)的线速度相同；

Ⅳ：调节气压控制系统的精密减压阀(3.4)，通过气缸(3.6)对接触辊(5.1)的作用，使接触辊(5.2)与卷装(6.1)表面具有一定接触压力；

Ⅴ：启动振动台(7)，振动台(7)的激励动圈(7.2)沿着竖直导轨(4)上下高频振动，把1个加速度传感器贴在轴承座(6.3)上，加速度传感器方向竖直向上，用于采集锭轴(含卷装)的振动加速度信号(激励信号)；把1个加速度传感器贴在轴承座(5.1)上，加速度传感器方向竖直向上，用以采集接触辊振动加速度(响应信号)，完成激励和响应加速度数据采集；

Ⅵ：通过相关分析法对测得的激励和响应加速度信号进行数据处理，可得到激励信号加速度幅值为a₀、响应信号加速度幅值为a₁以及他们之间相位差

令χ＝a₁/a₀，通过单自由度强迫非共振法计算得到该卷装的接触刚度

和接触阻尼

其中m为测试卷装质量，ω为激励角频率。

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