CN115369526B - 双弹性介质的高速低功耗细纱锭子及其智能设计优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一个技术方案是提供了一种双弹性介质的高速低功耗细纱锭子。本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的双弹性介质的高速低功耗细纱锭子的智能设计优化方法。该高速低功耗细纱锭子包括：锭杆，上支轴承、弹性管、止推轴承、吸振卷簧、内壳体、外壳体、弹性阻尼介质和法兰座，其中，内壳体内吸振卷簧、弹性管配合润滑油与内、外壳体间的弹性阻尼介质组成双弹性介质系统，抑制细纱锭子高速振动。同时，设计多目标驱动的遗传算法优化锭子关键部位即吸振卷簧和弹性阻尼介质的结构参数，提供一种高速运转下高刚度、低振幅的细纱锭子，助力细纱机进一步提速降耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种双弹性介质的高速低功耗细纱锭子，属于机械纺织装备及环锭细纱机技术领域。
背景技术
细纱装备是纺纱的核心耗能单元，它将粗纱条通过罗拉的牵伸，并通过环锭运动形成气圈进行加捻，钢丝圈运动制成细纱，细纱车完成了纺纱过程中绝大部分的纤维形态转变。纺纱是大批量生产模式，细纱车通过并行增加锭子的方式来提升产量，以某工厂为例，10万个锭子由龙带统一驱动，同时以超过1.5万转/分的速度高速转动。当前锭子节能降耗的关键在于同等能耗下，提升锭子的转速，从而降低吨纱能耗，成为纺织装备优化的关键措施。
然而随着锭子转速的进一步增加，龙带的驱动张力也需要进一步增加，以提升驱动效率。高张力下的龙带在驱动过程中降低了与锭子的包覆角，从而在运行过程中对锭子产生拍打现象。当细纱机锭子转速超过1.8万转/分后，拍打现象进一步加剧，锭子因振动而产生断纱，进而产生空转，降低效率，增加吨纱能耗。
当前细纱机进一步提速降耗的关键在于突破高速运转下高刚度，低振幅的细纱锭子。针对这一问题，国内外科研院所与公司做了很多研究工作，例如华南理工大学彭超英等设计出一种双弹性支撑锭子，稳定工作在20000r/min以上，振幅小于0.06mm；德国某公司生产出一种采用双弹性支承、双油腔结构的锭子，最大锭速可达30000r/min，耗能低且使用寿命长。
发明内容
本发明的目的是：提供一种高速运转下高刚度、低振幅的细纱锭子的设计方法，使细纱机进一步提速降耗。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种双弹性介质的高速低功耗细纱锭子，其特征在于，包括锭杆，锭杆的顶部及底部外分别套设有上支轴承以及止推轴承；锭杆外还套设有弹性管，且弹性管位于上支轴承与止推轴承之间；锭杆及弹性管设于内壳体内，且内壳体位于上支轴承与止推轴承之间；内壳体、上支轴承及止推轴承设于外壳体内；内壳体与外壳体之间设有弹性阻尼介质；止推轴承下发设有位于外壳体内的吸振卷簧，吸振卷簧、弹性管配合润滑油与弹性阻尼介质组成双弹性介质系统，用于抑制细纱锭子的高速振动；外壳体外套设有法兰座。
优选地，所述上支轴承套采用去内环的滚动轴承。
本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的双弹性介质的高速低功耗细纱锭子的智能设计优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立如权利要求1所述的双弹性介质的高速低功耗细纱锭子的细纱锭子结构模型；
步骤2：针对吸振卷簧的厚度ah、弹性模量Eh以及弹性阻尼介质的厚度dtj、粘度SI、体积Lv建立目标函数与约束，并设计适应度值fitness函数，其中：
所建立的目标函数与约束如下式所示：
obj＝min(-EI(ah,Eh,dtj,SI,Lv),L(ah,Eh,dtj,SI,Lv),Ec(ah,Eh,dtj,SI,Lv))
s.t.
0mm≤ah≤3mm
50N/mm2≤Eh≤200N/mm2
0mm≤dtj≤1mm
500cSt≤SI≤1500mm
0ml≤Lv≤5ml
式中，EI()为锭子的抗弯刚度函数，L()为锭子的振幅函数，Ec()为锭子的纺纱能耗函数
所设计的适应度值fitness函数fitness(Xi)如下式所示：
fitness(Xi)＝θEI(ah,Eh,dtj,SI,Lv)+βL(ah,Eh,dtj,SI,Lv)+γEc(ah,Eh,dtj,SI,Lv)
式中，β、γ分别为抗弯刚度、振幅和能耗的权重系数，依据对不同优化目标重视程度设计；
步骤3：基于步骤2建立的目标函数与约束以及设计的适应度值fitness函数，采用多目标驱动遗传算法寻找Pareto最优解集。
优选地，步骤3中所述的多目标驱动遗传算法具体包括以下步骤：
步骤301：初始化父代种群X、父代种群X的个数数量N以及进化代数；
步骤302：对父代种群X设计选择、交叉、变异操作方法，生成子代种群X″′；
步骤303：合并父代种群X与子代种群X″′，形成新的种群Q；
步骤304：对种群Q进行快速非支配排序和拥挤度计算；
步骤305：根据局部优化搜索方法生成新父代种群，包括以下步骤：
根据所计算个体非支配等级从小到大、拥挤度从大到小进行排序，选择种群Q中前N个个体组成新的种群，随机选择当前种群中20％的个体，引入Ansys有限元分析比较所取个体及其领域内解集，若领域内个体效果优于本次迭代时步骤302所述的父代种群X的原个体，则进行交换，反之则保留原个体，优化生成新的父代种群X；
步骤306：若未达到迭代终止条件，则返回步骤302，进行下一次迭代；若达到迭代终止条件，则将获得的父代种群X作为Pareto最优解集
判断终止条件，循环步骤3或输出Pareto最优解集。
优选地，所述步骤302包括以下步骤：
步骤3021：进行选择操作
每次从当前父代种群X中随机抽取3个个体，计算其适应度值，比较选择适应度值最小的个体形成个体数量为N的子代种群X′，X′＝[x′1,x′2,x′3,…,x′N]，其中第i个个体xi′表示为： 表示从种群X中随机抽取3个个体；
步骤3022：进行交叉操作
依次从子代种群X′中抽取相邻两个体，各取一半，构成新的个体x″i，形成个体数量为N的子代种群X″，X″＝[x″1,x″2,x″3,…,x″N]，其中第i个个体x″i表示为：
步骤3023：进行变异操作
设立变异概率P变，判断是否进行变异操作，对需变异的个体根据实际情况设计多项式函数C(x)进行变异操作，形成个体数量为N的子代种群X″′，其中第i个个体x″′i为：Pb为[0,1]内的一个随机数。
优选地，在所述步骤3之后，还包括：
步骤4：根据所述Pareto最优解集，调整所建立的细纱锭子模型结构的结构参数，导入Ansys有限元分析软件进一步分析对比，最终确定如权利要求1所述的双弹性介质的高速低功耗细纱锭子的最优结构参数。
本发明提出了一种双弹性介质的高速低功耗细纱锭子的设计方法，引入吸振卷簧和弹性阻尼介质组成双弹性介质系统，对细纱锭子的吸振性能进行优化设计，确定细纱锭子关键部位结构参数。采用本发明所提供细纱锭子的细纱机，可在高转速下显著提升节能性能。
附图说明
图1是本发明实例中锭子的整体结构示意图；
图2是本发明实例中优化设计方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本发明提供了一种双弹性介质的高速低功耗细纱锭子，包括：锭杆1、上支轴承2、弹性管3、止推轴承4、吸振卷簧5、内壳体6、外壳体8、弹性阻尼介质7和法兰座9。上支轴承2套在锭杆1上部，采用去内环的滚动轴承。弹性管3位于上支轴承2下方，锭杆1外侧。止推轴承4位于锭杆1底部。吸振卷簧5位于止推轴承4下方。弹性阻尼介质7位于内壳体6与外壳体8之间。法兰座9位于外壳体8上方。内壳体6内弹性管3、吸振卷簧5配合润滑油与内壳体6、外壳体8间的弹性阻尼介质7组成双弹性介质系统，有效抑制细纱锭子高速振动。
为了对细纱锭子的吸振性能与节能性能进行优化设计，本发明还提出改进的多目标驱动的遗传算法确定如图1所示锭子关键部位，即吸振卷簧5和弹性阻尼介质8的结构参数，并通过有限元分析验证所设计细纱锭子的吸振性能与节能性能。
本发明的一个具体实施过程包括以下步骤：
步骤一：建立细纱锭子结构模型
根据对细纱锭子的机械结构设计，确定其部件结构参数，使用SolidWorks制图软件建立如图1所示的细纱锭子的三维模型。
步骤二：建立优化算法模型
使用Python编程语言根据优化算法步骤建立参数优化模型，依据实际需求决定不同优化目标重视程度，选定适应度函数权重系数(β、γ)、初始种群个数N＝100及最大进化代数Gen＝200。
步骤三：确定最优结构参数
求解优化算法模型得到一组Pareto最优解集，根据最优解集，调整SolidWorks所建立细纱锭子模型的结构参数，导入Ansys有限元分析软件进一步分析对比，最终确定锭子最优结构参数。
在本实例中，确定锭子最优结构参数如下：吸振卷簧厚度ah＝0.754mm，弹性模量Eh＝115N/mm2；弹性介质层的厚度dtj＝0.412mm，弹性介质粘度SI＝1000cSt，弹性介质体积Lv＝3.3ml。根据有限元分析结果得到优化后的双弹性介质锭子的轴承锭子受力仅为20牛，大幅抑制了高速运行下的振动情况。
步骤四：实验验证
在同一款细纱机，安装多个结构相同，参数不同的双弹性介质锭子及主流单弹性介质锭子，共纺3550M的NE30的棉纱进行测试，对比在一定高转速下，优化过的最优结构参数的细纱锭子与其他细纱锭子在耗电方面性能。在本实例中，发现在高于1.7万转的转速下，最优结构参数的双弹性介质锭子在耗电方面优于其它双弹性介质锭子，并显著优于单弹性介质。在1.9万转时，单弹性介质锭子的电耗为46.8W，而双弹性介质锭子的电耗为31.7W，显著低于单弹性介质锭子。
Claims (4)
1.一种双弹性介质的高速低功耗细纱锭子的智能设计优化方法，所述双弹性介质的高速低功耗细纱锭子，其特征在于，包括锭杆，锭杆的顶部及底部外分别套设有上支轴承以及止推轴承；锭杆外还套设有弹性管，且弹性管位于上支轴承与止推轴承之间；锭杆及弹性管设于内壳体内，且内壳体位于上支轴承与止推轴承之间；内壳体、上支轴承及止推轴承设于外壳体内；内壳体与外壳体之间设有弹性阻尼介质；止推轴承下发设有位于外壳体内的吸振卷簧，吸振卷簧、弹性管配合润滑油与弹性阻尼介质组成双弹性介质系统，用于抑制细纱锭子的高速振动；外壳体外套设有法兰座，所述智能设计优化方法包括以下步骤：
步骤1：建立所述双弹性介质的高速低功耗细纱锭子的细纱锭子结构模型；
步骤2：针对吸振卷簧的厚度ah、弹性模量Eh以及弹性阻尼介质的厚度dtj、粘度SI、体积Lv建立目标函数与约束，并设计适应度值fitness函数，其中：
所建立的目标函数与约束如下式所示：
obj＝min(-EI(ah，Eh，dtj，SI，Lv)，L(ah，Eh，dtj，SI，Lv)，Ec(ah，Eh，dtj，SI，Lv))
s.t.
0mm≤ah≤3mm
50N/mm2≤Eh≤200N/mm2
0mm≤dtj≤1mm
500cSt≤SI≤1500mm
0ml≤Lv≤5mk
式中，EI为锭子的抗弯刚度函数，L为锭子的振幅函数，Ec为锭子的纺纱能耗函数
所设计的适应度值fitness函数fitness(Xi)如下式所示：
式中，β、γ分别为抗弯刚度、振幅和能耗的权重系数，依据对不同优化目标重视程度设计；
步骤3：基于步骤2建立的目标函数与约束以及设计的适应度值fitness函数，采用多目标驱动遗传算法寻找Pareto最优解集。
2.如权利要求1所述的一种双弹性介质的高速低功耗细纱锭子的智能设计优化方法，其特征在于，步骤3中所述的多目标驱动遗传算法具体包括以下步骤：
步骤301：初始化父代种群X、父代种群X的个数数量N以及进化代数；
步骤302：对父代种群X设计选择、交叉、变异操作方法，生成子代种群X″′；
步骤303：合并父代种群X与子代种群X″′，形成新的种群Q；
步骤304：对种群Q进行快速非支配排序和拥挤度计算；
步骤305：根据局部优化搜索方法生成新父代种群，包括以下步骤：
根据所计算个体非支配等级从小到大、拥挤度从大到小进行排序，选择种群Q中前N个个体组成新的种群，随机选择当前种群中20％的个体，引入Ansys有限元分析比较所取个体及其领域内解集，若领域内个体效果优于本次迭代时步骤302所述的父代种群X的原个体，则进行交换，反之则保留原个体，优化生成新的父代种群X；
步骤306：若未达到迭代终止条件，则返回步骤302，进行下一次迭代；若达到迭代终止条件，则将获得的父代种群X作为Pareto最优解集
判断终止条件，循环步骤3或输出Pareto最优解集。
3.如权利要求2所述的一种双弹性介质的高速低功耗细纱锭子的智能设计优化方法，其特征在于，所述步骤302包括以下步骤：
步骤3021：进行选择操作
每次从当前父代种群X中随机抽取3个个体，计算其适应度值，比较选择适应度值最小的个体形成个体数量为N的子代种群X′，X′＝[x′1，x′2，x′3，...，x′N]，其中第i个个体x′i表示为： 表示从种群X中随机抽取3个个体；
步骤3022：进行交叉操作
依次从子代种群X′中抽取相邻两个体，各取一半，构成新的个体x″i，形成个体数量为N的子代种群X″，X″＝[x″1，x″2，x″3，...，x″N]，其中第i个个体x″i表示为：
步骤3023：进行变异操作
设立变异概率P变，判断是否进行变异操作，对需变异的个体根据实际情况设计多项式函数C(x)进行变异操作，形成个体数量为N的子代种群X″′，其中第i个个体x″′i为：Pb为[0,1]内的一个随机数。
4.如权利要求1所述的一种双弹性介质的高速低功耗细纱锭子的智能设计优化方法，其特征在于，在所述步骤3之后，还包括：
步骤4：根据所述Pareto最优解集，调整所建立的细纱锭子模型结构的结构参数，导入Ansys有限元分析软件进一步分析对比，最终确定如权利要求1所述的双弹性介质的高速低功耗细纱锭子的最优结构参数。
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2022
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