环锭细纱机使用空心主轴的可行性分析

环锭细纱机使用空心主轴的可行性分析
石华睿杜美香
（经纬纺织机械股份分公司 030601）
摘要介绍了环锭细纱机的一种主轴传动方式及主轴的受力情况，对环锭细纱机以空心主轴代替传统的实心主轴作了定性的可行性分析，在超长环锭细纱机中使用空心主轴可节约原材料的使用或提高主轴的承载能力。

关键词环锭细纱机传动空心主轴可行性分析
1前言
环锭细纱机是纺织企业环锭纺纱生产流程中用量比较大的设备，对成纱质量的好坏起着至关重要的作用。

就环锭细纱机锭子传动方式而言，国外纺机制造企业主要采用两种方式，以青泽、绪森为代表的少数厂家采用多电机长龙带传动，其他厂家如立达、丰田、经纬、上海二纺机、东台马佐里等均采用主轴滚盘方式来传动锭子。

随着科学技术的进步，为了满足现代化生产的要求，环锭细纱机逐渐向1008锭以上的长机发展，国外先进企业甚至推出了锭数达1632锭的超长环锭细纱机。

对主轴滚盘传动方式来说，为了提高主轴的承载能力或节约原材料，在环锭细纱机的长机或超长机上使用空心主轴来代替传统的实心主轴，是很有必要的。

2环锭细纱机主轴传动结构模型及受力分析
主轴滚盘式锭子传动的结构在多数环锭细纱机上被使用，特别是国的环锭细纱机制造企业，均采用这种传动方式，其传动结构模型如图1所示。

主电机通过皮带传动位于主轴头端的皮带轮，滚盘套装在主轴上，每段主轴通过夹壳式联轴器串联，1008锭环锭细纱机的主轴长度就已经超过了35m。

图1 主轴传动结构模型简图
环锭细纱机主轴所受外力主要为锭带的拉力、主轴的自重、轴承的约束力和输入皮带盘的拉力，不计空气阻力及轴承摩擦阻力，因此主轴主要承受弯曲和扭转组合变形的作用。

由图1和工程力学的知识可知，对中段每一段主轴来说，所受的拉力、自重及轴承的约束力都是相同的，但越靠近输入端所受的扭矩越大，故只需分析细纱机尾部最靠近输入轴的那段主轴即可。

下面就该段主轴所受的弯矩及扭矩作定性分析。

作用于轴上的锭带拉力、轴的自重、轴承的约束力使轴在两个平面发生弯曲变形，锭带拉力产生力偶矩使轴发生扭转变形，因此该段主轴将发生双向弯曲变形与扭转变形的组合变形。

假定危险截面处的最大合成弯矩为M max ，扭矩为T ，则根据第三强度理论准则
[]3xd z
σσ=≤ （1） 式中：3xd σ——最大切应力理论的相当应力；z W ——实心主轴抗弯截面系数；[]σ——许用应力。

我公司在1008锭的环锭细纱机上使用的是直径为Φ45mm 的实心主轴，材料为45号钢，经长期运转证明是完全能够满足使用要求的。

3 使用空心主轴的可行性分析
由纺织机械的相关资料可知，环锭细纱机主轴承受的是扭矩远大于弯矩，现就使用空心主轴代替实心主轴作可行性分析。

不考虑采用空心主轴后主轴重量变轻而导致的弯矩变化，则可以认为实心主轴和空心主轴所受的负载都是相同的，即最大合成弯矩M max 和扭矩T 不变。

由公式
（1）可得空心主轴的最大切应力的相当应力
[]'
3xd z σσ=≤ （2）
式中：'3xd σ——最大切应力理论的相当应力；'z W ——空心主轴抗弯截面系数；[]σ——许用应
力。

由公式（1）和（2）可知，要使得空心主轴满足使用要求，只要满足下面的条件即可 '33xd xd σσ≤ （3）
或
'z z W W ≤ （4）
根据工程力学知识，实心圆轴和空心圆轴的抗弯截面系数分别为
3
132
z D W π⨯= （5） 3'
422(1(
))322z D d W D π⨯=⨯- （6） 式中：D 1——圆轴的直径；D 2——空心圆轴的外径；d 2——空心圆轴的径。

下面从节约材料和提高承载能力两方面来分析计算使用空心主轴的优缺点。

3.1满足使用要求，节约材料
实践证明，直径为Φ45mm 的实心主轴完全能在1008锭的环锭细纱机上满足使用要求，此时
3
314591125323232z D W ππ
π
⨯==⨯=⨯ （7）
为了避免主轴轴承过大，空心主轴的外径D2不宜过大，选择D2=Φ50mm ，则根据公式（4）和（7）可得
3429112550(1())323250
d π
π
⨯≤⨯⨯- 即只要236.1d mm ≤，就可以满足公式（3）的要求，也就是满足了相对于实心主轴的使用要求，考虑到钢管的制造偏差，取d2=34mm 。

由于轴向长度相同，只要比较两种主轴的截面积就可得到材料使用的比例
222222221()(5034)66.4%45
D d D ππππ⨯-⨯-==⨯⨯ 即在同等强度的条件下，使用空心主轴比使用实心主轴可节约33.6%的材料。

当然，如果仍然使用直径为45mm 的空心主轴，节约的材料会更多，但主轴的承载能力会下降，是否能满足使用的要求则需要通过试验来验证。

3.2使用材料相同，提高承载能力
在不增加材料使用的情况下，使用空心主轴可提高主轴的承载能力。

仍然选择空心主轴的外径D2=Φ50mm ，在计算出空心主轴的径后比较两种主轴的抗弯截面系数即可。

222122()D D d ππ⨯=⨯-
经计算后得d2=21.8mm ，取整后取d2=22mm ，则
34'3
2250(1())3250 1.324532
z z W W ππ⨯⨯-==⨯ 即承载能力为实心主轴的1.32倍。

根据锭数的增加，也可选用外径为60mm 的空心主轴，以进一步提高承载能力，满足使用要求。

4 结束语
由上述分析可得，采用相同材料的空心主轴在满足使用要求的前提下，在1008锭的长机上可节约33.6%的材料，或在材料使用量不变的情况下，可明显提高负载能力，以满足1200锭以上超长环锭细纱机的使用要求。

但由于空心主轴的轴径变大，使得所用的主轴轴承会增大，且由于壁厚的关系，不能使用夹壳式有键联轴器，必须使用带锥套自紧式无键联轴器，在一定程度上会增加生产成本。

但在市场上会有一些纺织企业要求使用无键式联轴器，在这种情况下，使用空心主轴还是能节约材料，降低成本，或提高负载能力以满足超长环锭细纱机的使用要求。

参考文献
1 人哲.纺织机械设计原理[M].北京：中国纺织，1996年6月第2版.
2 鸿文.材料力学[M].北京：高等教育，1992年9月第3版.
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5 JWF1530型环锭细纱机产品说明书[C].：经纬股份公司分公司，2005年9月.。