倍捻机传动系统设计

摘要
新型捻线机是采用高倍加捻原理对各种纤维的纱线进行高效加捻的纱线加工设备。

加捻的目的是通过改善纱线中纤维的受力状况使纱线的结构发生改变，获得一定的物理机械性能，从而提高纱线的品质。

加捻的质量对纱线的后加工及面料的品质有着十分重要的影响。

我国加捻用的传统捻线机设备己经不能满足上述需求。

本次毕业设计通过机械学、纺织工艺学等基本理论对纱线加捻、卷绕运动等进行分析，针对单一电机的倍捻机的缺点，利用机电一体化技术设计倍捻机多电机传动系统。

该系统使得机械结构大大简化，工艺参数设置、调整十分方便。

大幅提升了机器的技术水平。

新型捻线机传动系统的突出优点是：机械结构简单，有利于维护与保养传动路线缩短，功耗减少，故障率低，控制方便，适合小批量、多品种生产,软件系统维护简单。

关键词：倍捻机；多电机；传动系统；纱线卷绕
ABSTRACT
The new twisting machine is uses the high power twisting principle to carry on the highly effective twisting to each kind of textile fiber yarn the yarn processing equipment. The twisting goal is the textile fiber stress condition causes the yarn through the improvement yarn in the structure to have the change, obtains the certain physical mechanical property, thus enhances the yarn the quality. The twisting quality has the very important influence to the yarn postprocessing and the lining quality. Our country twisting uses traditional twisting machine equipment oneself after cannot meet the above need.
This graduation project using mechanics, the textile technology and so on elementary theory to the yarn twisting, the coiling movement and so on carries on the analysis.In view of sole electrical machinery's two-for-one twisting machine's es the integration of machinery technical design two-for-one twisting machine multi-electrical machinery transmission system.This system causes the mechanism big simplification.The technological parameter establishment, the adjustment are very convenient. Has promoted machine's technical level largely. The new twist engine drive system's prominent merit is: The mechanism is simple, is advantageous reduces in the maintenance and the maintenance transmission route, the power loss reduces, the failure rate is low, the control is convenient, suits the small batch, the multi-variety production, the software system maintenance is simple.
Keywords：two-for-one twisting machine; multi-motor; Transmission system; yarn winding
目录
1 绪论 (1)
1.1 课题研究的意义 (5)
1.2 课题研究的目的 (5)
1.3 所属领域的研究状况及发展趋势 (6)
1.4 本论文研究的内容 (9)
2 倍捻机的工作原理 (11)
2.1 倍捻机捻线的工艺过程 (11)
2.2 纱线的加捻运动与卷绕运动 (11)
2.2.1 纱线的加捻运动 (11)
2.2.2 纱线的卷绕运动 (11)
2.3 本章小结 (12)
3 倍捻机多电机传动系统原理 (13)
3.1 传统单电机机械式传动系统 (13)
3.2 倍捻机多电机传动系统的组成 (14)
3.3 倍捻机多电机传动系统的工作原理 (14)
3.3.1 工艺作用的实现 (14)
3.3.2 主要运动部件的传动 (15)
3.4 本章小结 (15)
4 倍捻机多电机传动系统设计 (16)
4.1 拟定传动方案 (16)
4.2 电机的选择 (17)
4.3 链传动设计 (18)
4.3.1 链传动的特点及应用 (18)
4.3.2 滚子链链轮的结构和材料 (19)
4.3.3 滚子链链轮的设计计算 (19)
4.4 带传动的设计 (21)
4.4.1 同步带传动的特点和应用 (21)
4.4.2 同步带传动的设计计算 (22)
4.5 齿轮传动设计 (23)
4.5.1 齿轮设计分析 (23)
4.5.2 齿轮的材料及其选择原则 (23)
4.5.3 齿轮设计计算 (24)
4.6 轴的设计 (26)
4.6.1 轴设计的主要内容 (26)
4.6.2 轴的材料选择 (27)
4.6.3 轴的设计计算 (28)
4.7 本章小结 (30)
5 设计小结 (31)
参考文献 (32)
外文资料 (34)
中文翻译 (47)
致谢 (56)
1 绪论
1.1 课题研究的意义
倍捻机是倍捻捻线机的简称，因其锭子一转可以在纱线上施加两个捻而得名，它是由单捻自转与倍捻公转跌加而成的。

从理论上讲还有多倍捻机，单捻及倍捻是多捻的基础，多倍捻是倍捻的迭加和组合。

例如，双倍捻是由2个倍捻迭加，形成回捻（2个加捻盘）以及六捻、八捻等偶数多捻，此外还有三捻机[1]等。

按机器结构分，倍捻机有竖式，卧式和斜式三种，竖式最常见，又有单层和双层之分，后者虽然能够节约占地面积，但操作非常不便。

按加工纱线种类分，又有短纤纱倍捻机和长丝倍捻机之分。

短纤纱倍捻机适用短纤维的加捻，长丝倍捻机适用于长纤维的加捻。

这里主要研究比较短纤纱倍捻机
锭子传动、超喂机构、超喂卷取、横动导丝、分别由一台马达控制。

锭子传动同伏克曼（volk-man）、日本村田、津田驹、法国的ACBF、意大利的拉蒂等长丝倍捻机一样采用龙头传动。

其结构简单，制造成本较低，能满足长丝倍捻锭子传动的要求。

但是，更换皮带轮只能变换3种龙带速度，难以满足需要。

而且更换皮带轮操作比较麻烦，必须停机，故不但影响生产，而且若更换不当还会影响龙带的张力以及锭子与锭子之间的转速差异，进而造成锭子之间的捻不匀。

改造前锭子传动和卷绕传动靠齿轮箱联系, 采用变换齿轮进行调速 ,操作比较麻烦，停机影响生产。

锭子传动由普通电机改为变频电机.有利于工厂适应当今市场对品种规格多样化的需求。

该技术改造耗资不多,即既解决了无备件问题 ,又降低了能耗。

1.2 课题研究的目的
传统的捻线机采用一个电机通过复杂的机械传动系统来传动多个运动，但是随着近年来工业生产的发展和人们生活水平的提高，这种方式己不能满足生产高度自动化和人们对纱线生产的小批量、多品种、高质量的需求。

同时，随着微机应用的迅速发展，微机的性能越来越高，价格越来越便宜。

此外，电力电子技术的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高.因此就有可能比较普遍地应用微机来控制各类电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略实现复杂的运动，使电
机的各种潜在的能力得到充分的发挥。

1.3 所属领域的研究状况及发展趋势
捻线机是对纱线进行后加工处理的一种重要的纺织机械设备。

通过对纱条的纤维加捻，使纱条中纤维由原来的几何结构作螺旋状态的相对位移，在纤维上产生应力，应力对纱轴的横向分力使纤维相互压紧而使纱条具有一定的强力、耐磨性、紧密度等性质。

纱线加捻后，纱线的强力、光泽等得到很大改善，从而使面料的手感光滑，品质提高。

从目前已有的许多近代纺纱方法中，我们可以得出一个重要的概念，即在近代纺纱技术的发展中，加捻及纺纱方法的革新把纺织科学技术推向一个又一个的新阶段。

加捻方法的革新是近代纺纱方法的核心。

传统的加捻方法是单捻，目前国内常见的环锭捻线机就属于这种。

新型加捻方法在理论上的探索大约开始于二十世纪三十年代，倍捻机的研究最早始于国外。

早在1959年，德国的V olkmann 公司在米兰向世界市场推出了第一台倍捻机，从此就跨入了倍捻机技术的前列。

该公司一直致力于捻线机的自动化研究，为新一代产品的开发打下了坚实的基础。

在捻线机加捻技术研究方面，近些年来发展很快，继二倍捻技术后国际上又推出了高倍捻技术即三倍、四倍加捻技术。

瑞士的Hamel公司最先实现三倍捻技术。

我国对于倍捻机的研究起步较晚，尤其是高倍捻的研究。

我国最早于二十世纪八十年代初才从国外引进倍捻设备，从仿制开始慢慢步入自主研发阶段。

国内目前对倍捻和高倍捻研究较多的是我校梅顺齐教授，他拥有多项三捻机、四捻机的高倍捻线专利技术。

捻线机根据加捻方法的不同可分为单捻机、倍捻机和高倍捻机。

单捻一般采用环锭加捻，环锭捻线机锭子每回转一转(实际上应该是钢丝圈绕钢领转一圈)纱线得到一个捻回;而在倍捻机和高倍捻机上加捻，则锭子每回转一转纱线得到两、三或四个捻回。

由于锭子每转一转纱线上得到两个或两个以上捻回，因此提高了加捻效率和产量。

目前国内普遍使用的捻线机是环锭捻线机、倍捻机，但倍捻机尤其是高倍捻线机由于其显着优点，己成为今后捻线机发展的重点。

本课题研究的倍捻机是基于目前先进的高倍加捻原理，结合先进的控
制技术研制而成，与目前普遍使用的环锭捻线机相比，具有以下显着的优点：
(1)锭子每回转一转使纱线获得两个或两个以上捻回，因而效率高；
(2)可直接做成大卷装的筒子，省去一道络简工序；
(3)由于不使用钢领、钢丝圈，因此锭速不受钢丝圈速度的限制，还可减少纱线的油污；
(4)因工序少，产量高，卷装大，提高了劳动生产率。

在1995年的米兰国际纺织机械展览会上，V olkmann公司推出了新型的第六代倍捻机。

新型第六代V olkmann倍捻机的结构极其紧凑，可选择不同的操作高度，为操作人员创造了最舒适的操作环境;与同类机器相比，新型第六代V olkmann倍捻机具有下列优点：
(1)系列范围内的产品均为模块化结构，制造过程得到全面优化；
(2)卷绕筒子自动抬起装置；
(3)可配双电动机驱动；
(4)可加工各种类型的短纤纱。

除加捻理论和加捻方法不断突破外，捻线机整机的自动化水平决定了整机的品质。

随着电力、电子技术、计算机技术、机电一体化技术的不断发展，捻线机的传动与控制技术也随着不断地发展。

可分为以下几个阶段：
80年代以前，国内外捻线设备大多数是纯机械式的传动和手动控制，这时的捻线机采用一个电机通过复杂的机械传动系统来传动多个运动：通过改变电机转向得到S捻和Z捻;通过更换捻度变换齿轮得到不同的捻度;通过齿轮、凸轮传动实现卷绕运动和往复导纱运动，从而实现整机的锭子转动、筒子卷绕和导纱器往复运动。

防叠、防硬边采用的是机械式防叠机构如差动齿轮偏心滑块机构来传动凸轮，使凸轮的转速发生变化，从而达到纱线防叠的目的。

80年代以后，机电一体化已成为纺织机械发展的必然趋势。

随着计算机技术、变频调速技术和伺服控制技术等技术的发展，用计算机控制各类电机，完成新颖的、高性能的控制策略实现复杂的运动成为可能。

用多电机传动系统取代复杂的机械式传动系统己成为捻线机发展的趋势，是提高捻线机机电一体化水平的重要途径。

目前，国外捻线机工艺设计比较合理，驱动和机械系统完善，机电一体化水平高，自动化程度较高，加捻质量高。

代表当前捻线机制造先进水平的制造商主要有瑞士的苏拉集团、意大利的萨维奥公司、日本的村田机械公司和德国的巴马
格公司。

苏拉、村田以及巴马格集团等都开发有采用单锭电动机传动、多电机卷绕成形、微机设置各工艺参数的短纤型或长丝型数控捻线机意大利萨维奥公司推出的型号为GEMINIS新一代倍捻机是一台将电子技术和先进机械工艺相结合的高技术倍捻机，可用单侧或双侧分离独立马达实现运动传递;并可根据用户需要选择传动方式，具有节能的优点；通过全自动加捻变速器，实现捻线张力的精确调整;锭子转速由无级变速器控制，转速逆变器控制无级变速装置，因此可以确保锭子转速恒定不变，从而确保捻线质量；装有多功能微电脑，可以采集和贮存加捻过程中的各种数据，并贮存各类加捻纱线的原始数据和工艺参数;该机还装有防噪装置，从而改善了工作环境。

对于我国来说，使用倍捻机的历史还不是很长。

大约在1980年才开始进口短纤维和长丝的倍捻机,90年代以后市场需求升温，国内有些纺机企业开始尝试生产长、短纤维倍捻机。

但是，应该看到，一些企业对倍捻机、倍捻技术的应用还处于“雾里看花”的状态。

1990年以后，我国出现了采购长丝倍捻机的热潮，先后从日本、意大利、法国、南韩等国家进口了很多长丝倍捻机。

同时，国内有十几家纺机厂加紧研究和生产长丝倍捻机，再加上苏拉集团几年前在苏州工业园建立了独资短纤维倍捻机的组装厂，随后意大利萨维奥短纤维倍捻机也在山东成立了组装厂。

倍捻机的机电一体化的进展远远落后于其他纺织机械，因其自身的特性，现在它的机电一体化程度还只是处在起步阶段。

我国对倍捻机的研制起步较晚，经历了仿造和自主设计阶段，对其控制技术的研制相对更晚，与国外捻线设备比较还存在一定差距，但各种的技术在捻线设备已有应用。

首先是传动系统有了很大的进步，多电机传动系统由于其众多优点己有取代传统的单电机传动系统的趋势。

各种先进控制技术在捻线机控制系统上的应用主要有以下几种:
(1)PLC+变频器的应用
由于我国传统的捻线机数量很多，用先进技术对传统捻线机进行改进，也是符合我国国情的技术革新。

如宜昌纺机厂YFI701型短纤维倍捻机是在原机型基础上改进设计的新产品，其特点有：
第一，将原单锭锭带传动改为四锭一组锭带传动；第二，摩擦滚筒轴和往复导纱杆各自山独立电动机驱动，PLC控制变频调速，工艺参数设置可直接在显示屏上进行。

（2）单片机+交流伺服系统的应用
随着单片机技术的发展，单片机控制电机的技术应用广泛，捻线机上应用单片机+交流伺服系统是为了提高设备的性能，满足高精度控制的要求。

（3）PC机+(步进电机+交流伺服传动系统)
由于单片机编程麻烦，程序的可移植性较差，为了进一步提高捻线设备的自动化水平，以PC机为核心的捻线机应用十分广泛。

步进电机由于控制简单，精度高，作为控制电机应用也十分广泛。

目前较先进的捻线机的传动系统多为多电机传动系统，往复导纱系统采用单片机控制步进电机而原来用得较多的一是纯机械式的，二是电子控制的机械式导纱，整个系统通过PC机协调控制，通过程序参数设置来避免捻线疵点的产生。

（4）总线技术的应用
现场总线技术在纺织机械上的应用才刚刚起步，国外也仅少数设备应用这项技术，主要应用于织布设备;国内现场总线在其它纺织机械上的应用也有研究。

本课题将应用PCI局部总线技术实现倍捻机控制系统的设计。

我国捻线机的研究，经历了仿造和自主设计阶段，随着各种新技术的广泛应用，特别是嵌入式技术的应用，捻线机设备的自动化水平不断提高，各种高效、节能的产品不断问世，国产捻线机的各项技术性能指标目前已能达到国外先进机型水平。

如浙江省科学技术计划重点项目“一步法电脑数控复合捻线机”，自2004年由杭州长翼纺织机械有限公司研发问世，该设备不仅整机设计结构科学合理，与现有其他捻线机比较，存在着质的飞跃，该设备采用计算机控制实现制线工艺;对初捻复捻实施自动调节和动态恒定控制，提高纱线品质；升降钢令卷绕任意设定，增加成形种数，满足各种纱线工艺要求；采用双列弧形龙带传动结构及改善钢令结构性能，提高锭速50%，节约能耗，并且增加卷装容量50%,提升纱线科技含金量，增强国内外市场竞争力。

1.4 本论文研究的内容
这种新型的捻线机锭子的加捻运动由主电机通过龙带切向传动，卷绕回转运动由卷绕电动机驱动摩擦滚筒实现，这两个电机都采用交流异步电动机变频器调速；往复导纱运动由步进电机拖动滚珠丝杠、导纱杆，为了不让导纱杆由于运动惯性冲过两头，同时也为了安全起见，在导纱杆往复运动极限位置安装了两个光
电传感器，由程序控制实现。

具体研究内容为：
（1）三大运动部分的机械零部件设计。

（2）传动方案的选定。

（3）装配图的绘制使之能够替代传统的捻线机卷绕系统。

主要参数：
最高卷绕速度：80m/min；
锭速范围：5000～13000r/min；
捻度范围：200～2000捻/m；
捻向：Z或S向；
锭子传动方式：龙带切向传动；
卷取筒管角：0o，3o30′，4o20′，5o57′；
卷绕电机功率：2.2kw
2 倍捻机的工作原理
2.1 倍捻机捻线的工艺过程
倍捻机捻线的工艺过程与普遍使用的环锭捻线机工艺过程相比有很大的不同。

环锭捻线机的工艺过程是自上而下地加捻，倍捻机的工艺过程是自下而上地加捻，纱线经倍捻锭子加捻后，通过超喂罗拉、横动导纱器，按规定的形状卷绕到筒子上。

待加捻的筒子放在固定的锭罐中，锭罐借助磁力保持在锭盘3的空心轴上，从筒管上退绕的纱线通过退纱器、张力装置进入旋转的空心锭子的中心孔，经︒90转角后进入锭盘。

由锭子出口处经储纱区，到达导纱钩并形成气圈。

纱线通过导纱钩后，经探纱杆、导纱罗拉组到达超喂罗拉，再经绕尾装置、横向导纱器、卷统罗拉,交叉卷绕在筒管上。

捻线机的基本任务是使纱线加上适当的捻度，卷绕成合适的形状，便于搬运、贮存和后加工。

2.2 纱线的加捻运动与卷绕运动
倍捻机的运动主要有两个，一是锭子的加捻运动，一是纱线的卷绕成形运动。

2.2.1 纱线的加捻运动
加捻的目的是使纤维、单纱在纱线中获得一定的结构形态，使制品具有一定的物理机械性能和外观结构。

加捻的实质是纱线各截面间产生相对回转角位移。

捻度是单位长度纱线在截面上相对回转的角位移大小，产生的角位移越大，捻度越大，反之，捻度越小。

捻向则是角位移的旋转方向。

由捻度的定义：V
w dt dz dt d dz d T r =÷==θθ 公式（2-1） 其中：θ为角位移；z 为纱线长度；w 为纱线回转速度；V 为纱线沿自身方向运动的速度。

2.2.2 纱线的卷绕运动
纱线的卷绕主要是便于制品(包括半制品)的存储和运输，便于喂给下道工序进行加工处理，因此必须把制品按一定规律绕成具有一定紧密度的卷装形式。

如果卷装本身要进行后处理，例如水洗、染色、烘干等，则必须做到卷绕结构均匀，无重叠或凸边等现象。

如染色的卷装最好是均匀小网眼结构，使后处理时的
工作介质能够顺利而均匀地渗透到卷装整体，保证后处理迅速和高效，处理质量均匀而无疵点。

纱线卷绕运动的作用是将纺好的纱线以螺旋线的形式有规律地卷绕于筒管表面。

纱线卷绕成规定形状的纱筒(即卷装)，以便储存、搬运或供给后道工序使用。

卷装形式主要有圆柱形卷装、圆锥形卷装、两端圆锥形卷装等多种形式，不同卷绕方式的本质差别在于卷绕过程中卷绕转速、导纱速度、导纱距离和位置之间的不同关系。

但从运动学角度来说，它们卷绕运动的原理是一致的，都是由往复导纱运动和卷绕回转运动合成。

卷装成形的质量取决于纱线卷绕密度分布及卷装的形状。

密度分布视卷绕方式和卷装边缘形状而定，卷装的几何形状由纱管类型及卷装的表面形状而定。

卷绕张力是一个重要的工艺参数，过小的卷绕张力会降低卷绕密度，产生松软的卷装，成形不良，在运输和存储中易松散变形，断头时纱头易陷入内层而发生断头或无法退绕，或在轴向退绕时会牵动松弛的纱层，引起塌边、脱圈、纠缠等现象。

因此，一定的卷绕张力是十分必要的，以便使卷装紧密坚固。

但如张力太大时，却会使成纱产生永久性伸长变形，降低成纱的弹性伸长率，影响其机械物理性能不利于以后的织造过程，所以，必须根据实际情况合理调节张力大小，还必须注意减小张力的波动幅度。

在卷绕过程中，有时会持续产生内外层纱圈相互重叠的现象，使卷装局部表面凸出起箍，形成明显的条带状结构，造成退绕困难，加剧退绕时的摩擦阻力，增加退绕张力，增加乱纱和断头率，断头后不易找头。

对于需要后处理的卷装，更不能有不均匀的条带结构，故必须采取防叠措施。

目前筒子的防叠方法主要有两种方法:(1)周期性改变摩擦滚筒的转速；(2)周期性改变导纱速度。

倍捻机纱线的卷绕运动也是由往复导纱运动和卷绕回转运动合成。

卷装由摩擦滚筒驱动，实现卷绕回转运动。

导纱杆由导纱机构驱动，实现往复导纱运动。

2.3 本章小结
本章先介绍了倍捻机捻线的工艺过程，然后又简单描述了倍捻机的两个主要运动，即加捻运动和卷绕运动。

最后简述了在卷绕过程中产生的硬边和重叠现象，及其相应的解决方法。

3 倍捻机多电机传动系统原理
3.1 传统单电机机械式传动系统
为了对比分析，下面简要介绍传统单电机机械式传动系统。

图3-1为R362/S 倍捻机上具有代表性的机械传动系统简图。

图3-1 单电机机械式传动系统
如图3-1所示，该传动系统由电动机通过龙带传动锭子和主轴皮带轮， 再由一对圆锥齿轮1Z (或3Z )、2Z 带动捻度变换齿轮D C B A Z Z Z Z 、、、和过桥齿轮X Z 传动摩擦滚筒1，然后将来自锭子的纱线通过导纱杆卷绕在筒子上，变换D C B A Z Z Z Z 、、、的齿数可获得不同捻度的纱线。

摩擦滚筒2轴的转动通过卷绕变换齿轮E Z 、F Z ,差微齿轮8Z 、9Z 、10Z 、11Z 等带动成形凸轮转动，成形凸轮的转动使三角形构件23上的滑块1P 点的滑块24沿导杆滑动;构件23上的另一点3P 在扇形蜗轮21Z 的槽中滑动;它的4P 点通过小连杆25带动导纱杆往复移动，实现导纱。

E Z 、F Z 齿轮的变换可改变加捻后送出纱速与导纱杆往复移动速度之比，因而改变筒子的卷绕角，差微齿轮8Z 、9Z 、
10Z 、11Z 等的作用是使成形凸轮转速作周期形的微小变化起到防叠作用。

摩擦滚筒1的运动又通过蜗杆12,蜗轮13,齿轮14传动大齿轮15，大齿轮巧上加工有多个离轴线距离不等的小孔，其中某一孔中铰接有G 杆，G 、H 二杆铰接，H 杆的另一端与棘轮1b 同轴线且空套在轴上，其上装有棘爪，当齿轮巧连续转动时，通过G 带动H 杆往复摆动从而使棘轮16作单向转动，与棘轮同轴的齿轮17通过齿轮18, 19，蜗杆20使扇形蜗轮倾斜，实现导纱动程的变化。

由图3-1可知，传统机械式传动系统采用一台电动机驱动导纱成型凸轮机构、捻度变换齿轮机构、防叠、防凸边机构及锭子，实现对纱线的加捻卷绕，其主要的缺陷有:机器结构复杂，传动路线长，调整、维护不方便。

3.2 倍捻机多电机传动系统的组成
在本文研究的倍捻机多电机传动系统中，锭子的加捻运动由主电机通过龙带驱动，该电机采用交流异步电动机；卷绕回转运动由卷绕电动机驱动摩擦滚筒实现，该电机采用交流异步电动机，并由一变频器控制；往复导纱运动由步进电动机拖动丝杠、导纱杆由程序控制实现。

三电机的运动由微机协调控制，实现对纱线加捻、卷绕的工艺目标，使加工的纱线的捻度、卷绕角、卷装成形符合工艺要求。

系统原理示意图如图3-2所示。

图3-2 倍捻机多电机传动示意图
3.3 倍捻机多电机传动系统的工作原理
3.3.1 工艺作用的实现
1）加捻
加捻主要由锭子高速回转完成，使纱线得到所需的捻度.由加捻基本理论知，纱线捻度T(捻/m)为(以倍捻机为例):
卷滚锭卷锭n d d V n T π22== 公式（3-1）
式中，卷
锭、n n 分别为锭子转速、卷绕轴转速(rpm)；卷V 为纱线卷绕速度(m/min)；滚d 为摩擦滚筒直径(m)。