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基于多学科视角的并条机圈条盘振动特性与螺旋管优化设计研究

一、引言

1.1研究背景与目的

在现代纺织工业中，并条机作为纺纱流程的关键设备，其性能优劣直接影响纱线质量与生产效率。并条机的主要作用是对纤维条进行并合、牵伸和混合，以改善纤维的伸直平行度、分离度以及均匀度，为后续纺纱工序提供高质量的半制品。随着纺织产业的不断发展，市场对纱线品质和生产效率提出了更高要求，推动并条机向高速化、智能化、高效化方向迈进。

圈条盘作为并条机的核心部件之一，负责将牵伸后的棉条有规律地圈放在条筒中。在并条机高速运转过程中，圈条盘的振动问题日益凸显。振动不仅会导致圈条盘本身及其连接部件如轴承、齿型皮带等的磨损加剧、寿命缩短，频繁出现故障，增加设备维护成本与停机时间；还会影响棉条圈放的稳定性和均匀性，致使条筒内棉条出现乱条、堵眼等问题，进而降低纱线质量，严重制约纺织生产的顺利进行。传统的直线斜管圈条盘在化纤与棉混纺及纯纺等复杂工况下，已难以满足生产需求。因此，对圈条盘进行振动模态分析，深入了解其振动特性，寻求优化改进措施，对于提升并条机整体性能和可靠性具有重要意义。

螺旋管作为并条机圈条盘的关键组成部分，其设计直接关乎棉条在管内的运动状态和输送效果。在实际生产中，不合理的螺旋管设计会导致棉条在管内运动受阻、摩擦力增大，从而引发斜管堵塞和筒底乱条等问题。尽管前人已对螺旋管设计进行了一些探索，如袁景山设计的螺旋形曲线斜管圈条盘在一定程度上改善了生产效果，但对棉条在斜管中的运动受力分析多为简要定性分析，缺乏定量研究，所求取的曲线并非严格理论意义上的最优曲线。

本文旨在通过对并条机圈条盘进行振动模态分析，运用先进的分析方法和技术手段，获取圈条盘的固有频率、振型等模态参数，深入探究其振动特性和规律，评估现有结构系统的动态特性，为圈条盘的结构优化设计和动力修改提供科学依据。同时，对棉条圈条过程进行定量的运动学与动力学分析，以棉条所受曲线斜管摩擦力最小为目标函数，基于变分问题直接法原理设计出圈条盘螺旋形曲线斜管，从理论和实践层面完善螺旋管设计，降低圈条盘螺旋形曲线斜管堵眼频率与条筒乱条几率，提高并条机生产效率和产品质量，使其更好地适应现代纺织工业高速化、精细化的生产需求。

1.2国内外研究现状

在并条机圈条盘振动模态分析领域，国外起步较早，积累了较为丰富的研究成果。一些先进的纺织机械制造企业和科研机构，如德国的特吕茨勒（Trützschler）、瑞士的立达（Rieter）等，凭借其先进的技术和设备，运用有限元分析、实验模态分析等方法，对圈条盘的振动特性展开了深入研究。通过建立精确的数学模型，结合实际工况进行模拟分析，探究了不同结构参数和运行条件对圈条盘振动的影响，为圈条盘的优化设计提供了重要参考。然而，这些研究多侧重于理论层面，在实际应用中，由于纺织生产环境的复杂性和多样性，部分研究成果难以完全满足企业的实际需求。

国内对并条机圈条盘振动模态分析的研究近年来也取得了显著进展。众多高校和科研院所，如东华大学、江南大学等，利用数值模拟和实验测试相结合的手段，针对不同型号并条机圈条盘的振动问题进行了深入研究。通过建立三维模型，运用ANSYS、ABAQUS等有限元软件进行模态分析，得到圈条盘的固有频率和振型，并与实验结果进行对比验证，为圈条盘的结构改进提供了理论依据。但目前国内研究仍存在一些不足，如对圈条盘振动的多因素耦合作用研究不够深入，在实际生产中难以全面考虑各种因素对振动的影响。

在螺旋管设计方面，国外主要从流体力学、材料力学等多学科角度出发，综合考虑螺旋管的输送效率、耐磨性、耐压性等性能指标，进行螺旋管的优化设计。部分研究采用CFD（计算流体动力学）技术对螺旋管内的流体流动进行数值模拟，分析流速、压力分布等参数，为螺旋管的结构设计提供数据支持。然而，这些研究在棉条输送领域的针对性不足，未能充分考虑棉条的特殊物理性质和运动特点。

国内对于螺旋管设计的研究多集中在工程应用领域，针对并条机圈条盘螺旋管的设计，主要从降低棉条输送阻力、减少堵塞等方面入手。袁景山设计的螺旋形曲线斜管圈条盘在一定程度上改善了棉条圈条效果，但如前文所述，其对棉条运动受力的分析缺乏定量研究，所求曲线并非严格最优。后续虽有学者在此基础上进行改进，但仍未形成完善的理论体系和设计方法。在螺旋管的材料选择和制造工艺方面，国内也进行了一些探索，但与国外先进水平相比，仍存在一定差距，如材料的性能稳定性、制造工艺的精度控制等方面有待进一步提高。

1.3研究方法与创新点

本研究综合运用多种研究方法，确保研究的科学性与可靠性。在圈条盘振动模态分析方面，首先采用SolidWorks三维绘图软件构建ASFA328型号圈条盘的三维模型，精确呈现其结构特征。借助ANSYS有限元软件，