细纱机锭子优化设计及可靠性分析

吉庭婷　徐旭松　范真　李京　张伟

摘要：利用有限元分析软件ANSYS Workbench对细纱机锭子进行静、动态特性分析。根据分析结果，以锭杆与锭尾长度、锭盘直径尺寸为设计变量，以锭子响应点最大振幅为优化目标，采用六西格玛设计方法对锭子进行可靠性优化设计。结果表明：优化后锭子响应点最大振幅减小了36.7%，最大振幅小于0.2 mm的可靠度达到95.3%。对锭子过盈配合进行可靠性分析，验证了锭子公差配合与精度等级选用的合理性。

关键词：细纱机锭子；有限元分析；过盈配合；可靠性

中图分类号：TH122

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2017）05-0066-05

Abstract：The static and dynamic characteristics of spinning spindle were analyzed with finite element analysis software ANSYS Workbench. The reliability of spindle was optimized with six sigma design method with the length of spindle pole and of spindle tail， and the diameter of wharve as design variables to realize the objective of optimizing the maximum amplitude of spindle answering point based on the analysis results. The results show that through optimization， the maximum amplitude of spindle answering point is decreased by 36.7%， and the reliability reaches up to 95.3% in the case of maximum amplitude less than 0.2mm. The reliability of interference fit of spindle was analyzed， which verifies the rationality of tolerance fit and precision grade selection of spindle.

Key words：spinning spindle； finite element analysis； interference fit； reliability

现代细纱机呈现出高速化、柔性化、高可靠性的发展趋势。锭子作为细纱机重要的组成部分，其振动特性是影响细纱机纺纱质量的主要原因之一。

高晓平等[1]通过可视化程序设计语言VisualBasic对Solid Works进行二次开发，对锭子的结构进行参数化设计；曹传剑等[2]利用有限元軟件ANSYS对改进后的钢丝编织机锭子支架进行有限元分析，验证了其可靠性；吴强等[3]采用传递矩阵法分析了某空心锭子的临界转速及强迫振动时的轴承受力，讨论了锭子结构参数对锭子临界转速的影响。但是，以上研究工作均未考虑随机变量的不确定性对细纱机锭子性能的影响。

本文采用六西格玛设计方法，以锭子响应点最大振幅为目标函数，以锭杆与锭尾长度、锭盘直径为设计变量，对锭子进行了可靠性优化设计，同时对锭子的过盈配合进行了可靠性分析，以期为提高锭子工作的可靠性提供参考依据。

1锭子的优化设计

1.1锭子的有限元分析

本文在不影响计算结果的情况下对锭子进行简化处理，以锭尾、锭杆、锭盘压配为一个整体作为锭子结构的主体，同时忽略倒角、微小圆孔等特征。细纱机锭子结构如图1所示。

材料弹性模量Ex/Pa泊松比质量密度/（kg·m-3）

轴承钢2.06×10110.267.85×103

在实际工况下，某型细纱机锭子主要承受两个约束：锭底的径向约束；轴承对锭子的约束。锭子的高速运转过程中，承受7N的锭带拉力。

利用有限元软件ANSYS Workbench对锭子进行仿真分析，计算结果如图3所示。由图3可知，锭子的最大变形为0.000 33 mm，最大变形发生在锭杆上端；锭子最大应力为114.07MPa，最大应力发生在轴承约束处；锭子的1阶模态固有频率为382.3 Hz，根据临界转速与频率的关系[45]：n=60f（n为转速，r/min；f为频率，Hz），锭子的一阶临界转速为22 938 r/min，远偏离锭子的工作转速15 000 r/min，不会发生共振现象；谐响应分析中，锭子的上端响应点的最大振幅为0.308 mm，在纱线的加捻与卷绕过程中，会使纱筒的抖动过大，严重影响纱线的成纱质量。

1.2优化变量的选择

由图3可知，锭子最大位移主要发生在锭杆和锭尾处，同时锭盘处需要承受锭带的拉力，所以把锭杆、锭尾长度以及锭盘直径作为优化变量；由图3中的分析结果可知，锭子最大变形以及低阶固有频率满足工作要求，而锭杆上端振幅过大，所以以锭杆上端最大振幅作为目标函数，对锭子进行振幅减小的优化设计，优化目标为锭杆上端响应点最大振幅小于0.2 mm。优化变量取值范围见表2。锭子优化变量对应关系如图4所示，其中：锭杆长度L1，锭尾长度L2，锭盘直径D。

1.3优化结果的计算

基于六西格玛设计方法对锭子进行优化设计，表3列出了锭子优化前后的变量数值以及静、动态特性参数，由此可以看出，优化后设计变量以及目标函数值都有了相应的变化。优化后锭子最大变形为0.000 26 mm，减小了21.2%；最大应力为108.96 MPa，减小了4.5%；1阶固有频率为388.6 Hz，增大了1.6%；响应点最大振幅为0.195 mm，减小了36.7%，因此可以确定锭子的优化设计可行。

2锭子可靠性分析

六西格玛设计主要用于评估产品的可靠性概率，提供了一种离散的输入参数是如何影响整个系统可靠性的机制[67]。本文采用六西格玛设计方法分析锭杆与锭尾长度、锭盘直径对锭子响应点最大振幅的影响，判断优化目标是否符合标准。

2.1可靠性灵敏度分析

根据灵敏度分析结果，得出3个优化变量对锭子响应点最大振幅的影响趋势，如图5所示。

从图5可以直观地看出：a）随着锭杆长度的增加，锭子响应点最大振幅逐渐增加；b）随着锭尾长度的增加，锭子响应点最大振幅逐渐增加，增加趋势较小；c）随着锭盘直径的增加，锭子响应点最大振幅逐渐减小。

2.2可靠性分析结果

响应点最大振幅的累积分布函数如图6所示。由图6可以看出，进行1 000次抽样后，输出变量的分布柱状图没有出现较大的间隙和跳跃，符合累积分布函数抽样条件[8]，图6中曲线为锭子响应点最大振幅的累积分布函数曲线。

根据该型细纱机的实际工况，锭子在高速运转过程中响应点允许的最大振幅0.2 mm。在参数概率列表中插入0.2 mm，由表4可以看出抽样分析得出的响应点最大振幅小于0.2 mm的样本数为95.3%，即锭子响应点最大振幅的可靠度为95.3%，安全可靠。

3锭子过盈配合可靠性分析

上文利用概率统计思想对锭子进行六西格玛可靠性优化设计，确定了锭子最佳结构尺寸。在实际工况下，锭子与轴承之间的装配采用过盈配合，过盈量对锭子的静、动态特性具有一定的影响[910]。以过盈量为设计变量，以锭子最大应力与响应点最大振幅为目标函数，进行六西格玛可靠性性分析。

过盈量对优化目标的灵敏度如图7所示。由图7可以看出：过盈量对锭子响应点最大振幅影响非常小，可以忽略；过盈量对最大等效应力的影响较大，随着过盈量的增大，锭子等效最大应力逐渐增大。

由图8过盈量对最大等效应力的影响曲线同样可以得出：当过盈量大于0时，随着过盈量的增加，锭子最大等效应力也逐步增加。

该型细纱机锭子与轴承的配合机制为H7/s6，精度等级为IT6，根据实际的工况要求，锭子与轴承配合的过盈量范围为0.054～0.072 mm。当过盈量处于最大极限状态，即过盈量为0.072 mm时，根据实际的工作状况对锭子与轴承内圈装配体进行应力分析，得到装配体的应力云图如图9所示。

由图9可以看出，装配体最大等效应力发生在锭子与轴承内圈结合处，最大应力为177.26 MPa，远小于其许用应力，所以该型细纱机锭子的公差配合与精度等级的选用合理。

4结语

本文利用有限元软件ANSYS Workbench对锭子进行静、动特性分析，根据结果确定了目标函数以及对目标函数影响最大的尺寸变量。利用六西格玛设计方法对锭子进行可靠性优化设计，不但使锭子响应点最大振幅减小了36.7%，同时，锭子响应点最大振幅的可靠度为95.3%。对锭子过盈配合进行可靠性分析，验证了锭子公差配合与精度等级的选用的合理性。以上的研究结果及方法可为细纱机锭子的优化设计及可靠性分析提供参考。

参考文献：

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（责任编辑：陈和榜）