黎刚生， 魏方杰， 王东强,2， 董学武， 姜海芹， 陈坤旭

(1.中原工学院 机电学院， 河南 郑州 450007; 2.中原工学院 先进纺织装备技术省部共建协同创新中心，河南 郑州 450007; 3.中原工学院 学报编辑部， 河南 郑州 450007)

随着生活水平的提高，人们对纺织品的功能性提出了更多要求。化纤长丝纺织品性能优良，不仅满足人们日常生活需求，而且广泛应用于建材、医疗、环保、军事等诸多领域[1]。我国是世界上最大的化纤生产国，2010年，化纤长丝产量在3 000万吨左右，占全球化纤长丝产量的64%，至2019年，仅涤纶长丝产量就突破4 000万吨[2]。在《纺织机械行业“十四五”发展指导性意见》中指出，要进一步研发高品质长丝的高速卷绕成套机械装备，保障化纤长丝行业的创新和持续发展[3]。化纤机械是纺织行业转变与革新的物质基础，其技术水平代表了纺织科技的最高水平[4]。化纤机械中关键设备的机械性能和核心技术对化纤产品的品质和产能产生重要影响，其中卷绕机作为整个化纤长丝生产设备的关键单元机，占化纤长丝纺丝设备总投资金额的50%～60%[5]。卷绕机是指在熔融纺丝时，对初生纤维做进一步补充加工，并形成一定卷装的专用机械，具有高速度、大卷装、连续自动化等特点，技术上涉及丝条的卷绕原理、机械振动理论、自动控制技术等[6]。卷绕头是卷绕机的核心部件，也叫锭轴系统，结构复杂，且运行状态随时间而改变，是一个变质量、变刚度、变转速的悬臂、细长轴、薄壁转子系统。卷绕头的结构设计、制造工艺、控制精度和动态特性等直接影响高速纺丝技术的发展及其在化纤设备行业内的竞争力[7]。

目前，在国内对卷绕机的研发与对整套化纤设备中整机的研发相比显得投入不足，人们未能完全掌握该设备的核心理论技术和动力学机理，尤其是高速旋转的卷绕头转子系统，因为该系统具有悬臂、细长轴、薄壁的特点，且在卷绕过程中转子系统质量和转速随时间而改变，工作转速跨过多阶临界转速，动力学特性较为复杂[8]。随着纺丝工艺的发展，新型卷绕机的卷绕速度得到很大提高，转速的提高会引起整机振动，振动过大会造成构件的疲劳破坏，直接影响卷绕机的使用寿命，同时还会影响纺丝质量[9]。参考国内外卷绕机核心技术的发展和相关领域的研究现状，对卷绕机的关键部件进行动力学特性分析和振动控制研究是提高卷绕机整体质量的重要研究方向。

1 卷绕机技术的发展

20世纪50年代，以尼龙为原料的熔融纺丝技术进入工业化阶段，国外开始研制熔纺卷绕机，卷绕机的性能不断完善。70年代初，国外涤纶高速纺丝技术快速发展，德国、日本、瑞士等国家开始推出用于高速纺丝的卷绕机[10]。卷绕机按生头落筒方式可分为半自动卷绕机和全自动卷绕机。半自动高速卷绕机只有一个卷绕轴，机械结构简单、性价比高，但是不能实现生产的连续化，在丝饼卷绕完成后需要人工生头换筒，有废丝产生[11]，该卷绕机的卷绕头在工作时是由外转子电机驱动带动筒管夹头转动进行卷绕，卷绕速度达4 000 m/min。

高速纺丝牵伸一步法技术的发展对卷绕速度的要求也更高，适当提高纺丝卷绕速度不仅能提高生产力，而且可使预取向丝的纤维结构更稳定，可长期存放，能够制成性能很好的成品丝。但是纺丝卷绕速度的提高会使半自动卷绕头在高速换筒时产生更多的废丝，为降低消耗，提高效率和成品丝质量，相关厂商研发了全自动卷绕机[12]。全自动卷绕机由于采用由电机直接驱动的主动锭轴式、筒管夹头式的卷绕头，相比半自动卷绕机，控制精度高，很大程度上提升了成品丝的品质，使高速纺丝设备的性能有了进一步提高，卷绕速度达到6 000 m/min及以上[13]。

20世纪80年代，我国开始引进高速纺丝生产技术和主要设备，并对其进行自主研发。最初由于基础研发能力薄弱，且卷绕机结构复杂，设计加工难度大，自动控制要求高，所以通常采用“嫁接”的方式，如上海二纺机引进德国巴马格公司技术，其中高速纺丝机的纺丝部件是由国内厂家生产的，卷绕机关键部件是国外的[14]。近几年，国产卷绕机发展迅速，整体技术水平逐渐提高，有些知名企业的生产能力和技术水平已达到了国际先进水平，如北京中丽制机化纤工程技术有限公司等。

2 卷绕机关键部件的特性及减振分析

卷绕机主要包括横动导丝部件、卷绕头等，结构如图1所示。通过分析卷绕机关键部件的结构及工作原理，找出对整机振动产生影响的关键部件，从而对机构进行改进和优化，降低卷绕机的振动，改善整机的动态性能。

1.机架；2.卷绕头(锭轴) ；3.退卷装置；4.换筒装置；5.接触辊；6.卷装；7.横动导丝机构；8.压辊支撑图1 卷绕机外形结构[15]Fig.1 Sketch of the winding machine[15]

2.1 横动导丝部件

在卷绕机按照一定的规律将长丝缠绕在卷绕头筒管的表面时，卷装的丝饼是否均匀主要取决于卷绕机的横动机构[16]。早期卷绕机的横动机构为机械式无极变速装置，工作原理为：通过改变无极变速器的电源频率来改变传动电机的转速，使导丝器做周期性的往复运动，但是随着生产效率的逐步提高，需要更快的卷绕速度，该装置现已被电气式横动导丝装置所取代[17]。目前所采用的电气式横动导丝装置按不同的导丝机构分为凸轮滑梭(槽辊兔子头)式和旋翼(拨叉)式两种。

2.1.1 凸轮滑梭式

凸轮滑梭式横动导丝装置采用槽辊兔子头结构，筒管夹头为主动锭子式，由电机直接驱动，速度控制精度高，纺丝速度稳定。采用开了螺旋槽的槽辊作为凸轮轴，由电机驱动，滑梭在凸轮沟槽内做往复运动，以螺旋线的形式引导长丝卷绕在卷绕头的纸管上。凸轮滑梭式横动导丝装置卷绕示意图如图2所示。滑梭嵌在凸轮槽中，导丝器随着滑梭按预定的方向运动，到达凸轮两端时靠转子来转向。凸轮滑梭式横动导丝装置因结构简单、仅通过改变槽辊的曲线就可以改变纺丝头数、适纺范围广、成本低、维修方便而被广泛采用[18]。但槽辊的高速运行带动滑梭和导丝器的往复运动，在经过转向区时会对凸轮沟槽造成冲击，导致滑梭的使用寿命降低和机器振动加剧，影响机器的整体性能。

α.凸轮螺旋线的升角；l.螺距；D.凸轮直径；A.动程图2 凸轮滑梭式横动导丝装置卷绕示意图[19]Fig.2 Working principle of traverse wire guide device with CAM shuttle type[19]

横动凸轮沟槽曲线是一螺旋线，转向处用曲线过渡(见图2中转向区间所示)。凸轮沟槽的曲线设计可以避免滑梭和凸轮沟槽在相对运动中产生冲击振动，影响长丝的卷绕成型质量，可有效延长滑梭的使用寿命。增大横动凸轮沟槽曲线的转向区间，可减少冲击，提高滑梭使用寿命，但是这样会导致丝束在丝饼边缘长时间停留，形成凸边(肩)[19]。优化凸轮螺旋线升角α(见图2所示)也可降低滑梭对凸轮沟槽的冲击强度，延长滑梭的使用寿命。此外，在不改变常规设计曲线的螺距和螺旋升角的基础上，通过改进过渡曲线(如图3所示)也可延长滑梭的使用寿命，优化后的凸轮沟槽曲线可有效降低滑梭在转向处对凸轮沟槽的冲击程度。

图3 凸轮转向曲线优化设计示意图[19]Fig.3 Sketch of optimal design of CAM steering curve[19]

早期的导丝器和滑梭为分开的两个部件，滑梭引导导丝嘴运动，但在卷绕机高速化以后，为了对部件进行轻量化，将两者做成一个部件。导丝器的设计应遵循重量轻、形状对称、更换方便的原则，且为了使导丝器顺利通过全部沟槽，导向部分的形状要适应凸轮沟槽。改进后的导丝器如图4所示，将原导丝器的圆柱形导向部分改为“1”字型，使得导丝器运行稳定，适合高速化运转[20]。

(a)改进前 (b) 改进后图4 导丝器改进前后对比[20]Fig.4 Sketch of before and after optimization of wire guide device [20]

2.1.2 旋翼式

旋翼式横动导丝装置相比于凸轮滑梭式横动导丝装置较好地解决了零件转速高、冲击大等问题，用拨叉的低速旋转代替槽辊的高速旋转和滑梭的往复运动，具有横动凸轮机构优点的同时，省去了兔子头机构，无槽辊高速旋转和滑梭的冲击、摩擦带来的振动问题[21]，具有运行平稳、振动小、噪音小的特点，但是其结构较复杂，体积较大，卷装之间的距离难以缩小，对拨叉间的动作协调性要求较高。

旋翼式拨叉导丝机构见图5，每对拨叉片配有一个独立的齿轮箱，拨叉片分别装在两个偏心转轴上，通过换向齿轮保证转轴转速相同，转向相反，同步带用于同步各对拨叉片的转速。旋翼式拨叉导丝机构的原理示意图见图6，由两组拨叉片协调运作，丝束借助成形板依次经两个拨叉片的导向来做换向和往复运动。在旋翼式横动机构中，拨叉片做匀速转动且旋转速度较高，为关键零件。在实际工作环境中，拨叉片因受到各种内部和外部振源的影响而产生受迫振动从而发生碰撞损毁。因此，拨叉片动力学性能的提高对于提高纺丝速度，减少机器振动有决定性的影响[22]。可通过以下措施改善拨叉片的机械性能：(1)对拨叉片的结构尺寸进行优化，改变其固有频率，避开机器的振动频率范围以防止发生共振；(2)选用新型材料(如不锈钢覆铝板、合金材料、碳纤维复合材料)以增加拨叉片的刚度或减轻重量。

图5 旋翼式拨叉导丝机构[22]Fig.5 Sketch of guide wire structure of rotor fork[22]

图6 旋翼式拨叉导丝机构原理示意图[22]Fig.6 Principle diagram of guide wire structure of rotor fork[22]

2.2 卷绕头

卷绕机的核心部件卷绕头转子系统主体结构如图7所示。座套与卷绕机的机架固结，转盘通过轴承与座套连接，可绕轴回转；转盘上设置两套锭轴，即锭轴A和锭轴B，分别由电机Ⅰ和电机Ⅱ驱动；处于卷绕状态的锭轴位于上位，而准备退卷或准备卷绕的锭轴位于下位，图中锭轴B正在卷绕，每套锭轴上设有膨胀圈，在卷绕时膨胀确保卷装(丝饼)与锭轴胀紧并做同步旋转，退卷时膨胀圈收缩放松以便卷装从锭轴一端取下。

1.座套；2.转盘；3.电机Ⅰ；4.电机Ⅱ；5.锭轴A；6.锭轴B；7.卷装(丝饼)；8.接触辊；9.气缸Ⅰ；10.气缸Ⅱ；11.膨胀圈图7 卷绕头转子系统主体结构[15]Fig.7 Sketch of main structure of winding head system[15]

2.2.1 卷绕头动力特性

高速化轻型化是旋转机械未来的发展趋势，但是机械高速旋转所带来的振动问题却成为制约其向高转速发展的技术瓶颈。在我国，对转子动力学的研究始于上世纪80年代，主要是针对旋转机械的平衡技术和航空发动机的结构强度开展，进入90年代后，关于转子动力学的研究才进入活跃期[23]，可见我国对卷绕机的研发与对转子动力学的研究几乎是同步的，但是将转子动力学的研究成果应用到化纤纺织装备设计领域还相对落后[5]。早期对卷绕头的研究主要是对转子部件进行实验模态或有限元模态分析，找出薄弱模态并进行模态规划，以及通过转子动平衡实验研究来提高平衡度等级，降低机械振动幅度。目前公开发表的文献中多是分析卷绕头系统中的某单一部件，对整个卷绕头复杂转子动力学特性的研究不多[23]，对卷绕头转子系统动力学特性的分析不够深入，没有能够从整机系统的角度综合考虑各种因素进行分析。

为方便分析，对卷绕头系统结构进行简化，见图8。可以清晰地看出转子系统旋转部分由传动轴、连轴轴承、套筒组成。细长传动轴与连轴轴承通过联轴器连接，连轴轴承右端与套筒过盈连接，支撑在4个轴承上。支撑套筒为空心圆柱结构，左端与机架固定，内部通过O型橡胶圈和轴承连接形成弹性支撑。由于支撑套筒以及轴承与转子之间的弹性支撑使得支撑刚度降低，而支撑套筒主要通过支撑来实现力和扭矩的传递，但也带来了振动的传递，两者之间的振动耦合影响密切，使转子系统的动力学特性更加复杂。从结构特点上来说，卷绕头是悬臂支撑的细长轴薄壁转子系统。

1.支撑套筒；2.传动轴；3.联轴器；4.连轴轴承；5套筒；6.卷装；7.橡胶圈；8.轴承图8 卷绕头结构简图[25]Fig.8 Sketch of winding head structure[25]

卷绕头的工作示意图如图9所示。卷绕头工况复杂，为完成卷绕工艺，从静止状态以等加速度启动至最高工作转速，然后与上一满卷卷绕头切换后进入恒速卷绕工作状态，期间长丝恒速地被卷绕到纸筒上。随着卷装直径和质量的增大，卷绕头速度随之慢慢降低，以满足恒卷速、恒定张力的卷绕条件。现有的高速卷绕头在一个卷绕周期内，工作范围一般在4 000～20 000 r/min之间。综上所述，高速卷绕头是一个变质量、变刚度、变转速的时频变激励复杂转子系统。

1.接触辊；2.转盘；3.锭轴A； 4.锭轴B；5.卷装；6.细丝图9 卷绕头工作示意图[5]Fig.9 Working scheme of winding head structure[5]

转子结构之间的耦合振动和时频变激励使得卷绕头转子系统的振动问题十分突出，因此对卷绕头复杂转子系统的动力学特性进行分析具有重大的工程实际意义。对卷绕头复杂转子动力学特性的研究可以借鉴航空领域广泛应用的多转子系统动力特性分析方法，建立尽可能符合卷绕头系统实际转子结构和运行状态的力学模型，以方便分析卷绕头转子系统的回转效应、弹性支撑耦合刚度以及不平衡响应等动力学特性。卷绕头为柔性转子，由各类非线性激励引起的响应特性计算方法和对实验测试数据进行系统非线性检测的方法均需要更深入的研究。卷绕头系统转速高，结构复杂，实验测试难度高，大量的研究集中在理论方面，从测试角度进行的研究还较少。利用先进的实验设备解决卷绕头系统难以实测的问题也是一个重要的研究方向[24]。

2.2.2 卷绕头减振技术

随着纺丝工艺的突破，人们发现适当地提高纺丝卷绕速度，能够制成性能优良的成品丝，所以卷绕头趋于高速化，然而转速的提高对卷绕头运转时的振动控制和安全性要求也高。高速卷绕头转子系统在正常工作过程中必定通过临界转速，此时在不平衡质量以及时频变激励的作用下，会产生共振导致卷绕头出现强烈的振动。

转子系统振动的控制技术有主动减振和被动减振。主动减振涉及到机械式控制、电气式控制、液压式控制、气动式控制等，而且这种装置受体积、能耗、承载能力及成本等方面的制约，控制性能的优劣在很大程度上取决于减振装置的设计。由于卷绕头结构复杂，不易添加减振装置，故被动减振仍然是高速卷绕头转子系统减振研究的主要方向。被动减振主要是调节轴承等能耗装置的刚度和阻尼，主要能耗装置有磁流变阻尼器、磁轴承、挤压油膜阻尼器等[25]。其中磁轴承的工作原理是磁悬浮技术，即利用可控电磁铁制造旋转磁场来实现稳定的磁悬浮[22]。挤压油膜阻尼器主要是通过主动改变油膜阻尼器的支撑刚度和阻尼大小来控制系统的振动。调谐质量阻尼器主要有两种施加方式：一种是将调谐质量阻尼器直接安装在转子上，如候曦等根据卷绕头悬臂式空心薄壁转子的结构特点，发明了一种安装在空心薄壁转子内部的杆状调谐质量阻尼器，可以有效降低卷绕头运转时筒管的振动[26]；另一种是在转轴上安装转子动力吸振器，以改变其固有频率，使转子系统在较宽的速度范围内保持较低的振动水平[27]。

根据卷绕头的结构特点，并参考相关领域的研究，总结如下被动减振方案：

(1)改变支撑刚度。通过分析轴承各处支撑刚度对临界转速的影响，设计卷绕头的支撑刚度，使临界转速远离工作转速，防止卷绕头系统共振。另外值得注意的是，在改变卷绕头系统的临界转速时，不能采用降低转子刚度或加大支点距离的方法，这样会使柔性转子的弯曲变形增大，影响机械性能。

(2)增加结构阻尼。通过能耗装置来耗散转子涡动能量，使转子系统以相对较小的振幅顺利通过临界转速区，防止转子系统失稳，从而达到减振、增强转子稳定性的目的，而增加支撑阻尼便是一个很好的方法。对于高速卷绕头中由O型橡胶圈滚动轴承组成的支撑结构，可以通过增大O型橡胶圈的阻尼或增加其数量来实现能耗，也可将支撑的橡胶圈和轴承的外圈复合成一体，做成有效的轴承减振一体化结构[28]。

(3)使用复合材料。随着纤维复合材料的民用化，碳纤维复合材料在高速转子方面也有了一定的应用。与金属材料相比，该材料的转子在保证具有相当刚度和强度的同时，密度会很小，故质量和转动惯量将大大减小。高速卷绕头的薄壁筒管一般为合金钢材料，可在卷绕头薄壁筒管外表面铺上一层复合材料，通过对铺层数、厚度及复合材料成型角度的调整来改善转子的振动特性[29]。

(4)进行必要的动平衡测试。由于卷绕头系统结构复杂，一般很难保证在设计初期就达到理想的运动条件，因此对卷绕头成品中的转子系统进行动平衡测试是减少机器振动和故障的重要措施。首先对转子系统进行低速平衡测试，以消除一些明显的不平衡量。然后使转速接近第一阶临界转速，在转子中部配重以消除一阶振型的不平衡量。然后，使转速接近第二阶临界转速，在二阶振型的反节点处加配重以消除二阶振型的不平衡量，这样一直进行动平衡测试，直到动平衡转速稍超过转子的工作转速。最后，对转子进行一次刚性动平衡测试。

(5)应用新兴技术。近年来，新兴的颗粒阻尼被动减振技术为解决高速柔性转子通过临界转速时的振动控制问题提供了新的思路。颗粒阻尼技术[30]是一种能够达到较高机械阻尼的被动减振技术，通过在结构振动剧烈的部位或振动传输路径上加工一定数量的孔洞或附加具有一定腔体尺寸的装置，在有限封闭的孔腔或腔体内填充一定数量的细小的金属或非金属颗粒，充分利用封闭孔腔或腔体内颗粒之间以及颗粒与腔壁之间的碰撞和摩擦作用来消耗主体结构的振动能量，从而达到减振的目的。

3 高速卷绕机的发展趋势

化纤机械总是围绕化纤工业的发展而不断发展，在常规纺丝工艺方面总的发展趋势是大容量、生产连续化、高速化、自动化和控制智能化[31]。卷绕机作为化纤机械设备中的关键设备，未来发展更趋于高效节能、高品质卷装和结构紧凑等方向。

3.1 高效节能

卷绕机的高效生产具体表现为更长的夹头长度、更高的卷绕速度。近几年，筒管夹头长度从1 200 mm增加至1 800 mm，较长的夹头意味着在单个夹头上可以安置更多筒管，同时可配置大丝饼，提高生产效率。卷绕速度趋于高速化，从4 000 m/min发展至7 000 m/min，甚至更高。卷绕头为悬臂转子结构，夹头长度的增加使其悬臂轴负载也变大。为降低卷绕头的振动，保证丝饼的成形良好，必须克服随悬臂轴长度增加而带来的挠性增大、动平衡困难等技术缺点，使其在高负载、高速旋转时振动小，安全可靠[32]。所以长夹头、高速度对卷绕机的机械设计等提出了更高的要求，同时使得机械制造工艺难度也更大。此外，在细节上，由于筒管数目的增多，夹头夹紧系统以及多丝束生头系统会变得更加复杂[33]。

3.2 高品质卷装

高品质的卷装要求丝条张力和卷装内外层丝质保持一致、形状稳定、退绕容易。不良的卷装成型容易造成丝饼在运输过程中塌边，且在等升角卷绕过程中卷装表面会反复出现前后丝层重叠的现象，影响后道工序的退绕。为了改善卷装成型，新型卷绕机应配备精密的卷绕技术，能够自动调节卷装和摩擦辊之间的压力，能够通过监测丝束张力的实时变化来调节转速。配置主动式压丝辊是合理配置压丝辊和筒管夹头之间速度和压力的可行方案，但是这样会要求卷绕头的自动控制系统更精确，使卷绕头结构更复杂。横动装置的防重叠技术是改善卷装质量的重要方法，早期采用机械变速器来实现基本的防重叠功能，由于卷绕速度提高，机械式变速装置被电气式所取代，现有多种防叠控制方法，如三角波式、无重叠等升角卷绕式、带微摆频扰动的无重叠等升角卷绕式、优化变位卷绕式等[34]。

3.3 卷绕机结构紧凑

卷绕机结构紧凑意味着节省空间，意味着在有限的空间里可以获得尽量多的产能，使用较少的投资取得较大利益。Oerlikon Barmag(欧瑞康巴马格)为应对WINGS系统改造方案的高需求，在常规POY系统纺丝机的基础上，将传统纺丝系统中的导丝辊、网络空气喷嘴等部件集合到卷绕机上，集牵伸导丝、预网络布置、卷绕于一身，大大缩短了导丝盘与卷绕辊之间的距离，提高了机器的模块化程度[35]。Oerlikon Barmag新型的“双胞胎”卷绕头可适用于各种POY、FDY纺丝，拥有较小的安装空间，节约了生产成本。这种利用一台机器的空间达到双倍产能的方法，是探索低投入、高产出、结构紧凑的多头纺丝的一个很好的思路。

4 结语

国外的化纤工业起步较早，我国虽然经过几十年的发展，但是与国外相比仍然存在一些不足，特别是高端设备仍然依赖进口。因此，研发高端化纤机械有着重要意义。对国产高速卷绕机的发展方向进行总结如下：(1)加大对高速卷绕机的研发和创新力度，达到国际先进水平，并在此基础上改善性能，降低制造成本。(2)对卷绕机设计中涉及到的机电一体化、复杂转子动力学等相关技术领域进行深入研究，争取把航空发动机、汽轮机等领域的研究成果应用到卷绕头复杂转子的研究上。(3)将先进的减振技术和新型材料广泛应用到国产卷绕机中，加大对关键技术方面的科研投入。(4)国产卷绕机设备生产商必须积极引进国外企业的先进技术，使其本土化，在此基础上，通过学习研发，掌握卷绕机核心技术。接下来，本课题组会结合自身条件，致力于高速卷绕机的振动控制研究。