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尼龙在纺机零件中的应用
边文广 赵俊英 陆晋
（经纬纺织机械股份有限公司榆次分公司，山西 榆次 030601）
摘 要：本文从细纱机调节架的使用功能和生产制造工艺角度出发，提出了结构优化设计和降低生产成本的方案，并用实验数据分析了相关零件支臂改进材料后的变形量，进而实施调节架改进的情况。
关键词：调节架 支臂 以塑代钢 尼龙

1. 前言
我公司主要产品包括细纱机、精梳机、弹力丝机、剑杆织机、转杯纺纱机等五大类机种数十个机型，细纱机是我公司的主打产品，短车市场占有率达到35%以上，长车约占75%以上市场份额。在目前竞争的市场环境下，为提高产品的竞争能力，公司从降低成本的角度，广泛开展了功能部件的合理性和可靠性研究，从日趋丰富的新材料、新工艺、设计及管理理念等角度汲取营养，挖潜完善在低成本前提下满足产品及零部件的功能需求。2010年以来公司全面落实降本增效的方针措施，广大工程技术人员，勇于创新，在新材料、新工艺等领域取得了一系列重要成果，其中大量件--细纱机调节架应用以塑代钢的方法，取得了较好的综合经济效益。
2. 调节架的使用功能
1.锭带张力盘 2.张力盘支架 3.垫圈组 4.螺母 5.支架螺栓 6.支臂 7.调节架 8.螺钉 9. 平衡重锤
图1

细纱机的每条锭带由一个滚盘提供主动力，驱动4个锭子，由平衡重锤（9）、调节架（7）、支臂（6）、张力盘支架（2）、锭带张力盘（1）等控制锭带张力的大小，结构如图1。平衡重锤（9）、调节架（7）的材料为铸铁，锭带张力盘（1）外表为橡胶，支臂（6）等零件采用Q235A。
按调节架上的刻度槽调节平衡重锤的位置（140~62mm）产生逆时针力矩M，锭带牵拉锭带张力盘产生顺时针力矩m，细纱机正常纺纱时存在M=m的关系，锭带张力的大小作用于锭盘从而产生摩擦力带动锭子高速旋转(18000r/min)，受主轴等的机械传动及成纱过程影响，可自由旋转的调节架在平衡重锤的作用下始终保持1.7Kg的作用力产生的动态逆时针力矩M，最大限度地确保锭带张力的恒定或在小范围内变动，由图1可知，调节架一侧固定平衡重锤，另一侧固定支臂，以张力轴的中心为支点左右摆动，是实现动态平衡的关键中间零件。
3. 调节架及相关零件的工艺分析
图 2
调节架材质为铸铁，采用铸造工艺铸造毛坯，重量约为0.7Kg，再经钻孔φ10.5、锪孔φ16用于安装支臂及轴肩定位，钻φ4.2底孔、攻丝M5用于固定支臂，最后经涂装完成加工；与其相关的零件支臂形状及尺寸如图2，材料为Q235A，经冷拉成φ14的圆料、切断下料、车削两头至φ10长21.5、折弯错位13.5成形、经煮黑处理完工；将支臂插入调节架后用螺钉固定，再与其他零件组合。
通过分析可以看出调节架和支臂这两个零件的制造工序分散，加工内容多，流转过程较长，与加工精度相对较低的事实相比较，生产成本偏高，不利于提高市场竞争能力，需要简化零部件加工与装配工艺，另外受铸造工艺的约束调节架的表面质量常有缺陷，还有尺寸方面不一致的问题，随着各地环境保护意识的不断提高，铸件的生产组织经常受到订货延迟的影响。
4. 材料改进及试验数据
从零件的强度考虑问题，安装于调节架上的支臂相对于调节架较为薄弱，是一个细杆状的结构，正因为此，使用了具有韧性的Q235A材料而不是脆性的铸铁；从使用的角度考虑，支臂和调节架的强度与柔性的锭带材料相比明显高得多，在实际使用环节中φ14的支臂直径抗弯强度明显偏高，可以通过减小零件尺寸或变更材料使零件达到使用功能与强度一致的目的，下表是不同支臂直径和费用降低的情况：
序号
改进方案
改进内容
改进后重量（Kg）
重量减轻（Kg）
原材料市场价
（元/Kg）
节约材料费（元）
1
φ14改为
φ10.8h11
直接改细，其余尺寸不变，工艺路线不变
0.117
0.080
4.5
0.36
2
φ14改为
φ10h11
改细后，调节架安装孔、支架螺栓安装孔、支臂两端尺寸需适当减小，工艺路线不变
0.100
0.097
4.5
0.44
3
尼龙14×14方形注塑，两端φ10不变
零件重量轻，一次注塑成型，减少工序周转，工艺路线缩短，生产效率高，需增加模具费
0.037
0.170
25
-0.04

改进方案1直接将原材料直径改细，即可减轻零件重量，仍可以利用φ10的轴肩进行长度定位及安装；方案2减轻重量更多，但同时需要变更其他相关零件的尺寸；方案3变更图 3
了原材料的类型，采用尼龙，原材料价格虽然有所增加，但最大的优点是全部工序集中在一个工作地，取消了机械加工和工序间的周转，综合经济效益明显。
试制方案3的零件，以图2方式夹持支臂的左端φ10处，右端φ10处悬挂不同重量的砝码，进行相应的静力测试，变形量如下表及图3：
砝码重
g
200
500
700
900
1000
1200
1400
1600
1700
1800
2000
2400
3000
4000
6000
8000
10000
变形量mm
0.15
0.28
0.39
0.51
0.56
0.68
0.80
0.95
1.00
1.06
1.195
1.41
1.77
2.39
3.65
4.80
5.85
以机械设计手册查得尼龙弹性模量E=2.83GPa，并以14为边长的方形棱柱悬臂梁计算1.7Kg载荷作用在支臂的圆柱头部，最大挠度ymax= =0.93mm（公式见参考资料[2]P1-117及P1-128，L=115），略小于实际检测变形量。原因可能是实验零件中含有增韧添加剂、夹持部位不牢固、载荷臂长于计算长度以及环境温度等因素。
在进行测量变形的过程中，加载后尼龙支臂并不是迅速变形到以上测量值，而是要经过一定的时间后逐步变形并最终稳定到以上的测量值，释放载荷后零件变形恢复，这一特点表明尼龙在变形的过程中可以吸收冲击振动或对冲击振动具有阻尼的特点。在平衡重锤1.7Kg的条件下，平衡重锤力臂的长度140小于支臂的力臂长度192，因此支臂在正常工作条件下变形量在1mm以内以右此支臂在正常工作条件下变形量约为，该变形量相对于柔性的锭带而言可忽略不计。
5. 应用效果及推广
由于支臂的结构相对于调节架的注塑模具简单且费用低，首先发制尼龙支臂的注塑模，试制生产了小批量尼龙支臂，并将其安装在纺纱厂的实际纺纱环境下，以进一步验证更换材料是否影响细纱质量指标，评估大量应用时的风险程度。在连续三个月的测试中，未发现因变更支臂材料带来的细纱质量问题，肯定了扩大使用尼龙支臂的使用范围，同时决定发制调节架的注塑模具并进行生产，2013年4-8月份共生产尼龙调节架15万余件，节约价值近8万元，取得了明显的经济效益。
综合调节架与支臂的安装结构，又提出改进改进方案4，即整体式尼龙调节架，将支臂和调节架两个独立的零件设计成一体结构，采用尼龙一次注塑成型。整体式尼龙调节架在重量方面约为160g，避免了机械切削加工、表面处理及组合安装工作，还减少了调节架中的嵌件螺母等的使用，整体刚性比组合式的又有一定的提高,零件结构精致，上端圆柱适合相关配套零件的装配工艺要求。
有资料表明尼龙的使用温度范围较宽，一般-40～100°C（参考资料[3]P420）， 可以在常温下长期使用，为纺织机械使用尼龙的结构零件提供了极大的信心，尤其是尼龙的密度约为1.15，比钢或铸铁轻得多，注射温度约为250°C，远低于铸铁的浇铸温度1200°C，节能效果明显，生产环境清洁，同时尼龙又具有良好的抗拉、抗弯能力以及耐腐蚀性，特别是其良好的注塑特性，可以生产出合理的、复杂的结构件，可通过原料配色直接达到零件的外观色彩，表面清洁精美，不需要机械加工或少量加工，在低能耗的条件下成倍提地提高生产效率。随着工程技术人员对尼龙或其他塑料认识的不断提高和各种塑料构件的成功应用，都会继续推动制造企业深化以塑代钢的理念。

参考文献
[1] 徐 灏 . 机械设计手册[M] . 北京:机械工业出版社, 1991.9
[2] 成大先 . 机械设计手册[M] . 北京:化学工业出版社, 2004.9
[3] 石安富 . 工程塑料手册[M] . 上海:上海科学技术出版社, 2001.5
[4] 孟少农 . 机械加工工艺手册[M] . 北京:机械工业出版社, 1995.1
[5] 丁 浩 . 塑料工业实用手册[M] . 北京:化学工业出版社, 2000.8
[6] 区英鸿 . 塑料手册[M] . 北京:兵器工业出版社, 1992.9
[7] 濮良贵 . 机械设计[M] . 北京:高等教育出版社, 2006.5
[8] 邓先智 . 机电产品绿色优化设计方法[J] . 现代制造工程, 2011(12):40-44
[9] 张执南 . 现代设计的基本属性[J] . 机械设计与研究, 2012,28(3):1-3
[10]娄棠云 . 张力盘支臂的改进[J] . 纺织器材, 2011,38(6):47-48

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