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1、第2 9 卷第3 期 2 0 0 8 年3 月 纺织学报 J o l U V l a lo fT e x t i l eR e s e a r c h f 2 9 M a r N o 3 2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 8 0 3 0 1 0 1 0 4 新定纤感知器纤度感知理论模型的建立 胡征宇，俞海峰，陆开阳 ( 苏州大学材料工程学院，江苏苏州2 1 5 0 2 1 ) 摘要针对在定纤感知器感知机制方面的学术争论问题，借用摩擦学理论，对感知器运动各个过程的摩擦性质 进行定性归类。依据摩擦学对固体摩擦、边界摩擦、流体摩擦的定义，从建立的丝条与感知器接
2、触的宏观模型、微 观模型等方面进行分析，指出原有定纤感知理论模型存在的不足。利用摩擦学的简单黏着理论，重新建立丝条与 感知器玻璃片接触的摩擦力公式。公式显示在正常感知情况下同时存在固体摩擦、边界摩擦、流体摩擦3 种摩擦， 当纤度直径小于感知器垫片厚度时，与原有定纤感知理论模型一致，认为新理论更适用于目前所用全部类型的自 动缫丝机的管理。 关键词感知器；摩擦性质；理论模型；摩擦力公式 中图分类号：T S1 4 3文献标识码：A E s t a b l i s h m e n to fn e wt i t e rs e n s i n gt h e o r e t i c a lm o d e l
3、o fd e n i e r e r HU Z h e n g y u 。Y UH a i f e n g ，L UK a i y a n g ( S c h o o lo fM a t e r i a lE n g i n e e r i n g ，S o o c h o wU n i v e r s i t y ，S u z h o u ，J i a n g s u2 1 5 0 2 1 ，C h i n a ) A b s t r a c tW i t hav i e wt ot h ea c a d e m i cd e b a t e sa b o u tt h em e c h a
4、 n i s mo ft h eg l a s sd e n i e r e rp e r c e p t i o n ，t h e t r i b o l o g yt h e o r yw a su s e da n dt h ef r i c t i o nn a t u r eo fg l a s sd e n i e r e ri ne a c hm o v e m e n tp r o c e s s e sw a sq u a l i t a t i v e c l a s s i f i e d B yu s i n gt h et r i b o l o g yt od e
5、f i n et h e s o l i df r i c t i o n ，t h eb o r d e rf r i c t i o n ，a n dt h ef l u i df r i c t i o na n d a n a l y z et h em a c r oa n dm i c r om o d e lo ft h ec o n t a c tb e t w e e nt h es i l ky a r na n dt h eg l a s sd e n i e r e r ，t h ep r e v i o u s d e n i e r e rt h e o r e t
6、 i c a lm o d e ld e f i c i e n c i e sw e r ep o i n t e do u t T h ef r i c t i o nf o r m u l ao ft h ec o n t a c tb e t w e e nt h es i l k y a r na n dt h eg l a s s d e n i e r e rw a sr e e s t a b l i s h e d b yu s i n gt h es i m p l e a d h e s i o nt h e o r yw h i c hw a sf r o mt h e
7、 t r i b o l o g y r 1 1 l en e wf r i c t i o nf o r m u l ao ft h ec o n t a c tb e t w e e nt h es i l ky a r na n dt h eg l a s sd e n i e r e rs h o w st h a tt h e r e a r et h r e ef r i c t i o n s ：t h es o l i df r i c t i o n ，t h eb o r d e rf r i c t i o n ，a n dt h e f l u i df r i c t
8、 i o ni nt h en o r m a lp e r c e p t i o n c i r c u m s t a n c e s W h e nt h es i l ky a r ns i z ed i a m e t e ri sl e s st h a nt h e t h i c k n e s so fs e n s o rp a d ，t h en e wf r i c t i o n f o r m u l ao f t h ec o n t a c tb e t w e e nt h es i l ky a ma n dt h eg l a s sd e n i e
9、r e ri st h es a m e 鹤t h ep r e v i o u sd e n i e r e r t h e o r e t i c a lm o d e l T h e r e f o r e ，i tc a nb es a i dt h a tt h en e wt h e o r yi sm o r ea p p l i c a b l et oa l lt y p e so fg l a s sd e n i e r e r n o wi nu s e K e yw o r d s d e n i e r e r ；f r i c t i o nn a t u r e
10、 ；t h e o r e t i c a lm o d e l ；缸c t i o nf o r m u l a 定纤感知器是自动缫丝机中对生丝纤度进行控 制的关键性部件，其性能优劣直接影响生丝纤度质 量。关于定纤感知器如何控制生丝纤度的问题，有 一点是达成共识的，即都认为感知器是通过丝条与 感知器隔距片之问的摩擦力来工作的，但具体是哪 一种摩擦力，是液体摩擦还是混合摩擦，目前还存在 很大的争议。本文针对定纤感知器工作时丝条与隔 距片之间存在的摩擦力类型展开讨论，目的是将丝 条与感知器的摩擦形式进行全面分析，建立新的定 纤感知器摩擦力理论模型。 1 丝条与感知器间的摩擦 1 1 摩擦分类 如
11、果要分析感知器的工作原理，首先必须对丝 条与隔距片之间的摩擦关系进行研究。由摩擦理论 收稿日期：2 0 0 7 0 3 2 9修回日期：2 0 0 7 0 9 一t O 作者简介：胡征宇( 1 9 5 7 一) ，男，副教授。主要研究领域为数字化制丝技术、制丝机械、制丝C A D 等。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 0 2 纺织学报第2 9 卷 可知，物体间的摩擦力可按多种标准进行划分。 丝条与感知器的摩擦关系也可用此理论来表述。仔 细区分就
12、不难发现丝条刚刚进人感知器时属于静摩 擦，因为丝条使静止的感知器产生运动；丝条在第1 探索周期内产生的摩擦属于动摩擦，也可称滑动摩 擦；当丝条直径大于感知器垫片厚度时，丝条被挤压 变形，丝束与隔距片紧紧相连形成的摩擦可近似地 看作干摩擦，此时认为膜厚为1 1 0 一一 1 1 0 t t m ，符合干摩擦理论。丝条从外面进入感 知器到达第1 探索周期时的情景可以看作有少量的 滚动摩擦；当丝条全部被水包裹时产生的摩擦，也就 是丝条与感知器之间存在大量的水时，可以看作是 流体摩擦，一般此时的膜厚为1 1 0 0 ”n l 。这种情 况与全回转感知器工作状态吻合，同时与间歇式感 知器的丝条达到细限纤
13、度后的工作状态吻合。在丝 条感知过程中，丝胶与水的混合体起到了膜的作用， 由于有丝胶膜就存在边界摩擦，丝条在感知器内受 到挤压的地方，一方面是丝束与感知器相接触，另一 方面是膨润的丝胶与感知器接触，此时一般膜厚为 l 1 0 一5 1 0 t t m ，这就形成了边界摩擦。边界 摩擦的大小取决于丝条与隔距片表面特性，以及丝 胶与水的混合体的黏度大小。 由于丝条在感知器内工作时存在干摩擦和边界 摩擦的半干摩擦或摩擦面上同时存在流体摩擦和边 界摩擦的半流体摩擦，所以丝条在感知器中受到的 是标准的混合摩擦。如丝条直径小于垫片厚度就产 生流体摩擦；丝条直径等于垫片厚度就产生流体摩 擦与边界摩擦；当丝条
14、直径大于垫片厚度，丝条受挤 压变形，丝柬与隔距片紧紧相连时就产生干摩擦、流 体摩擦、边界摩擦，因此感知器的摩擦性质可以认定 为混合摩擦。 1 2 摩擦性质分析 目前，对于缫制规格为2 2 2 2 4 4d t e x 的生丝， 很多厂家采用垫片厚度为6 4 1 6 5t t m 的纤度感知器来 控制生丝纤度。图1 示出丝条在感知器内变化的3 种状态。其中，图1 ( a ) 表示丝条直径( z ，) 正好与垫 片厚度( z c ) 相同，丝条与感知器玻璃片处在相切状 态；图l ( b ) 表示丝条直径大于垫片厚度，丝条直径 受到挤压产生变形，此时丝条对感知器玻璃片有正 压力，正压力的大小与丝条粗
15、细及变形程度有关；图 1 ( c ) 表示丝条直径小于垫片厚度，丝条与感知器玻 璃片处在相离状态乜j 。根据纤度与生丝直径的关 系，d = k j ( 式中：d 为生丝直径；k 为常数，k 值受 髓震雨 ( a ) f F = 1 0 ( c ) I F 1 0 图1丝条直径与垫片厚度的关系 F i g 1R e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i l ky a r nd i a m e t e r ( Z F ) a n dg a s k e tt h i c k n e s s ( Z c ) 根据图1 的假设模型，可以认为图1 ( c ) 所示的 属于
16、完全的流体摩擦H 1 ，图1 ( a ) 、( b ) 就不能只考虑 流体摩擦类型了，因为在切点O 处和挤压变形Q 段 处丝条和隔距片间并不完全由厚的水膜阻隔，不符 合相对运动的两物体表面完全被一层流体( 液体或 气体) 润滑膜隔开的定义，膜厚小于1 1 0 0t i m ，因 此，可以认为文献 3 中的公式( 见式1 ) 存在缺陷， 必须重新建立定纤感知器纤度感知理论模型。 F = 社石d v ( 1 ) 式中：F 为摩擦力；A 为摩擦力工作面面积；半为水 膜层内的速度梯度；刁为水膜液的黏性系数。 为了研究O 、p 部分丝条侧面与隔距片间的接 触状态，可从微观角度分析丝条侧面及隔距片表面 的
17、几何形态。生丝是由多根茧丝捻合而成，虽然有 时为了研究的方便把丝条截面近似地看作是圆形， 其实，丝条截面并不是规整的，通过电子显微镜放大 2 0 0 倍拍下的丝条截面形状如图2 所示。从图中就 可以看出，丝条截面边缘呈不规整的锯齿状或圆弧 状。同时，对于感知器隔距片表面，由于它经过了高 精度的打磨，其表面非常光滑；但是，感知器的工作 依据是通过直径微小的变化，使摩擦力与摩擦力矩 产生很小变化，以达到纤度控制的目的，因此必须考 虑其微观结构。图3 是用触针式轮廓仪与计算机配 合并辅之以精密工作台，得到金属磨削加工表面的 凸峰和凹谷的高低、宽窄分布的三维形态图n 5 】。分 析此图，可以得出这样一
18、个结论：从微观角度看，感 知器隔距片表面也与金属磨削加工表面一样，是由 许许多多不规则的大小不同和形状各异的凸峰和凹 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第3 期 胡征宇等：新定纤感知器纤度感知理论模型的建立 1 0 3 谷构成 图2 生丝截面照片 F i g 2 S e c t i o np i c t u r eo ft h es i l k 图3 固体的磨削表面微观状态 F i g 3 M i c r o s t a t eo fs o l i
19、dg r i n d i n g8 t i f f a c e 由于感知器隔距片表面和生丝侧面同时具有不 规整、不光滑现象，可认为丝条侧面虽然受到了隔距 片的挤压，但丝条并不是和隔距片完全接触的。同 时可以借用物理学上的鲍登模型来表述丝条侧面与 隔距片的接触状态，见图4 b 1 。 BD B ( b ) 落细的情况 图4 感知器感知情况 F i g 4 D e n i e r e rs e n s i n gc a s e ( 8 ) N o r m a ls e n s i n gc a s e ； ( b ) C a s eo fs i l ky a r nb e c o m es m a
20、 l l e r 图4 ( a ) 示出正常感知时的情况。图中：B 表示 丝胶膜润滑摩擦部分；C 表示丝胶、丝束与玻璃直接 接触部分；D 表示液态水流体；口为实际接触面积 内发生直接接触部分的百分数；A ，为实际接触面 积；此时0 a l ，且a = 丝胶、丝束与玻璃直接接 触部分面积实际接触面积，以下相同。D 部分存在 着比较厚的水膜，可以认为是流体摩擦；B 部分由于 水分子与丝胶都可以在丝条侧面及隔距片表面形成 边界膜，起到一定的润滑作用，膜厚应该为 l 1 0 一一5 1 0 t t m ，可以认为是边界摩擦；对于C 部分，由于假设丝条和隔距片玻璃表面是直接接触 的，因此膜厚应该为1X1
21、 0 一1 1 0 “m ，可以近 似看作是干摩擦。图4 ( b ) 示出落细时的情况 ( 口= 0 ) 。丝条与隔距片间存在着比较厚的水膜层， 膜厚为1 1 0 0 _ t m ，可认为只有流体摩擦。总之，丝 条进入感知器后与隔距片间存在的摩擦类型分2 种 情况，正常感知时为由流体摩擦、边界摩擦及干摩擦 组成的混合摩擦，落细时为单一的流体摩擦。 2 定纤感知器纤度感知理论模型的建立 一直以来大家都用式( 1 ) 来计算丝条与隔距片 间的摩擦力值，但通过以上的分析，不难发现该理论 公式存在不完整性，因此本文作了修正。根据摩擦 力的分类定义、感知器摩擦性质的分析，可以认为感 知器纤度感知理论模型
22、是比较复杂的，必须分别反 映出存在的干摩擦、流体摩擦、边界摩擦的混合摩 擦，以及滚动动摩擦、滑动摩擦、静摩擦等各种摩擦。 根据图4 ( a ) 的假设模型，假设丝条与感知器存 在这种微观模型，就可以建立如下定纤感知器纤度 感知理论模型： F = 叩( A A ，) 了d ：v + a A ，r 6 + ( 1 一口) A ，r 。 ( 2 ) 式中：7 ( A 一4 ，) 箬为液态水流体的摩擦力；a A 忍为 未膨润丝胶、丝束与玻璃直接接触部分的摩擦力； ( 1 一口) A ，r ，为丝胶膜润滑摩擦部分的摩擦力；为 丝束的剪切强度；r 为丝胶的剪切强度。 根据FPB o w d e n 和DT
23、 a b o r 的黏着理论，对于理 想的弹性一塑性材料，存在如下公式： N = A ，o r 式中：盯。为材料的压缩屈服强度；N 为法向载荷。 F = A ，r ：+ P 。 式中：r ：为剪断粘着接点单位面积所需的力，即剪 切强度；P 。为“犁削力”，是微凸体划过软的表面所 需要的力。 FPB o w d e n 和DT a b o r 指出：对于无润滑的大多 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 0 4 纺织学报第2 9 卷 数情况，P 。与A
24、 ，r ：相比很小，可以忽略不计1 | ，则 F = A r r ：。又根据古典摩擦定律，摩擦力与作用于 接触面的法向载荷成正比F = ( 为摩擦因数) ， 式( 2 ) 可以演变为： 粗，则实际接触面积增大，感知器玻璃片的法向载荷 也增大，丝束和玻璃直接接触部分的面积与实际接 触面积的比值同时也增大，反之，纤度s 变细，则都 变小。 p = 叩( A A ，) 再d v + 叫+ ( 1 一口) A 一( 3 ) 4 结论 设摩擦力工作面面积A = 2 d L ( d 为生丝直径o L 为与隔距片产生摩擦的丝条长度) 。根据生丝纤 度定义b 1S = 1 00 0 0 W l ，W 为丝重：
25、Z 为丝长。又因 肜= 竽洇此d = 引言澈F = 啪古爵d v s ( 0 为生丝密度) 。正常感知时，其工作状态符合 图1 ( a ) 、( b ) ，存在实际接触面积A ，因此，式( 3 ) 也 可以演变成： F = J | 班丢箬瓶一A ，7 再d v + 叫+ ( 1 一。) A ( 4 ) 3 定纤感知器纤度感知理论模型分析 目前定纤感知器分为回转式和间歇式2 种，都 是利用间隙大小进行纤度感知，根据式( 3 ) 、( 4 ) 可得 以下结果。 对于回转式来说，由于间隙比较大，垫片厚度一 般采用( 7 0 + 2 ) 弘m ，而从模型计算上来说，2 4 4d t e x 生丝的直径
26、约为6 7 8 7t t m ，因此可以认为丝条与感 知器是处在没有固体摩擦的状态，水膜的厚度超过 1t t m ，实际接触面积A ，是不存在的，将A ，= 0 代入 公式就得到感知器的总摩擦力： F = v A 五d v 或，= 后班吉筹朽 与文献 3 的公式一致，说明制丝学上的公式只符 合丝条与感知器没有接触的状态。通过对每个符号 含义的分析可以发现，其中常量有孙L 、P 、罢、f 、 r 。、，变量有S 、A ，、口、J 7 、r ；对于】7 和警，只要缫丝工 艺车速、垫片厚度、缫丝汤温不变是不会变化的；对 于队f 、r ，、九，只要庄口确定，丝鞘长度不变，生丝 密度、丝束与感知器玻璃片
27、的摩擦因数、丝胶的剪切 强度、丝束的剪切强度也是基本不变的；L 是与隔距 片产生摩擦的丝条长度，当设备调试结束也基本不 会改变；而s 、A ，、N 、口都随着纤度s 的变化而变 化。并且同时存在递增与递减的关系，如纤度S 变 1 ) 感知器的摩擦性质与缫丝设备有关，回转式 感知器是流体摩擦，间歇式感知器是混合摩擦。文 献 3 的摩擦公式只适用于回转式感知器，不适用于 间歇式感知器。 2 ) 在间歇式感知器工作时同时存在静摩擦、动 摩擦、滑动摩擦、滚动摩擦、干摩擦、流体摩擦、边界 摩擦和混合摩擦。 3 ) 丝条进入感知器后与隔距片间存在的摩擦 类型分2 种情况，正常感知时为由流体摩擦、边界摩 擦
28、及干摩擦组成的混合摩擦，落细时为单一的流体 摩擦。 4 ) 通过理论推导可以建立定纤感知器纤度感 知理论模型基本公式：F = 叩( A A ，) 再d v + a A ，r 6 + ( 1 一a ) A ，r 。，经过转化可以得到定纤感知器纤度感 知理论最终公式： F = 哗丢等擂一锄而d v + 蜊+ ( 1 一。) 缸。 5 ) 基本公式与最终公式都适用于现有感知器， 当丝条与感知器中玻璃相离时，实际接触面积A ，= 0 ，摩擦类型变成单一的流体摩擦时，公式转化成： F = 呻、I 专孥怕 与现用公式一致。 6 ) 最终公式中的变量有s 、A ，、口、N ，并且都与 生丝纤度粗细有关，是控
29、制纤度的关键，在设备安装 时要特别注意。粼蓐 参考文献： 1 陈燕生摩擦学基础 M 北京：北京航空航天大学出 版社，1 9 9 1 ：2 2 2 5 2 】陆开阳，胡征宇感知器垫片厚度对灵敏度的影响浅 析 J 丝绸，2 0 0 6 ( 1 0 ) ：2 0 2 1 ，3 7 3 苏州丝绸工学院制丝学 M 北京：中国纺织出版 社，1 9 8 0 4 霍斯特契可斯摩擦学：对摩擦、润滑和磨损科学技 术的系统分析 M 北京：机械工业出版社，1 9 8 4 ： 1 1 0 1 1 2 5 温诗铸摩擦学原理 M 北京：清华大学出版社， 1 9 9 0 ：3 3 7 3 4 4 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark