在棉紡工程中，粗紗機(jī)的主要任務(wù)是把并條后的熟條加工成符合一定工藝要求的粗紗，供細(xì)紗機(jī)紡制細(xì)紗。要完成這一任務(wù)，必須具備喂入、牽伸、加捻、卷繞成型等機(jī)構(gòu)，如何對(duì)這些機(jī)構(gòu)的執(zhí)行零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是決定粗紗機(jī)整體質(zhì)量和紡紗質(zhì)量的關(guān)鍵所在。
一般機(jī)械設(shè)計(jì)都存在著許多種設(shè)計(jì)方案。傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)如下圖：
設(shè)計(jì)（綜合） ←
↓ ∣
評(píng)價(jià)（分析）
↓ ∣
選用（決策）－否
↓ 是
理想的設(shè)計(jì)方案
這個(gè)理想的設(shè)計(jì)方案就是“傳統(tǒng)的優(yōu)化”方案，由于設(shè)計(jì)方法的局限性這種優(yōu)化設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率都較差；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，可利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)高速度、高質(zhì)量地去完成上述的“評(píng)價(jià)——再設(shè)計(jì)”過程。懸錠粗紗機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是把紡紗工藝對(duì)機(jī)械的要求問題模型化，即抽象為優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，然后應(yīng)用優(yōu)化計(jì)算方法的程序在計(jì)算機(jī)上求解這個(gè)數(shù)學(xué)模型。
一、 喂入機(jī)構(gòu)
懸錠粗紗機(jī)因機(jī)架較高而普遍采用四列（400條筒）或五列（500條筒）高架導(dǎo)條輥積極喂入，工藝要求棉條在輸送過程中應(yīng)保持一定的張力不致松垂，又要盡量避免意外牽伸，以保證粗紗質(zhì)量。因此，合理確定后羅拉與各導(dǎo)條輥之間的距離及速比是設(shè)計(jì)過程中的重要一環(huán)。導(dǎo)條輥的截面設(shè)計(jì)有圓環(huán)形和中空六邊形，一般采用圓環(huán)形截面設(shè)計(jì)。隨著電腦形高速粗紗機(jī)的開發(fā)應(yīng)用，棉條的輸送速度在不斷提高，導(dǎo)條輥的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為一個(gè)不可忽略的問題，否則，容易造成意外牽伸或機(jī)械震動(dòng)；設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo)函數(shù)是導(dǎo)條輥重量為最輕即：
min W=(D2-d2)/4.ρ.L ，其約束條件是D和撓度Y=5qL4/384EI
目前一般采用復(fù)合不銹鋼管制造，成本低，質(zhì)量好。
二、 牽伸機(jī)構(gòu)
牽伸機(jī)構(gòu)是懸錠粗紗機(jī)的重要組成部分，它直接決定紡紗質(zhì)量的好壞。該機(jī)構(gòu)主要包括：清潔裝置、羅拉、加壓搖架、握持及集束元件、傳動(dòng)裝置。
1、牽伸形式：根據(jù)所紡纖維的長度不同，懸錠粗紗機(jī)一般采用三羅拉或四羅拉雙皮圈牽伸；四羅拉雙皮圈牽伸是在三羅拉雙皮圈牽伸的基礎(chǔ)上增加一個(gè)整理區(qū)（1.05倍左右的牽伸倍數(shù)），紗條輸出時(shí)的集束器放置在整理區(qū)內(nèi)，使?fàn)可炫c集束分開，實(shí)現(xiàn)牽伸區(qū)不集束、集束區(qū)不牽伸；由于集束器前置，鉗口對(duì)纖維的控制作用增強(qiáng)，浮游區(qū)長度縮小，牽伸變速點(diǎn)前移，為提高粗紗條干質(zhì)量創(chuàng)造了必要的條件。四羅拉雙皮圈牽伸在紡制重定量、小捻度以及化纖產(chǎn)品時(shí)優(yōu)于三羅拉雙皮圈牽伸，并且粗紗光潔度好，毛羽少，因而被廣泛應(yīng)用在懸錠粗紗機(jī)上。
2、羅拉：羅拉是牽伸機(jī)構(gòu)的主要元件之一。一般采用45號(hào)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼制造，工作面為人字形斜齒溝槽和菱形網(wǎng)紋滾花結(jié)構(gòu)，工作部分經(jīng)過高頻熱處理和鍍硬鉻處理；懸錠粗紗機(jī)的羅拉已成為紡織專件，直徑多為25～32mm，各廠家的設(shè)計(jì)思路不同其羅拉規(guī)格、結(jié)構(gòu)也多種多樣。目前，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種超高精度羅拉正在投放市場，羅拉自由對(duì)接精度好，抗彎、抗扭強(qiáng)度高，不需機(jī)下校正，無牽伸機(jī)械波。
3、加壓搖架： 懸錠粗紗機(jī)的牽伸加壓通常采用彈簧搖架加壓或板簧、氣動(dòng)搖架加壓；加壓量與壓力的合理分布與紡紗質(zhì)量的關(guān)系極為密切。氣動(dòng)、板簧加壓壓力恒定，成本較高，推廣范圍小。彈簧搖架加壓、釋壓方便，但存在抗疲勞性較差，錠差壓力較大等缺點(diǎn)。牽伸加壓質(zhì)量取決于彈簧的設(shè)計(jì)質(zhì)量，保持加壓穩(wěn)定，必須注重彈簧的設(shè)計(jì)。彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)建模時(shí)要綜合考慮，常取恒力下的變形量為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，承受交變載荷次數(shù)為其主要約束條件。
4、握持及集束元件：四羅拉雙短皮圈牽伸彈性握持鉗口的設(shè)計(jì)是整個(gè)牽伸機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵；皮輥、上皮圈、上銷組成握持鉗口的彈性部分,皮輥一般采用鋁襯套結(jié)構(gòu)；上銷通常選用金屬材料或碳纖維材料制造，碳纖維上銷不變形、抗靜電，是設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。羅拉、下皮圈及下銷組成彈性鉗口的固定部分；下銷有弧面直線形和階梯曲面開槽形，后者工作面能使上下皮圈工作面形成緩和的曲線牽伸通道，防止皮圈回轉(zhuǎn)出現(xiàn)中凹現(xiàn)象，使皮圈中部的摩擦力界因增強(qiáng)而穩(wěn)定，有利于纖維變速的穩(wěn)定性和伸直平行；開槽后對(duì)皮圈運(yùn)動(dòng)的控制能力增強(qiáng)；應(yīng)用廣泛。
5、清潔裝置： 懸錠粗紗機(jī)普遍采用積極回轉(zhuǎn)式上下清潔器，清潔器的設(shè)計(jì)較以前有所進(jìn)步，但還需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)應(yīng)放在減輕重量，降低摩擦力，利于清潔絨帶平穩(wěn)回轉(zhuǎn)。 <BR>6、牽伸傳動(dòng)裝置：牽伸傳動(dòng)是產(chǎn)生粗紗條干機(jī)械波的主要根源。設(shè)計(jì)過程中除保證各支架的幾何精度外，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)牽伸傳動(dòng)齒輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，編程設(shè)計(jì)時(shí)取齒輪一轉(zhuǎn)為周期的誤差最小為目標(biāo)函數(shù)；重量和抗膠合強(qiáng)度為其主要約束條件之一。
三、 加捻機(jī)構(gòu)
1、錠翼：錠翼是加捻機(jī)構(gòu)的主要元件，它的數(shù)量和重量在單臺(tái)粗紗機(jī)中占有很大的比重，是粗紗機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。錠翼有開式和閉式之分，閉式錠翼因具有通道光滑、斷頭率低、對(duì)溫濕度敏感性小等特點(diǎn)在粗紗機(jī)設(shè)計(jì)中占主導(dǎo)地位。經(jīng)不斷地設(shè)計(jì)改進(jìn)錠翼最高速度目前已達(dá)到1800r/min，主要技術(shù)指標(biāo)是末端開張量和剩余不平衡力矩；錠翼的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)以重量最小為目標(biāo)函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)參數(shù)為其約束條件。
2、假捻器：錠翼頂端至前羅拉之間存在捻陷現(xiàn)象，其間的粗紗捻度比設(shè)計(jì)捻度低20%～40%，并且前后排錠翼導(dǎo)紗角不等易造成粗紗意外伸長，導(dǎo)致細(xì)紗重量不勻率提高。為減少伸長差異，在設(shè)計(jì)上采用等導(dǎo)紗角錠翼和假捻器進(jìn)行補(bǔ)償。假捻器的優(yōu)化設(shè)計(jì)非常重要，前、后排紗段的長度不同、導(dǎo)紗角不等對(duì)應(yīng)的假捻器應(yīng)該是入紗角不等、刻槽數(shù)量不等。
四、 卷繞成型機(jī)構(gòu)
傳統(tǒng)粗紗機(jī)的卷繞和成型機(jī)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械混合機(jī)構(gòu)，通常由主電機(jī)提供錠翼旋轉(zhuǎn)的恒速，同時(shí)帶動(dòng)主軸上的差動(dòng)裝置，把筒管所需的恒速與下錐輪提供的變速合成后形成卷繞速度。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
N合成速度=i(輸入至輸出傳動(dòng)比)× N(輸入轉(zhuǎn)速)+（1-i）×N轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速。
電腦型粗紗機(jī)該機(jī)構(gòu)演化為以紡紗數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的程序軟件。
1、多電機(jī)傳動(dòng)的電腦型粗紗機(jī)取消了錐輪變速機(jī)構(gòu)和機(jī)械成型機(jī)構(gòu)。根據(jù)傳動(dòng)電機(jī)的多少，卷繞形式分為獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)（變頻或伺服）或合成轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)恒張力紡紗，一般按數(shù)學(xué)式： <BR>NT=ND+L/π(d0+2tn) 建立數(shù)學(xué)模型。【NT筒管轉(zhuǎn)速 ND錠翼轉(zhuǎn)速 d0紗管直徑 n卷繞層數(shù) t粗紗厚度 L前羅拉輸出長度】紡紗數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)與實(shí)際紡紗狀況存在許多不確定的因素，真正做到智能型恒張力紡紗還要不斷地對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2、傳統(tǒng)粗紗機(jī)卷繞成型機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是差速機(jī)構(gòu)和變速機(jī)構(gòu)，差速機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)除了要保證卷繞恒速與錠翼恒速的不一致系數(shù)為零外，差速傳動(dòng)齒輪要按重量最輕為設(shè)計(jì)目標(biāo)。變速機(jī)構(gòu)中的錐輪變速比PIV變速具有許多優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛采用，目前對(duì)變速曲線的設(shè)計(jì)及加工還存在誤差，有待進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。
懸錠粗紗機(jī)在設(shè)計(jì)方面還存在許多系統(tǒng)的、隨機(jī)的影響紡紗質(zhì)量的弊病，與國際先進(jìn)技術(shù)水平相比有一定的差距，只有經(jīng)過不斷地設(shè)計(jì)改進(jìn)提高其可靠性，才能顯示出產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)性。
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