环锭细纱机加捻卷绕技术结构现状与创新.doc

环锭细纱机加捻卷绕技术结构现状与创新倪 远上海东飞现代纺织技术研究所摘要：本文从环锭细纱机加捻卷绕技术结构的组成入手，分析了加捻卷绕各区段的工作状况和各器件的改进创新进程，结合相关专利技术对加捻卷绕技术的创新发展进行评析，提出了环锭纺存在的两大不稳定因素和一个速度极限，是环锭纺发展的主要屏障，消除或减轻其对稳定生产和提升产能的影响是环锭纺创新发展的主要方向。关键词：环锭纺；加捻卷绕；钢领；钢丝圈；气圈；张力；线速度；产能；专利；创新；1、环锭纺加捻卷绕概述从手工纺纱向机器纺纱的发展始于18世纪英国产业革命。1769年出现了利用水力拖动的翼锭细纱机，1779年S.克朗普顿根据手工纺车原理发明了走锭细纱机，这是早期的两种细纱机。1825年R.罗伯茨又将走锭细纱机改进为自动作用的走锭细纱机，这种型式的机器在19世纪和20世纪初期获得了广泛的应用。1828年出现了帽锭细纱机。同年，J.索普创造了环锭细纱机，当时钢丝圈是由纺纱工用手工弯制而成的。1830年以后，才开始正式制造钢丝圈。环锭细纱机可连续生产，且纺纱速度较高，因而逐渐被广泛采用，成为现代应用最多的一种纺纱形式。早期的工业化纺织生产不仅发展了纺织技术，而且也推动了当时蒸汽机和其它工业领域的发展和应用。到1914年，英国人拥有世界纺纱纱锭总数的3/5，技术上远远领先于其对手，并独霸了世界上棉纱和棉制品的出口市场，其平均出口份额大概在7080%之间。到1924年英国棉纺织工业曾经达到6330万枚纺纱纱锭、79.2万台织机的规模。“环锭纺”这个名词中，“环锭” 的含意是环形的钢领套置于锭子外周，而“纺”字在广义上是指纺纱过程，在狭义上即为加捻。与“环锭纺”对应的英文名词是“ring spin”，也同样描述为环形的纺纱或在环状物上的纺纱（加捻），钢领的“领”就来自于“ring”的发音。因而以环形钢领（钢丝圈）加捻是环锭纺的核心。加捻使须条成为纱线，没有捻度就不成其为纱线。因而所有的纺纱形式，基本上均以加捻形式来命名，如非自由端纺纱的环锭纺、自捻纺，自由端纺纱的转杯纺、喷气纺等等。一些在环锭纺加捻形式上发展的附加特征性纺纱形式，如赛络纺、紧密纺等，只是简化了名称，完整名称应该是环锭赛络纺、环锭紧密纺或赛络环锭纺、紧密环锭纺等。纺纱中的加捻过程，是耗费成本最大的一个工艺环节，其不仅设备复杂、能耗大，更重要的是其单位工位的产能极低，其制约了纺纱系统总体产能的提升。环锭纺纱加捻能耗大的原因在于，一是其必须带卷装回转加捻，加捻卷绕部分每回转一圈才给纱条加上一个捻回，纺纱加捻卷绕高速部分的容积和质量不可能小而轻；二是因单位工位产能低，且只能通过提高锭速来成比例地增加产能，而高速元件的能耗与速度的平方成正比，因此速度越高，单位长度或质量的纱线能耗成本越大。可见纺纱设备的利用率与纺纱能耗之间存在着不可调和的矛盾。表1是一带四锭加捻卷绕传动式环锭细纱机纺纱功耗的实测数据。（表1的纺纱条件是：二个方案同机台，420枚纱锭细纱机，采用17KW三相异步电机，变频控制；工艺：纺制JC/T45英支，C60/T40-CVC品种，捻度1020/米，粗纱定量8克/10米，重量牵伸约61倍，平面牵伸弹簧摇架后区双压力棒，高效工艺牵伸配置；用PG1/2-4254钢令，OSS5/0钢丝圈。纺纱长度4000米（管纱中纱），空纱管中部直径19毫米，管纱中部直径39毫米。）表1：方案锭速RPM主机有功功率KW1160009.922120005.442比140004.522545.6从表1数据可见，正常纺纱时，锭速12000rpm较16000rpm时功耗小45.6，剔除产量因素以单位产量纺纱用电成本计，较低的纺纱速度比较高的纺纱速度整机功耗节电，该品种锭速12000rpm比16000rpm可节电（5.44/12000-9.92/16000）/（9.92/16000）27；同时其基本上符合纺纱功耗正比于纺纱速度之平方，即9.92/5.44（16000/12000）2。使环锭纺发展成为主流的纺纱形式，其重要因素在于钢领钢丝圈加捻卷绕形式结构的简单和巧妙。说钢领钢丝圈加捻卷绕结构为所有加捻卷绕形式中最简单和巧妙的结构并不为过。一个环形轨道的“钢领”加上一个不成圈的“钢丝圈”，构成了最简洁有效的加捻卷绕主要结构。在纺纱过程中，钢丝圈为完成输出纱线的卷绕而滞后于锭速，其自调速运动非常巧妙地适应于卷装上大小直径的卷绕，而不必机械地伺服于卷绕直径的变化。气圈也是环锭纺加捻另一个巧妙的“结构”构成，虽然其没有应用附加构件。说环锭纺为环锭回转加捻，其确切的描述应该是钢丝圈引导并和气圈纱条一起在环绕锭子的钢领上作回转加捻。可见，气圈是空间无刚性约束的柔性体：既是加捻结构的构成又是纱线输送的路径、钢丝圈是速度无刚性控制的周向运动自由体：既是加捻的引导者又是卷绕的引导者。这就是钢领钢丝圈加捻卷绕形式的简单和巧妙之所在。环锭纺产能的制约，从根本上说也是源自于这种纺纱加捻卷绕形式的简单和巧妙，简单和巧妙的结构赋予了其成为主流纺纱加捻卷绕形式的重要元素，但其独有的纺纱气圈形态、张力波动状况和钢丝圈运行姿态、线速度极限等纺纱稳定性影响因素，都会在一个运转参数上体现出来纺纱断头率，细纱机高效纺纱产能进一步提升的梦想，也被纺纱断头所粉碎。断头的主要因素除了纱线强力弱环小于张力峰值外，还包括钢丝圈过热、软化和烧毁飞圈及钢丝圈磨损割断头等钢丝圈运行意外状况造成的断头，这些是钢丝圈线速度或寿命超限的表征。环锭纺被长期和大范围应用的另外两个因素是：与其它纺纱形式相比，其适纺品种最广和纱线断裂强度最高。环锭纺几乎可以纺制所有品种的纤维和所有线密度的纱线；环锭纱线也是所有纱线中对纤维强度利用率最高的纺纱形式。这两大因素也与钢领钢丝圈和气圈加捻形式直接相关。在环锭纺纱用电成本和用工成本占纺纱总成本比例不断增大的情况下，高速纺纱带来的单位用电功耗增加和因断头率增加而用工增加的矛盾日益凸显，在环锭纺纺纱加捻卷绕结构没有重大突破之前，进行加捻卷绕结构部件的改良和探寻综合经济性良好的纺纱工艺参数是近阶段业界可以作为的事。2、纺纱分段与导纱角2.1纺纱段将前罗拉钳口到导纱钩之间的区域称为纺纱段，只是一种习惯的称呼。前已所述，广义的“纺纱”是指整个纺纱过程，而细纱机上狭义的“纺纱”应该是指整个加捻卷绕过程。2.1.1加捻三角区按须条的行进方向看，加捻区始于加捻三角区。从牵伸部分最后一个握持钳口输出的扁平须条被传来的捻回所包卷。从捻度传递的路径看，三角区是加捻的末端。握持钳口处扁平须条横向宽度的存在阻止了捻回向钳口的传递，形成了一个弱捻环节。导纱钩与前钳口的相对位置关系，决定了在一落纱过程中，与卷绕升降相关的导纱钩升降和级升使纺纱段中三角区纱条与上下罗拉包围弧的动态变化状况。纱条与上下罗拉的包围弧具有阻止捻度向三角区传递的不良效应。同时导纱钩所处水平面与纺纱段纱条之间的夹角，即导纱角，决定了纱条在导纱钩上接触包围弧的长度，且由于导纱钩的升降和级升运动使其动态变化，气圈段纱条的回转加捻运动在纱条与导纱钩的接触中被阻止捻回向纺纱段传递的程度也在动态变化。这种捻回逆纱线运动方向传递并受阻于接触点的现象称为捻陷。因此纺纱段的捻度总是小于气圈段的捻度，也是整个加捻卷绕部分捻度最弱的一段，而在三角区，则是捻度最难以传递到的地方。三角区一方面是动态纱条捻度和强度最弱的环节，另一方面也是须条的边纤维难以被包卷入纱体而产生毛羽的关键部位。无论是牵伸区中的集聚，还是通过附加阻捻钳口设置附加集聚区，并在附加集聚区中进行集聚，都是为了缩小须条进入加捻区的横向尺寸，即缩小三角区的横向尺寸。二十世纪末期兴起的紧密纺纱技术正是源自于这样的设计思路，采用负压气流式的同步凝聚也好，或者机械式的喇叭口、改变纱路矢量也好，都是为了减轻或消除三角区的不良影响，其对纱线产生了两个方面超乎想象的良性效应：纱线毛羽大幅度减少、断裂强度明显提升。可见小小三角区对纺纱外观和内在品质的影响。由于纱线因与毛羽相关疵点的降低和强伸特性的改善，环锭紧密纺纱线成为所有纱线中纱体最紧密、断裂强度最高（单纤维强力利用率最高）的纱线。2.1.2导纱角导纱钩所处水平面与纺纱段纱条之间的夹角，称为导纱角。导纱钩一方面阻止了捻度的传递，同时也使气圈段张力及其波动向纺纱段的传送被阻碍，对纺纱过程中卷绕段和气圈段动态张力的传送起到了缓冲效应。因此，导纱角作为细纱机断面形态的一个重要参数，对其利弊平衡是细纱机设计的关键要素之一。传统的细纱机导纱角设计取值，是在一个较小的范围内选择，细纱机集体落纱技术的应用，对包括导纱角、纺纱段长度、导纱钩与前罗拉钳口上下和进出位置、纱条与前上下罗拉包围弧等细纱机断面设计相关尺寸提出了新的要求。集体落纱的细纱机断面尺寸中，为了适于垂直拔管的需要，导纱角和纺纱段长度均有增大的趋势。这些参数的增大减弱了导纱钩对张力波动传递的缓冲效应，同时由于增加了气圈控制技术和纺纱张力锭速控制技术，即气圈控制环和锭速的大中小纱分段变频调速技术（纺纱输出长度锭速控制）甚至复合卷绕直径变频调速技术（纺纱输出长度复合卷绕直径的锭速控制）的应用（详见本文3.5.4），缩小了纺纱张力的波动范围，从而也可以减少对通过纱条与导纱钩捻陷效应来抑制卷绕段和气圈段动态张力对纺纱段影响的依赖。2.2气圈段气圈段位于导纱钩与钢丝圈之间。纺纱气圈是环锭纺所特具的产品工作形态，气圈段既是加捻卷绕的导纱路径，又是加捻结构的必要构成。由于高速状态下纱条质点受离心力的作用，纱条呈外凸封闭的立体纺锤形体，在气圈上各点角速度相等的情况下，所处的直径越大，受到的离心力也越大，同时较大的回转半径使线速度成比例增大，纱条与空气的摩擦加剧，不但影响纱条外观品质，同时气圈回转所需的驱动功率和驱动力增加。离心力和驱动力的增大意味着卷绕段和气圈段的动态张力增大，相应的断头概率增大。因此控制气圈形态一向是细纱机设计和纺纱生产的重要任务，高速纺纱中控制气圈形态显得尤为重要。现代细纱机设计中广泛采用导纱钩独立随动升降和气圈控制环技术。导纱钩的独立随动升降功能，对小纱和大纱阶段的纺纱性能都有良性效应。在小纱阶段，导纱钩的随动下移可以有效降低小纱特别是管底成形时的气圈高度，从而缩小气圈最大处直径，相应降低气圈段纺纱张力；在大纱阶段，导纱钩的随动上移可以有效增加气圈高度，因为过小的气圈高度使气圈对纺纱张力的柔性缓冲作用降低，从而导纱钩的随动上移可以有效降低断头概率。采用气圈环控制气圈形态的方法，是将一个大气圈分隔成两个小气圈，气圈环便是两个小气圈结合处的颈部，其可以非常直观和有效地控制气圈最大直径，从而也控制了气圈段因气圈直径增大而产生的动态张力峰值。因而，在高速（锭速大于18000RPM）纺纱中，气圈环的应用已是一个基本和必需的选项。气圈形态对于纱线动态张力来说，是一个具有柔性缓冲调控作用的加捻结构，其可以在纱线动态强力允许的范围内，自动平衡由于钢领钢丝圈滑动摩擦副配合不协调而产生运行稳定性降低所导致的张力变化，使纺纱过程顺利进行。随着卷绕升降、卷绕直径、气圈形态的动态变化，钢丝圈运行姿态也在不断改变，而钢丝圈运行姿态是其与钢领运动配合不协调、运行稳定性降低和纱线张力突变的主要原因。日常生产中的气圈直径控制主要是钢丝圈重量的调整。在钢丝圈型号不变的情况下，增加钢丝圈重量可以在一定范围内控制气圈直径，当然这也同时改变了纺纱张力。较重的钢丝圈重量使卷绕段张力增大，气圈直径减小。2.3卷绕段卷绕段位于钢丝圈与卷装纱管之间，这是加捻卷绕三个分段中纱条路径最短的一段。卷绕段是纱线加捻卷绕运行驱动力之源。锭子与筒管通过卷绕段张力将驱动功率传递到钢丝圈与气圈，使之作高速回转运动并完成纱条的卷绕输送。在一个卷绕升降动程中，卷绕直径的最大（一般为钢领直径减去三毫米）和最小（筒管直径）之比通常为两倍左右（钢领标称直径42毫米时），在最大直径时，纱条与钢丝圈所处点钢领的法线成最大卷绕角；在最小直径时，纱条与钢丝圈所处点钢领的法线成最小卷绕角。因此，卷绕段的纺纱张力与卷绕直径的大小直接相关。表2为纺纱实际有功功率分项测试和计算。表2：方案整机有功功率KW平均每锭有功功率W测试状态或计算说明19.0721.60测试计算升降动程大直径段卷捻功率（剔除牵伸升降）28.7720.88测试计算升降动程小直径段卷捻功率（剔除牵伸升降）38.9221.24测试计算卷捻部分平均功率46.6815.90测试计算断纱卷捻部分平均功率5142.395.69计算大直径段的卷绕功率6242.094.98计算小直径段的卷绕功率7560.30.71计算大小直径段卷绕功率之差8342.245.34计算平均卷绕功率95比6114.35计算大直径段与小直径段的卷绕功率之比108比325.1计算卷绕功率占卷捻功率的比例表2的纺纱条件同表1。表中的卷捻功率是指传动加捻卷绕部分的有功功率，卷绕功率是指通过卷绕段纱条传递的有功功率。在表2的纺纱有功功率实际测试和计算中获知：一个升降动程中大直径时纺纱卷绕功率比小直径时大14.35；实际消耗于纱线加捻卷绕的有功功率仅占卷捻部分有功功率的25.1，即在加捻部分的有功功耗中，卷绕功耗仅占整个加捻卷绕部分有功功耗的四分之一左右，其余的四分之三均耗费在加捻传动部件和卷装驱动上。这些耗能部件包括：主电机传动皮带主轴滚盘锭带张力盘锭子等传动链系统，其中主要可以分为二大部分，即在张力、重力、应力和润滑剂粘滞力等综合作用下的支承摩擦损耗及高线速度运行元件的空气阻尼损耗。通过表2数据还可以计算卷绕段宏观平均张力，每锭卷绕段平均张力每锭卷绕功率/卷绕线速度。由于在短动程上下部存在卷绕直径的差异，即上部卷绕直径为19毫米，下部卷绕直径为39毫米，在锭速为16000rpm时，短动程大直径段每锭平均卷绕段张力（5.69）/（160000.0393.14/60）0.174牛顿17.4CN，短动程小直径段每锭平均卷绕段张力（4.98）/（160000.0193.14/1000/60）0.313牛顿=31.3CN，短动程小直径比大直径卷绕段张力大（31.317.4）/17.479.9。通过上述测试和计算可知，同样纺纱阶段的小直径纺纱张力较大，这便是小直径纺纱时拎头偏重、断头偏多的主要原因。同时该品种成纱的单纱强力为213.9CN，测试最低强力为167.9CN，中纱时短动程上部小直径纺纱的宏观平均卷绕段张力占成纱最低强力的比例31.3/167.918.6，纱线强力有较大余量（当然这是与计算宏观平均卷绕段张力而非动态瞬时纺纱张力比），纺纱处于正常状态，断头较少。3、加捻卷绕形式与元件的创新加捻卷绕形式与元件的创新伴随着环锭纺的技术进步。以下以可资检索的专利信息为主要技术背景进行概要讨论。3.1导纱钩导纱钩的改良基本上围绕以下几个方面进行：减小捻陷效应、降低张力波动对纺纱段的影响、降低毛羽、提高引纱操作的便利性、延长使用寿命。表3是近十多年来有关导纱钩改良的典型专利申请。表3：专利名称申请号申请人地域主要特征主要性能附图导纱钩952159775河北板式导纱器缩短接头时间提高工作效率图1一种细纱机导纱钩972126260河北螺旋顺时针向下缩短接头时间提高工作效率图2导纱装置012186430台北铝质导纱轮降低毛羽50图3细纱机导纱钩02234909x天津镶嵌式组合结构减少断头降低毛羽纱条运行平稳操作方便寿命长图4环锭细纱机导纱钩032787340江苏特硬材质抗磨性能好寿命长图5导纱钩2004201223795安徽V形圆弧槽集聚降低毛羽15图6导纱钩2007200408834江苏NiCr材质，2.2mm孔径抗磨性能好寿命长图7低毛羽率刚玉导纱钩2008200282135陕西刚玉材质双迎纱与引纱曲面减少断头降低毛羽50纱条运行平稳操作方便寿命长图8其中，申请号为012186430（图3）和2008200282135（图8）的专利申请声称可以降低成纱毛羽达50，如果商品化应用中也具有相近效果的话，则在没有其它附加成本的情况下，对成纱品质的改善是难能可贵的。导纱钩上的导纱孔引导纱线以与锭子和钢令同心的方式进入气圈段，导纱孔是气圈段的起点。对于导纱孔直径和导纱钩体直径的改良是适当缩小，较小的导纱孔直径可以减小气圈旋转时纱条在导纱孔中跳动的幅度，从而降低纺纱张力波动；较小的导纱钩体直径可以减小纱条与导纱钩的包围弧，从而减轻捻陷效应。在纺纱角角度较小时，这样的改良效果较有效。导纱钩上擒纱器（钩）的原始设计有两大功能：断头擒纱和清纱擒纱。断头擒纱即在气圈段或卷绕段发生断头时，纱条头端被离心力甩到擒纱钩上，曲绕在擒纱钩头端的刻槽处；清纱擒纱是纱条因特大粗节或结杂质量超重而使气圈膨大时擒纱钩切断并擒住。第二个功能是早期的设计思路，随着络筒工序电子清纱和电脑在线监控技术的完善，笔者认为已无必要刻意设置导纱钩的清纱擒纱功能，因为主动切断头会影响劳动生产率。应该适当上翘擒纱钩头端，保证纺纱纱路畅通，尽量降低断头率，特别是人为断头。 图1 图2 图3 图4 图5 图6 图7 图83.2气圈控制环气圈控制环的应用已是一项成熟技术。气圈控制环把一个大气圈分成两个小气圈后，每个气圈的高度减小了，纺纱张力也有所下降，并且有效避免了气圈波节的产生。适应高速纺纱的细纱机在设计上就已考虑了除钢领板、导纱钩外的第三套气圈环专用独立随动升降结构，其可以在卷装升降的情况下，始终保持气圈环位于气圈直径最大处，从而更加合理有效地控制气圈形态。而在普通细纱机上加装气圈环则只能在钢领板上通过安装支架加装。3.3钢领附加环形导轨钢领附加环形导轨（笔者简称）是奥地利申请人为改善钢丝圈运行状态而提出的技术方案，其有两项申请：申请号为92104563.8专利名称为钢领旋转装置及申请号为93105612.8专利名称为环锭纺纱设备，该方案通过在钢领上部加装与钢领同心或接近同心的附加环形导轨，改变进入钢丝圈纱线与水平面之间的夹角，使其成为一个锐角，从而使纱线对钢丝圈的作用合力抵消部分离心力，以便减轻钢领钢丝圈的磨损。并以纱线与环形导轨的摩擦阻力替代部分钢丝圈与钢领的摩擦阻力，获得纺纱所需的张力。同时纱线进入钢丝圈角度的改变也使钢丝圈的运行姿态得以改变，有利于改善钢丝圈运行稳定性。实际应用时，由于环形导轨的内径小于钢领内径，因此只要角大于管纱成形半角r2的补角（管纱肩部表面斜面与水平面的夹角），就可以完成正常纺纱卷绕，但接头的拔管无法进行，除非纺制直径小于环形导轨内径的管纱或设置环形导轨移除的结构。 图9 图103.4钢领钢丝圈无论对于设计、应用或改良，钢领与钢丝圈都是成对配套进行的。目前用于生产实践的主要为平面钢领和锥面钢领两种形式，平面钢领占绝对多数。锥面钢领诞生于二十世纪七十年代。作为实现高速、大卷装的主要措施之一，锥面钢领的主要特点是钢领内跑道的几何形状为近似双曲线的直线部分，配套的钢丝圈几何形状为非对称形，内脚长，与钢领内跑道近似直线接触，接触面积大、压强小，可减少磨损与增大散热面积，钢丝圈运行平稳，有利于降低细纱断头。钢领钢丝圈的改良主要围绕适于高速、降低断头、延长寿命和改善品质影响进行，改良的内容主要为两个方面：一是形态结构；二是材质和表面处理。3.4.1钢领钢丝圈形态结构钢领钢丝圈形态结构改良的着力点在于优化跑道形态、增大钢领钢丝圈间的接触面积，改善运行平稳性、抗楔性和散热性能。表4摘录二十多年来钢领钢丝圈形态结构相关技术的专利申请。表4：专利名称申请号申请人地域主要特征主要性能附图耐用节电钢领钢丝圈85205004上海内跑道多曲面支承弧面节电3，钢领延寿2倍，钢丝圈延寿1倍图11托力轨道平面钢领90102935.1上海外凸缘颈壁设有托力轨道面线速度达每秒42-50米，断头率低，寿命长，品质好图12下支承多点接触钢领和钢丝圈92102070.8辽宁包括有辅助支承面直线和上支承面直线的主跑道曲线断头率降低25-35，抗锲性好，钢领寿命长2-4倍，钢丝圈寿命长1-3倍，运行稳定，挂花率低50图13新型钢领95205840.5湖北上沿轨道向外倾斜32-38度改善质量，减少磨损，延长寿命长1倍图14分别制造跑道及底座且将二者合为一体的钢领03134348.1陕西跑道用硬质合金粉末冶金注射成形制造成本低，寿命长图15通道隔离式钢丝圈200720193727.1山东内脚设有隔离式纱线通道纱线与钢丝圈摩擦阻力小，毛羽少，寿命长图16平面钢领用钢丝圈200520023668.4河北内外脚相对于主体以相反方向折弯一个相等角度纱线通畅，减小摩擦阻力，运行稳定，重心低，寿命长图17环锭纺纱机（锥面钢领）9510074.8瑞士内跑道带有弧面的锥面钢领改善质量，降低断头，钢领钢丝圈磨损小寿命长图18带有倾斜平面钢领的环锭纺纱机95106457.6瑞士较小纱线通道GDL0.1-0.3的钢领钢丝圈利用纱条毛羽产生润滑膜改善润滑性，特别适于紧密纺图19顶边锥面钢领和钢丝圈01280134.8山西顶边平直的平台，外边设有上支承跑道，钢丝圈设有弓形纱线通道接触面大，受力均匀，运转平稳，磨损少，寿命长图20新型钢领03239741.0天津钢领上部锥形，双曲率支撑面，瓦楞型钢丝圈张力稳定，断头率低，加捻效率高，毛羽少，强力高图21锥面钢领200320120492.5江苏内跑道设有圆弧过渡磨损面使用寿命长，开机断头少图22在国内外钢领钢丝圈形态结构的改良方面，锥面钢领结构或类锥面结构的专利案例所占比例较大，说明较多的改良取向是针对增大钢领钢丝圈接触面积、降低运动副接触压强。但锥面钢领的实际应用不多，没有形成发展趋势。 图11 图12 图13 图14 图15 图16 图17 图18 图19 图20 图21 图223.4.2钢领钢丝圈的材质和表面处理技术钢领钢丝圈的材质和表面处理技术主要改善运动副接触摩擦性能为主，如耐磨性、润滑性、抗疲劳性等，其中表面处理技术主要包括表面改性技术、涂镀技术和薄膜技术。以下摘录二十多年来钢领钢丝圈材质和表面处理相关技术的专利申请：湖北申请人申请号为86201962名称为镀铬钢领的专利申请公开了一种早期的钢领镀层方案：钢领表面经特殊处理和探索铬原子生核规律、改变镀硬铬工艺，选择合理的电流密度等参数，获得晶粒细小光洁、结合牢度好的镀铬钢领。上海申请人申请号为87105949.5名称为纺纱粉冶钢领材料及制造方法的专利申请公开了一种用于制造纺纱粉冶钢领的-四元合金及制造方法。由于合理选择了成分和工艺，与-系合金钢相比，小时的磨损量减少，疲劳寿命提高，钢领使用寿命提高倍。上海申请人申请号为92108437.4名称为钢领表层非晶态处理工艺和装置的专利申请公开了一种采用普通低碳钢制造钢领的方法：在钢领表层先渗入非晶态形成元素，再在专用装置上用激光对钢领工作面表层作速熔急冷处理，形成非晶态层，提高钢领表层的硬度，延长使用寿命。浙江申请人申请号为93245366.X名称为合金耐磨钢领的技术方案：在普通钢领外表面上按其形状覆盖一层耐磨的镍磷合金层。德国申请人申请号为94119763.8名称为细纱机和捻线机的钢领和钢丝圈系统的专利申请公开了钢领与钢丝圈的接触表面包括多晶陶瓷材料的表面处理方案：钢领的陶瓷表面的表面结构具有圆的晶界，该晶界形成自生润滑纤维膜的存贮容积；以及钢丝圈包括特别由金属制的弹性载体材料，并且有金属和或陶瓷表面，该表面的硬度大于钢领的陶瓷表面的硬度。瑞士申请人公开了申请号为98814083.7名称为用于环锭纺纱机和环锭捻线机的钢领的技术方案，其环形芯镀有一硬铬层。天津申请人公开了申请号为00103493.6名称为表面合金化纺纱钢领与钢丝圈及其生产方法的技术方案：钢领与钢丝圈或其摩擦面经非电表面合金化处理，合金层硬度高、润滑性好、耐磨性好、抗蚀性强，因而大大提高了钢领与钢丝圈摩擦面之间的抗磨能力，延长了钢领与钢丝圈使用期，减少纱支断头与毛羽，减轻了劳动强度。辽宁申请人公开了申请号为03134037.7名称为一种陶瓷钢领的技术方案：该陶瓷钢领是由9299氧化铝，0.56氧化铌和氧化镧的混合物或氧化镁或氧化钙或氧化镱或氧化铌和氧化镧、氧化镁、氧化钙、氧化镱的任意组合物之一和0.52的粘合剂构成。武汉申请人公开了申请号为200510019963.7名称为复合类金刚石涂层纺织钢领及其制备方法的技术方案：对经过渗碳或者渗氮处理的钢领进行辉光清洗，然后依次沉积过渡金属层、过渡金属和类金刚石混合层及过渡金属掺杂的纳米复合类金刚石涂层，复合类金刚石涂层纺织钢领。河南申请人申请号为200620032436.X名称为新型纺纱机钢领的技术方案，其特征为钢丝圈跑道的内侧面上刷镀有镍基低摩阻耐磨复合材料层。浙江申请人申请号为200710070442.3名称为氮化硅涂层钢领及其制备方法的技术方案，其特征为先对钢领工作面进行抛光和清洗处理；再将钢领放入射频等离子体增强化学气相沉积设备中，沉积面朝上，系统抽至真空，以硅烷和氨气为反应气源，在硅烷流量1030sccm、硅烷和氨气流量比 1/21/6、沉积温度300600、射频功率80150W的条件下，沉积1030min 停止，自然冷却，得到氮化硅涂层钢领。西安申请人申请号为200720031700.2名称为纳米陶瓷合金钢领的技术方案，特征为其由钢领本体和钢领本体表面覆盖的一层纳米陶瓷合金镀层组成。辽宁申请人申请号为200720103566.2名称为一种新型纺织机械用钢领的技术方案，基体采用铝合金制造，在钢领的表面设置（电解氧化或化学镀）有一层陶瓷膜。钢领钢丝圈材质与表面处理的研究具有一定的技术含量，所以上述15项申请中有4项的申请人为国内院校，包括上海工业大学、浙江理工大学、武汉大学和西安工程大学等。近年也有特殊浸涂材料应用于钢领钢丝圈，如北京邮电大学研制的PDR-纳米抗磨剂和823润滑剂。3.5锭子及其驱动3.5.1锭子高速锭子是高速纺纱的基础之一。锭子性能的优劣直接关系到筒管回转稳定性、传动功耗、传动效率、运转噪音和锭子寿命等运行参数，甚至影响到纺纱张力波动。锭子结构的改良绝大部分集中在可分离锭子上，改良的着眼点主要在于：改善润滑条件、改良轴向和径向支承摩擦副关系、振动的阻尼和缓解。以下通过例举二十多年来锭子结构相关技术的专利申请案例，显示锭子结构的改良和创新。在国内申请人的设计中有参照国外先进锭子设计方案的，也有具有创新的技术方案。表5：专利名称申请号申请人地域主要特征主要性能附图新式高速锭子88205680.8湖北下支承为向心球轴承最高30000rpm振幅为0.02mm图23高速纺纱锭子88211914.1上海上轴承与锭脚间装有弹性支撑组件最高18000rpm一种使用弹性支承的高速纺纱锭子90207419.9上海上轴承设有调心结构降低异常振动，节能，延寿一种双弹性支承细纱锭子94249104.1河南径向波纹管双弹性支承高速，低噪音，低成本，节能，延寿锭子的锭杆支承装置95202840.9浙江下轴承锭尖球轴承节能，延寿图24细纱机用高性能锭子97228705.1山西上下支承结合件由弹性圈连接最高26000rpm，振动小，噪音低锭子轴承装置99124896.1德国下轴承内壳具有轴颈径向阻尼好，成本低，结构紧凑图25分离式高速纺纱锭子01220863.9河南下轴承由径向和平底组成最高22000rpm，振幅小图26杆盘易插拔式双滚动支承型高速锭子01228468.8河南下轴承径向滚动轴承最高30000rpm，振幅小，寿命长图27杆盘易插拔式双滚动支承高速锭子01273582.5河南下轴承径向滚动轴承最高48000rpm，振幅小，寿命长图27精纺机新型高速锭子02200282.5山西下轴承为轴向球轴承最高22000rpm，振幅小，噪音低一种纺织锭子03203041.x河南上轴承上部设有储油腔加油周期长图28一种纺织锭子03254194.5河南上轴承设有密封圈和含油环，下轴承设有过滤器润滑条件好，寿命成倍延长图29一种纺织锭子03254193.7河南下轴承为径向圆球最高22000rpm，无摆动、窜动图30环锭纺纱锭200480020660.0德国中间和下部轴承为永久润滑滚动轴承润滑条件好图31二万转以上高速锭子新型支承装置200520024104.2山西下轴承为径向圆球无摆动、窜动图30适纺范围宽的精纺高速锭子200520135442.3江苏下支承径向滑动轴承锭速范围8000-30000rpm图32双振动系统高速纺纱锭子200720091027.1河南内外锭脚间填充阻尼介质运转稳定，振幅小，噪音低，寿命长锭子200710166369.x山西球底锭尖最高35000rpm，寿命长图26 图23 图24 图25 图26 图27 图28 图29 图30 图31 图323.5.2锭带传动锭带传动系统的结构改良进展不大，基本上集中在滚盘材料轻质化、单双张力盘的合理化、锭带材料的橡胶化。天津申请人申请号为90222810.2名称为浸胶锭带的申请公开了织物与橡胶复合的技术方案，该浸胶锭带的骨架结构为棉型，平纹、斜纹的囫囵边的扁平织物，其表面和缝隙间及棉纱内都包含有合成橡胶，所述浸胶锭带为实边，因此无破边和挂花现象。其特点是：因其带中含胶，胶中有带，所以摩擦系数大，传动滑溜小，伸长小，耐磨，不仅使用寿命长，而且节电效果好。山西申请人申请号为93216275.4名称为有聚氨酯涂层的锭带的申请公开了织物与聚氨酯复合的技术方案，在现有锭带上加着了耐磨且韧性好的聚氨酯涂层，为使涂层与织物层粘接牢靠，可将织物层事先扎孔，使涂胶层在固化前渗透到孔中，固化后形成胶柱，这样便可使固化后织物层两面的胶层形成整体结构。这种锭带的使用寿命比原有的锭带提高十倍，从而降低了生产成本，同时提高了传动效率。锭带传动大量应用的为一带四锭传动方式，另外，也有提出一带八锭（或以上）的传动方案，这基本上着眼于节能和减少机件损耗，但同时会带来锭速不一致性增大的可能。3.5.3龙带传动龙带传动虽然实际应用量不大，但其为一带多锭传动的典型应用。在同步驱动控制技术日益成熟进步的情况下，德国申请人提出了一种一带多电机同步驱动的技术方案，在中国专利申请号为96104303.2的发明专利申请中予以公开。在图33中以多电机同时驱动一根龙带，将大功率的一点驱动方式，变革为小功率的多点驱动方式，从而克服了龙带传动受力集中，驱动冲击大，局部易于过度伸长甚至断裂的弊端。图33据国外制造厂商称，多电机单龙带驱动可以比普通锭带驱动节能5，并可减少维护。3.5.4纺纱张力锭速控制技术纺纱张力锭速控制技术属于驱动控制技术范畴。自从变频调速技术被应用到工业控制中后，使锭速跟随纺纱张力变化规律进行程序化控制成为可能，达到在相当程度上平衡断头与产能矛盾的目的。对环锭纺纺纱张力变化规律的研究是纺纱理论发展的一个基础课题，在这个基础上对纺纱张力进行针对性的控制，因此对纺纱张力的控制涉及加捻卷绕结构及其每一个部件，而采用锭速程序控制是一种非常有效的补充技术。其可以在小纱段、大纱段和小直径纺纱时张力相对较大断头相对较多的期间内采用锭子相对低速，在中纱段和大直径纺纱时张力相对较小断头相对较少的期间内采用锭子相对高速，来提高锭速、增加产量或/和减少断头。在纺纱设备、品种和工艺确定后，纺纱过程中的动态平均张力主要随卷装卷绕位置和卷绕直径而变化，因而纺纱张力锭速控制技术的实质是卷装状态锭速控制技术。环锭纺的卷绕为圆锥形卷绕，因而在一落纱纺纱周期中，钢领板上下升降完成卷绕层和束缚层的一次往复运动称为短动程，卷绕位置随级升累加而从管底到管顶的上升可以称为全动程，钢领板的每一个上下运动都会使气圈高度、卷绕直径和钢丝圈姿态发生变化，并由此引起纺纱张力波动。早在五十年代，俄罗斯的巴甫洛夫就在精纺工程中介绍了纺纱张力锭速控制的概念，我国八十年代出版的棉纺教科书中也介绍了两种控制方式：一是基本调节法，其特征是卷装状态对应于纺纱输出长度的锭速控制，即全动程锭速控制；二是“逐层调节法”，其特征是卷装状态对应于纺纱输出长度复合卷绕直径的锭速控制，即全动程和短动程复合锭速控制。需要指出的是，将全动程和短动程复合锭速控制称为“逐层调节法”并不合理，从字面解释，“逐层调节法”是以“层”为速度调节的基点，即层与层间速度是变化的，其没有表达出层内有速度变化。事实上针对短动程的锭速调节是以卷装直径为主要变量的函数关系，因而其是一种“逐径调节法”，笔者认为这种全动程和短动程复合锭速控制技术比较科学的称法应该为卷装状态锭速控制技术。基本调节锭速控制法，即输出长度多分段（如10分段）变速曲线已被广泛采用。其甚至已被认为是环锭细纱机采用变频驱动的主要理由。锭速控制方式也由多分段速度有级变化发展为速度平滑连续的无级变化控制方式。全动程和短动程复合锭速控制法，国外也已有少量商业应用（一般作为选配功能）。图34为在八十年代出版的棉纺教科书有关全动程和短动程复合锭速控制的曲线图。全动程和短动程复合锭速控制，是一种更趋完善的卷装状态锭速控制技术。由于短动程大小直径的卷绕张力差异很大，按照本文2.3节的实例测试与推算，中纱阶段小直径比大直径卷绕段张力大近80。应用全动程和短动程复合锭速控制，可以大幅度降低这个差异，即降低小直径部位的锭速、增加大直径部位的锭速，从而可在不降低平均锭速和产量的情况下降低断头率，或者在适当增加平均锭速和产量的情况下维持断头率水平。图34以下以降低大小直径的卷绕段张力差异值为目标，依据短动程大小直径的实测卷绕段张力差异值、卷绕段张力与锭速的平方成正比例以及调整后卷绕段张力取中间值三个关系式，就可以推算短动程大小直径的锭速与卷绕段张力的调整范围。仍以本文2.3节中纱阶段的实例测试进行推算：由本文2.3节的实例测试推算得： T小1.8 T大（1）由根据（1）式及调整后大小直径时卷绕段张力基本不变设定调整后的卷绕段张力为中间值： T后1.342T大T小 /1.342（2）由调整前后张力与锭速的平方成正比例得： （N大/N前）2 T后/T大 （3）（N小/N前）2 T后/T小 （4）根据（2）和（3）式运算得： N小 0.863 N前（5）根据（2）和（4）式运算得： N大 1.158 N前（6）式中T大、T小分别为大小直径时调整前锭速为N前对应的卷绕段张力，T后为大小直径时调整后的卷绕段张力，N大、N小分别为调整后在卷绕段张力相近时大小直径对应的锭速。即以调整前的平均锭速N前16000rpm为推算基础，当调整后大小直径处的锭速N小13810rpm、N大18530rpm时，大小直径处卷绕段张力相近。当然这是以卷绕段张力为调整目标的推算，实际调整应以纺纱段张力为调整目标，这可以通过深一步的计算和测试进行修正。在专利文献中，北京申请人申请号为200720143354.7的专利申请提供了一种名称为“细纱机逐层调速装置”的技术方案（图35），其是钢领板随着成形凸轮的旋转，由卷绕大直径到卷绕小直径，气圈角速度由高到低；反之，在钢领板下降时气圈角速度由低到高。申请文件中称其能实现恒张力纺纱。图35确实，这种五十年前就提出的缩小纺纱过程中张力波动差异率的技术方案，现今因为驱动技术的进步和控制技术的普及化而可以进入大范围应用期，这将为纺纱企业带来效益。不过在有着自由气圈和钢领钢丝圈滑动摩擦副的环锭细纱机上，恒张力纺纱的“恒”也许只是一个相对概念。事实上，一方面以宏观平均张力为调节目标，通过锭速的调整只能缩小差异，而不能或者不需要真正恒定，毕竟大张力区段的锭速降低要兼顾产量、小张力区段的锭速提升要兼顾钢丝圈线速度；另一方面，气圈和钢丝圈两大不稳定因素产生的瞬态张力波动，如果没有检测反馈控制系统，是无法通过锭速的调整实现真正意义上的纺纱张力恒定。3.5.5单锭电机直接驱动锭子单锭电机直接驱动锭子简称电锭，是电机与锭子的有机组合。其优势在于大幅度的节能、锭间转速一致性好、控制和管理的便利性。正如本文第2.3节表2计算的结果，在加捻部分的有功功耗中，有效加捻功耗仅占整个加捻部分有功功耗的四分之一左右，其余均耗费在：主电机传动皮带主轴滚盘锭带张力盘锭子等传动链系统中。单锭电机直接驱动消除或减轻了多级间接传动过程中的法向力、传动支承损耗和高线速度元件空气阻尼等耗能环节。按照某些实验和推算，电锭可比锭带或龙带传动在卷绕能耗方面节能达50以上。电锭驱动的电机主要有交流异步电机和永磁同步直流无刷电机等动力源。在锭间转速一致性方面，采用交流异步电机驱动的电锭转速差异率可在1左右，而采用永磁同步直流无刷电机驱动的电锭转速差异率可小于0.1。因而其可以大大降低因捻度不匀而导致的单纱强度不匀。同时电锭的控制和管理便利性也是传统驱动不可比拟的，经过与主机中央处理器的通讯和运算，并经功能扩展，可以实现如下监测、控制和数据统计及报警：1) 断头监测、控制停转及制动，并可多级显示，重复断头提示2) 断头锭位、时间、期间、输出长度、升降及高度统计3) 断头率统计、排序4) 纺纱长度与断头分布统计5) 准确的全机产量统计6) 时间效率、长度（产量）效率统计7) 锭子驱动分段变速曲线8) 单锭锭速统计、排序9) 锭子负荷异常监测、显示和锭位统计、排序10) 键盘设定ZS捻向等等，涵盖工艺管理、设备维护和运转操作三大基础管理所需的信息，并用于指导优化生产管理，如在运转操作方面，可以优化值车路径，即时引导操作次序，还可分析生产效率与操作工的主观关系强化考核；在工艺管理方面，可以方便地获知锭速和锭速分段与断头率关系，优化当前纺纱条件下的锭速分段曲线，充分挖掘增产潜力，并因捻度不匀的降低而改善强度不匀；在设备维护方面，可以及时发现问题锭位引导修复，并方便落实维修考核。总之电锭驱动的监测、控制和数据统计及报警不但可以包含ISM（瑞士立达公司单锭监控系统）、Ring i（印度普瑞美公司细纱机纱锭及纺纱监测系统）、OptiSpin（比利时巴可Barco公司的导纱钩纱条监测系统）或FilaGuard（德国青泽公司的纱线断头监视器）等的全部功能，而且经功能扩展后可以方便地实现如纺纱张力锭速控制或卷装状态锭速控制等定制功能。因而电锭驱动可以在节省电能、优化用工、提升产能、改善品质、降低物耗和强化管理等方面为纺纱企业带来效益。下表为自1995年以来中国专利局公告的电锭相关技术专利申请。表6：名称申请号申请人地域主要特征主要性能附图电纺锭95120610.9山西上下轴承各有油润滑，下轴承设有消振结构实验转速36000rpm时功耗31.9w，节电52.7图36纺纱机中一种单驱动锭子及制动/再起动该锭子的装置97114