經(jīng)緯紡織機(jī)械股份有限公司　楊華明/文

直倍捻機(jī)節(jié)能技術(shù)探討

經(jīng)緯紡織機(jī)械股份有限公司楊華明/文

闡述直捻機(jī)或倍捻機(jī)通過(guò)減小氣圈形態(tài)來(lái)達(dá)到節(jié)能目的的觀點(diǎn)，分析直倍捻工藝中形成氣圈的必要條件以及影響氣圈大小的因素，探索通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有直捻機(jī)或倍捻機(jī)技術(shù)中的錠子組件的方法，對(duì)錠罐、加捻盤和儲(chǔ)紗盤的結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而減小氣圈形態(tài)，達(dá)到節(jié)能降噪的目的。

直捻； 倍捻； 錠子組件； 氣圈； 轉(zhuǎn)矩； 節(jié)能

1　引言

在采用直捻機(jī)或倍捻機(jī)加捻紗線的直、倍捻工藝中，具有一定張力的紗線從與錠子軸線垂直的儲(chǔ)紗盤橫向出口引出，經(jīng)過(guò)加捻盤導(dǎo)向位于錠子上方固定不動(dòng)的導(dǎo)紗器，紗線隨著錠子旋轉(zhuǎn)，在空氣阻力和離心力作用下形成氣圈。隨錠子旋轉(zhuǎn)的紗線氣圈在捻線輸送過(guò)程中克服空氣阻力需消耗能量。從實(shí)踐中得知，氣圈形態(tài)影響能量消耗多少以及噪音大小。氣圈小，克服空氣阻力消耗的能量少，產(chǎn)生的噪音低。

2　錠子能量消耗的組成

直捻機(jī)或倍捻機(jī)用于完成紗線加捻并形成卷裝，設(shè)備的能量消耗主要來(lái)自于實(shí)現(xiàn)加捻功能的核心部件錠子驅(qū)動(dòng)所需的能量，而用來(lái)驅(qū)動(dòng)錠子的能量消耗包括錠子空轉(zhuǎn)消耗的功率和帶動(dòng)紗線旋轉(zhuǎn)形成氣圈時(shí)氣圈消耗的功率，即：

P錠子=P空轉(zhuǎn)+P氣圈

式中：

P錠子表示一只錠子消耗的功率；

P空轉(zhuǎn)表示一只錠子空轉(zhuǎn)消耗的功率；

P氣圈表示紗線形成氣圈時(shí)一只錠子消耗在氣圈上的功率。

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得到的測(cè)試數(shù)據(jù)可表明：錠子本身消耗的功率所占比例很小，直、倍捻機(jī)錠子消耗的能量主要用于氣圈隨錠子旋轉(zhuǎn)時(shí)克服空氣阻力做功。

并且，已有相關(guān)試驗(yàn)和研究推導(dǎo)出：

P氣圈=5.6×10-3·n3·R3·D·H

式中：

n——錠子轉(zhuǎn)速

R——?dú)馊Π霃?/p>

D——加捻絲線的平均直徑

H——?dú)馊Ω叨?/p>

上述式子清楚表明了氣圈大小和錠子消耗的能量之間的關(guān)系，即紗線氣圈克服空氣阻力消耗的能量與氣圈形態(tài)（包括氣圈直徑和高度）有關(guān)。

顯然，直、倍捻機(jī)驅(qū)動(dòng)錠子所消耗的能量與氣圈形態(tài)有關(guān)。

3　形成氣圈的條件

在直、倍捻機(jī)中，握持點(diǎn)、紗線張力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速是紗線旋轉(zhuǎn)形成氣圈從而完成加捻的必要條件。

圖1　氣圈形成條件示意圖

如圖1所示，錠子上方固定不動(dòng)的導(dǎo)紗器O是紗線的握持點(diǎn)，與錠子固定連接、具有一定半徑r的儲(chǔ)紗盤是紗線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣圈時(shí)具備一定轉(zhuǎn)矩的必需件，錠子轉(zhuǎn)速ω是帶動(dòng)紗線旋轉(zhuǎn)形成氣圈的動(dòng)力來(lái)源。

4　影響氣圈形態(tài)的因素

氣圈形態(tài)即氣圈幾何形狀及大小，由氣圈高度尺寸和氣圈包絡(luò)曲面半徑確定。

已有研究表明：氣圈張力及膨脹程度與倍捻機(jī)的加捻盤、儲(chǔ)紗盤形狀大小、導(dǎo)紗鉤高度有直接關(guān)系。在保證幾何尺寸滿足自由氣圈的形成條件下，儲(chǔ)紗盤出口點(diǎn)的張力和相應(yīng)的導(dǎo)紗器高度決定了自由氣圈的形態(tài)。

4.1影響氣圈高度的因素

對(duì)某臺(tái)投入生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的直捻機(jī)或倍捻機(jī)而言，如圖1所示，氣圈高度H即儲(chǔ)紗盤到導(dǎo)紗器的距離，通常不再變動(dòng)，是固定值，由設(shè)備安裝尺寸確定，不受其他因素影響。（為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，下文將氣圈直徑大小簡(jiǎn)稱氣圈大小。）

4.2影響氣圈直徑的因素

紗線隨錠子旋轉(zhuǎn)在錠罐外圍形成氣圈。通常，直、倍捻機(jī)是根據(jù)喂入卷裝大小來(lái)確定錠罐罐身直徑，據(jù)此再確定加捻盤直徑和儲(chǔ)紗盤直徑。而在加捻過(guò)程中影響氣圈直徑的因素有：紗支、錠速、紗線張力及轉(zhuǎn)矩等。

1）紗支

采用同一設(shè)備加捻粗細(xì)不同的紗，在相同的錠速下，加捻粗紗時(shí)氣圈大，能耗多，噪音大；加捻細(xì)紗氣圈小，能耗低，噪音小。

2）錠速

加捻同一品種的紗線，在不改變紗線張力的情況下，錠速越高，氣圈越大，錠子消耗的功率越多，噪音也越大。反之，如錠速低，則氣圈小，能耗低，噪音也小。

3）紗線張力

已有研究和實(shí)驗(yàn)表明：加捻相同品種的紗線，氣圈張力大，氣圈小，氣圈能耗少；氣圈張力小，氣圈大，氣圈能耗大。

對(duì)于如圖1所示的已確定結(jié)構(gòu)及尺寸的加捻錠子組件：在紗支、轉(zhuǎn)速一定的情況下，不論紗線在進(jìn)入儲(chǔ)紗盤前的張力增大或減小，只要紗線在儲(chǔ)紗盤上的包角大于0度，儲(chǔ)紗盤在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中會(huì)通過(guò)紗線在儲(chǔ)紗盤上包角的變化而自行平衡氣圈張力，起到控制氣圈大小的作用，從而維持氣圈形態(tài)的穩(wěn)定，因此，不會(huì)產(chǎn)生節(jié)能效果；

但是，當(dāng)增大紗線張力至紗線在儲(chǔ)紗盤上的包角小于0度后，此時(shí)儲(chǔ)紗盤上無(wú)紗線存儲(chǔ)、不會(huì)自行調(diào)整氣圈張力，所以在儲(chǔ)紗盤前增大的紗線張力使紗線在離開儲(chǔ)紗盤后形成的氣圈張力也相應(yīng)地增大，從而可以使氣圈明顯減小，達(dá)到節(jié)能降噪效果。此外，在這種情況下，如果紗線進(jìn)入儲(chǔ)紗盤前的張力有波動(dòng)，還會(huì)導(dǎo)致氣圈大小的波動(dòng)，使得氣圈處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

所以說(shuō)，在一定條件下，紗線張力及氣圈張力會(huì)對(duì)氣圈形態(tài)產(chǎn)生影響。實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)直捻機(jī)外紗張力的方法來(lái)增大氣圈張力，使氣圈減小，從而達(dá)到節(jié)能降噪的目的。

4）轉(zhuǎn)矩

根據(jù)物體轉(zhuǎn)動(dòng)定律，紗線要圍繞錠子中心旋轉(zhuǎn)形成氣圈必須具備一定的轉(zhuǎn)矩，所以，從錠子組件的儲(chǔ)紗盤拋出的紗線必須同時(shí)具備一定的張力和轉(zhuǎn)動(dòng)力臂，紗線才能隨錠子旋轉(zhuǎn)形成氣圈。如圖2所示的作用力F、力臂a和轉(zhuǎn)速ω均大于零，這是紗線形成氣圈的必要條件。即，紗線在儲(chǔ)紗盤上以一定的轉(zhuǎn)矩拋出并隨錠子以ω速度旋轉(zhuǎn)從而形成自由氣圈。

圖2　影響氣圈直徑的因素分析示意圖

所以，紗線轉(zhuǎn)矩和錠子轉(zhuǎn)速的大小是直接影響紗線旋轉(zhuǎn)所形成的氣圈幾何形狀的因素，也是影響加捻過(guò)程中紗線氣圈消耗功率大小的重要因素。

如圖1所示，在直捻機(jī)或倍捻機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)及位置尺寸已確定的情況下，圖1中的紗線高度H即為固定值。圖中r為儲(chǔ)紗盤半徑，ω為錠子轉(zhuǎn)速。

錠子驅(qū)動(dòng)紗線隨錠子旋轉(zhuǎn)形成氣圈所需要的功率，就是紗線離開儲(chǔ)紗盤時(shí)的轉(zhuǎn)矩做的功，即P=T·ω。

其中：P為功率，T為轉(zhuǎn)矩，ω為轉(zhuǎn)速。

由公式P=T·ω可以看出，轉(zhuǎn)矩小，功率小，能耗低。

所以，欲減小功率P達(dá)到節(jié)能目的，除了上述提到的采取減小轉(zhuǎn)速的方式外，還可以采用減小轉(zhuǎn)矩的方式。

即在轉(zhuǎn)速ω一定的情況下，如果減小轉(zhuǎn)矩T，就可以減小錠子驅(qū)動(dòng)紗線旋轉(zhuǎn)形成氣圈所需要的功率P。

而轉(zhuǎn)矩T和紗線作用力F以及紗線旋轉(zhuǎn)力臂a之間存在關(guān)系式：T=F·a。

所以，欲減小功率P，就可以通過(guò)改變紗線離開儲(chǔ)紗盤時(shí)的作用力F及轉(zhuǎn)動(dòng)力臂a從而減小轉(zhuǎn)矩T的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

① 紗線作用力

如圖1所示的錠子，在加捻過(guò)程中，紗線離開儲(chǔ)紗盤后隨錠子旋轉(zhuǎn)形成自由氣圈。紗線在離開儲(chǔ)紗盤時(shí)所受的作用力即紗線張力，一方面用于提供紗線向上輸送所需的張力，另一方面用于提供紗線隨錠子旋轉(zhuǎn)所需的離心力。

提供給紗線向上輸送的穩(wěn)定的張力可以通過(guò)紗線張力器和儲(chǔ)紗盤來(lái)調(diào)節(jié)，提供紗線離開儲(chǔ)紗盤形成氣圈旋轉(zhuǎn)所需的離心力，與紗線質(zhì)量、轉(zhuǎn)速及儲(chǔ)紗盤半徑有關(guān)，按F= Mω2r變化。

這第二種“正在形成或者繼續(xù)重建”的結(jié)構(gòu)與存在論中的建構(gòu)結(jié)構(gòu)似乎具有某些相通之處。前提是，如果我們以存在主義觀點(diǎn)而非生物主義觀點(diǎn)來(lái)給這第二種結(jié)構(gòu)定下基調(diào)——從人的活動(dòng)即“此在”結(jié)構(gòu)出發(fā)，就可以將“民間故事活動(dòng)”看成一個(gè)“開放的活的”結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，始終處于未封閉的形成過(guò)程中，并通過(guò)不斷的交流進(jìn)行調(diào)節(jié)達(dá)到暫時(shí)平衡。[注]此觀點(diǎn)詳見(jiàn)張瓊潔《當(dāng)代民間故事活動(dòng)價(jià)值發(fā)生研究》，《民族文學(xué)研究》，2018年，第1期。

a. 減小紗線張力

由轉(zhuǎn)矩公式T=F·a可知，當(dāng)轉(zhuǎn)臂a不變時(shí)，如果減小紗線離開儲(chǔ)紗盤時(shí)的紗線張力F，可以減小紗線離開儲(chǔ)紗盤后隨錠子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣圈所需的轉(zhuǎn)矩T；又因?yàn)楣β屎娃D(zhuǎn)矩間存在關(guān)系式P=T·ω，所以產(chǎn)生氣圈的轉(zhuǎn)矩T減小，就可以減少維持氣圈正常運(yùn)動(dòng)所需的功率P。

比如，在公開號(hào)為CN1210910A的發(fā)明專利說(shuō)明書中闡述了該發(fā)明的任務(wù)就是創(chuàng)造一種倍捻錠子或作為直接并股捻線錠子設(shè)計(jì)的捻線錠子，采用這種無(wú)儲(chǔ)紗盤但具有自由旋轉(zhuǎn)的中間套的錠子，可以使作用在紗線上的拉力保持得很小，可使傳動(dòng)錠子所需要的傳動(dòng)功率保持盡可能的小并可提高生產(chǎn)率。

然而，當(dāng)轉(zhuǎn)速ω一定時(shí)，對(duì)于圖1所示的直捻機(jī)或倍捻機(jī)而言，其具有隨錠子旋轉(zhuǎn)的儲(chǔ)紗盤、加捻盤以及固定不動(dòng)的錠罐的加捻錠子組件，在儲(chǔ)紗盤出口處的紗線張力F為了滿足紗線旋轉(zhuǎn)形成氣圈所需的離心力，F(xiàn)必須大于等于此處的離心力Mω2r，即F≥Mω2r；又由于紗線離開儲(chǔ)紗盤后會(huì)被引向錠子上方的導(dǎo)紗器并向上輸送給超喂輥，所以紗線要保證紗線勻速輸送，必須保證紗線張力具備一定大小的值，以形成穩(wěn)定形態(tài)的氣圈，不可能無(wú)限度減小儲(chǔ)紗盤口的紗線張力F。

并且，在加捻過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩a不變的情況是儲(chǔ)紗盤始終有包角的狀態(tài)，即α≥0。

而當(dāng)紗線在儲(chǔ)紗盤上包角α≥0時(shí)，如圖2所示，改變紗線進(jìn)入儲(chǔ)紗盤前的張力，由于紗線在儲(chǔ)紗盤上通過(guò)包纏角變化自行調(diào)節(jié)紗線張力，使得從儲(chǔ)紗盤引出的紗線9張力恒定、氣圈形態(tài)穩(wěn)定，并且此時(shí)的力臂即儲(chǔ)紗盤半徑（a=r），如果錠子轉(zhuǎn)速一定，此時(shí)的錠子消耗的功率就是個(gè)恒定值。

所以，對(duì)于具有圖1所示的加捻錠子組件的直捻機(jī)或倍捻機(jī)而言，通過(guò)紗線張力器減小紗線張力的方式不能達(dá)到減小氣圈而節(jié)能的目的。但是如果按照F≥Mω2r的相關(guān)影響因素來(lái)減小作用力F的話，比如通過(guò)降低轉(zhuǎn)速ω或減小儲(chǔ)紗盤半徑r等方式來(lái)降低紗線張力，可使傳動(dòng)錠子所需要的傳動(dòng)功率減小，這樣可以達(dá)到降低能耗的效果。這在試驗(yàn)和生產(chǎn)中均得到驗(yàn)證。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩和功率公式T=F·a和P= T·ω可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速ω不變時(shí)，如果增大紗線張力F，只有同時(shí)減小力臂a，才可能降低轉(zhuǎn)矩T，從而降低功率P。

增大紗線張力F，可以使紗線在儲(chǔ)紗盤上的包角α＜0。

而當(dāng)α＜0時(shí)，紗線離開儲(chǔ)紗盤瓷柱，如圖2所示的紗線10，其力臂a小于儲(chǔ)紗盤半徑r，即a ＜r。

通過(guò)試驗(yàn)表明，增大紗線在儲(chǔ)紗盤前的張力，使紗線在儲(chǔ)紗盤上的包角α＜0后，紗線氣圈明顯減小。

當(dāng)α＜0時(shí)，紗線離開儲(chǔ)紗盤口的張力隨紗線進(jìn)入儲(chǔ)紗盤前的張力大小變化。但在錠子轉(zhuǎn)速ω不變的情況下，紗線離開儲(chǔ)紗盤時(shí)滿足紗線隨錠子旋轉(zhuǎn)所需的離心力F=Mω2r是不變的。如果此時(shí)增加外紗張力，由于離心力不變，紗線向上的拉力就會(huì)增加。當(dāng)紗線向上的拉力增加時(shí)，會(huì)使氣圈變小。而氣圈變小，根據(jù)相關(guān)研究推導(dǎo)出的氣圈消耗功率公式P氣圈=5.6×10-3·n3·R3·D·H可知，消耗在氣圈上的功率降低。

從旋轉(zhuǎn)物體消耗功率的角度來(lái)說(shuō)，離開儲(chǔ)紗盤的紗線氣圈消耗的功率P=T?ω= F?a?ω，此時(shí)式中的紗線張力F增大，但力臂a 大大減小，力矩T也減小，所以功率P也減小。這與上述氣圈小、功率消耗低的結(jié)論是一致的。

② 轉(zhuǎn)動(dòng)力臂

從功率與力臂間的關(guān)系P= T·ω= F·a·ω可知，在作用力F和轉(zhuǎn)速ω不變的情況下，改變力臂a的大小，可以改變功率P值。即，增大力臂a，功率P增加；反之，減小力臂a，功率P降低。

通過(guò)減小力臂a從而實(shí)現(xiàn)功率P降低，可以根據(jù)紗線在儲(chǔ)紗盤上的包角變化情況進(jìn)行討論。

a. 減小儲(chǔ)紗盤和加捻盤半徑使力臂減小

當(dāng)紗線在儲(chǔ)紗盤上的包角α≥0時(shí)，如圖2所示，力臂等于儲(chǔ)紗盤半徑，即a=r，所以要想減小功率P就可以減小儲(chǔ)紗盤半徑r。

反復(fù)的試驗(yàn)表明：在紡紗工藝條件不變以及紗線在儲(chǔ)紗盤上的包角α≥0的情況下，如果減小儲(chǔ)紗盤半徑r至適當(dāng)值時(shí)，不需增加紗線進(jìn)入錠子組件前的張力，就可以使氣圈直徑明顯減小，達(dá)到節(jié)能降噪的效果。

所以，在制造設(shè)備的生產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)現(xiàn)有的直、倍捻機(jī)加捻錠子組件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

具體方案是：根據(jù)喂入卷裝大小確定錠罐最大直徑后，再根據(jù)錠罐安裝方式以及喂入卷裝在罐內(nèi)的放置情況確定下罐形狀尺寸，下罐仿照氣圈形態(tài)設(shè)計(jì)為錐形，然后再通過(guò)減小加捻盤直徑，使紗線隨錠子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣圈下部（圍繞下罐的部分）直徑變小，同時(shí)，減小儲(chǔ)紗盤直徑，使紗線隨錠子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣圈曲率半徑變大，即包繞在錠罐外圍的氣圈直徑變小，整個(gè)氣圈形態(tài)變“瘦”，并且，結(jié)合錠罐大小和形狀，對(duì)加捻盤和儲(chǔ)紗盤結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化配比設(shè)計(jì)，最終使外紗圍繞錠子產(chǎn)生的自由氣圈直徑變小，在保證加捻紗線品質(zhì)的情況下（即紗線不與錠罐接觸，避免因摩擦產(chǎn)生毛絲或斷絲），最終使得采用這種新型節(jié)能電錠的捻線機(jī)達(dá)到節(jié)能10%～20%的目的。

采用此方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的捻線機(jī)，其節(jié)能效果具體來(lái)源于兩方面：一方面加捻盤和儲(chǔ)紗盤作為紗線隨錠子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣圈的導(dǎo)向件，當(dāng)直徑減小時(shí)，可以使紗線捻線過(guò)程中形成的氣圈直徑減小，而氣圈直徑減小，其克服空氣阻力所需的能量就會(huì)減小。另一方面，儲(chǔ)紗盤和加捻盤作為旋轉(zhuǎn)錠子的一部分，其直徑減小可以使錠子本身消耗的能量減少。

另外，此設(shè)計(jì)方案是根據(jù)喂入卷裝大小來(lái)設(shè)計(jì)錠罐結(jié)構(gòu)尺寸，并且仿照氣圈形態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)錠罐外形，這樣可有效避免紗線氣圈與錠罐摩擦而損傷紗線或產(chǎn)生斷紗，能保證紗線加捻順利進(jìn)行并保證良好的紗線品質(zhì)；另外，錠罐的下罐設(shè)計(jì)成錐形形狀，與氣圈形態(tài)相仿，并且尺寸大小設(shè)計(jì)成與加捻盤大小匹配，這樣可以避免紗線從加捻盤引出時(shí)在加捻盤上方邊緣處形成氣流旋渦而導(dǎo)致較大的能量消耗。

b. 通過(guò)增大紗線張力的方式使力臂減小

當(dāng)紗線在儲(chǔ)紗盤上的包角α＜0時(shí)，如圖2所示，力臂小于儲(chǔ)紗盤半徑，即a ＜r。此種情況力臂大小由紗線的引出方向決定，而紗線的引出方向由紗線張力大小和儲(chǔ)紗盤上瓷柱位置確定。紗線張力越大，力臂越小。當(dāng)紗線從儲(chǔ)紗盤瓷柱處拋出的轉(zhuǎn)矩減小時(shí)，會(huì)使紗線氣圈變小，達(dá)到節(jié)能效果。增大紗線張力使紗線在儲(chǔ)紗盤上的包角小于0度從而減小氣圈、達(dá)到節(jié)能效果外，還可以通過(guò)減小儲(chǔ)紗盤、加捻盤半徑等優(yōu)化錠子組件結(jié)構(gòu)的方式減小紗線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，從而減少傳動(dòng)錠子帶動(dòng)氣圈運(yùn)動(dòng)所需的傳動(dòng)功率。

FZJX

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5　結(jié)論

5.1紗支、錠速和氣圈大小是影響直倍捻機(jī)氣圈消耗功率的因素。同時(shí)，紗支和錠速又是氣圈直徑大小的影響因素。此外，影響氣圈直徑大小的因素還有紗線張力、轉(zhuǎn)矩、錠子組件結(jié)構(gòu)及尺寸。

5.2直、倍捻機(jī)在紗支、錠速一定的情況下，除了通過(guò)