翁 明

（河南二紡機(jī)股份有限公司，河南 信陽 464000）

0 引言

纖維加捻成紗的方法源于紗錠的發(fā)明，紗錠的應(yīng)用至少要追溯到五六千年以前的新石器時(shí)代。那時(shí)，我們祖先發(fā)明的一種紡紗工具稱為“紡縛”。紡縛由陶片或石片制作的縛盤及縛桿組成，用手轉(zhuǎn)動(dòng)縛盤時(shí)，縛盤自身的重力使蓬亂的纖維得到牽伸，同時(shí)又使拉細(xì)的纖維叢被加捻成麻花狀紗條，再卷繞在縛桿上。西漢時(shí)期，冶鐵技術(shù)得到較大的發(fā)展，出現(xiàn)了用鐵桿制作的紡縛，陶制的縛盤厚度和形狀從古到今基本沒有什么變化，我們祖先的聰明智慧令人贊嘆！經(jīng)過后人不斷的試驗(yàn)和改進(jìn)，原來的手搖式單錠紡車改造成腳踏式三錠紡車。手工紡車所用的錠子就成為現(xiàn)代錠子的雛形。到18世紀(jì)，工業(yè)革命大大促進(jìn)了紡織技術(shù)的發(fā)展，古老的手工紡紗逐漸被機(jī)器紡紗所取代：1765年，英國工人詹姆斯·哈里斯發(fā)明了珍妮紡紗機(jī)，該紡紗機(jī)有16個(gè)～18個(gè)錠子，是紡紗技術(shù)上的一大進(jìn)步。1769年鐘表匠阿爾克萊斯制成了水力轉(zhuǎn)動(dòng)的紡紗機(jī)，從此，機(jī)器傳動(dòng)代替了人力傳動(dòng)，這種紡紗機(jī)牽伸由三對(duì)羅拉完成，加捻用的是翼錠，翼錠的缺點(diǎn)是高速時(shí)錠臂在離心力的作用下發(fā)生很大的變形而影響轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)因空氣阻力大導(dǎo)致機(jī)器的功率消耗過大［1］。1779年克隆普頓改進(jìn)了珍妮紡紗機(jī)和水力紡紗機(jī)，設(shè)計(jì)了走錠紡紗機(jī)；理查德·羅伯特又將它改造成自動(dòng)走錠紡紗機(jī)，這種紡紗方法紡出的紗線細(xì)而柔軟，比環(huán)錠紡豐滿、手感柔軟，整齊度、均勻性好，走錠的加捻和卷繞過程是先后分別完成的。因此，機(jī)器生產(chǎn)率和勞動(dòng)生產(chǎn)率都較低。19世紀(jì)中葉，美國發(fā)明家費(fèi)爾斯和詹克斯設(shè)計(jì)了一種上、下滑動(dòng)軸承、不封閉的環(huán)錠紡紗機(jī)錠子，其錠速約為6kr／min。由于是不封閉的錠子結(jié)構(gòu)，不能儲(chǔ)油防塵，需經(jīng)常加油，且易油污紗線及機(jī)器。美國的拉貝思對(duì)錠子作了革命性改進(jìn)，他把錠子的上、下軸承封閉在一個(gè)殼體內(nèi)，現(xiàn)代意義上的細(xì)紗錠子才開始出現(xiàn)，又經(jīng)過不斷改進(jìn)和發(fā)展，錠子基本定型，成為由桿盤、下支承兩大主要部件和一些具有輔助功能的部件如剎錠器組成的綜合體。

1 錠子在紡紗工程中的地位

錠子是細(xì)紗機(jī)的主要加捻卷繞部件之一，是紡紗工業(yè)的象征，業(yè)內(nèi)習(xí)慣上以擁有的細(xì)紗錠子的數(shù)量來衡量紡紗企業(yè)的設(shè)備規(guī)模和生產(chǎn)能力。細(xì)紗錠子外觀通常是一根帶有錠盤的細(xì)長軸，由裝配在錠腳內(nèi)的上軸承及錠底（下軸承）支撐，由傳動(dòng)帶拖動(dòng)作高速回轉(zhuǎn)。細(xì)紗工序是成紗的最后一道工序，它是將粗紗或條子通過牽伸、加捻紡成一定號(hào)數(shù)且符合國家質(zhì)量要求的細(xì)紗，供捻線、機(jī)織或針織使用。隨著紡織技術(shù)的發(fā)展，各種新型紡紗方法不斷出現(xiàn)，但傳統(tǒng)的環(huán)錠紡紗方法在紡織生產(chǎn)中仍然占有很重要的地位，這是因?yàn)樵诂F(xiàn)存的各種紡紗技術(shù)中，傳統(tǒng)的環(huán)錠紡紗能提供最高的原料利用率、最大的適紡范圍以及不可比擬的紡紗質(zhì)量。在近年來的國內(nèi)國際紡織機(jī)械展覽會(huì)上，世界各國著名的紡織機(jī)械設(shè)計(jì)及制造公司都展出了各自的環(huán)錠紡紗設(shè)備，充分表明環(huán)錠紡紗仍然且將繼續(xù)占主導(dǎo)地位，自20世紀(jì)50～60年代起，盡管受到各種新型紡紗技術(shù)的挑戰(zhàn)，環(huán)錠紡仍然在多種紡紗技術(shù)中保持著絕對(duì)的領(lǐng)先地位。當(dāng)今世界的紗錠保有量約為3億錠，僅中國就約占1.3億錠，環(huán)錠紗占世界紡紗總量的80%以上［2］。

環(huán)錠紡紗技術(shù)在應(yīng)對(duì)各種新型紡紗技術(shù)挑戰(zhàn)的過程中，其本身也取得了長足發(fā)展。集聚紡紗技術(shù)、復(fù)合紡紗技術(shù)拓寬了環(huán)錠紡紗技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，帶自動(dòng)落紗的細(xì)紗長車技術(shù)和細(xì)絡(luò)聯(lián)技術(shù)大大減少了細(xì)紗用工。錠子是環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的關(guān)鍵部件，加捻卷繞機(jī)構(gòu)的核心部件，其性能良好與否直接影響細(xì)紗機(jī)產(chǎn)量、紗線質(zhì)量、企業(yè)的勞動(dòng)力消耗、環(huán)境噪聲和勞動(dòng)生產(chǎn)率；所以，環(huán)錠紡紗技術(shù)的不斷發(fā)展也促進(jìn)了紡紗錠子的不斷改進(jìn)與發(fā)展［3］。

2 錠子家族的多樣性

隨著錠速提高和卷裝容量的擴(kuò)大，錠子結(jié)構(gòu)也在不斷改進(jìn)。20世紀(jì)初期，德國開始制造滾柱軸承錠子，即上軸承采用滾柱軸承承受徑向負(fù)荷，下軸承稱為錠底以承托錠子的質(zhì)量，兩者剛性連接，稱剛性錠子，錠速為8kr／min～12kr／min。到了20世紀(jì)50年代又發(fā)展了錠底為彈性支承的錠子，稱彈性錠子。以后，錠子的改進(jìn)側(cè)重在研究錠子的支承結(jié)構(gòu)以提高錠速，到70年代棉紡錠速已達(dá)到18kr／min以上；但高速后產(chǎn)生的噪聲、功率消耗增加和機(jī)件加劇磨損等問題遂成了研究的重要課題。由于紡紗原料品種的多樣性，再加上工藝的發(fā)展，錠子的型式日益增多，如：紡制粘膠長絲時(shí)采用的電動(dòng)錠子，棉紡、毛紡或化纖長絲捻線機(jī)采用的倍捻錠子，花色捻線機(jī)上采用的空心錠子等。

3 棉紡錠子的發(fā)展方向及形式

棉紡錠子的發(fā)展方向與形式是統(tǒng)一的，其發(fā)展方向決定或選擇了發(fā)展形式，而其發(fā)展形式是為了適應(yīng)或滿足發(fā)展方向。

3.1 發(fā)展方向

錠子家族中產(chǎn)量最大、品種最多的是棉紡細(xì)紗錠子，其發(fā)展方向大致概括為：高速、節(jié)能和自動(dòng)化。

3.1.1 高速

高產(chǎn)是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最基本的措施，環(huán)錠細(xì)紗機(jī)高產(chǎn)最基本的措施是高速化。錠子是環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的關(guān)鍵部件，是加捻卷繞機(jī)構(gòu)中的核心部件，要實(shí)現(xiàn)細(xì)紗機(jī)的高速化生產(chǎn)，首先要實(shí)現(xiàn)錠子高速化，錠子高速化必須走在細(xì)紗機(jī)高速化的前列，而且兩者之間要拉開相當(dāng)?shù)木嚯x。這是因?yàn)榧?xì)紗機(jī)主軸上的滾盤通過錠帶和錠子錠盤組成一傳動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)細(xì)紗機(jī)主軸帶動(dòng)滾盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾盤就通過套在錠盤上的錠帶把動(dòng)力傳遞給桿盤而帶動(dòng)桿盤高速回轉(zhuǎn)，桿盤又帶動(dòng)套在其上的紗管轉(zhuǎn)動(dòng)以完成對(duì)紗線的加捻及卷繞。錠子的轉(zhuǎn)速越高，紡紗效率就越高，如：錠子轉(zhuǎn)速為16kr／min時(shí)，需6h落紗一次；當(dāng)錠速提高到20kr／min時(shí)，只需4.5h就需落紗一次；所以，錠子從誕生之日起就一路朝著高速化的方向發(fā)展。錠子轉(zhuǎn)速從過去的6kr／min～8kr／min發(fā)展到現(xiàn)在的16kr／min～25kr／min，甚至30kr／min～35kr／min。今天的錠子研發(fā)人員仍然在追求更高的錠子轉(zhuǎn)速，以求更高的紡紗效率，保持環(huán)錠紡紗在各種紡紗形式中的統(tǒng)治地位。

3.1.2 節(jié)能

隨著國家節(jié)能減排大政方針的提出，更是出于自身企業(yè)利益的考慮，各大小企業(yè)對(duì)節(jié)能都有很強(qiáng)的意識(shí)。作為“耗能大戶”的錠子對(duì)錠子制造企業(yè)提供了提高錠子產(chǎn)品市場競爭力的一個(gè)很好的機(jī)遇，節(jié)能已成為錠子的一個(gè)非常具有吸引力和競爭力的賣點(diǎn)。為了達(dá)到錠子節(jié)能的效果，必須對(duì)錠子的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備使用等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，甚至需要對(duì)錠子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行革命性的改進(jìn)。通過多方努力，現(xiàn)今設(shè)計(jì)和制造的節(jié)能效果最好的錠子可以在任何錠速下，讓所有的驅(qū)動(dòng)元件，如錠帶、滾盤、主軸、軸承和電機(jī)均能節(jié)約20%以上的能耗。

3.1.3 自動(dòng)化

科技的飛速發(fā)展給我們的生產(chǎn)和生活帶來了巨大的沖擊，甚至還改變了一些行業(yè)和產(chǎn)業(yè)。紡織行業(yè)在十年前直至現(xiàn)在，仍是典型的勞動(dòng)密集型行業(yè)，豈不知隨著科技的飛速發(fā)展，紡織行業(yè)已成為技術(shù)密集型行業(yè)，尤其是在歐洲及國內(nèi)的先進(jìn)紡織企業(yè)里，各種最先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)與檢測技術(shù)都應(yīng)用到了紡織生產(chǎn)中。紡織企業(yè)里最直觀的表現(xiàn)是用工數(shù)量的大幅度減少。以前的紡織企業(yè)每萬錠需用工約300人，現(xiàn)在，歐洲先進(jìn)的紡織企業(yè)里每萬錠用工僅需5人，我國較先進(jìn)的紡織企業(yè)每萬錠用工也可以控制到70人，最好的甚至在20人以內(nèi)。

3.2 發(fā)展形式

為滿足和適應(yīng)用戶對(duì)棉紡錠子高速、節(jié)能、自動(dòng)化等方面的要求，棉紡錠子的兩大組件：下支撐（尖錠底、平錠底、雙錠腳）和桿盤（光桿、鋁套管）都經(jīng)歷了幾個(gè)不同的發(fā)展階段，或者說棉紡錠子的發(fā)展形式集中體現(xiàn)在下支撐和桿盤兩大組件的改進(jìn)上。

3.2.1 桿盤的發(fā)展與改進(jìn)

為達(dá)到錠子高速、節(jié)能、自動(dòng)化的效果，錠子的桿盤結(jié)合件主要經(jīng)歷了從光桿到鋁套管的發(fā)展與改進(jìn)過程。

3.2.1.1 光桿桿盤

桿盤是錠子的高速回轉(zhuǎn)部件。為完成對(duì)紗線的加捻、卷繞，同時(shí)也為了便于后面的工序順利地進(jìn)行，需把紗管套在錠子的桿盤上，紗管與桿盤之間必須要有適當(dāng)?shù)哪Σ亮Ψ侥鼙ＷC桿盤在高速回轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)紗管同步回轉(zhuǎn)。圖1所示為常用的光桿錠子桿盤，在使用光桿桿盤時(shí)，紗管與桿盤之間就通過錠桿上端5.5∶100的圓錐結(jié)合，紗管上的管芯處也是5.5∶100的錐面。當(dāng)紗管套在桿盤上時(shí)，紗管上的錐面與錠桿上的圓錐面形成錐面配合，此錐面配合可以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)撵o摩擦力，此靜摩擦力就是光桿桿盤帶動(dòng)紗管回轉(zhuǎn)的力。為保證此錐面配合可以提供足夠的摩擦力，在往錠子上安裝空紗管時(shí)需要用一定的力下壓紗管，當(dāng)紗管紡滿紗從錠子上取下紗管時(shí)就需要克服紗管管芯與錠桿上錐面間的靜摩擦力，此靜摩擦力的大小取決于安裝空紗管時(shí)的壓力大小、紗管管芯處和錠桿上錐面的粗糙度。如果靜摩擦力太大，拔紗時(shí)所需的力就會(huì)很大；但靜摩擦力太小，錠子高速時(shí)又會(huì)出現(xiàn)跳管問題，加之錠桿比較細(xì)，當(dāng)錠子速度超過一定值時(shí)，承載著紗管的錠桿會(huì)出現(xiàn)比較明顯的變形和振動(dòng)。所以光桿桿盤的錠子不適應(yīng)高速紡紗和自動(dòng)落紗。

圖1 光桿錠子的桿盤結(jié)構(gòu)

3.2.1.2 鋁套管桿盤

為了滿足錠子高速、自動(dòng)化的要求，鋁套管桿盤應(yīng)運(yùn)而生，圖2所示為鋁套管桿盤結(jié)構(gòu)。

從直觀上看，鋁套管桿盤的鋁桿比光桿錠子的錠桿粗得多，有更好的剛性和強(qiáng)度，且比光桿錠子的錠桿有更大的承載能力，即在較高速度承載著紗管運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)光桿錠子那樣明顯的變形或振動(dòng)，鋁套管錠子剛性與強(qiáng)度完全可以滿足在20kr／min或更高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

鋁套管錠子與光桿錠子相比，其根本性的革新在于對(duì)紗管支撐形式的改變。前面提到光桿錠子與紗管的結(jié)合形式是通過錠桿上端的錐面實(shí)現(xiàn)，此錐面配合產(chǎn)生的靜摩擦力提供了錠子帶動(dòng)紗管旋轉(zhuǎn)的力；但當(dāng)錠速達(dá)到一定值時(shí)，容易出現(xiàn)跳管問題。為了消除錠子在高速時(shí)的跳管問題，鋁套管錠子在對(duì)紗管的支撐形式上進(jìn)行了革新性的改進(jìn)設(shè)計(jì)，圖3為現(xiàn)行絕大多數(shù)鋁套管錠子支撐紗管的結(jié)構(gòu)示意圖，俗稱支持器。該支持器結(jié)構(gòu)由支持器帽、支持器彈簧和鋁桿等組成。其中，支持器彈簧裝在鋁套管上加工的孔內(nèi)，支持器帽的邊沿卡在鋁套管孔的臺(tái)階上，支持器帽的外徑小于鋁套管上孔的對(duì)應(yīng)處的孔徑，所以支持器帽可以在孔內(nèi)自由活動(dòng)。支持器帽對(duì)支持器彈簧有一定的壓縮量，所以支持器帽在自然狀態(tài)下是凸起的。為使支持器帽對(duì)紗管有很好的支撐效果，3只支持器帽外接圓的直徑比紗管孔對(duì)應(yīng)部位的直徑大，當(dāng)紗管在鋁套管上安裝到位時(shí)，紗管孔對(duì)支持器帽有一定的擠壓，3只支持器彈簧在紗管孔擠壓的作用下同時(shí)被壓縮，支持器彈簧的彈力反過來作用于紗管孔，此彈簧的彈力所提供的靜摩擦力就是鋁套管錠子初始帶動(dòng)紗管轉(zhuǎn)動(dòng)的力，也是安裝空紗管以及拔取滿紗管時(shí)所要克服的阻力。由于在設(shè)計(jì)時(shí)就對(duì)支持器彈簧彈力進(jìn)行了試驗(yàn)和驗(yàn)證，使其既能保證很好的帶動(dòng)紗管初始的旋轉(zhuǎn)而不打滑，又能保證不用多大的力就能方便的安裝和拔取紗管。因?yàn)殇X套管錠子與紗管之間的結(jié)合力是由支持器彈簧的彈力提供，所以每套錠子與紗管之間的結(jié)合力的一致性很好，非常適合用于自動(dòng)落紗。同時(shí)當(dāng)錠子轉(zhuǎn)動(dòng)起來后，支持器帽和支持器彈簧的離心力和支持器彈簧的彈力共同作用于紗管孔，共同提供了支撐紗管所需的力，而且錠子的轉(zhuǎn)速越高，支持器彈簧和支持器帽的離心力就越大；所以鋁套管錠子在高速時(shí)既不會(huì)出現(xiàn)紗管打滑，也不會(huì)出現(xiàn)跳管問題。

圖2 鋁套管桿盤結(jié)構(gòu)

圖3 鋁套管錠子支撐紗管的結(jié)構(gòu)

錠子的桿盤由光桿發(fā)展到鋁套管，適應(yīng)了錠子高速和自動(dòng)化的發(fā)展方向，滿足了紡織企業(yè)的要求，鋁套管錠子是當(dāng)今甚至未來較長一段時(shí)期內(nèi)棉紡錠子家族中的發(fā)展方向和主導(dǎo)產(chǎn)品。

3.2.2 下軸承的發(fā)展與改進(jìn)

下支撐是錠子的又一主要部件，其支撐形式經(jīng)歷了雙剛性、下彈性和雙彈性3個(gè)階段，彈性阻尼元件的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大的變化；而下軸承結(jié)構(gòu)則經(jīng)歷了由錐形下軸承形式到徑向滑動(dòng)軸承和軸向推力軸承相結(jié)合的形式。錠子下支撐及下軸承的發(fā)展與改進(jìn)同樣是為了適應(yīng)和滿足錠子高速、節(jié)能和自動(dòng)化的要求。

3.2.2.1 錐型錠底下支撐

錐型錠底結(jié)構(gòu)下軸承的錠子從20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開始被廣泛使用，我國現(xiàn)在仍然在大量制造和使用錐形錠底結(jié)構(gòu)下軸承的錠子，圖4所示是錐形錠底結(jié)構(gòu)下支撐，錐形錠底結(jié)構(gòu)下支撐錠子之所以被長時(shí)間廣泛使用，是因?yàn)槠渥陨淼脑O(shè)計(jì)和使用特點(diǎn)適應(yīng)了一定歷史時(shí)期中紡織行業(yè)對(duì)錠子的要求，具有較多的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 錐形錠底結(jié)構(gòu)下支撐

3.2.2.1.1 完善的減振系統(tǒng)

由圖4可見，錠子軸承（上軸承）為剛性連接，錐形錠底（下軸承）裝在銑有螺旋槽的彈性管內(nèi)，彈性管的螺旋槽使錐形錠底具有彈性，彈性管的外圓上裝有吸振卷簧，錠子內(nèi)腔加有錠子油，錠子油充滿在吸振卷簧層的間隙內(nèi)，吸振卷簧和間隙內(nèi)的錠子油共同產(chǎn)生阻尼，在錠子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可以很好地起到吸振減振的效果；所以，該結(jié)構(gòu)下支撐是很完善的減振系統(tǒng)［4］。

3.2.2.1.2 較好的振動(dòng)特性

由于錠子的振動(dòng)特性受到支承形式、幾何尺寸、回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和減振系統(tǒng)的形式及參數(shù)影響，而減振系統(tǒng)的形式和參數(shù)起著決定性的作用。該結(jié)構(gòu)形式完善的錠子減振系統(tǒng)保證了其很好的振動(dòng)特性。錠子的力學(xué)系統(tǒng)非常復(fù)雜，除了錠子本身在高速回轉(zhuǎn)時(shí)形成的力系外，還有錠帶作用在錠子上的周期力、紗線的張力、細(xì)紗機(jī)龍筋傳遞給錠子的各種頻率的振動(dòng)力等。至今仍未有完善的理論來描述錠子的振動(dòng)特性，只能從大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和使用效果來分析研究。我們分析后得知，該結(jié)構(gòu)形式錠子的第一臨界速度約在8kr／min，空錠第二臨界速度時(shí)的振程較小，為0.1mm～0.2mm，越過第一臨界速度以后，錠子的振動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，振程不會(huì)大于0.05mm；空管第一臨界速度時(shí)振程為0.2mm～0.3mm，以后隨著速度的提高振程增大；滿管時(shí)第一臨界速度時(shí)的振程為0.3mm～0.4mm，越過第一臨界速度后處于穩(wěn)定狀態(tài)［5］。

因該結(jié)構(gòu)的錠子有很好的振動(dòng)特性而適合低速、中速、高速，尤其適合低速、中速運(yùn)轉(zhuǎn)。在過去的幾十年中大多數(shù)錠速不大于16kr／min，該結(jié)構(gòu)形式的錠子得到了廣泛的應(yīng)用。

3.2.2.1.3 結(jié)構(gòu)簡單

由錐形錠底一個(gè)零件就提供軸向和徑向的支承，其結(jié)構(gòu)簡單，方便裝配。

3.2.2.1.4 適應(yīng)集體落紗

錠底下面加裝了彈簧，可以適應(yīng)集體落紗；但當(dāng)錠速達(dá)到18kr／min～20kr／min時(shí)，錐形錠底的錠子就暴露出其不適應(yīng)性。如圖5a）所示，是對(duì)錐形錠底錠子下軸承放大，它是一種尖錐形的滑動(dòng)軸承，承載軸向和徑向負(fù)荷。這種結(jié)構(gòu)的理想狀態(tài)是點(diǎn)接觸，實(shí)際上當(dāng)錠子高速回轉(zhuǎn)時(shí)錠尖在作高頻振擺，錠桿尖的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，既有自轉(zhuǎn)又有公轉(zhuǎn)。錠子轉(zhuǎn)速越高，錠尖的振擺越明顯，當(dāng)這種振擺達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致錠桿沿錠底錐面向上攀升，如圖5b）所示。這就是所謂的桿盤上竄，桿盤上竄會(huì)嚴(yán)重破壞錠桿與錠底之間的潤滑狀態(tài)，使錠桿與錠底之間產(chǎn)生摩擦磨損，不僅增大錠子的功耗，還大大縮短錠子的使用壽命。另外，錐形錠底也有結(jié)構(gòu)上的缺點(diǎn)，即當(dāng)錠膽中的污物及長期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)磨損的磨粒落入錠底內(nèi)腔后很難通過油路的循環(huán)清除，造成錠桿的磨粒磨損。錠底即是錠子的下軸承，要求表面粗糙度佳、硬度高、金相組織良好、錐面和R同軸度高，而錠底孔是帶有錐面及R的盲孔。就目前國內(nèi)的加工條件，基本不能保證各批次零件的一致性，甚至零件的各項(xiàng)公差要求也不容易保證，而且有些項(xiàng)目還無法進(jìn)行非破壞性檢驗(yàn)，可見錠底的工藝性很差。

圖5 錐形錠底錠子下軸承（放大）

3.2.2.2 平錠底下支撐

高速、節(jié)能已成為現(xiàn)代紡織工業(yè)的共識(shí)，而錐形錠底錠子已經(jīng)不能滿足紡織工業(yè)對(duì)高速、節(jié)能的要求。在這樣的背景下，當(dāng)錠速為20kr／min甚至更高時(shí)仍能平穩(wěn)紡紗且更節(jié)能的平錠底錠子應(yīng)運(yùn)而生。圖6為平錠底錠子下軸承結(jié)構(gòu)示意圖。從圖6可見，平錠底把軸向和徑向支撐分開了，軸向負(fù)荷由平錠底提供，徑向負(fù)荷由銅套（滑動(dòng)軸承）提供，平錠底結(jié)構(gòu)錠子具有更多的優(yōu)點(diǎn)。

圖6 平錠底錠子下軸承結(jié)構(gòu)

3.2.2.2.1 保留錐形錠底錠子的減振系統(tǒng)

該型錠子的上軸承為剛性連接，平錠底和下滑動(dòng)軸承裝在銑有螺旋槽的彈性管內(nèi)，彈性管的螺旋槽使連帶的下軸承具有彈性，彈性管的外圓上裝有吸振卷簧，錠子內(nèi)腔內(nèi)加有錠子油，錠子油充滿在吸振卷簧層的間隙內(nèi)，吸振卷簧和層間隙內(nèi)的錠子油共同產(chǎn)生阻尼；所以，平錠底錠子繼承了錐形錠底錠子完善的減振系統(tǒng)。

3.2.2.2.2 更好的振動(dòng)特性

大量試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)表明，平錠底錠子比錐形錠底的錠子具有更優(yōu)的振動(dòng)特性曲線，只是平錠底錠子的第一臨界速度比錐形錠底錠子稍微高一點(diǎn)，約為10kr／min；但越過第一臨界速度后的振程更小且更平穩(wěn)。根據(jù)多年的生產(chǎn)和使用經(jīng)驗(yàn)表明，平錠底錠子在大于第一臨界速度后的振程大多數(shù)都不大于0.03mm。

3.2.2.2.3 適應(yīng)高速

前面提到錐形錠底錠子的錠速達(dá)到一定值時(shí)會(huì)出現(xiàn)桿盤上竄問題，但平錠底錠子從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上杜絕了這種問題的發(fā)生。因?yàn)槠藉V底錠子的下軸承把軸向、徑向支撐分開，分別由平錠底和銅套提供，所以無論錠速多高都不會(huì)出現(xiàn)桿盤上竄的問題。錠子在工作狀態(tài)下，錠子軸承尤其是下軸承始終處于良好的潤滑狀態(tài)，避免了錠桿與錠底之間的摩擦磨損。

3.2.2.2.4 更節(jié)能

平錠底錠子的銅套承載徑向負(fù)荷，銅套相當(dāng)于液體動(dòng)壓軸承，利用液體的動(dòng)壓原理使錠桿與銅套始終處于液體摩擦狀態(tài)，避免干摩擦，一方面有利于減少磨損，另一方面有效地降低了功耗。圖7為液體動(dòng)壓軸承工作原理示意。錠子正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，錠桿下軸承檔外圓與銅套內(nèi)孔的間隙充滿潤滑油；根據(jù)液體動(dòng)壓原理，當(dāng)錠桿下軸承檔在銅套內(nèi)孔中偏向右邊時(shí)則右邊的間隙變小，間隙變小則該側(cè)的油壓

P迅速增大，迫使錠桿下軸承檔居中，保證了錠桿下軸承檔與銅套之間始終保持液體摩擦，降低了功耗。比較圖4和圖6，可見上軸承內(nèi)徑由7.8mm縮小為6.8mm，上下支承距由120mm縮小為100mm，同樣降低了功耗。

圖7 液體動(dòng)壓軸承工作原理

3.2.2.2.5 更長的使用壽命

由于錠桿下軸承檔與銅套之間處于液體摩擦狀態(tài)，從而有利于延長錠子的使用壽命；另外，平錠底錠子的下軸承是開放式結(jié)構(gòu)，錠子運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的磨粒及污物能及時(shí)在離心力作用下甩出去，避免了磨粒磨損，從而完全杜絕了錠子因磨粒磨損而導(dǎo)致的早期失效，延長了錠子的使用壽命。

3.2.2.2.6 零件有更好的加工性

從圖8可知，銅套、平錠底和錠桿下軸承檔，這三個(gè)零件都有很好的工藝性，可以達(dá)到很高的表面粗糙度和形位精度，而且很容易檢測，不象錐形錠底那樣，不僅工藝性差，而且還很難檢測。

圖8 錠子零件

3.2.2.2.7 整套錠子一致性好

零件的制造工藝性好，可以達(dá)到很好的一致性，裝配后的成套錠子的振程、振動(dòng)特性、使用壽命及功耗等方面一致性則好，為以后國產(chǎn)錠子的“免試車”提供了技術(shù)保障。

4 帶軸向緩沖的平錠底錠子

雖然錐形錠底錠子不適應(yīng)高速紡紗，但其錠底下面加裝了緩沖彈簧（見圖4）后則非常適合集體落紗。平錠底錠子雖然非常適合高速紡紗，但沒有錐形錠底錠子中可以保護(hù)彈性管的緩沖彈簧，當(dāng)平錠底錠子直接用于集體落紗，很可能會(huì)在機(jī)械手安裝空紗管時(shí)導(dǎo)致彈性管塑性變形進(jìn)而導(dǎo)致錠子快速失效。為了讓平錠底錠子能適合集體落紗，在錠腳孔內(nèi)加裝了墊塊（見圖6）。在此墊塊的上端面與錠底墊片的下端面之間設(shè)計(jì)了一個(gè)合理的間隙，限制機(jī)械手安裝空紗管時(shí)彈性管的變形量在彈性變形內(nèi)。這樣的設(shè)計(jì)雖然讓平錠底錠子滿足了集體落紗的要求，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，裝配困難，尤其是要控制圖6中墊塊的上端面與錠底墊片的下端面之間的間隙幾乎成了該型號(hào)錠子的裝配瓶頸，嚴(yán)重影響了裝配速度。如果把錐形錠底錠子中保護(hù)彈性管使其非常適合集體落紗的緩沖彈簧加裝到平錠底錠子會(huì)怎么樣呢？結(jié)果是集錐形錠底與平錠底錠子優(yōu)點(diǎn)于一身，既適合集體落紗，又適合高速紡紗新型高速節(jié)能錠子。圖9為其結(jié)構(gòu)示意圖，即在平錠底的下面加裝了緩沖彈簧。當(dāng)然，為了滿足紡紗的使用要求，其具體設(shè)計(jì)和加工參數(shù)需要一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)、試驗(yàn)和試用才能確定，這種具有先進(jìn)設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)的錠子，必將是棉紡錠子家族中的主流產(chǎn)品。

圖9 新型高速節(jié)能錠子的結(jié)構(gòu)

5 高速整體軸承錠子

錠子下支撐由錐形錠底改變?yōu)槠藉V底后，減小錠帶輪直徑、上下軸承直徑和上下支承距，是降低錠子功耗的通用方法。平錠底錠子的上軸承結(jié)構(gòu)，是軸承座內(nèi)裝配紡錠軸承，如圖10所示。由于紡錠軸承外環(huán)的存在，這樣的結(jié)構(gòu)限制了錠帶輪進(jìn)一步減小。為了能進(jìn)一步減小錠帶輪，達(dá)到更節(jié)能的效果，設(shè)計(jì)了整體軸承高速錠子，該軸承錠子的關(guān)鍵在于上軸承的改進(jìn)設(shè)計(jì)，圖11是該整體軸承高速錠子的上軸承，彈性管壓配在軸承座的中間孔中，滾柱裝在保持器的窗口內(nèi)，一同放入軸承座的上孔中，然后將軸承端蓋壓裝進(jìn)軸承座的上孔。該結(jié)構(gòu)錠子將彈性管的上端面用作軸承的下端蓋，軸承座的上孔做為紡錠軸承的外環(huán)，軸承端蓋的下端面作為紡錠軸承的上端蓋，由此構(gòu)成一整體軸承結(jié)構(gòu)；其上軸承的內(nèi)徑只有5.2mm，更節(jié)能。該結(jié)構(gòu)錠子由于去掉了傳統(tǒng)錠子上軸承外環(huán)，最大程度地減小了軸承座外徑尺寸，使錠盤錠帶輪直徑減小到15mm或更小，從而在不提高細(xì)紗機(jī)大軸轉(zhuǎn)速的情況下可使錠子轉(zhuǎn)速達(dá)到25kr／min以上，大大提高了紡紗效率。另外，該結(jié)構(gòu)錠子沿用并改進(jìn)了平錠底錠子的彈性阻尼減振系統(tǒng)，當(dāng)錠速達(dá)到30kr／min時(shí)，錠子振程仍不大于0.05mm，完全可以滿足紡紗的要求。該結(jié)構(gòu)錠子中心距設(shè)計(jì)為75mm；在保證錠桿足夠強(qiáng)韌性的同時(shí)也更節(jié)能；上軸承端蓋內(nèi)孔有更大的儲(chǔ)油空間，可以為上軸承提供可靠的潤滑保障；采用精密加工，上軸承端蓋孔與錠桿間隙更小，有效減緩錠子油的流失，延長錠子補(bǔ)油周期，降低錠子維護(hù)費(fèi)用［6］。

圖10 平錠底錠子上軸承結(jié)構(gòu)

圖11 整體軸承高速錠子的上軸承結(jié)構(gòu)

6 錠子的附加功能

隨著錠子桿盤由光桿發(fā)展到鋁套管，下支撐由錐形錠底發(fā)展為平錠底，為滿足錠子在紡紗過程中的使用要求及更好地提高效率，增加效益，還設(shè)計(jì)了一些錠子附件。

6.1 剎錠器

桿盤由光桿發(fā)展到鋁套管后，衍生出了錠子剎錠器。光桿桿盤與紗管間是通過錐面間的摩擦作用一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)錠子紡紗過程中出現(xiàn)紗線斷頭需要接頭時(shí)，擋車工只需直接抓住紗管并拔出紗管完成接頭后再放回紗管。因?yàn)閾踯嚬ぷプ〖喒軙r(shí)，光桿桿盤上錐面與紗管管芯間的摩擦足以讓桿盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，所以桿盤與紗管之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不會(huì)對(duì)錠桿上錐和紗管管芯造成磨損。桿盤換成鋁套管后情況就不一樣，因?yàn)殇X套管帶動(dòng)紗管轉(zhuǎn)動(dòng)的力是來自于通過支持器帽對(duì)紗管的摩擦，接頭時(shí)如果象光桿錠子那樣直接抓住紗管，而支持器帽對(duì)紗管的摩擦力不足以讓桿盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，所以鋁套管與紗管間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，時(shí)間久了會(huì)把支持器帽及紗管磨損，破壞了支持器帽與紗管的配合，將導(dǎo)致錠子振程急劇增大，并對(duì)錠子的上、下軸承產(chǎn)生嚴(yán)重撞擊，從而嚴(yán)重影響錠子的正常使用和壽命，磨損到一定程度會(huì)出現(xiàn)錠子正常紡紗時(shí)鋁套管與紗管之間都會(huì)出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，直至錠子失效。鋁桿錠子在接頭拔掉紗管前，必須先使桿盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是剎錠器的功能。

6.2 夾紗器

鋁套管錠子從設(shè)計(jì)之初就是為了適應(yīng)高速和自動(dòng)化，基本上都配套在帶有自動(dòng)落紗裝置的主機(jī)上。為提高落紗后的留頭率，減少清除尾紗的工作量，增加了夾紗器。夾紗器把原來粗放的、隨意性的留頭方式改變?yōu)榫?xì)的、有意識(shí)的留頭方式，大大提高了留頭率，留頭率可達(dá)98%以上；同時(shí)，減少了70%以上留頭時(shí)的紗線纏繞，大大節(jié)省了原料，降低了成本。重新開車錠子轉(zhuǎn)動(dòng)起來后，纏繞在錠子上的尾紗還可以在離心力的作用下自動(dòng)甩掉，節(jié)省了用工，提高了效益。筆者曾在《紡織器材》2013年第1期上詳細(xì)介紹過夾紗器錠子［7］。

6.3 快速安裝紗管

為使支持器帽對(duì)紗管有很好的支撐效果，三只支持器帽外接圓的直徑應(yīng)比紗管孔對(duì)應(yīng)部位的直徑大，當(dāng)紗管在鋁套管上安裝到位時(shí)，紗管孔對(duì)支持器帽則有一定的擠壓力；而三只支持器彈簧在紗管孔擠壓力的作用下被壓縮，同時(shí)支持器彈簧的彈力反過來作用于紗管孔，此彈簧的彈力所提供的靜摩擦力就是鋁套管錠子初始帶動(dòng)紗管轉(zhuǎn)動(dòng)的力，也是安裝空紗管以及拔取滿紗管時(shí)所克服的力。當(dāng)自動(dòng)落紗裝置在安裝空紗管時(shí)，需要完成以下幾個(gè)動(dòng)作：抓空紗管→將空紗管置于錠子上方→安裝空紗管→下壓（保證紗管高度一致）→松開空紗管→機(jī)械手上抬→機(jī)械手回位。很顯然，自動(dòng)落紗機(jī)械手往錠子上安裝空紗管需要做7個(gè)動(dòng)作，其中安裝空紗管和下壓動(dòng)作，尤其是下壓動(dòng)作，最有可能因?yàn)闄C(jī)械手的動(dòng)作精度不夠高而撞到錠子，甚至對(duì)錠子造成損壞，影響錠子使用壽命。這一過程延長了安裝空紗管的時(shí)間，另一方面要求自動(dòng)落紗機(jī)械手要有很高的動(dòng)作精度；否則，機(jī)械手安裝空紗管時(shí)會(huì)撞到錠子，造成錠子損壞，影響使用壽命。如果設(shè)計(jì)一種完全利用離心力結(jié)構(gòu)來支撐紗管，而且當(dāng)錠子停止時(shí)三只支持器帽外接圓的直徑小于紗管孔對(duì)應(yīng)部位的直徑，只要把空紗管放在鋁套管上方就可以松開，紗管會(huì)在自身重力的作用下自動(dòng)安裝到位，這樣的結(jié)構(gòu)不僅可以節(jié)省自動(dòng)落紗機(jī)械手安裝空紗管的時(shí)間，還可以避免機(jī)械手撞到錠子，影響錠子的使用壽命。

基于以上構(gòu)想，如圖12所示，該錠子把原來的支持器彈簧換成鋼珠，當(dāng)錠子停止時(shí)三只支持器帽的外接圓小于紗管孔對(duì)應(yīng)部位的直徑，可以保證紗管套在鋁套管上方后可以自由下落，使紗管可以一次性全部自動(dòng)安裝到位；而當(dāng)錠子轉(zhuǎn)動(dòng)起來后，在離心力作用下，鋼珠把支持器帽頂起，起到支撐紗管的功能，帶動(dòng)空紗管隨錠子一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)紡滿紗要落紗時(shí)，錠子停止轉(zhuǎn)動(dòng)離心力消失，此時(shí)的支持器帽和紗管孔都處于自由狀態(tài)，兩者之間已無相互作用力，紗管被順利拔出。

圖12 錠子鋼珠支持器

在實(shí)際應(yīng)用中，自動(dòng)落紗機(jī)械手在鋁套管錠子上安裝空紗管時(shí)，只需要完成以下4個(gè)動(dòng)作：抓空紗管→將空紗管置于錠子上方→機(jī)械手松開→機(jī)械手復(fù)位。

該快速安裝紗管的鋁套管錠子技術(shù)具有質(zhì)的飛躍，已在一部分中高檔紡紗企業(yè)使用并取得了很好的效益：① 自動(dòng)落紗機(jī)械手只有4個(gè)動(dòng)作，大大縮短安裝空紗管的時(shí)間；② 省掉了機(jī)械手下壓動(dòng)作，不會(huì)碰撞到錠子和損傷錠子，不會(huì)影響錠子的使用壽命；③ 只要自動(dòng)落紗機(jī)械手把空紗管套到錠子鋁套管上方就可以松開，空紗管會(huì)在自身重力作用下一次性全部安裝到位［8］。

7 結(jié)語

多年來，高速、自動(dòng)化與節(jié)能是紡織行業(yè)，更是錠子這一主要紡織專件的發(fā)展方向。棉紡細(xì)紗錠子由光桿桿盤發(fā)展到鋁套管桿盤，使得細(xì)紗錠子可以在更高速度下紡出更好品質(zhì)的紗線并適用于集體落紗，大大提高了自動(dòng)化程度。為保證鋁套管錠子能更好地使用，又衍生出了錠子剎錠器；為進(jìn)一步提高集體落紗的效率，同時(shí)也為了更好地保護(hù)錠子免于集體落紗裝置的撞擊，又研發(fā)出可以快速安裝紗管的鋁套管錠子；為進(jìn)一步發(fā)揮集體落紗的優(yōu)勢，減少用工，發(fā)展了帶有夾紗器的鋁套管錠子。下支撐由錐形錠底發(fā)展到平錠底，保證了錠子在更高速度下紡紗運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，更節(jié)能，使用壽命更長；同時(shí)，由于平錠底錠子的銅套和平錠底有更好的工藝性，使錠子的一致性更好，整體品質(zhì)極大提高；軸向緩沖平錠底錠子以及高速整體軸承錠子的相繼推出，為紡紗企業(yè)帶來更大利好。讓我們共同期待更多更好的國產(chǎn)細(xì)紗錠子問世，見證一個(gè)又一個(gè)奇跡。

［1］陳瑞琪.紡紗錠子的理論與實(shí)踐［M］.北京：紡織工業(yè)出版社，1990.

［2］陳瑞琪，吳文英.紡紗錠子高速的研究［J］.紡織器材，2005，32（4）：5－11.

［3］朱鵬，唐文輝，王嬋娟.棉紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)高速生產(chǎn)與專件器材的討論：上［J］.紡織器材，2010，37（4）：1－4.

［4］朱德昭.新一代棉紡高速錠子［J］.紡織器材，2007，34（5）：1－6.

［5］朱德昭.從錠子失效再論新一代棉紡高速錠子［J］.紡織器材，2008，35（3）：29－36.

［6］翁明，劉剛，石艷青.高速整體軸承錠子的設(shè)計(jì)［J］.紡織器材，2014，41（3）：15－18.

［7］翁明，史翔.自動(dòng)夾紗自動(dòng)清除尾紗錠子的設(shè)計(jì)［J］.紡織器材，2013，40（1）：23－25.

［8］翁明，張新文.快速安裝紗管鋁桿錠子［J］.紡織器材，2013，40（2）：7－9.