唐文輝

(1.東華大學(xué),上海　201620；2.東飛現(xiàn)代紡織技術(shù)研究所，上海　200083)

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?技術(shù)專論

棉紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)最高工藝錠速研究

唐文輝1,2

(1.東華大學(xué),上海201620；2.東飛現(xiàn)代紡織技術(shù)研究所，上海200083)

摘要：為了提高棉紡細(xì)紗機(jī)最高工藝速度、取得更高的產(chǎn)品質(zhì)量和效率，從氣圈方程的演變及單氣圈控制環(huán)、無氣圈控制環(huán)時(shí)推算細(xì)紗機(jī)最高工藝錠速等方面分析了最高工藝速度和卷繞高度關(guān)系，探討了鋼絲圈熱磨損燒毀對(duì)錠速提高的約束，鋼絲圈工藝速度與紡紗品種、號(hào)數(shù)、鋼領(lǐng)型式的關(guān)系；提出了環(huán)錠細(xì)紗機(jī)最高工藝錠速的選擇原則。指出：加捻卷繞過程中，紗線動(dòng)態(tài)強(qiáng)力小于動(dòng)態(tài)張力產(chǎn)生斷頭，是限制細(xì)紗機(jī)最高工藝速度的根本原因；細(xì)紗機(jī)高速化應(yīng)分步走，適當(dāng)縮小卷裝，采用小內(nèi)徑鋼領(lǐng)、大薄壁筒管、安裝氣圈控制環(huán)，并采用變頻調(diào)速，依照紗質(zhì)量的實(shí)際情況試驗(yàn)設(shè)定調(diào)速曲線。

關(guān)鍵詞：細(xì)紗機(jī)；工藝錠速；鋼領(lǐng)；鋼絲圈；氣圈控制環(huán)；紗線張力；筒管；機(jī)械速度

0引言

環(huán)錠細(xì)紗機(jī)錠速分為機(jī)械速度和工藝速度，最高機(jī)械速度指開空車的速度，工藝速度是實(shí)際紡紗生產(chǎn)速度。前者主要受機(jī)械狀態(tài)限制，后者主要受紡紗水平限制，諸如斷頭率、成紗質(zhì)量(毛羽和棉結(jié)等)和節(jié)能要求等[1-2]。限制細(xì)紗機(jī)高速化的主要因素是細(xì)紗斷頭率，只有做到細(xì)紗斷頭率、機(jī)配件消耗與電能消耗不增大、成紗質(zhì)量不下降，細(xì)紗機(jī)高速化才有效益和現(xiàn)實(shí)意義。因?yàn)橹挥协h(huán)錠細(xì)紗機(jī)達(dá)到低斷頭率時(shí)，才能真正提高產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備生產(chǎn)率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少用工和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工序連續(xù)化。如果能做到細(xì)紗基本不斷頭或細(xì)紗斷頭率降至千錠時(shí)5根以下，則能促進(jìn)多錠化超長(zhǎng)機(jī)的發(fā)展，以及細(xì)絡(luò)聯(lián)、粗細(xì)聯(lián)的自然推廣。在降低斷頭率過程中，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，限制細(xì)紗機(jī)高速化的其他因素也會(huì)逐步克服[3]。應(yīng)當(dāng)指出，與生產(chǎn)相關(guān)的還有經(jīng)濟(jì)車速，它是從經(jīng)濟(jì)效益方面來權(quán)衡的，生產(chǎn)實(shí)踐證明，不同品種、不同設(shè)備型號(hào)、不同原料，在最高工藝速度之下有不同的經(jīng)濟(jì)車速。筆者以工藝不斷頭為前提，在理論上探討細(xì)紗機(jī)最高工藝速度。

正常生產(chǎn)時(shí)的細(xì)紗斷頭主要是由“張力與強(qiáng)力”的矛盾引起的，在加捻卷繞過程中，當(dāng)紗線動(dòng)態(tài)強(qiáng)力小于動(dòng)態(tài)張力即產(chǎn)生斷頭，這是限制細(xì)紗機(jī)最高工藝速度的根本原因；鋼絲圈的熱磨損飛圈斷頭則是另一根本原因,因此，可從這兩方面著手探討細(xì)紗機(jī)最高工藝錠速。

一落紗中，最易發(fā)生斷頭的是始紡期小紗，這也是一落紗中氣圈高度最大處。在細(xì)紗機(jī)斷面尺寸分析中指出，一落紗中最大氣圈高度Hmax主要由卷繞高度L決定。因此，細(xì)紗機(jī)最高工藝錠速受卷繞高度限制。細(xì)紗機(jī)錠速與卷繞高度(紗管長(zhǎng)度)的關(guān)系，實(shí)質(zhì)上是氣圈高度和形態(tài)的控制，在保持正常氣圈形態(tài)下穩(wěn)張力紡紗，使斷頭率控制在允許水平，以盡量不發(fā)生張力斷頭；為此，必須明確氣圈張力和氣圈高度關(guān)系[4]。

1最高工藝錠速和卷繞高度的關(guān)系

1.1氣圈方程的演變

由氣圈理論分析知，氣圈張力和氣圈高度關(guān)系可由離心力系數(shù)a表達(dá)式(1)知：

(1)

式中：

w——紗線單位長(zhǎng)度重量；

m——紗線單位長(zhǎng)度質(zhì)量；

ωs——鋼絲圈角速度；

Tx——?dú)馊埩Υ怪狈至Α?/p>

令Nm為紗線的公制支數(shù)，則紗線單位長(zhǎng)度的重量為1/(100 Nm)(克重/cm)，紗線的線密度為1/(100Nmg)(g/m)。又因ωt≈ωs=2π·ns×1 000/60(rad/s),式中ωs、ns分別表示錠子角速度及其回轉(zhuǎn)速度(kr/min)，將它們代入式(1)得：

(2)

通過式(2)換算可得離心力系數(shù)a值，其量綱為cm-1。

由式(2)可以轉(zhuǎn)換出氣圈張力垂直分力Tx表達(dá)式如下：

(3)

式中：

ns——錠子速度；

H——?dú)馊Ω叨龋?/p>

aH——?dú)馊π螤畹奶卣鲾?shù)。

由式(3)知：

a)在氣圈形狀aH值、紗線公制支數(shù)Nm和氣圈高度H保持不變時(shí)，氣圈張力垂直分力Tx與錠子轉(zhuǎn)速ns的平方成正比；

b)在氣圈形狀aH值、紗線公制支數(shù)Nm和錠子轉(zhuǎn)速ns保持不變時(shí)，氣圈張力垂直分力Tx與氣圈高度H(反映筒管長(zhǎng)度)平方成正比。

由式(3)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為：

(4)

由式(4)知，在一定的氣圈狀態(tài)aH值、氣圈張力垂直分力Tx和紡紗公制支數(shù)Nm下，氣圈高度H和錠速ns的乘積為定值，即氣圈高度H增大，錠速ns就降低；反之亦然。故此式即為可達(dá)到最高工藝錠速的條件。

明確了氣圈張力和氣圈高度關(guān)系后，應(yīng)進(jìn)一步探討張力與強(qiáng)力關(guān)系，研究?jī)烧弑３趾侠淼谋壤拍芊乐辜啑l張力過大，以不發(fā)生張力斷頭或使斷頭率控制在適當(dāng)水平。

氣圈張力垂直分力Tx與單紗強(qiáng)力P關(guān)系可表達(dá)如下：

(5)

按照以往經(jīng)驗(yàn)，要保持正常氣圈形態(tài)下穩(wěn)張力紡紗，比值E一般為(1/10～1/14)。式(5)表示在紡紗過程中氣圈張力垂直分力Tx與紗線強(qiáng)力P的比值應(yīng)控制的適當(dāng)范圍。

將式(5)代入式(4)得:

(6)

1.2無氣圈控制環(huán)時(shí)細(xì)紗機(jī)最高工藝錠速的推算

在正常氣圈下，aH=0.73π=2.29，根據(jù)現(xiàn)代紡紗技術(shù)水平，比值E采用1/10，NmP=14 000(公支cN)。代入式(6)，得：

因一落紗鋼領(lǐng)板升降全程(卷繞高度)與管底成形完成時(shí)的氣圈高度H相當(dāng)，故由(nsH)max=257可估算的最高工藝錠速，如表1所示。

表1紗管長(zhǎng)度與最高工藝錠速估算

1.3單氣圈控制環(huán)時(shí)細(xì)紗機(jī)最高工藝錠速的推算

由式(4)知，增大氣圈形狀aH值可使nsH值提高；但aH值進(jìn)一步增大，且當(dāng)aH→π時(shí)，將使氣圈崩潰。采用氣圈控制環(huán)控制氣圈形態(tài)是使aH值進(jìn)一步提高而氣圈不崩潰的有效方法，且最高工藝錠速相應(yīng)增大，見表2；所以，國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)代棉紡高速環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上都安裝有氣圈控制環(huán)。

表2紗管長(zhǎng)度與最高工藝錠速估算

在nsH值一定的情況下，為使H較大(即管底成形階段)，必須適當(dāng)降低ns值；而使整落紗的平均ns有所提高，則應(yīng)采用小紗變速裝置，即采用小紗變速裝置是提高平均轉(zhuǎn)速的有效方法。所以，小紗變速裝置或錠子變速裝置是環(huán)錠細(xì)紗機(jī)高速化的必要措施，是現(xiàn)代棉紡高速環(huán)錠細(xì)紗機(jī)配套設(shè)備。其集聚紡紗的條干、強(qiáng)力、伸長(zhǎng)及強(qiáng)力CV值、伸長(zhǎng)CV值都優(yōu)于普通環(huán)錠紗，特別是成紗強(qiáng)力可提高5%～10%，在成熟集聚環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上，最高工藝錠速可突破22 kr/min。

2鋼絲圈最高工藝速度

在現(xiàn)代紡紗技術(shù)條件下，約束錠速提高的另一因素是鋼絲圈熱磨損造成飛圈斷頭，這也使鋼絲圈的線速度受到了限制。要突破鋼絲圈的熱磨損燒毀對(duì)錠速提高的約束，只有依靠鋼領(lǐng)、鋼絲圈的技術(shù)進(jìn)步，具體體現(xiàn)在改進(jìn)鋼絲圈幾何形狀、材質(zhì)、熱處理、表面處理及加工精度等5個(gè)方面。錐面鋼領(lǐng)、BC型下支承鋼領(lǐng)是平面鋼領(lǐng)的發(fā)展，其優(yōu)勢(shì)：一是鋼絲圈與鋼領(lǐng)配合好，前者呈兩點(diǎn)接觸，后者呈三點(diǎn)接觸，使鋼絲圈運(yùn)行穩(wěn)定，控制氣圈能力強(qiáng)，紗線張力波動(dòng)小，成紗毛羽及斷頭減少；二是鋼領(lǐng)與鋼絲圈接觸面積較大，約是PG型鋼領(lǐng)的1.5～2.0倍，具有壓強(qiáng)小、耐磨性強(qiáng)、散熱性好、紗條通道寬等優(yōu)點(diǎn)，適合紡制易受溫度損傷的合成纖維及其混紡紗，鋼絲圈線速度可達(dá)到40 m/s～50 m/s[5-6]。據(jù)介紹，瑞士立達(dá)公司的Orbit系列錐面鋼領(lǐng)、鋼絲圈擴(kuò)大了接觸面、增加了散熱面，適于高速，在錠速為25 kr/min時(shí)鋼絲圈線速度達(dá)到55 m/s。

2.1布雷克(Br?cker)公司在其鋼領(lǐng)、鋼絲圈使用手冊(cè)中，推薦鋼絲圈適紡生產(chǎn)速度與紡紗號(hào)數(shù)關(guān)系如圖1所示[7]。

2.1.1鋼絲圈適紡速度隨紡紗品種、紡紗號(hào)數(shù)、鋼領(lǐng)型式及其直徑不同而不同。機(jī)織用紗適紡號(hào)數(shù)范圍為97.2 tex～4.4 tex，針織用紗適紡號(hào)數(shù)范圍相對(duì)較窄為97.2 tex～9.7 tex；鋼絲圈最高線速度紡機(jī)織用紗(41.5 m/s)比針織用紗(38.5 m/s)高。鋼領(lǐng)型式適紡號(hào)數(shù)范圍：PG1型平面鋼領(lǐng)邊寬為3.2 mm，相對(duì)使用較廣，適紡紗號(hào)為36.4 tex～4.4 tex,PG2型平面鋼領(lǐng)邊寬為4.0 mm，相對(duì)使用居中，適紡紗號(hào)為97.2 tex～20.8 tex；Orbit錐面鋼領(lǐng)相對(duì)使用較窄，適紡紗號(hào)為19.4 tex～7.3 tex；PG1型平面鋼領(lǐng)和Orbit錐面鋼領(lǐng)適紡號(hào)數(shù)細(xì)，PG2型平面鋼領(lǐng)適紡號(hào)數(shù)粗。

2.1.2紡機(jī)織紗的鋼絲圈適紡速度與紡紗號(hào)數(shù)關(guān)系可分為三段不同趨勢(shì)曲線：在粗、中、細(xì)號(hào)段97.2 tex～15.3 tex，隨著紡紗號(hào)數(shù)由大到小，紗條由粗到細(xì)，鋼絲圈適紡速度逐步增大；在細(xì)號(hào)段15.3 tex～8.1 tex，鋼絲圈適紡速度達(dá)到最高水平；在超細(xì)號(hào)段8.1 tex～4.4 tex，隨著紡紗號(hào)數(shù)變細(xì)鋼絲圈適紡速度逐步降低。機(jī)織用紗在細(xì)號(hào)段，采用PG1型平面鋼領(lǐng)或Orbit錐面鋼領(lǐng)，鋼領(lǐng)內(nèi)徑為38 mm或40 mm時(shí)，鋼絲圈適紡速度達(dá)到最高值，約為41.5 m/s。

2.1.3紡針織用紗的鋼絲圈適紡速度與紡紗號(hào)數(shù)關(guān)系：隨著適紡號(hào)數(shù)97.2 tex～9.7 tex由大到小，紗條由粗到細(xì)，鋼絲圈適紡速度也逐步增大，直到紡紗號(hào)數(shù)為12.6 tex～9.7 tex，鋼領(lǐng)內(nèi)徑為38 mm或40 mm時(shí)，采用PG1型平面鋼領(lǐng)或Orbit錐面鋼領(lǐng)，鋼絲圈適紡速度達(dá)到最高值，約為38.5 m/s。

2.2瑞士立達(dá)公司的G33型細(xì)紗機(jī)在小卷裝、鋼領(lǐng)內(nèi)徑為38 mm、紗管長(zhǎng)度為190 mm時(shí)，錠子轉(zhuǎn)速選擇如圖2所示。

由圖2可知：

a)適紡純棉號(hào)數(shù)為16.2 tex～4.8 tex；

b)隨著紡紗號(hào)數(shù)由大到小，紗條由細(xì)號(hào)到超細(xì)號(hào)，錠子適紡轉(zhuǎn)速與紡紗號(hào)數(shù)關(guān)系與圖1所示規(guī)律相似；在細(xì)號(hào)14.6 tex以下時(shí)，錠子適紡轉(zhuǎn)速隨紗條變細(xì)逐步增大；在細(xì)號(hào)14.6 tex～11.7 tex段，錠子適紡速度達(dá)到最高水平；而超細(xì)號(hào)11.7 tex～4.8 tex段，隨著紡紗號(hào)數(shù)變細(xì)，錠子適紡轉(zhuǎn)速逐步降低；

c)錠子最高適紡轉(zhuǎn)速約為19 kr/min。

2.3國(guó)外知名公司制造的細(xì)紗機(jī)高速紡紗示例，如表3所示[8]。

表3國(guó)外細(xì)紗機(jī)高速紡紗示例

3環(huán)錠細(xì)紗機(jī)最高工藝錠速選擇

環(huán)錠細(xì)紗機(jī)高速化就是“環(huán)”、“錠”的高速化，是其配套專件、器材的不斷創(chuàng)新，也是生產(chǎn)管理水平的不斷進(jìn)步。棉紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)高速化生產(chǎn)是有嚴(yán)格條件的，就細(xì)紗機(jī)本身而言，除必須具備11項(xiàng)基本措施之外，還要求適宜的室內(nèi)溫度、空氣相對(duì)濕度和空氣潔凈度,以有利加工纖維生產(chǎn)，才能實(shí)現(xiàn)其“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效率”。由于生產(chǎn)條件、要求不同，棉紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)高速化生產(chǎn)進(jìn)程也有所不同。總之，環(huán)錠細(xì)紗機(jī)高速化生產(chǎn)應(yīng)分步走，單氣圈時(shí)最高工藝錠速約為17 kr/min，安裝氣圈控制環(huán)時(shí)最高工藝錠速約為20 kr/min～22 kr/min。此外，高速是相對(duì)的、不斷發(fā)展的，它隨著紡織專件、器材和紡機(jī)制造水平的發(fā)展被不斷刷新，這是技術(shù)進(jìn)步的必然，也是企業(yè)綜合管理素質(zhì)與生產(chǎn)能力進(jìn)步的標(biāo)志。

4結(jié)語

在當(dāng)前條件下，棉紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)高速化生產(chǎn)，首先要適當(dāng)縮小卷裝，維持正常氣圈紡紗，做到穩(wěn)張力紡紗。細(xì)紗機(jī)高速化生產(chǎn)中最關(guān)鍵的是不斷促進(jìn)高速錠子、高速鋼領(lǐng)和高速鋼絲圈的技術(shù)進(jìn)步，重點(diǎn)是做到“三中心”或“四中心”技術(shù)要求。高速紡紗采用小內(nèi)徑鋼領(lǐng)、薄壁筒管、安裝氣圈控制環(huán)，對(duì)異常紡紗張力將有顯著改善，使斷頭大幅下降，特別是紡小紗大直徑和紡大紗小直徑時(shí)效果最顯著；而在此前提下采用變頻調(diào)速并依照紗質(zhì)量的實(shí)際情況試驗(yàn)設(shè)定調(diào)速曲線，方能取得更高的成紗產(chǎn)、質(zhì)量和效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 上海紡織控股(集團(tuán))公司，《棉紡手冊(cè)》編委會(huì).棉紡手冊(cè)[M].3版.北京：中國(guó)紡織出版社，2004.

[2] 上海紡織工學(xué)院棉紡教研室.棉紡學(xué)：下冊(cè)[M].北京：紡織工業(yè)出版社，1981.

[3] 唐文輝，劉榮清.環(huán)錠細(xì)紗機(jī)斷頭分析與控制[M].北京：紡織工業(yè)出版社，1986.

[4] GRISHIN F P.Balloon Control[J].Platts Bulletin,1954(6)：178-179.

[5] DE BARR A E，CATLING H.The Principle and Theory of Ring Spinning:Volume 5[M].Manual of Cotton Spinning:London,1965.

[6] 唐文輝.鋼絲圈摩擦發(fā)熱和散熱性能分析[J].紡織器材,2014,41(3):1-4.

[7] 瑞士布雷克公司.Br?cker鋼領(lǐng)、鋼絲圈使用手冊(cè)及短纖紡紗[Z].2008.

[8] Gerd Stahlecker.Novibra訊息:Novibra節(jié)能錠子HP-S 68系列[Z].

Probing into the Maximum Process Speed of the Cotton Ring Spinning Frame

TANG Wenhui1,2

(1.Donghua University,Shanghai 201620,China;2.Dongfei Institute of Modern Textile Technology,Shanghai 200083,China)

Abstract:In order to gain the maximum process speed of the cotton spinning frame for higher product quality and efficiency,feasibility is calculated of the maximum speed of the frame considering the gas ring equation evolution and the condition with or without single balloon control ring.Analysis is done to the relationship between the maximum process speed of the frame and the winding height.Probing is done into the thermal wear of the traveler bead on the improvement restriction of spindle speed,the relationship between the process speed of the ring and yarn varieties,the tex,and the ring type.The caution in determining the maximum speed of the frame is given.It is pointed out that in the process of twisting and winding,when the dynamic yarn strength is less than the dynamic tension,yarn breakage occurs.This is the important factor which restrict the increase of the maximum process speed of the frame.High speed spinning shall be gained step by step,through proper measures such as small package,small diameter of the ring,using the big bobbin with thin wall,installation of the balloon control ring,application of inverter-speed control and the setting speed curve according to the actual situation of yarn quality.

Key Words:spinning frame;process speed;ring;traveler;balloon control ring;yarn tension;bobbin;mechanical speed

收稿日期：2015-07-25

作者簡(jiǎn)介：唐文輝(1936—)，男，浙江溫州人，研究員，長(zhǎng)期從事環(huán)錠細(xì)紗技術(shù)的理論和實(shí)踐研究。

中圖分類號(hào)：TS103.81+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-9634(2016)02-0001-05

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-10-20 11∶15

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1131.TS.20151020.1115.026.html