曾 浩

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局，北京，100088）

離心紡紗是一種有百年以上歷史的短纖維紡紗技術(shù)，該技術(shù)在加捻效率方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，但在生產(chǎn)連續(xù)性方面還存在一定的技術(shù)困難，故未能在行業(yè)中得到大規(guī)模應(yīng)用。盡管如此，業(yè)界始終沒有放棄發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)的努力。2019年在西班牙巴塞羅那舉辦的ITMA國際紡機(jī)展上，日本豐田自動(dòng)織機(jī)公司就“有限度”地展出了一種名為“未來紡紗技術(shù)”的離心紡紗機(jī)［1］，據(jù)稱其加捻速度可達(dá)到50 000 r/min以上。

目前，我國對于離心紡紗技術(shù)的研發(fā)還非常薄弱，研究者甚少，幾乎沒有相關(guān)技術(shù)資料在行業(yè)技術(shù)期刊上公開發(fā)表。本研究檢索并梳理分析了涉及離心紡紗技術(shù)的一些比較有代表性的專利文獻(xiàn)，試圖在此基礎(chǔ)上大致厘清該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以期能為我國對該項(xiàng)技術(shù)感興趣的研究者提供一些有用的技術(shù)信息。

1 離心紡紗的基本工藝過程

離心紡紗屬于非自由端機(jī)械真捻紡紗，如圖1所示，將經(jīng)過牽伸裝置牽伸后的短纖維紗條通過空心導(dǎo)紗管進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的圓柱離心罐內(nèi)，紗條在離心力的作用下貼附在離心罐內(nèi)壁上，并隨離心罐高速旋轉(zhuǎn)加捻而形成紗線。由于紗條轉(zhuǎn)動(dòng)速度落后于離心罐旋轉(zhuǎn)速度，從而使得紗條逐圈堆疊在離心罐內(nèi)壁產(chǎn)生卷繞。同時(shí)，導(dǎo)紗管按一定規(guī)律沿離心罐軸向上下往復(fù)移動(dòng)，使得紗線均勻地疊層分布在離心罐內(nèi)壁，從而形成空心筒狀的紗線卷裝，即紗餅。

成形于離心罐中的空心紗線卷裝是無法直接使用的。這是因?yàn)椋瑢τ诔Ｒ姷拿?、麻、毛等短纖維紗線而言，這種空心卷裝的形態(tài)自維持能力很弱，一旦離心罐停止旋轉(zhuǎn)，失去了離心力的作用，紗線卷裝會迅速坍塌。因此必須在離心罐保持旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下盡快將紗線從離心罐中導(dǎo)出卷繞成筒子紗，或是將一個(gè)細(xì)紗筒管伸入離心罐中，使紗線反向卷繞到細(xì)紗筒管上形成管紗，這個(gè)過程被稱為重卷繞。相應(yīng)地，前述在離心罐中為形成紗餅而發(fā)生的卷繞被稱為初次卷繞。

圖1 離心紡紗裝置

2 離心紡紗專利技術(shù)的起源和申請概況

筆者能夠檢索到以離心紡紗技術(shù)為主題的最早專利文獻(xiàn)是1904年10月4日公開的美國專利US771396A［2］，該專利披露的離心紡紗裝置如圖2所示。纖維須條由導(dǎo)紗桿引導(dǎo)進(jìn)入離心罐內(nèi)，加捻形成的紗線堆疊在離心罐內(nèi)壁形成紗餅。隨后，筒管從離心罐下方開口進(jìn)入罐內(nèi)，離心罐繼續(xù)旋轉(zhuǎn)而筒管上下往復(fù)移動(dòng)，紗線反向重卷繞到筒管上形成管紗，以供下道絡(luò)筒工序使用。這種重卷繞方式中，需要在離心罐紗餅卷裝與最終的筒子紗卷裝之間通過管紗卷裝過渡，可稱為間接絡(luò)筒法。

1907年4月13 日公開的瑞典專利SE22272C 1［3］則率先展示了以另一種方式完成重卷繞的離心紡紗裝置，具體如圖3所示。

圖2 美國專利US771396A

圖3 瑞典專利SE22272C1

將來自牽伸裝置的纖維須條經(jīng)由漏斗導(dǎo)入離心罐內(nèi)，加捻成紗后直接將紗線反向從漏斗導(dǎo)出，經(jīng)導(dǎo)輥引導(dǎo)到絡(luò)筒裝置上形成筒子紗。這種重卷繞方式，由離心罐紗餅卷裝直接轉(zhuǎn)換為筒子紗卷裝，故稱為直接絡(luò)筒法。

上述專利的問世拉開了離心紡紗專利技術(shù)的發(fā)展序幕。依據(jù)筆者的檢索結(jié)果，截止2021年12月31日，全球共有964件以離心紡紗技術(shù)為保護(hù)主題的專利申請公開。1950年之前，離心紡紗專利申請量很小，總共僅有48件，主要的研發(fā)者分布在英國、法國、德國等西歐國家和美國；隨著戰(zhàn)爭的結(jié)束，研究熱度逐漸升溫，1950年—1979年共產(chǎn)生了271件專利申請，研發(fā)隊(duì)伍也擴(kuò)展到前蘇聯(lián)和東歐的一些國家；隨后的10年中則陷入低迷期，僅有47件申請?zhí)岢觯昃鶎＠暾埩坎蛔?件，與同時(shí)期高速發(fā)展的其他紡紗技術(shù)例如轉(zhuǎn)杯紡、噴氣渦流紡相比差距甚大；進(jìn)入20世紀(jì)90年代之后，隨著德國W·施拉夫霍斯特公司和日本豐田自動(dòng)織機(jī)公司先后強(qiáng)力介入，申請量開始有了明顯的增長，1990年—1999年有115件，2000年—2009年 有264件，而2010年—2021年 有219件。

該領(lǐng)域最主要的申請人是德國W·施拉夫霍斯特公司（180件）和日本豐田自動(dòng)織機(jī)公司（69件）。二者合計(jì)貢獻(xiàn)了超過全球總申請量（964件）四分之一的專利申請。

中國雖然是紡紗生產(chǎn)大國，但在離心紡紗技術(shù)領(lǐng)域的專利申請很少。沈陽華岳機(jī)械有限責(zé)任公司是該領(lǐng)域目前能檢索到的唯一中國申請人。

3 離心紡紗專利技術(shù)的工藝路線

離心紡紗專利技術(shù)問世之初，就依據(jù)加捻和重卷繞方式的不同形成了一步加捻工藝和二步加捻工藝兩大技術(shù)路線并延續(xù)至今。一步加捻工藝采用間接絡(luò)筒法進(jìn)行重卷繞，其紗線捻度的獲得僅發(fā)生在離心罐初次卷繞成形階段；而二步加捻工藝的重卷繞則采用直接絡(luò)筒法，在紗餅卷裝轉(zhuǎn)換到筒子紗卷裝時(shí)，還會進(jìn)行第二次加捻，故稱為二步加捻。

3.1 一步加捻工藝

由日本豐田自動(dòng)織機(jī)公司于2019年1月29日提出申請并于2019年8月14日公開的中國專利CN110129927A［4］，展示了一種典型的采用一步加捻工藝的離心紡紗裝置，其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該裝置的紡紗過程：首先，由牽伸裝置輸出的須條通過導(dǎo)紗管進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的離心罐內(nèi)，導(dǎo)紗管上下往復(fù)移動(dòng)，加捻后的紗線逐層卷繞在離心罐內(nèi)壁上形成空心筒狀的紗餅。當(dāng)紗餅達(dá)到最大卷裝容量時(shí)，牽伸裝置停止輸出紗條，導(dǎo)紗管向上運(yùn)動(dòng)退出離心罐，同時(shí)搭載有筒管和空氣噴嘴的筒管支承部向上運(yùn)動(dòng)，將筒管和空氣噴嘴從離心罐下方開口送入罐中。隨后，壓縮空氣從空氣噴嘴對著空心紗餅的內(nèi)壁噴出，吹起紗頭使其接觸筒管表面，此時(shí)離心罐仍然保持旋轉(zhuǎn)，紗線開始反向卷繞到筒管上。同時(shí)，筒管開始隨著筒管支承部做上下往復(fù)升降運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方式與傳統(tǒng)環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)相同，從而使得紗線在筒管上卷繞成形為管紗。

在整個(gè)紡紗過程中，紗線捻度的獲得僅發(fā)生在紗餅成形階段。在重卷繞過程中，由于從紗餅上退繞的紗線是沿著卷裝的徑向退出的，而筒管的軸向與紗餅的軸向平行，故重卷繞過程不會使得紗線增加捻度。完成了重卷繞的管紗從離心罐中退出后，可以直接送往絡(luò)筒工序制成筒子紗。

由于精煤快開壓濾機(jī)對細(xì)粒精煤脫水效率高，因此選煤廠決定采用KXGZ300/1500-U型隔膜式快開壓濾機(jī)。在相同入料條件下，精煤壓濾濾餅水分比真空過濾機(jī)降低3%～6%，比相同處理能力的真空過濾機(jī)可節(jié)能60%～70%。且濾液為清水，可直接作循環(huán)水，減少了細(xì)泥在系統(tǒng)中的循環(huán)，有利于改善浮選和過濾效果。根據(jù)實(shí)際情況及技術(shù)參數(shù)選擇了其他相應(yīng)配套設(shè)備。

圖4 一步加捻離心紡紗裝置

3.2 二步加捻工藝

由沈陽華岳機(jī)械有限責(zé)任公司于2006年10月17日提出申請并于2007年4月25日公開的中國專利CN1952230A［5］，公開了一種典型的采用二步加捻工藝的離心紡紗機(jī)，該設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 二步加捻離心紡紗裝置

其工藝流程：粗紗經(jīng)牽伸裝置牽伸后成為須條進(jìn)入生頭裝置，壓縮空氣進(jìn)入生頭裝置形成旋轉(zhuǎn)向下的氣流包裹攜帶須條向下輸送，經(jīng)過上導(dǎo)紗管、斷頭傳感器和下導(dǎo)紗管進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的離心罐中進(jìn)行第一步加捻，形成初捻紗線；待離心罐內(nèi)的紗餅達(dá)到預(yù)定卷裝容量后，槽筒啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)備絡(luò)筒；隨后雙支撐夾持著空筒管壓向槽筒；同時(shí)頭部帶有梳狀物的探桿隨雙支撐一起相對轉(zhuǎn)動(dòng)，從打開的上導(dǎo)紗管處捕捉到紗線，并攜帶紗線到筒管表面，此時(shí)牽伸裝置停止輸出，旋轉(zhuǎn)的筒管將紗線從保持旋轉(zhuǎn)的離心罐中抽出并卷繞到筒管上。在此重卷繞過程中，由于從紗餅上退繞的紗線是從空心紗餅卷裝的內(nèi)層開始沿著卷裝的軸向退出的，離心罐的旋轉(zhuǎn)會繼續(xù)給紗線加捻，因此紗線會在已有捻度的基礎(chǔ)上再獲得一個(gè)附加捻度，形成重捻紗線。此為第二步加捻，此過程結(jié)束后紗線將獲得全部設(shè)計(jì)捻度。

二步加捻工藝的核心工藝參數(shù)是離心罐轉(zhuǎn)速與紗線喂入/輸出速度的匹配。設(shè)計(jì)該速度時(shí)，通常需要考慮：使得紗線在第一步紡紗加捻獲得的捻度大約為紗線總設(shè)計(jì)捻度的60%，而在重卷繞即第二步加捻中獲得剩余的約40%捻度。

4 離心紡紗的技術(shù)優(yōu)勢和存在的問題

在現(xiàn)有的短纖維紡紗系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)杯紡紗、噴氣渦流紡紗等以自由端紡紗、氣動(dòng)加捻為特點(diǎn)的紡紗系統(tǒng)在生產(chǎn)效率和某些紗線性能指標(biāo)上具有很大優(yōu)勢，但在紗線品種豐富性、原料適紡性和紗線整體性能方面還無法與環(huán)錠紡紗相比，特別是在紗線斷裂強(qiáng)度這一至關(guān)重要的紗線品質(zhì)指標(biāo)上還有很大差距［6-7］，而且導(dǎo)致產(chǎn)生這個(gè)差距的重要原因之一源于加捻方式的本質(zhì)不同，由自由端加捻帶來的紗線內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的不均勻很難消除。因此，環(huán)錠紡紗在行業(yè)中的相對優(yōu)勢地位還將繼續(xù)保持下去。

當(dāng)然，環(huán)錠紡紗的發(fā)展也存在自己的技術(shù)瓶頸。由于受到氣圈形態(tài)變化、鋼領(lǐng)鋼絲圈摩擦副以及帶卷裝錠子高速運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的限制，目前環(huán)錠紡紗的最高工藝錠速已經(jīng)逼近其理論極限，非常缺乏提升空間。生產(chǎn)實(shí)踐中，為保證紡紗生產(chǎn)的持續(xù)性和穩(wěn)定性，通常會選擇將錠速控制在16 000 r/min～18 000 r/min的范圍［8］。

相比而言，同樣屬于非自由端加捻的離心紡紗不需要鋼絲圈也不存在氣圈，且位于外側(cè)離心罐的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大且具有較高的制造精度，因此與環(huán)錠紡管紗相比，離心罐+紗餅的旋轉(zhuǎn)組合體的整體質(zhì)心位置能夠更精準(zhǔn)地位于其旋轉(zhuǎn)軸線上，在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下具有更好的穩(wěn)定性。其理論上的工藝極限轉(zhuǎn)速顯著地高于環(huán)錠紡，達(dá)到如日本豐田自動(dòng)織機(jī)公司所聲稱的50 000 r/min，甚至有可能實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速。

對于采用直接絡(luò)筒法的二步加捻工藝，研究者曾給予厚望。因?yàn)樵摴に嚥粌H能夠省去管紗卷裝這一中間過渡環(huán)節(jié)，而且由于是分兩次加捻，初次加捻也即離心罐加捻的捻度，可以設(shè)計(jì)得比紗線最終捻度更低。這意味著，對于相同離心罐旋轉(zhuǎn)速度，牽伸裝置的前羅拉速度（纖維須條喂給速度）可以設(shè)計(jì)得更高。這無疑進(jìn)一步大大提高了紡紗機(jī)的整體生產(chǎn)效率。然而，上述理論上的巨大優(yōu)勢并沒能順利地轉(zhuǎn)化到生產(chǎn)實(shí)踐中。在二步加捻工藝中，離心罐中的紗線只有部分捻度，在強(qiáng)度上是一種很脆弱的產(chǎn)品。當(dāng)紗線從紗餅轉(zhuǎn)移到管紗上時(shí)容易發(fā)生斷頭，而在封閉的離心罐內(nèi)處理斷頭是很困難的，且對于高速紡紗設(shè)備，處理斷頭帶來的生產(chǎn)效率損失會非常大。

為了提高離心紡紗機(jī)的生產(chǎn)連續(xù)性，提升其整體生產(chǎn)效率，研究者做出了許多嘗試并提出了專利申請。以下介紹幾篇有一定代表性的專利文獻(xiàn)，這些專利文獻(xiàn)公開的技術(shù)方案雖然并不完美，還存在各種各樣難以克服的技術(shù)困難，但其技術(shù)思路對于后續(xù)研發(fā)不乏參考價(jià)值。

4.1 德國專利

德 國 專 利DE19548674A1［9］的 技 術(shù) 思 路：采用落紗器直接從離心罐中摘取紗餅，從而徹底取消重卷繞。如圖6所示，落紗器與離心罐同軸布置，落紗器的落紗軸可由驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，落紗軸外套接有可脫離的殼體（相當(dāng)于筒管），殼體的外徑略小于處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的離心罐中空心紗餅的內(nèi)徑。該設(shè)備的落紗過程：當(dāng)離心罐中的紗餅卷繞完成后，落紗器的落紗軸與離心罐同速旋轉(zhuǎn)并沿離心罐軸線方向進(jìn)入罐內(nèi)，殼體的整個(gè)長度伸入到空心紗餅內(nèi)部；隨后，離心罐與落紗軸同步降速直至停止；此時(shí)，失去離心力作用的紗圈會在自身張力作用下發(fā)生一定程度的收縮，從而使得紗餅?zāi)軌蚴站o附著在落紗軸的殼體表面，形成了類似管紗的卷裝；落紗軸退出離心罐后，將帶紗線卷裝的殼體與落紗軸分離，即可形成供下道絡(luò)筒工序使用的紗線卷裝。

圖6 德國專利DE19548674A1

該技術(shù)主要問題是紗餅卷裝內(nèi)部的紗線張力不勻現(xiàn)象比較嚴(yán)重。在離心紡紗過程中，離心力的大小是隨著空心卷裝內(nèi)徑的減小而變化的，這導(dǎo)致了紗餅外層紗線的張力明顯高于內(nèi)層紗線。在取消了重卷繞的同時(shí)，也喪失了使得卷裝中紗線張力得到勻整的機(jī)會。這對于在交叉卷繞絡(luò)筒機(jī)上的倒筒非常不利，很容易在卷繞時(shí)發(fā)生紗線層滑脫的現(xiàn)象。

4.2 歐洲專利1

歐洲專利EP0515762A1［10］的技術(shù)思路：離心紡紗機(jī)的一個(gè)紡位布置兩個(gè)離心罐輪流進(jìn)行離心紡紗，當(dāng)其中一個(gè)離心罐加捻紡紗時(shí)，另一個(gè)離心罐進(jìn)行重卷繞。這樣，牽伸機(jī)構(gòu)的纖維須條輸出可以連續(xù)進(jìn)行，而不會因?yàn)橹鼐砝@而中斷。如圖7所示，設(shè)置在牽伸裝置出口處的供給裝置具有左支管和右支管，分別對應(yīng)連接左提取裝置和右提取裝置，左離心罐和右離心罐以及左排出導(dǎo)管和右排出導(dǎo)管，后面依次連接有第一絲線儲備裝置、紗線附接裝置、第二紗線儲備裝置和由槽筒驅(qū)動(dòng)的筒子紗。

該離心紡紗機(jī)采用二步加捻工藝進(jìn)行紡紗，牽伸裝置輸出的纖維須條由供給裝置提供的螺旋氣流包裹引導(dǎo)行進(jìn)，經(jīng)由左支管和左提取裝置分配到左離心罐中進(jìn)行第一步加捻紡紗。當(dāng)離心罐中的紗餅達(dá)到預(yù)定卷裝容量時(shí)，纖維須條由供給裝置氣動(dòng)切換為經(jīng)由右支管和右提取裝置引向右離心罐進(jìn)行加捻紡紗；同時(shí)，壓縮空氣攜帶左離心罐中紗餅內(nèi)層表面的紗線釋放端通過左排出導(dǎo)管從左離心罐中拉出，此時(shí)左離心罐保持旋轉(zhuǎn)，紗線在拉出過程中繼續(xù)接受加捻；離開左離心罐的紗線先進(jìn)入第一紗線儲備裝置，隨后與儲存在第二紗線儲備裝置中的紗線（該紗線的一端與筒子紗連接）一起進(jìn)入紗線附接裝置進(jìn)行連接，完成連接后的紗線被卷繞到由槽筒驅(qū)動(dòng)的筒管上形成交叉卷繞筒子紗。隨后待右離心罐中的紗餅成形后又進(jìn)入一輪新的工藝循環(huán)。顯然，該技術(shù)也可用于一步加捻工藝。由于能實(shí)現(xiàn)不間斷紡紗，若能解決好斷頭率高的問題，可獲得高的整體生產(chǎn)效率。

圖7 歐洲專利EP0515762A1

4.3 歐洲專利2

對于二步加捻工藝，一個(gè)無法回避的技術(shù)難題是當(dāng)紗餅卷繞成形后，如何在離心罐保持高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取空心紗餅內(nèi)層的紗線端頭，并與絡(luò)紗筒管連接以便進(jìn)行絡(luò)筒操作。通常采用的方法是從離心罐底通入高壓氣流，將紗線端頭“吹”出離心罐，或是直接在導(dǎo)紗管上端入口處截取紗線。然而，上述方法的成功率難以令人滿意。

歐 洲 專 利EP1225258A1［11］公 開 的 技 術(shù) 手 段另辟蹊徑，如圖8（a）所示，纖維須條經(jīng)牽伸裝置牽伸后，經(jīng)由導(dǎo)紗管進(jìn)入離心罐進(jìn)行第一步加捻紡紗。當(dāng)紗餅接近最大卷裝容量時(shí)，如圖8（b）所示，由槽筒驅(qū)動(dòng)的筒子紗開始反轉(zhuǎn)退繞，退出的紗線先經(jīng)由一個(gè)解捻裝置通過旋轉(zhuǎn)氣流解捻形成接引須條，該接引須條從牽伸裝置的前羅拉后方喂入，與原纖維須條合并進(jìn)入離心罐加捻，從而形成一段將筒子紗與紗餅連接起來的接引紗線。隨后，牽伸裝置的中、后羅拉停止轉(zhuǎn)動(dòng)，纖維須條不再喂入，而牽伸裝置的前羅拉和槽筒開始反轉(zhuǎn)，將紗餅的紗線從保持旋轉(zhuǎn)的離心罐中抽出，最后卷繞到筒子紗上。

圖8 歐洲專利EP1225258A1

該方法在紡紗段即完成紗餅與筒子紗的紗線連接，成功率大為提高。不足之處在于接引紗線段比較長，其紗線結(jié)構(gòu)和性能與正常紗線有所差異，這對筒子紗的質(zhì)量有難以忽視的不良影響。

5 展望與建議

鑒于離心紡紗與環(huán)錠紡紗的加捻方式非常相似，二者同屬非自由端機(jī)械真捻紡紗，在機(jī)械握持加捻過程中，其紡成的紗線內(nèi)外層纖維的加捻程度以及纖維在其整個(gè)長度上加捻程度都比由轉(zhuǎn)杯紡紗、噴氣渦流紡紗、假捻紡紗等其他加捻方法得到的紗線更為均勻，整根紗線的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)更為均勻合理。有理由相信，離心紡紗能夠獲得與環(huán)錠紡紗相似的紗線內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而能夠獲得接近環(huán)錠紡紗的優(yōu)良力學(xué)性能。如果離心紡紗技術(shù)能在生產(chǎn)連續(xù)性、穩(wěn)定性方面獲得實(shí)質(zhì)性突破，憑借其在加捻效率上的巨大優(yōu)勢，離心紡紗有望成為名副其實(shí)的“未來紡紗技術(shù)”。

離心紡紗專利技術(shù)是外國申請人占據(jù)明顯優(yōu)勢的領(lǐng)域，更值得注意的是，這些外國申請人十分重視在中國的專利布局，例如日本豐田自動(dòng)織機(jī)公司自2019年起提出的全部20族專利申請中有15族都包含有中國專利申請（申請人可以基于相同的技術(shù)內(nèi)容分別在不同的國家申請多份專利，這些專利被稱為同族專利）。這意味著，留給中國技術(shù)人員的自由研發(fā)空間正在變得越來越狹小。

中國是紗線生產(chǎn)大國和強(qiáng)國，也正在成為紡紗機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)大國和強(qiáng)國。未來在離心紡紗這一短纖維紡紗技術(shù)領(lǐng)域有可能發(fā)生重大突破，希望我國紡紗行業(yè)的技術(shù)人員能對此項(xiàng)技術(shù)有足夠的重視，并盡快組織研發(fā)投入，為中國紡紗技術(shù)的發(fā)展補(bǔ)上短板，也為離心紡紗技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)更多的中國智慧。