徐惠君+張志+劉延華
摘要:本文探討了轉(zhuǎn)杯紡紗機的高速化、智能化、自動化的內(nèi)涵及其重要意義,并探討了我國實現(xiàn)高速化、智能化及自動化的途徑。
關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)杯紡紗機械;高速化;智能化;自動化
中圖分類號:TS112.7 文獻標(biāo)志碼:A
Development of Rotor Spinning Machinery: High-speed, Intelligent and Automatic
Abstract: The significance of high-speed, intelligence and automation for rotor spinning machine is discussed in this paper. Besides, some suggestions for the development of high speed, intelligent and automatic rotor spinning machine in China are also put forward.
Key words: rotor spinning;machinery; high-speed; intellectualization; automation
紡機制造業(yè)作為紡織工業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè),是我國紡織行業(yè)快速發(fā)展的重要基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)杯紡紗機是主要的紡紗裝備之一,高速化、智能化及自動化為其發(fā)展提供了新思路和新方向。因此,有必要在消化吸收國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上,獨立自主地對相關(guān)技術(shù)進行研究開發(fā),不斷推動其發(fā)展和創(chuàng)新。
1 轉(zhuǎn)杯紡紗機的高速化發(fā)展
轉(zhuǎn)杯紡紗機是通過高速回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯完成纖維流的凝聚、并合、加捻成紗的一種新型紡紗方法(屬于自由端紡紗范疇),高速化是其最主要的特點之一。經(jīng)過不斷改進工藝,轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速已由原來的 3 萬r/min逐步提高至現(xiàn)階段的10萬 ~ 20萬r/min,這也構(gòu)成了轉(zhuǎn)杯紡紗發(fā)展史的重要內(nèi)容。
1.1 高速化的重要性
1.1.1 高速化是轉(zhuǎn)杯紡紗高產(chǎn)的主要措施
紡紗的高產(chǎn)可以通過加捻高速、降低紡紗的捻度、增加機器的錠數(shù)、提高機器運轉(zhuǎn)效率等多種措施來實現(xiàn)。但其中加捻件高速是實現(xiàn)紡紗高產(chǎn)最主要、最根本的措施。轉(zhuǎn)杯紡紗能從傳統(tǒng)的環(huán)錠紡紗領(lǐng)域脫穎而出就是由于其具有高速高產(chǎn)的特點。轉(zhuǎn)杯紡紗將加捻和卷繞分開,為轉(zhuǎn)杯高速化創(chuàng)造了條件,也為紡紗的高產(chǎn)提供了巨大的空間和時間,因此,有人將轉(zhuǎn)杯紡紗的出現(xiàn)比作紡紗史的一次革命,因為它突破了環(huán)錠紡紗產(chǎn)量的極限。
1.1.2 高速化是拓寬轉(zhuǎn)杯紡適紡紗號、提高經(jīng)濟效益的主
要途徑
普通轉(zhuǎn)杯紡紗機在轉(zhuǎn)杯速度為 3萬 ~ 5萬r/min時,經(jīng)過經(jīng)濟換算,適紡21S以下(折合紗號28 tex)的紗,這就大大限制了轉(zhuǎn)杯紡紗的應(yīng)用領(lǐng)域。
唯有提高轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速才能增加紡紗產(chǎn)能,釋放出轉(zhuǎn)杯紡技術(shù)強大的生命力。初步測算,當(dāng)轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速在8.5萬r/min時,適紡30S(折合紗號20 tex)的紗;轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速在12萬r/min時,適紡42S(折合紗號為14 tex)的紗。因此,要使開發(fā)中細OE紗更有成效,必須實行轉(zhuǎn)杯高速化。
1.2 高速化過程中遇到的問題
轉(zhuǎn)杯紡高速化遇到的問題包括高速轉(zhuǎn)杯驅(qū)動技術(shù)的局限性、轉(zhuǎn)杯直徑等紡紗工藝的限制、能耗及紡紗成本、人工操作困難等。
1.2.1 轉(zhuǎn)杯驅(qū)動方式
從轉(zhuǎn)杯紡紗一出現(xiàn),人們就開始研究轉(zhuǎn)杯的驅(qū)動方式。現(xiàn)有的轉(zhuǎn)杯驅(qū)動方式主要有以下幾種:
(1)直接軸承和龍帶的轉(zhuǎn)杯驅(qū)動方式(目前最高轉(zhuǎn)速為11萬r/min),捷克機型與國產(chǎn)機型都已采用;
(2)雙盤支承間接軸承和龍帶的轉(zhuǎn)杯驅(qū)動方式(目前最高轉(zhuǎn)速為16萬r/min),Schlafhorst(賜來福)公司和Rieter(立達)公司的全自動轉(zhuǎn)杯紡紗機目前采用這種驅(qū)動方式;
(3)空氣軸承和中頻電動機的轉(zhuǎn)杯驅(qū)動方式(目前最高轉(zhuǎn)速為 8 萬r/min),四川川江廠的FA621型中頻轉(zhuǎn)杯紡紗機采用這種方式;
(4)磁性懸浮軸承和變頻電機驅(qū)動方式(目前最高轉(zhuǎn)速為20萬r/min),已在賜來福公司的Autocoro 8機型上應(yīng)用。
目前各種轉(zhuǎn)杯驅(qū)動技術(shù)都面臨著價格、使用壽命、能耗、噪聲、維護、配件、故障等問題的考驗,有待于深入研究開發(fā)。
1.2.2 轉(zhuǎn)杯直徑等紡紗工藝技術(shù)問題
轉(zhuǎn)杯高速化面臨著轉(zhuǎn)杯直徑與轉(zhuǎn)杯速度的矛盾,現(xiàn)有轉(zhuǎn)杯直徑與轉(zhuǎn)速的關(guān)系大致如表 1 所示。
轉(zhuǎn)杯直徑與適紡纖維的長度有關(guān),一般轉(zhuǎn)杯直徑與纖維長度之比需大于1 ~ 1.3,最近高速化轉(zhuǎn)杯紡這個比例稍有突破。一般說來,高速轉(zhuǎn)杯紡適合紡中細號OE紗,不適合中粗號OE紗。但纖維長度又不宜太長,因此,細而短的化纖較適合高速轉(zhuǎn)杯紡中細號OE紗的開發(fā)。
轉(zhuǎn)杯高速后將引起動態(tài)張力的增加,造成斷頭增加,轉(zhuǎn)杯高速后也會使紗與假捻盤的摩擦熱量增加,影響假捻效果。高速轉(zhuǎn)杯紡由于梳理速度沒有大幅提高,分梳纖維量的增加也會造成紡紗品質(zhì)降低。
1.2.3 轉(zhuǎn)杯高速后造成人工接頭困難
實踐表明,當(dāng)轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速在 6 萬r/min以上時,人工接頭操作就十分困難,因此,輔助接頭、機械手接頭、巡回小車接頭、半自動接頭等技術(shù)很早就進入轉(zhuǎn)杯紡紗的研究范疇。
1.3 轉(zhuǎn)杯高速化的途徑
1.3.1 轉(zhuǎn)杯驅(qū)動技術(shù)
轉(zhuǎn)杯高速的軸承(直接式與間接式)和龍帶驅(qū)動的能耗主要是在龍帶、托輪等傳遞過程中。磁懸浮軸承、空氣軸承與中頻變頻電機相結(jié)合的獨立驅(qū)動方式將會是一個新的發(fā)展思路,這在節(jié)能降耗上將帶來巨大的突破,同時在機械結(jié)構(gòu)、自動化和智能化設(shè)計方面也將帶來很大的潛力。
軸承和龍帶的轉(zhuǎn)杯驅(qū)動方式在生產(chǎn)實踐中不斷向前發(fā)展,已從 3 萬r/min已發(fā)展到現(xiàn)在的11萬r/min,雙盤支撐、間接軸承的最高轉(zhuǎn)速已達到16萬r/min,軸承和龍帶技術(shù)的改進為轉(zhuǎn)杯向高速邁進創(chuàng)造了條件,因其結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、使用成本較低,至今仍為廣大用戶青睞。但其在高速、節(jié)能、降噪、壽命等方面仍有待提高,以滿足轉(zhuǎn)杯高速化的要求。
1.3.2 高速后紡紗工藝方面尚需突破
(1)轉(zhuǎn)杯高速化后適紡紗線支數(shù)的提高,需要深入開發(fā)化纖中細支OE紗的系統(tǒng)研究;
(2)轉(zhuǎn)杯直徑與可紡纖維長度間的關(guān)系,轉(zhuǎn)杯凝聚槽表面處理和磨損的關(guān)系;
(3)假捻盤降溫;
(4)纖維流分梳及其單纖維供應(yīng)問題。1.3.3 轉(zhuǎn)杯高速化更需要智能化和自動化
2 轉(zhuǎn)杯紡紗機的智能化發(fā)展
紡紗機械加工技術(shù)的智能化發(fā)展是大勢所趨。轉(zhuǎn)杯紡紗機的高速化,大大促進了轉(zhuǎn)杯紡紗向智能化方向發(fā)展,從轉(zhuǎn)杯紡紗機的發(fā)展趨勢來看,智能化是其核心部分。智能化直接或間接影響著轉(zhuǎn)杯紡紗機及其產(chǎn)品的競爭力。
轉(zhuǎn)杯紡紗機的智能化生產(chǎn)是指利用計算機模擬人工智能進行判斷、分析、決策,實現(xiàn)轉(zhuǎn)杯紡紗機生產(chǎn)中信息的收集、整理、存儲、傳輸、轉(zhuǎn)換等處理整合的過程,使生產(chǎn)過程中各個部分能系統(tǒng)地貫穿統(tǒng)一,可極大地提高生產(chǎn)效率,保證產(chǎn)品質(zhì)量和社會經(jīng)濟效益。
2.1 轉(zhuǎn)杯紡紗機紡紗器斷頭自停的智能化
紡紗過程中總會發(fā)生斷頭,斷頭后必須要求喂入原料停止供給,否則將產(chǎn)生原料浪費、紡紗器嚴(yán)重故障。斷頭后紡紗停止,影響機器產(chǎn)能,因此,斷頭后紡紗器的智能化主要體現(xiàn)在如下方向:
(1)利用光電檢測到斷頭后立即通知原料喂入的電磁離合器(或步進電機)停止喂入;
(2)紡紗器紅燈亮起,通知操作工接頭或維修;
(3)車頭控制箱記錄斷頭的紡紗器編號、時間,統(tǒng)計紡紗產(chǎn)量的損失;
(4)車頭控制箱利用微機測算全機斷頭的總數(shù)和時間,智能化統(tǒng)計機器斷頭率、紡紗產(chǎn)量,車間管理人員可以有效地進行產(chǎn)量與工資獎金掛鉤;
(5)各臺機器如與車間廠部聯(lián)網(wǎng),便可在網(wǎng)絡(luò)上知道上述各種數(shù)據(jù)與車間紡紗實況。
2.2 轉(zhuǎn)杯紡紗的紗筒定長智能化
紗筒定長的檢測是根據(jù)正常紡紗時的引紗羅拉輸紗長度來定的,也就是斷頭時間內(nèi)不記錄該紡紗器引紗羅拉的輸出長度,紗筒的定長能使OE紗紗筒規(guī)格合一,便于包裝、運輸、后工序生產(chǎn)。紗筒定長智能化主要體現(xiàn)在如下幾個方面:
(1)當(dāng)某紡紗器紗筒定長檢測器檢測到紗筒紡紗達到規(guī)定長度后即通知紡紗自停器停止紡紗,紗筒架自動抬起,進入等待落紗狀態(tài);
(2)當(dāng)巡回落紗接頭小車抵達該紡紗器時,接到信號后進行落紗、換管、生頭;
(3)車頭控制箱記錄全機的紗筒的生產(chǎn)總數(shù)。
2.3 轉(zhuǎn)杯紡紗穩(wěn)定負壓系統(tǒng)的智能化
轉(zhuǎn)杯紡紗的轉(zhuǎn)杯內(nèi)紡紗負壓和排雜區(qū)負壓的穩(wěn)定性對紗線品質(zhì)的影響很大,但紡紗和排雜風(fēng)機通過風(fēng)箱后,因過濾網(wǎng)內(nèi)纖維原料和雜質(zhì)的阻隔,造成負壓的波動。轉(zhuǎn)杯紡紗穩(wěn)定負壓系統(tǒng)的智能化就是通過檢測風(fēng)道內(nèi)負壓來自動控制調(diào)整變頻風(fēng)機電機的轉(zhuǎn)速以保證風(fēng)道負壓的穩(wěn)定,最終使轉(zhuǎn)杯紡紗的品質(zhì)一致。
2.4 轉(zhuǎn)杯紡紗電子清紗器的智能化
轉(zhuǎn)杯紡紗的紡紗品質(zhì)在線檢測、監(jiān)控是通過電子清紗器來實現(xiàn)的。電子清紗器可對轉(zhuǎn)杯紡紗過程中的粗節(jié)、細節(jié)、波紋紗、異性纖維等紗疵及紡紗線密度的變化進行在線監(jiān)測。利用電子清紗器取得紗線質(zhì)量和機器運轉(zhuǎn)狀態(tài)的信息可以對紡紗機進行監(jiān)控?,F(xiàn)在各種全自動或半自動轉(zhuǎn)杯紡紗機都可配置不同型號的電子清紗器,具有不同的優(yōu)缺點。電子清紗器的智能化功能仍在不斷地發(fā)展,目前國際上先進的電子清紗器有立達的IQPLUS式、賜來福COROLAB Q 型、Loepfe(洛菲)的INI式、國產(chǎn)型QSD-18(上鹿紡電)和JQS-20(長嶺紡電)等。
2.5 轉(zhuǎn)杯紡紗機其他的一些智能化功能
除了上述的智能化技術(shù)和產(chǎn)品以外,轉(zhuǎn)杯紡紗機其他的一些相關(guān)技術(shù)和裝置還在不斷地開發(fā)研究中,例如機器的火花報警裝置、紗筒定徑裝置、接頭質(zhì)量監(jiān)控裝置、集體生頭裝置等。通過智能化技術(shù)的應(yīng)用,轉(zhuǎn)杯紡紗機將會在減少用工、提高紡紗品質(zhì)、節(jié)能降耗、安全生產(chǎn)、現(xiàn)代生產(chǎn)管理等方面實現(xiàn)更大的突破。
3 轉(zhuǎn)杯紡紗機的自動化
轉(zhuǎn)杯紡紗機的自動化技術(shù)是一種運用控制理論。機械電子裝備檢測儀表、計算機和其它信息技術(shù)對轉(zhuǎn)杯紡紗生產(chǎn)過程而言,是實現(xiàn)自動檢測、控制、優(yōu)化、決策,達到增加產(chǎn)量、減少用工、提高質(zhì)量、降低消耗等目的的綜合性技術(shù)。它將控制技術(shù)、機械電子技術(shù)和轉(zhuǎn)杯紡紗技術(shù)進行了結(jié)合,也是檢測、控制、驅(qū)動等 3 個系統(tǒng)的綜合應(yīng)用。轉(zhuǎn)杯紡紗機的自動化使機械裝備更加智能化、人性化、高速化,發(fā)展?jié)摿薮?。其?yōu)點在于提高了機器的工作效率、工作質(zhì)量、穩(wěn)定可靠性,且操作簡便、可減少或不用人工、擴展了適用范圍、可多品種多批次同時生產(chǎn)等,從而達到提高轉(zhuǎn)杯紡紗機整體效益的目標(biāo)。
轉(zhuǎn)杯紡紗機的自動化主要體現(xiàn)為紡紗接頭的自動化和卷繞落筒的自動化,它是轉(zhuǎn)杯紡紗工藝生產(chǎn)和卷繞落筒工藝生產(chǎn)連續(xù)自動運行的必要裝備,也是轉(zhuǎn)杯紡紗高速化后生產(chǎn)運行的必要裝備。它完成了轉(zhuǎn)杯紡紗高速化后人工難以完成的接頭和落筒換管的任務(wù)。
3.1 紡紗接頭的自動化
3.1.1 巡回走車(Coromat或AERObotic)
巡回走車是采用模擬人工接頭的方法,通過機械、電氣電子、光學(xué)和高壓氣體等組合構(gòu)成巡回走車,精確化控制來完成全部接頭動作。巡回走車式的全自動接頭技術(shù)從20世紀(jì)80年代至今不斷向前發(fā)展,賜來福公司和立達公司在該領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。其自動化接頭過程如下:
(1)斷頭后通過機械動作使紗筒自動抬起,并發(fā)出信號,使自動巡回接頭走車到達斷頭的紡紗器時會自動停下,并進行接頭動作;
(2)由機械手打開紡紗器徹底清掃轉(zhuǎn)杯(包括高壓氣吹、刷子掃等動作),恢復(fù)轉(zhuǎn)杯凝聚槽的清潔;
(3)通過機械手尋找紗筒上的紗頭,磨斷形成蓬松的接頭紗尾,達到設(shè)定接頭的長度,合上紡紗器;
(4)轉(zhuǎn)杯啟動,由光電探測器測得轉(zhuǎn)杯達到設(shè)定的接頭轉(zhuǎn)速時,由機械手將種子紗放入轉(zhuǎn)杯,在此前后,自動巡回接頭走車的喂給引紗系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的預(yù)喂纖維時間、引紗時間進行操作,完成接頭動作;
(5)通過在線接頭檢測裝置,檢測引出紗的接頭質(zhì)量是否達到合格的設(shè)定值;
(6)將接頭走車接上頭的紗引導(dǎo)到主機上的喂給、引紗、卷繞系統(tǒng);
(7)完成全部接頭動作,巡回走車離開,進入巡回運轉(zhuǎn)軌道。
在接頭過程中步驟(4)~(6)中任一環(huán)出現(xiàn)失敗,接頭便重新開始。如 3 次沒有接上,巡回接頭走車就離開該斷頭紡紗器,機修工則根據(jù)其指示的紅燈進行排故修理。接頭的可調(diào)參數(shù)有沉紗長度、接頭瞬間轉(zhuǎn)杯設(shè)定轉(zhuǎn)速、附加捻度值、預(yù)喂纖維量、引紗和卷繞的起始時間等。
3.1.2 紡紗器獨立驅(qū)動、DigiPiecing單獨數(shù)字接頭系統(tǒng)
這種接頭模式首先見于賜來福的Autocoro S機型。2011年Autocoro 8機型將這種模式加以發(fā)展,采用轉(zhuǎn)杯磁懸浮和變頻電動機獨立傳動的方式,這是一種半自動接頭和巡回走車全自動接頭相結(jié)合,采用喂給、引紗(卷繞)、轉(zhuǎn)杯單獨傳動,數(shù)字化精確控制接頭時間、喂入方式,每個紡紗器都配置接頭系統(tǒng)的新型全自動接頭機模式。它使全自動接頭(1)~(5)的動作都在獨立的紡紗器上通過DigiPiecing單獨數(shù)字接頭系統(tǒng)來完成,其優(yōu)越性表現(xiàn)為:
(1)每個紡紗器斷頭后立即進行接頭,不必等候巡回走車的光臨,使機器運轉(zhuǎn)效率提高;
(2)巡回走車由于巡回運轉(zhuǎn)接頭中故障多,運轉(zhuǎn)維護難度大,非常不容易“伺候”;
(3)機器剛開車時,不用巡回走車按順序?qū)γ總€紡紗器進行接頭,因此,該模式具有開車集體生頭的類似功能,既保證接頭質(zhì)量,又節(jié)省開車接車時間;
(4)每個紡紗器都是獨立單元,全部生產(chǎn)接頭數(shù)據(jù)都可進入車頭控制箱顯示、調(diào)節(jié)、打?。?/p>
(5)紡紗器各運轉(zhuǎn)元件全部采用獨立驅(qū)動,既為數(shù)字化精確控制時間與動作、提高接頭質(zhì)量創(chuàng)造條件,又能大大節(jié)約能耗,因為斷頭期間各運轉(zhuǎn)單元都可自停。
3.2 卷繞落筒的自動化
3.2.1 巡回走車式
早期的巡回走車有兩部,一部是巡回接頭走車,一部是巡回落紗走車,后來才將巡回接頭和落紗合二為一,但仍配置紗管庫和空管生頭機構(gòu)。自動落筒換筒管的步驟如下:
(1)轉(zhuǎn)杯紡的紗筒達到設(shè)定長度或直徑后,紡紗器停止工作,滿紗筒自動抬起,脫離卷繞輥;
(2)利用巡回走車上的機械手,將達到規(guī)定卷裝定量的紗筒抓起推送到機頂中央的紗筒輸送帶上,然后由運輸帶將其送到機尾,由另一機械手裝置或人工取走;
(3)將車頭貯存的空筒管通過空管輸送帶,自動運送到落筒的紡紗卷繞錠位,并由巡回走車將空管正確裝入卷繞筒子架;
(4)由巡回走車將空管打上留尾紗的底紗;
(5)由巡回接頭走車進行自動接頭。
隨著自動化技術(shù)的發(fā)展,巡回接頭走車、落筒小車及打底紗裝置合在一起,形成一個綜合型的自動巡回走車,完成全自動清潔、接頭與落筒換紗管的全部動作。
3.2.2 獨立的卷繞落紗筒系統(tǒng)
Autocoro 8機型將獨立的卷繞落紗筒系統(tǒng)與獨立的接頭系統(tǒng)相結(jié)合,每個紡紗器的獨立落筒系統(tǒng)可完成3.2.1中(1)~(5)的順序動作和功能。由于卷繞機構(gòu)的獨立驅(qū)動,落筒的卷繞質(zhì)量、紗筒的密度和成形有較大的改觀。
4 轉(zhuǎn)杯紡紗機實現(xiàn)高速化、智能化、自動化的途徑
(1)通過“仿造”實現(xiàn)轉(zhuǎn)杯紡紗機的自動化是行不通的。一些紡機企業(yè)、研究單位曾經(jīng)希望通過仿造國外先進自動化裝備來實現(xiàn)自動化轉(zhuǎn)杯紡紗機的國產(chǎn)化,結(jié)果均以失敗告終。自動化轉(zhuǎn)杯紡紗機不單涉及機械制造,還涉及到其他很多技術(shù)門類,特別是自動控制系統(tǒng)。仿制的產(chǎn)品在控制系統(tǒng)的時間順序與機電一體化等方面都難以達到要求。另外,“仿造”必然涉及到國外專利技術(shù),在中國從紡織大國向紡織強國邁進的過程中,紡機行業(yè)走“仿造之路”是行不通的。
(2)轉(zhuǎn)杯紡紗機的高速化、智能化、自動化是一個典型的綜合性、跨學(xué)科高科技項目,它涉及到控制理論、電子計算機、電子電氣、精密機械、流體力學(xué)、氣動控制、光電檢測、材料學(xué)、紡紗工藝技術(shù)、微機網(wǎng)絡(luò)、信息傳遞等眾多學(xué)科,需要多個領(lǐng)域技術(shù)和科學(xué)的相互融合。
(3)高速化、智能化及自動化轉(zhuǎn)杯紡紗機的研發(fā)設(shè)計不同于普通的機械設(shè)計,因此需要引進和培養(yǎng)能將上述眾多學(xué)科進行有機結(jié)合的綜合性人才,需要跨學(xué)科、跨行業(yè)甚至跨地區(qū)的學(xué)科技術(shù)合作。近10年來,世界轉(zhuǎn)杯紡紗機的銷售量約有60%在中國,國際轉(zhuǎn)杯紡紗機的制造企業(yè)十分關(guān)注中國市場,從這點來說,我們有條件有能力吸收國內(nèi)外的研發(fā)設(shè)計精英,組建強大的自動化轉(zhuǎn)杯紡紗機研發(fā)團隊。
(4)高速化、智能化、自動化轉(zhuǎn)杯紡紗機一般都是價值500萬元以上的大型、先進機械裝備,相對地,其研發(fā)費用也很大,因此必須集中全行業(yè)的人力、物力、財力來開展這項研發(fā)工作。
(5)此外,還需要制定轉(zhuǎn)杯紡紗機高速化、智能化、自動化的發(fā)展戰(zhàn)略,明確方向、制定策略、組織人才、規(guī)劃實施,才能使我國轉(zhuǎn)杯紡紗裝備行業(yè)持續(xù)、健康地發(fā)展。