紡紗電機及其驅(qū)動系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展

劉榮清

(上海紡織工程學(xué)會，上?！?00060)

?綜合述評

紡紗電機及其驅(qū)動系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展

劉榮清

(上海紡織工程學(xué)會，上海200060)

摘要：介紹紡紗機械驅(qū)動用電機發(fā)展的進程，分析傳統(tǒng)電機在應(yīng)用中存在的問題和現(xiàn)代新型電機的優(yōu)點，以及變頻調(diào)速和伺服調(diào)速技術(shù)的差別與功能；通過應(yīng)用實例說明新型電機在機電一體化、多電機驅(qū)動、單錠獨立驅(qū)動、雙側(cè)同步驅(qū)動等方面的創(chuàng)新和發(fā)展；說明各種新型電機的發(fā)展與應(yīng)用，提高了紡紗機生產(chǎn)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，達到省工、節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的目的。

關(guān)鍵詞：紡紗機械；電機；電錠；獨立驅(qū)動；同步驅(qū)動；變頻；伺服；調(diào)速

0引言

信息技術(shù)、智能技術(shù)、數(shù)字技術(shù)已成為當今推動紡織機械發(fā)展和創(chuàng)新的主要驅(qū)動力，對提高紡織業(yè)的產(chǎn)質(zhì)量、節(jié)能降耗、減少用工、降低成本，以及環(huán)境保護至關(guān)重要[1]。其中，紡紗機驅(qū)動設(shè)備和器材的進步與創(chuàng)新是實現(xiàn)上述目標的基礎(chǔ)和引擎。

1紡紗用電機的發(fā)展歷程

紡紗機械上的電動機(以下簡稱“電機”)是紡紗機械動力之源。紡織用電機已有數(shù)百年歷史。傳統(tǒng)紡紗機普遍應(yīng)用三相異步電機，一般一臺紡紗機由一臺電機驅(qū)動。20世紀80年代，紡織用電機推行系列化和標準化，按不同功能特征分為JFO2、FTW和FO2等多種類型。改革開放后，隨著新型電機的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)電機存在的問題。

傳統(tǒng)電機的驅(qū)動方式存在功能單一、傳動環(huán)節(jié)多，傳動機件多，潤滑要求高，摩擦耗能多，驅(qū)動件存在齒隙、縫隙、松動、滑溜，以及輸入、輸出不同步，易造成成紗細節(jié)、紗疵多等問題。最主要的是，傳統(tǒng)電機驅(qū)動無控制和調(diào)整的功能，不能適應(yīng)紡機智能化、自動化、工序連續(xù)化、在線工藝、質(zhì)量的檢測和監(jiān)控等要求。因此，正是現(xiàn)代紡紗技術(shù)促進了新型電機和驅(qū)動技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。

2新型電機的發(fā)展

2.1紡紗用電機使用特點

紡紗用電機使用特點如下，新型電機的選用必須考慮這些因素。

a)單機功率不大，一般不大于30kW；

b)主機連續(xù)使用時間長，一般超過24h；

c)負載穩(wěn)定，但啟動負荷較大，需配備相應(yīng)的控制電路；

d)由于使用環(huán)境中飛花、塵雜較多，常采用全封閉式結(jié)構(gòu)并需定期清潔；

e)由于電機數(shù)量較多，會影響車間溫濕度，所以，夏季宜采用集中排風或水冷、油冷等設(shè)施進行降溫或給濕；

f)電機轉(zhuǎn)速高，如環(huán)錠細紗機、轉(zhuǎn)杯紡紗機、噴氣紡紗機的電機。轉(zhuǎn)杯紡紗機電機轉(zhuǎn)速已高達100kr/min，最高可達150kr/min。

2.2紡織用新型電機2.2.1三相永磁式電機

稀土永磁材料的發(fā)展，推動了永磁電機的應(yīng)用；而永磁電機主要采用的永磁材料為鐵氧體和鋁鎳鈷合金，以前者最常見。

三相永磁式同步電機具有體積小、質(zhì)量輕、高效節(jié)能等優(yōu)點，其控制調(diào)整技術(shù)成熟，已經(jīng)從一般控制驅(qū)動發(fā)展至高精度伺服驅(qū)動。

2.2.2同步電機

異步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，而同步電機卻能保持轉(zhuǎn)速相同。由于同步電機的轉(zhuǎn)子速度與負載大小無關(guān)，因此轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，特別適用于無級調(diào)速或變速。

2.2.3無電刷直流電機

無電刷直流電機也是同步電機的一種。傳統(tǒng)直流電機存在電刷結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用不便的問題?，F(xiàn)代無電刷直流電機采用了電子開關(guān)電路和轉(zhuǎn)子位置傳感器來取代電刷的換向器，實現(xiàn)了無刷化，并保持直流電機良好的控制特性、驅(qū)動能力和調(diào)速功能。

2.2.4伺服電機

伺服電機是自帶編碼器的同步電機，具有能快速實現(xiàn)無級變速、調(diào)速、關(guān)停的特性，目前新型紡紗機多數(shù)或全部采用伺服電機驅(qū)動。

此外，控制用步進電機和新型電磁直線等新型電機也已在紡機上應(yīng)用。

3驅(qū)動變速控制技術(shù)及其應(yīng)用實例

傳統(tǒng)紡紗機主機除工藝調(diào)整、產(chǎn)品翻改外，一般按規(guī)定速度運轉(zhuǎn)。不少傳統(tǒng)主機是應(yīng)用鐵炮、錐輪做機內(nèi)調(diào)速的，已被淘汰。而在20世紀70年代曾研發(fā)出電極變換、雙速電機、交流整流子變速電機、可控硅調(diào)速及梳棉機電磁轉(zhuǎn)差離合器等變速裝置，但未成功應(yīng)用。

現(xiàn)代紡紗機為了滿足智能控制、在線生產(chǎn)、工藝檢測和監(jiān)控、機電一體化、簡化傳動結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)生產(chǎn)自動化和連續(xù)化等目的，廣泛采用變頻調(diào)速和伺服調(diào)速技術(shù)。

3.1變頻調(diào)速

變頻調(diào)速系統(tǒng)，由交流異步電機或同步電機以及交流變頻器組成。目前，國內(nèi)外有許多廠商制造各種特性的變頻器，著名廠商如西門子、東芝、三菱、歐姆龍等。其中，紡織專用變頻器也有不同特性的機型，可根據(jù)變速要求、功率、啟動、矢量、速度等特性選用性價比高的變頻器。

當下，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成熟，無論是新機使用，還是老機改造都能適用，推廣面較廣。變頻調(diào)速系統(tǒng)需關(guān)注變頻器的溫升情況，變頻器大多帶有風扇散熱，但功率大的則需與車間分隔開；同時，需防止積花、塵雜的堆積。

3.2伺服調(diào)速

以伺服電機為主體的功能控制在速度、轉(zhuǎn)矩、啟動、關(guān)閉、負載能力及調(diào)速靈敏度等方面，都比變頻調(diào)速效果好；伺服電機價格雖較高，但應(yīng)用前景較好。

3.3電機調(diào)速應(yīng)用實例

文獻[1]對變頻調(diào)速的應(yīng)用，從纖維加工到紡、織、染已有較詳細的敘述，筆者在此只作概括介紹。

“世上的事，本來就是信則有，不信則無，前進則有，后退則無。這四個孩子都不錯，姓袁的孩子寬厚，姓吳的孩子實誠，這兩個都有大成之象；上官家的丫頭聰慧，你們李家的小子也有情有義，他們沒有袁、吳兩少年的渾成剛毅，憑其智計，足以在亂世中保全其身。眼下萬花谷也是一盤棋，到了風云變幻的時刻，不知道東方宇軒的這一著，會引出什么樣的變化。烏有兄，我近年修道，覺得天命既可為，也惟危，不如不為。天地無言，是造命，還是聽命，吾不知也。我們今天晚上，來干犯天地，鑿開萬花因，予萬花谷，也不知是福是禍?！?/p>

3.3.1紡紗工序自調(diào)勻整裝置的應(yīng)用，主要依靠驅(qū)動電機的變速來實現(xiàn)。根據(jù)開清棉棉層厚度的變化、紗條線密度的不同，引用開環(huán)、閉環(huán)或混合環(huán)的方式，以改變倍數(shù)、實現(xiàn)自調(diào)勻整，從而改善產(chǎn)品長、短片段的均勻度，降低重量不勻率和條干不勻率。

值得回味的是，20世紀80年代初，A272型并條機的自調(diào)勻整裝置[2]如圖1所示，是用鐵炮調(diào)速的，伺服電機只起移動鐵炮的作用。

3.3.2粗紗機利用4臺變頻或伺服電機即可編程序控制電機獨立驅(qū)動錠翼、筒管、龍筋、牽伸同步運動；改變了原有復(fù)雜的傳動系統(tǒng)，取得良好效果。

3.3.3細紗機根據(jù)一落紗中紡紗張力的變化或大、中、小紗斷頭規(guī)律，利用變頻器調(diào)節(jié)錠子速度優(yōu)化了紡紗速度，可提高產(chǎn)量8%～10%，是當前行業(yè)推行的熱點。

圖1　A272型并條機SPr自調(diào)勻整裝置

3.3.4推行自動絡(luò)筒機變頻電機改變絡(luò)紗速度，可替代防疊裝置，改善筒子成形，甚至實現(xiàn)精密卷繞。

3.3.5根據(jù)經(jīng)紗張力的變化，用變速電機自動調(diào)整喂入或輸出速度，可減少意外牽伸。目前已在精梳機、并條機和粗紗機上應(yīng)用[3]。

3.3.6控制精梳機分離運動的多連桿行星齒輪等復(fù)雜操控為采用伺服變速電機和電腦程序控制的電子凸輪已獲成功[4]。細紗機鋼領(lǐng)板升降成形凸輪和機構(gòu)的運動也可由伺服變速的電子凸輪所替代，并已有產(chǎn)品問世[4-5]。

3.3.7在線檢測紡紗空壓機、風機、水泵的壓力、流量、真空度等參數(shù)的變化，可通過變速電機根據(jù)生產(chǎn)要求自動調(diào)整，保持恒量供氣、穩(wěn)壓和供水，從而穩(wěn)定生產(chǎn)，節(jié)能降耗。

4電機驅(qū)動方式的創(chuàng)新

針對傳統(tǒng)紡紗機單臺電機驅(qū)動的缺陷，新型紡紗機普遍采用多電機、多軸及機電一體化技術(shù)，同時減少或去除各類齒輪、鏈輪、蝸輪、帶輪等傳動件，推行同步齒形帶傳動，實現(xiàn)無間隙傳動。其優(yōu)點如下。

a)減少單臺主電機傳動、多環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的能耗，降低用電量；

b)實現(xiàn)無齒隙、無縫隙、無打滑傳動，基本做到可同時開車和停車，消除開關(guān)車不同步產(chǎn)生細節(jié)等疵點問題；

c)簡化傳動結(jié)構(gòu)，減少機件、器材及潤滑系統(tǒng)；

d)降低驅(qū)動產(chǎn)生的噪聲；

e)可實現(xiàn)改變牽伸、捻度、速度等參數(shù)，不同調(diào)換齒輪或帶輪，并實現(xiàn)無級精密調(diào)整。

目前，該技術(shù)已涵蓋紡紗機的各個領(lǐng)域，如特呂茨勒公司推出的TD8型并條機。全機由5臺伺服電機組成，如圖2所示，全面采用無齒輪齒形帶驅(qū)動，設(shè)置伺服導(dǎo)條架、后牽伸區(qū)、主牽伸區(qū)3組自調(diào)勻整裝置和圈條監(jiān)控器，圈條盤獨立驅(qū)動還可實現(xiàn)無級

1,3,4,5,7—電機；2—伺服導(dǎo)條架；6—圈條器托盤；8—圈條監(jiān)控器。圖2　TD8型并條機傳動

變速調(diào)節(jié)。

4.2單錠獨立驅(qū)動和電錠的發(fā)展

為了工藝控制和生產(chǎn)自動化及節(jié)能需要，單錠獨立驅(qū)動和電錠的發(fā)展是紡機發(fā)展的趨勢。目前已實現(xiàn)單錠獨立驅(qū)動的紡紗機有：自動絡(luò)筒機、并紗機、轉(zhuǎn)杯紡紗機；而采用電錠(錠子與電機一體化)的有倍捻機、環(huán)錠細紗機和粗紗機。倍捻機采用電錠后，全機電耗可減少10%～15%[6]；環(huán)錠紡紗機采用電錠后好處更多。電錠采用專用無電刷直流電機，其響應(yīng)速度快，啟動轉(zhuǎn)距大，體積小，適宜調(diào)整運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速不勻率可控制在0.3%以內(nèi)，適應(yīng)單錠變速控制和驅(qū)動。電錠的捻度不勻率和斷頭率低，可通過單錠轉(zhuǎn)速檢測監(jiān)控發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速不正常錠子。分析斷頭的原因、檢測斷頭率和生產(chǎn)效率、統(tǒng)計產(chǎn)量；若將斷頭和粗紗自動停喂裝置相聯(lián)鎖，可以減少吸棉飛花，更重要的是節(jié)電，還可省去滾筒、錠盤、錠子等部件，減小機幅。如果電錠具有控制單錠慢速轉(zhuǎn)動和鋼絲圈定位等功能，將為今后研發(fā)智能機器人或機械手自動接頭創(chuàng)造可能性，還能實現(xiàn)一臺車上生產(chǎn)多種異捻紗。有關(guān)細紗電錠的介紹可參見文獻[7-8]。然而，環(huán)錠細紗機電錠還未大面積使用，其性價比有待時間檢驗。

4.3紡紗機雙側(cè)同步驅(qū)動

部分紡紗機從20世紀50年代開始，其錠數(shù)、眼數(shù)不斷增加，整機長度也相應(yīng)加大。如精梳機從6眼擴大到8眼；粗紗機從80錠、120錠增加到600錠；賜來福轉(zhuǎn)杯紡紗機從126錠增加至552錠；環(huán)錠細紗機更是從400多錠擴大到1 920錠。錠數(shù)、長度增加后最大的優(yōu)點是節(jié)省看機、落紗等的人工以及電耗，收效顯著。然而，部分機臺原來的驅(qū)動方式不能適應(yīng)紡紗機的新發(fā)展，主要問題有車頭、羅拉的扭矩、扭振增大和斷頭增多、條干惡化，易產(chǎn)生規(guī)律性機械波紗疵，錠間質(zhì)量指標變異增加等。其中，超長細紗機和精梳機等出現(xiàn)問題，其他機臺也應(yīng)引起足夠注意。

在超長細紗機上，將前羅拉直徑由22.3mm、25mm增為27mm，須采用雙側(cè)分開同步電機驅(qū)動。

精梳機傳動復(fù)雜且呈周期性變化，慣性力大。當從6眼增至8眼后，扭矩振動明顯增大，造成質(zhì)量、定量、落棉眼間變異增大，為此特呂茨勒公司與豐田公司合作研制的TC012型高速精梳機(600鉗次/min)采用了雙側(cè)伺服電機驅(qū)動，使得分離羅拉的扭矩減少約75%，質(zhì)量和落棉量差異減少約50%[9]。

4.4雙眼自調(diào)勻整并條機實現(xiàn)單眼獨立驅(qū)動

立達公司產(chǎn)的RSD-D24型雙眼并條機[10]的前羅拉、導(dǎo)條架、吸風等屬單眼驅(qū)動，但自調(diào)勻整為雙眼獨立驅(qū)動，實現(xiàn)變頻控制，既能發(fā)揮單眼獨立驅(qū)動的車速高、效率高、耗電少的優(yōu)點，又能保證自調(diào)勻整雙眼獨立驅(qū)動質(zhì)量好、投資少的優(yōu)點，國內(nèi)也有多家廠商制造類似機型，如TMFD81L型并條機等。

4.5牽伸羅拉獨立驅(qū)動與產(chǎn)品創(chuàng)新

立達公司產(chǎn)的K44、K45型、青澤產(chǎn)的Zinser351/361型、豐田的RX300型等環(huán)錠細紗機均可在牽伸部分選配由3個伺服電機獨立驅(qū)動的牽伸裝置，以方便調(diào)整牽伸大小。通過后羅拉周期性變速，可紡成不同粗細、不同長度、有規(guī)律或無規(guī)律的竹節(jié)紗或粗節(jié)紗及線密度不同的異號紗(長片段)；通過后羅拉瞬間超喂，即表面速度大于中羅拉速度，可紡成花式結(jié)子紗；還可通過一錠喂入兩根粗紗的方法，即中羅拉恒速喂入本色紗，后羅拉間隙停頓喂入彩色紗，可紡成各種片段的段彩紗。上述的變速控制可由計算機程序預(yù)先設(shè)定精準控制。

5結(jié)語

傳統(tǒng)的紡紗機械驅(qū)動技術(shù)已不適應(yīng)現(xiàn)代紡紗生產(chǎn)要求，變頻或伺服調(diào)速、多電機獨立驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用，簡化了傳動結(jié)構(gòu)；電子凸輪、自調(diào)勻整、在線檢測和監(jiān)控等各種新技術(shù)已在紡機上得到越來越多的應(yīng)用。紡紗機驅(qū)動設(shè)備的創(chuàng)新優(yōu)化，是紡紗機智能化、自動化、機電一體化、數(shù)字化的需要，對提高紡紗機生產(chǎn)水平、產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能降耗、減少用工、降低成本、擴大紡紗品種具有重大意義。

參考文獻：

[1] 劉榮清.變頻技術(shù)在紡織機械上的應(yīng)用[J].紡織器材，2013，40(3Z)：52-54.

[2] 《棉紡手冊》編寫組.棉紡手冊：第二分冊[M].2版.北京：紡織工業(yè)出版社，1987：144.

[3] 周建明，顧明，徐凱立，等.變頻器在紡織行業(yè)應(yīng)用調(diào)查：應(yīng)用空間待突破 節(jié)能前景更廣泛[J].變頻世界，2012(10)：16-18.

[4] 陳春紅，張慧芳，何勇.電子凸輪在高速精梳機上的應(yīng)用[J].紡織器材，2013，40(4)：48-49，56.

[5] 印度朗維公司.LRS/AX型細紗機樣本[Z].

[6] 劉榮清.倍捻技術(shù)發(fā)展與設(shè)備造型[J].棉紡織技術(shù)，2012，40(8)：61-64.

[7] 劉榮清.細紗機在線檢測和電錠的發(fā)展與展望[C]//2012’全國細紗技術(shù)研討會論文集.北京：中國棉紡織行業(yè)協(xié)會，2012.

[8] 劉榮清.細紗機傳動系統(tǒng)的創(chuàng)新和發(fā)展[J].紡織器材，2015，42(2)：53-55.

[9] 德國特呂茨勒公司.TD系列并條機，TC012型精梳機樣本[Z].

[10] 瑞士立達集團.RSD-D型并條機樣本[Z].

TheInnovativeDevelopmentofMotorsPlustheDrivingSystemontheSpinningMachinery

LIURongqing

(ShanghaiTextileEngineeringInstitute,Shanghai200060,China)

Abstract:Introduction is made to the progress of the motors on the spinning machinery.Analysis is done to the problems with the traditional motor and the advantages of the modern motor,and differences and performance of the variable frequency speed control and servo control technology.The application examples illustrate the innovation and development of new motor in electromechanical integration,multi-motor drive,single spindle drive,bilateral synchronous drive and such.Introduction is made to the development and application of new kinds of motor with high production and high quality of products.The innovative development is of labor saving with less energy consumption,high production efficiency and low production cost.

Key Words:spinning machinery;motor;motor-driven spindle;individual drive;synchronous drive;frequency conversion;servo;speed regulation

收稿日期：2015-11-08

作者簡介：劉榮清(1934—)，男，江蘇無錫人，教授級高級工程師，主要從事紡紗工藝、產(chǎn)品、測試應(yīng)用方面的研究。

中圖分類號：TS103.11

文獻標志碼：A

文章編號：1001-9634(2016)03-0057-04