環(huán)錠紡紗加捻卷繞裝置的研究與分析

于吉成 張明光 曹繼鵬

（遼東學(xué)院服裝與紡織學(xué)院，遼寧丹東 118003）

環(huán)錠紡紗加捻卷繞裝置的研究與分析

于吉成 張明光 曹繼鵬

（遼東學(xué)院服裝與紡織學(xué)院，遼寧丹東 118003）

環(huán)錠紡紗鋼絲圈與鋼領(lǐng)的配合是最精巧的實(shí)用技術(shù)，應(yīng)用了表面涂層新技術(shù)和新材料之后的鋼絲圈的使用性能與速度都得到了很大的提升。但是鋼絲圈與鋼領(lǐng)間的摩擦限制了紡紗速度的進(jìn)一步提升，在盡量減少摩擦熱或消除摩擦熱的基礎(chǔ)上，提出來替代鋼絲圈與鋼領(lǐng)配合的浮動(dòng)環(huán)與鋼領(lǐng)配合的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。采用的方法是機(jī)械式浮動(dòng)環(huán)和磁懸浮式浮動(dòng)環(huán)兩種。對(duì)這兩種創(chuàng)新設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)和功能方面作了簡(jiǎn)單的介紹，旨在推進(jìn)紡紗技術(shù)向無(wú)鋼絲圈方向推進(jìn)，進(jìn)一步提高紡紗速度和紡紗質(zhì)量。

環(huán)錠紡紗；鋼絲圈；鋼領(lǐng)；摩擦熱；浮動(dòng)環(huán)

環(huán)錠紡紗約占紗線總量的80%以上[1]，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)有200多年的歷史。鋼絲圈、鋼領(lǐng)的結(jié)構(gòu)、紡紗工藝、紡紗技術(shù)、紡紗功能等都在不斷發(fā)展與提升，加捻卷繞結(jié)構(gòu)上氣圈-鋼領(lǐng)-鋼絲圈仍在廣泛應(yīng)用。氣圈-鋼領(lǐng)-鋼絲圈三要素的精簡(jiǎn)與配合，形成了環(huán)錠紡紗技術(shù)特點(diǎn)。近些年隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，如壓延成型技術(shù)、熱處理技術(shù)、表面拋光技術(shù)、表面復(fù)合處理技術(shù)、新材料技術(shù)等，鋼絲圈的制造技術(shù)和應(yīng)用材料得到了改進(jìn)，鋼絲圈的耐磨性能有很大的提升，但是由于鋼領(lǐng)-鋼絲圈間摩擦的存在，限制了鋼絲圈速度的提升，同時(shí)也限制了紡紗速度的進(jìn)一步提升，使其在單位產(chǎn)能方面落后于新型紡紗技術(shù)。本文提出兩種替代鋼絲圈的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)行了探究和分析。

1 現(xiàn)有卷繞方式特點(diǎn)及問題

現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)錠紡加捻卷繞部分主要由鋼領(lǐng)、鋼絲圈和錠子等組成，從最后一對(duì)羅拉鉗口輸出的須條，經(jīng)過導(dǎo)紗鉤后穿過位于鋼領(lǐng)上的鋼絲圈，在接受加捻的同時(shí)卷繞到錠子上的筒管卷裝。錠子帶動(dòng)筒管高速回轉(zhuǎn)，卷繞段紗線帶動(dòng)鋼絲圈在鋼領(lǐng)上滑動(dòng)運(yùn)行，鋼絲圈每回轉(zhuǎn)一周，帶動(dòng)鋼絲圈與導(dǎo)紗鉤之間的氣圈段紗線同步回轉(zhuǎn)一周，紗線上隨即被加上了一個(gè)捻回。加捻后的紗線經(jīng)鋼絲圈的引導(dǎo)被卷繞到筒管上，而安裝鋼領(lǐng)的鋼領(lǐng)板被程序化地進(jìn)行升降和級(jí)升運(yùn)動(dòng)，從而完成加捻卷繞過程。

在環(huán)錠紡的加捻卷繞元件中，鋼領(lǐng)鋼絲圈是一對(duì)簡(jiǎn)單而又巧妙的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，正是基于這一點(diǎn)，使環(huán)錠紡成為易于普及的主流紡紗形式。處在鋼領(lǐng)軌道上的鋼絲圈既是紗線氣圈回轉(zhuǎn)加捻的引導(dǎo)者，又是紗線升降級(jí)升卷繞的引導(dǎo)者。在紡紗加捻卷繞的過程中，鋼絲圈的自調(diào)速運(yùn)動(dòng)完成了卷裝變直徑卷繞的速差平衡。

以滑動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)方式與鋼領(lǐng)配合的鋼絲圈是紡紗過程中的不穩(wěn)定因素之一，同時(shí)現(xiàn)有技術(shù)的鋼絲圈線速度極限約為每秒45米左右，并難以再大幅度地提升，過熱、軟化和燒毀飛圈是鋼絲圈線速度和壽命超限的表征。高速運(yùn)動(dòng)鋼絲圈的存在從根本上限制了紡紗產(chǎn)能的提升。有人曾嘗試改造鋼絲圈與鋼領(lǐng)間的摩擦性質(zhì)，用滾動(dòng)摩擦減少摩擦系數(shù)，提高紗線的成紗速度。但滾動(dòng)鋼絲圈的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沒有得到廣泛推廣[2]。

近年來，為提高鋼絲圈的使用壽命，降低鋼絲圈與鋼領(lǐng)、紗線的摩擦系數(shù)，采用了一些新方法，主要有：

1.3.1 表面復(fù)合膜技術(shù)

表面復(fù)合膜處理技術(shù)是近年來形成的一種鋼絲圈表面處理技術(shù)。鋼絲圈表面與具有潤(rùn)滑和耐磨性能的活性劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在鋼絲圈的表面上形成一層保護(hù)膜[3]，這種保護(hù)膜具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨等優(yōu)點(diǎn)。可以延長(zhǎng)鋼絲圈的使用壽命，降低鋼絲圈與鋼領(lǐng)、紗線的摩擦系數(shù)，提高紡紗速度。

1.3.2 鍍層技術(shù)

有些鋼絲圈采用了Texparts鍍層，在速度和使用壽命之間達(dá)到了最佳的平衡，更大的鋼絲圈傾角降低其摩擦因數(shù)，提高了鋼絲圈速度，降低了最大張力，以減少斷頭和毛羽，提高了紗線質(zhì)量[4]。鋼絲圈與鋼領(lǐng)的傾角，鋼絲圈和鋼領(lǐng)的鍍層，鋼領(lǐng)的輪廓精確度和尺寸精度，鋼絲圈的高圓柱度等這些精度的提高使紡紗中振動(dòng)顯著降低，紡紗速度顯著提高。

1.3.3 新材料技術(shù)

隨著各種新工藝新方法的不斷問世，新材料技術(shù)的鋼領(lǐng)鋼絲圈相繼出現(xiàn)，如鍍鉻、陶瓷、鍍氟、亞光、非晶C-N、軸承鋼、含鉻合金、Saphir藍(lán)寶石、碳纖維及自潤(rùn)滑鋼領(lǐng)鋼絲圈等等。具有耐磨、耐腐蝕、硬度高等特性，在高溫和高負(fù)載情況下，鋼領(lǐng)和鋼絲圈不會(huì)發(fā)生“軟化”，可明顯增加鋼絲圈的使用壽命，提高成紗質(zhì)量。

2 鋼領(lǐng)鋼絲圈改進(jìn)的思路及設(shè)計(jì)

鋼領(lǐng)鋼絲圈面世以來，盡管發(fā)展迅速，但沒有根本性的改變。鋼領(lǐng)鋼絲圈高速滑動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦熱限制了鋼絲圈的線速度，也限制了紡紗速度，解決鋼絲圈摩擦熱的設(shè)想是消除摩擦。為追求效益最大化，達(dá)到較高的紡紗速度，取消或者替代鋼絲圈，減少或消除摩擦，已經(jīng)在實(shí)踐中進(jìn)行了摸索。在環(huán)錠紡鋼領(lǐng)鋼絲圈運(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，探討了嘗試采用可浮動(dòng)的環(huán)形體替代鋼絲圈的設(shè)計(jì)及思路，包括磁懸浮式和機(jī)械式浮動(dòng)環(huán)，也正在進(jìn)行試驗(yàn)研究。

磁懸浮是無(wú)接觸連接的一種有效的方法，磁懸浮軌道交通列車、磁懸浮軸承、磁懸浮隔振等技術(shù)已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用[5]。實(shí)現(xiàn)磁懸浮的方法有電磁式和永磁式兩種，電磁式可以采用電磁吸引式懸浮和磁斥式懸浮，為保證恒定的懸浮間隙，根據(jù)懸浮高度的變化，通過控制激磁電流實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮[6]（圖2）。

圖1 磁環(huán)懸浮式

一種紗線卷捻的裝置是鋼領(lǐng)和轉(zhuǎn)環(huán)組合（圖1），轉(zhuǎn)環(huán)與鋼領(lǐng)采用大間隙配合，在紗線摩擦力作用下轉(zhuǎn)環(huán)繞鋼領(lǐng)的內(nèi)環(huán)槽轉(zhuǎn)動(dòng)。為了降低轉(zhuǎn)環(huán)的重量，采用鋼管或槽型鋼制造轉(zhuǎn)環(huán)，但是其重量還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼絲環(huán)的重量。轉(zhuǎn)環(huán)由靜止達(dá)到與紗線同步轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)紗線與轉(zhuǎn)環(huán)之間產(chǎn)生兩個(gè)方向的摩擦力，一個(gè)是紗線走絲方向的摩擦力，一個(gè)是沿轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的摩擦力。走絲方向的紗線張力使轉(zhuǎn)環(huán)與紗線的相對(duì)點(diǎn)與鋼領(lǐng)接觸產(chǎn)生的摩擦力，阻止轉(zhuǎn)環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)紗線在轉(zhuǎn)環(huán)上滑動(dòng)，隨著紗線在轉(zhuǎn)環(huán)上位置的變化，轉(zhuǎn)環(huán)與鋼領(lǐng)內(nèi)圈接觸的位置也在不斷變化，摩擦力作用點(diǎn)也在不斷變化，因此卷繞初始階段或斷線再卷繞時(shí)，轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)是一種振蕩過程，會(huì)影響紗線的卷繞。轉(zhuǎn)環(huán)加捻時(shí)轉(zhuǎn)環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到某一速度后才能形成浮動(dòng)式轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式。此時(shí)的轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)速與紗線的轉(zhuǎn)速同步，在高轉(zhuǎn)速條件下的側(cè)向浮動(dòng)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)，但是軸向浮動(dòng)由于轉(zhuǎn)環(huán)重力和紗線拉力的作用，轉(zhuǎn)環(huán)仍然存在著與鋼領(lǐng)環(huán)槽間的接觸摩擦。這種接觸摩擦狀態(tài)是一種不受限制的接觸摩擦。轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象對(duì)于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)仍然存在。

圖2 機(jī)械浮動(dòng)環(huán)式

3 具體應(yīng)用及存在問題

永磁式懸浮是采用永磁鐵實(shí)現(xiàn)的懸浮。永磁鐵做成的懸浮環(huán)存在的問題首先是永磁鐵磁力的選擇。永磁鐵的磁力是恒定的，材料的組成成分決定了其磁力的大小，浮動(dòng)磁環(huán)與固定磁環(huán)之間的間隙值選擇也很重要，間隙小排斥力大轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)不穩(wěn)定，磁力的側(cè)向分力更容易使轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)靠向鋼領(lǐng)內(nèi)環(huán)壁上，造成轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)失效。間隙小磁環(huán)在轉(zhuǎn)動(dòng)平面內(nèi)的波動(dòng)小。間隙大的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)受側(cè)向分力小，但轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)在轉(zhuǎn)動(dòng)平面內(nèi)的波動(dòng)大。轉(zhuǎn)動(dòng)平面內(nèi)的波動(dòng)造成紗線卷繞進(jìn)線速度的波動(dòng)。永磁式懸浮加捻卷繞轉(zhuǎn)環(huán)在轉(zhuǎn)動(dòng)平面內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸連接，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的平面波動(dòng)和側(cè)向竄動(dòng)以及磁環(huán)間的間隙等問題還沒有解決，需要做進(jìn)一步的探討。

永磁式磁環(huán)存在的另一個(gè)問題是磁環(huán)的極對(duì)數(shù)，磁環(huán)平面N、S極可以把磁環(huán)懸浮于兩個(gè)磁環(huán)中間，受磁環(huán)浮動(dòng)側(cè)向力的作用，需要磁環(huán)沿徑向也要制造成N、S極，具有4個(gè)磁極的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)可以對(duì)轉(zhuǎn)環(huán)的側(cè)向力進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)環(huán)可以控制在已轉(zhuǎn)動(dòng)軸中心線為軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)平面內(nèi)，實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)環(huán)的穩(wěn)定浮動(dòng)。目前還沒有完全成功制成4個(gè)磁極的磁環(huán)的整體環(huán)體。

電磁懸浮在電磁懸浮軌道列車、電磁懸浮軸承等方面已經(jīng)得到了應(yīng)用，是一種成熟技術(shù)。電磁懸浮能夠通過電流的變化控制磁力的變化，達(dá)到控制懸浮間隙和懸浮力的作用。在紡紗機(jī)的紗線卷繞機(jī)構(gòu)中采用電磁懸浮式浮動(dòng)環(huán)是曾有人提出的設(shè)想，也有不少電磁懸浮環(huán)紗線加捻卷繞方面的論文與專利，理論上是做到了磁環(huán)懸浮，實(shí)現(xiàn)了無(wú)接觸連接的加捻卷繞。但是現(xiàn)階段浮動(dòng)環(huán)與鋼絲圈加捻卷繞相比在結(jié)構(gòu)、操作、紗線引入等方面都存在過于復(fù)雜的問題。電磁式浮動(dòng)技術(shù)在加捻卷繞機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用還需要簡(jiǎn)化，達(dá)到應(yīng)用還有一些要解決的問題。

機(jī)械浮動(dòng)環(huán)式轉(zhuǎn)環(huán)加捻裝置存在的一個(gè)問題是紗線導(dǎo)入的問題。鋼絲圈與鋼領(lǐng)環(huán)的組合在紗線導(dǎo)入方面是最便捷和最方便的，由于鋼絲圈位于與鋼領(lǐng)環(huán)組合的最外端，容易將紗線引入鋼絲圈的開口中，紗線能夠順利地進(jìn)入鋼絲圈中帶動(dòng)鋼絲圈旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)紗線的卷繞引入和紗線的加捻。轉(zhuǎn)環(huán)與鋼領(lǐng)環(huán)的組合中，轉(zhuǎn)環(huán)位于鋼領(lǐng)環(huán)的內(nèi)側(cè)，在轉(zhuǎn)環(huán)上開口紗線的引入需要從轉(zhuǎn)環(huán)的內(nèi)側(cè)拉到轉(zhuǎn)環(huán)的外側(cè)，紗線在卷繞的過程中會(huì)多次地通過環(huán)上的開口處，轉(zhuǎn)環(huán)上開口的密閉和光滑連接都是需要解決的問題。為了防止轉(zhuǎn)環(huán)在重力的作用下脫離鋼領(lǐng)環(huán)內(nèi)環(huán)，鋼領(lǐng)環(huán)內(nèi)環(huán)的直徑要求小于轉(zhuǎn)環(huán)的外徑，卷繞時(shí)紗線的作用點(diǎn)的拉力使紗線受到轉(zhuǎn)環(huán)與鋼領(lǐng)環(huán)接觸楔面的加持力的作用容易形成斷線。如果采用鋼領(lǐng)圈開口式紗線引入方式，則鋼領(lǐng)圈需要做成翻蓋式，所謂翻蓋式是鋼領(lǐng)圈與轉(zhuǎn)環(huán)一起翻開，紗管插入的同時(shí)蓋上鋼領(lǐng)圈，則紗線從轉(zhuǎn)環(huán)的外環(huán)引入，這種形式的引線方式可以使鋼領(lǐng)圈上的開口再放大一些，因?yàn)榧喚€與轉(zhuǎn)環(huán)接觸，與鋼領(lǐng)圈內(nèi)環(huán)不接觸。

轉(zhuǎn)環(huán)加捻裝置的結(jié)構(gòu)相對(duì)于鋼絲圈加捻要復(fù)雜很多，只是在實(shí)驗(yàn)室或針對(duì)更高速紡紗解決鋼絲圈發(fā)熱問題的實(shí)踐與探索方面研究轉(zhuǎn)環(huán)加捻機(jī)構(gòu)的專利不少，能夠做到工業(yè)應(yīng)用的不多。多數(shù)只存留在紙面上或?qū)＠?，而設(shè)計(jì)上存在的問題在于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜和使用上不簡(jiǎn)捷，所以有待于提出新設(shè)想和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)來解決問題。

4 結(jié)論

環(huán)錠紡紗鋼絲圈與鋼領(lǐng)精巧、實(shí)用的配合多年來一直是紡紗機(jī)的加捻卷繞主導(dǎo)方式。由于在高速紡紗中鋼絲圈摩擦產(chǎn)生的熱量影響了紡紗速度的提升，人們開始尋找替代這種精妙設(shè)計(jì)的方法，用以提高紡紗速度。熱量產(chǎn)生的根源-摩擦熱是主要原因，由此產(chǎn)生了浮動(dòng)環(huán)與鋼領(lǐng)配合的設(shè)想，目的是減少與消除摩擦，抑制摩擦熱的產(chǎn)生，提高紡紗速度。

采用無(wú)鋼絲圈紡紗技術(shù)，主要有普通鋼環(huán)和磁環(huán)（永磁環(huán)和電磁環(huán)）兩種方式，普通鋼環(huán)在設(shè)計(jì)上主要是要減輕環(huán)體的重量，為的是實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)環(huán)體能夠懸浮。普通鋼環(huán)可以采用內(nèi)引線或外引線的方式設(shè)計(jì)，內(nèi)引線要求在鋼環(huán)的開口與風(fēng)口操作。外引線要求在鋼領(lǐng)圈上開口。就操作而言外引線操作相對(duì)方便。

電磁式和永磁式懸浮方式在結(jié)構(gòu)方面相對(duì)復(fù)雜，在紗線的引入等方面對(duì)磁環(huán)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生改變，影響磁環(huán)的受力，另外永磁環(huán)的懸浮間隙與側(cè)向力對(duì)環(huán)體的要求還存在沒有解決的問題，還需要深入地研究與探索。

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1671-3389（2017）01-08-04

丹東市科學(xué)技術(shù)局科技計(jì)劃項(xiàng)目（15033）