絡筒機柵式張力的分析與研究

青島宏大紡織機械有限責任公司 國世光/文

1.前言

目前自動絡筒機在紗線張力控制方面一共有兩種控制方式：一種是張力盤加壓式控制方式，一種是柵式加壓控制方式。前者主要應用于意大利薩維奧、德國賜來福和青島宏大設備上，后者主要應用于日本村田設備上。

現(xiàn)在各大廠商都看到了柵式張力的優(yōu)越性，相繼也開始開發(fā)各自的柵式張力控制方式，像德國賜來福、意大利薩維奧也在2016年上海紡機展會上推出了采用不同控制方式的柵式張力控制裝置。青島宏大作為國內(nèi)制造自動絡筒機的龍頭企業(yè)，也適時地推出了具有自主知識產(chǎn)權的柵式張力控制裝置。

2.原理分析

盤式張力是利用左右兩個圓盤式裝置，通過電磁動力對紗線進行加壓，從而實現(xiàn)對紗線張力的控制。盤式張力分為左右兩個部分，其中左張力盤為固定式，右張力盤為活動式（個別廠商左為活動式，右為固定式）?；顒佣藦埩ΡP通過張力軸連接進行軸向運動，實現(xiàn)張力盤的打開和閉合，而活動張力盤的軸向運動動力源可采用電磁鐵方式和直線步進電機方式，真正對紗線進行加壓的時候均采用電磁鐵加壓，電磁鐵加壓的特點是可進行無級加壓，加壓柔和，適紡性強。

因為張力盤的材料一般為鋼制或者鋁制加涂層，所以需要對張力盤進行旋轉(zhuǎn)，以防止紗線長時間經(jīng)過同一點而磨損張力盤，張力盤隨著張力電機進行旋轉(zhuǎn)，針對不同的紗線品種旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)。如圖1所示的意大利薩維奧的盤式張力結構圖。

圖1 意大利薩維奧的盤式張力結構圖

圖2 日本村田Qpro機型的柵式張力結構[1]

圖3 意大利薩維奧的柵式張力

柵式張力是一種從原理上與盤式張力完全不同的紗線張力控制裝置。最早應用柵式張力的絡筒機生產(chǎn)商是日本村田，其基本原理是利用左右兩側(cè)交錯分布的柵欄，使紗線形成一段“之”字型路徑，通過和柵欄的摩擦與一定的卷繞速度而形成張力。因為柵式張力的柵欄不能旋轉(zhuǎn)，紗線會一直磨在同一個點上，所以柵欄一般采用硬度更高的陶瓷材料進行制作。如圖2所示是日本村田Qpro機型的柵式張力結構[1]。

柵式張力與盤式張力一樣，分為兩個部分，一部分是固定式柵欄，一部分為活動式柵欄。以日本村田Qpro的其中一種配置為例，固定端采用7段柵欄，活動端采用6段柵欄，其中活動式柵欄采用旋轉(zhuǎn)式電磁加壓，能夠?qū)喚€施加靈敏的加壓力。

意大利薩維奧的柵式張力采用步進電機加絲杠驅(qū)動活動端，如圖3所示。薩維奧的固定端在右側(cè)，活動端在左側(cè)，其中固定端采用3點柵欄，活動端采用兩點柵欄，比起日本村田，整體的柵欄數(shù)量減少很多，這就需要使左右柵欄的交叉進深更大，才能獲得滿足加工范圍的張力施加，整體的活動端打開關閉由步進電機驅(qū)動，即使加工竹節(jié)紗等特殊品種的紗線也能保證全面的張力控制 [2]。

青島宏大VCRO系列的柵式張力是結合上述兩家公司結構的優(yōu)點自主研發(fā)的新式張力加壓結構，整體采用了一體式陶瓷設計機構，同樣采用了左三右二的柵欄結構，活動端在右側(cè)，采用直線型電磁加壓方式，如圖4所示。

3.輸出力分析

以上三家的柵式張力控制裝置雖然的結構上有著不同的設計，但是其對紗線的加壓原理上是相同的，下面以青島宏大的柵式張力進行說明，從理論上分析柵式張力的加壓原理。

柵式張力的基本原理都是依靠左右柵欄對紗線夾持，使紗線在柵欄上形成一定角度的包圍角，紗線在這個包圍角上移動，利用紗線與柵欄產(chǎn)生的的摩擦力而產(chǎn)生張力，如圖5所示。

包圍角的計算。紗線經(jīng)過柵式陶瓷片折壓后，在陶瓷片頂端形成一定角度的包圍角，在此包圍角范圍內(nèi)，紗線與陶瓷片進行摩擦而形成張力，包圍角越大，接觸面越多，張力越大，而最大包圍角是在柵式最大進深時產(chǎn)生的，經(jīng)過計算為92°，如圖6，其計算公式如下[3]：

F為紗線輸出張力，F(xiàn)0為紗線喂入柵式張力前的初始張力，f為紗線與陶瓷的摩擦系數(shù)，取值0.32， 為包圍角（弧度值），取值92°其弧度值為1.6，共4處包圍角。

圖4 青島宏大VCRO系列的柵式張力

圖5

圖6

通過公式可以計算出F=7.75F0，

可以看出，在柵式張力最大進深時，柵式張力的輸出張力是初始喂入張力的7.75倍，能夠滿足絕大部分的紡紗需求。

以生產(chǎn)40支人棉紗為例，喂入初始張力為F0

F0取值4.0CN，則輸出張力最大為31CN。尾紗時，F(xiàn)0約為6.0CN，那輸出的最大張力為46.5CN，而正常絡筒工藝的輸出張力一般要求在15～20CN之間。

4.優(yōu)缺點分析

盤式張力與柵式張力各有優(yōu)缺點，需要根據(jù)不同用戶對紗線成紗指標的具體要求選擇不同的加壓方式。

盤式張力的張力盤表面光滑，過紗點少，對紗線的損傷少，適合對紗線毛羽指標要求嚴格的高品質(zhì)紗，但是盤式張力盤自身帶旋轉(zhuǎn)結構，很容易纏繞回絲，同時，雖然現(xiàn)在各大絡筒機制造廠商都采用了柔性的張力盤結構，但是因為材料的原因，張力盤的閉合貼合性不是很好，進而造成紗線加壓張力不穩(wěn)定，輸出張力波動大，還容易出現(xiàn)柔性橡膠套的磨損問題。

相比盤式張力，柵式張力就有效地解決了盤式張力存在的各種缺陷，因為柵式張力不存在旋轉(zhuǎn)機構，所以就有效地杜絕了纏繞回絲的情況，大大減少了維修工的保養(yǎng)強度，同時因為沒有旋轉(zhuǎn)電機，還有效地降低了整機的功耗。柵式張力因為多點壓紗，比起盤式張力能夠更為有效地穩(wěn)定住紗線的輸出抖動，使紗路更為穩(wěn)定，特別是在需要較小的張力輸出時，柵式張力能夠做到張力值和紗線抖動的雙重保證。但是缺點也顯而易見，柵式張力的多點接觸紗線會對紗線的毛羽產(chǎn)生消極影響，這也是為什么意大利薩維奧和青島宏大VCRO采用少柵欄大進深的柵式結構來減輕對紗線的損傷。

不管是盤式張力還是柵式張力，張力控制器的最重要作用就是輸出穩(wěn)定的張力。

柵式張力還有一個顯著的優(yōu)點，就是能夠?qū)崿F(xiàn)對紗線張力波動的動態(tài)補償。而實現(xiàn)這一方式的原理就是利用了電磁鐵加壓，意大利薩維奧設備是利用步進直線電機外加彈簧實現(xiàn)的，當紗線張力出現(xiàn)波動時，柵式張力的活動端能夠根據(jù)紗線張力的波動實時的通過被動的振動動態(tài)的補償輸出張力，當管紗退繞張力出現(xiàn)突變時，活動端能夠被動的左右輕微串動，這也是為什么直線式電磁加壓的柵式張力結構在正常紡紗時，活動端一直在不停抖動的原因，例如青島宏大的VCRO系列絡筒機。

表1

表2

以下是青島宏大VCRO系列柵式張力和盤式張力的一組紗線成紗指標的對比數(shù)據(jù)，見表1。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，柵式張力對于紗線毛羽的增長控制不如盤式張力，但隨著各大廠商對柵欄過紗點材料的繼續(xù)優(yōu)化，過紗表面越來越光滑，如今的柵式張力結構在這一指標上與盤式張力越來越接近了。

表2是柵式張力對比旋轉(zhuǎn)盤式張力的輸出張力波動折線表。

通過表2的折線圖可以明顯看出，柵式張力能夠在很大程度上改善紗線的張力波動，能夠輸出較為平穩(wěn)的紗線張力。

綜合以上分析，可以簡單總結一下柵式張力的優(yōu)缺點。

優(yōu)點：

1）不會纏繞回絲，減輕維修工的保養(yǎng)強度；

2）能夠動態(tài)的補償張力波動，輸出張力穩(wěn)定，優(yōu)秀的筒紗成型；

3）取消旋轉(zhuǎn)電機，降低整機能耗；

4）機械結構相對簡單，后期維護方便；

5）張力調(diào)節(jié)精度高，可滿足不同筒紗成型的品種。

缺點：

過紗點多，易對紗線產(chǎn)生較多的毛羽。

5.結束語

自動絡筒機屬于紡織機械領域中高自動化產(chǎn)品,作為紡紗工序中的最后一道工序,在整個紡織生產(chǎn)中起著重要的作用，能充分滿足高速整經(jīng)、無梭織機、針織紗和出口紗的需要,隨著中國紡織品的國際化競爭日益加劇，產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高，紡織廠對自動絡筒體的成紗指標的要求也不斷增加，柵式張力在整個張力控制中屬于關鍵性部件之一，在良好的筒紗成型和優(yōu)良的成紗指標中起著至關重要的作用。各家紡織機械廠在張力控制結構設計上，相互借鑒，取長補短，共同為紡織行業(yè)提供最優(yōu)秀的自動絡筒機，促進紡織行業(yè)的整體進步。