關(guān)于環(huán)錠紡加捻卷繞機(jī)構(gòu)可否分離的探討

秋黎鳳，倪 遠(yuǎn)

(1.陜西紡織器材研究所有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 712000；2.紡之遠(yuǎn)(上海)紡織工作室，上海 200063)

0 引言

環(huán)錠紡帶卷裝回轉(zhuǎn)加捻卷繞和鋼領(lǐng)鋼絲圈摩擦副的工藝技術(shù)特征，制約了環(huán)錠紡紗速度的提高[1]。從20世紀(jì)初開始，業(yè)內(nèi)外不斷有人提出將環(huán)錠紡加捻卷繞功能分離的設(shè)想，特別是隨著新型自由端紡紗技術(shù)的迅猛發(fā)展，包括轉(zhuǎn)杯紡和噴氣渦流紡技術(shù)的顯著進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用成熟，研究人員解除環(huán)錠紡產(chǎn)能束縛的想法更趨迫切，時(shí)有相關(guān)的探討和技術(shù)方案被提出，更有一些環(huán)錠紡加捻卷繞分離構(gòu)思與樣機(jī)實(shí)現(xiàn)突破的信息透露到業(yè)界[2]。那么，環(huán)錠紡加捻卷繞功能結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)分離的突破呢？探尋這一課題的答案，可以從環(huán)錠紡加捻卷繞驅(qū)動(dòng)的分離和加捻卷繞功能結(jié)構(gòu)的分離2方面進(jìn)行。

1 環(huán)錠紡加捻卷繞驅(qū)動(dòng)的分離

環(huán)錠紡主要是由高速旋轉(zhuǎn)的錠子通過紗線拖動(dòng)鋼絲圈，實(shí)現(xiàn)加捻卷繞驅(qū)動(dòng)的一體化：鋼絲圈帶動(dòng)紗條氣圈回轉(zhuǎn)完成加捻，通過錠子與鋼絲圈的速度差完成紗條的卷繞，其結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、構(gòu)思巧妙、功能完善。而鋼絲圈與鋼領(lǐng)相對(duì)線速度存在的極限制約了環(huán)錠紡速度的提升，降低這一相對(duì)線速度的極限制約或消除鋼領(lǐng)、鋼絲圈運(yùn)動(dòng)副就成為數(shù)代紡紗人努力的方向。

1.1 回轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)加捻卷繞

環(huán)錠紡的加捻效率是由鋼絲圈回轉(zhuǎn)速度決定的。目前，紡紗錠子轉(zhuǎn)速超過20 kr/min時(shí)，主流應(yīng)用的鋼領(lǐng)、鋼絲圈相對(duì)線速度為40 m/s～45 m/s，若設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)的轉(zhuǎn)速為15 kr/min～20 kr/min，則保持相同的鋼領(lǐng)、鋼絲圈相對(duì)線速度，就可使鋼絲圈絕對(duì)轉(zhuǎn)速提升到35 kr/min～40 kr/min，即提升加捻速度達(dá)75%～100%，理論上紡紗產(chǎn)能相應(yīng)提升75%～100%。通過增加鋼領(lǐng)回轉(zhuǎn)功能提升鋼絲圈絕對(duì)線速度這一技術(shù)路徑，從20世紀(jì)80年代前就開始有人研究，已經(jīng)出現(xiàn)的回轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)設(shè)計(jì)方案包括機(jī)械軸承式自由旋轉(zhuǎn)、龍帶驅(qū)動(dòng)、壓縮空氣驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、磁懸浮軸承式電磁驅(qū)動(dòng)和超導(dǎo)磁懸浮軸承式電磁驅(qū)動(dòng)等多種形式。該技術(shù)相關(guān)的專利信息敘述如下。

1.1.1圖1為發(fā)明專利CN 1186130 A中公開的一種自由旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)技術(shù)方案，專利名稱為旋轉(zhuǎn)紡紗鋼領(lǐng)結(jié)構(gòu)[3]。

1.1.2圖2 為發(fā)明專利CN 108301078 A中公開的一種電磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)技術(shù)方案，專利名稱

圖1 自由旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 電磁驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)結(jié)構(gòu)示意

為內(nèi)外均為球形滾道支承的可驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)組件[4]。

1.1.3圖3為發(fā)明專利CN 111979619 A中公開的一種壓縮空氣驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)的技術(shù)方案，專利名稱為一種細(xì)紗機(jī)分體式旋轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)總成[5]。

帶有鋼絲圈的回轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)，是在降低或保持鋼領(lǐng)、鋼絲圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)的線速度，通過鋼領(lǐng)主動(dòng)或隨動(dòng)來提升鋼絲圈的絕對(duì)線速度，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)錠紡紗的提速增效。這些技術(shù)方案依然是通過卷繞段拖動(dòng)鋼絲圈實(shí)現(xiàn)，其加捻卷繞的驅(qū)動(dòng)實(shí)際處于半分離狀態(tài)。隨著驅(qū)動(dòng)控制和支承技術(shù)的進(jìn)步與性價(jià)比提升，從目前的技術(shù)經(jīng)濟(jì)狀況看，較為接近技術(shù)應(yīng)用的可能是特殊軸承式電磁驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)、磁懸浮或半磁懸浮電磁驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)；近年來一些實(shí)質(zhì)性的探索正在進(jìn)行，但在現(xiàn)有條件下是否具備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的性價(jià)比，尚有若干技術(shù)與經(jīng)濟(jì)問題需要解決。

1.2 回轉(zhuǎn)導(dǎo)紗器無鋼絲圈加捻卷繞

回轉(zhuǎn)導(dǎo)紗器無鋼絲圈加捻卷繞是去除鋼領(lǐng)、鋼絲圈，改為在空心電機(jī)轉(zhuǎn)子上設(shè)置導(dǎo)紗器的技術(shù)方案，由單錠式滾珠軸承或超導(dǎo)磁懸浮軸承支承電磁驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)導(dǎo)紗器，替代鋼領(lǐng)、鋼絲圈加捻，卷繞則由錠子與導(dǎo)紗器的速度差完成，實(shí)現(xiàn)加捻卷繞驅(qū)動(dòng)的完全分離。回轉(zhuǎn)導(dǎo)紗器的轉(zhuǎn)速一般由紡紗張力檢測(cè)反饋系統(tǒng)精確控制，確保卷繞速度等于前羅拉紗條輸出速度。與回轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)方案相比，優(yōu)勢(shì)是完全棄用了鋼領(lǐng)、鋼絲圈，消除鋼領(lǐng)、鋼絲圈高速運(yùn)動(dòng)摩擦副；劣勢(shì)是回轉(zhuǎn)導(dǎo)紗器轉(zhuǎn)速高，驅(qū)動(dòng)功率大，且需要增加紡紗張力檢測(cè)反饋控制系統(tǒng)。

圖4、圖5是2014年國外超導(dǎo)磁懸浮回轉(zhuǎn)導(dǎo)紗器環(huán)錠紡紗試驗(yàn)示意，圖6是2021年國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)信息公開的紡紗張力檢測(cè)反饋式電磁導(dǎo)紗器(無鋼領(lǐng)、鋼絲圈)環(huán)錠紡紗試驗(yàn)示意。

1—導(dǎo)紗鉤；2—紗條；3—?dú)馊Νh(huán)；4—筒管；5—超導(dǎo)磁懸浮軸承。圖4 國外超導(dǎo)磁懸浮鋼領(lǐng)環(huán)錠紡紗試驗(yàn)示意1

1—牽伸系統(tǒng)；2—導(dǎo)紗鉤；3—導(dǎo)紗器；4—管紗；5—磁懸浮；6—超導(dǎo)體；7—鋼領(lǐng)板；8—錠子。圖5 國外超導(dǎo)磁懸浮鋼領(lǐng)環(huán)錠紡紗試驗(yàn)示意2

相比傳統(tǒng)的鋼領(lǐng)、鋼絲圈紡紗方案，上述回轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)和回轉(zhuǎn)導(dǎo)紗器方案均存在投資成本高、驅(qū)動(dòng)功耗大的弊端。特別是超導(dǎo)磁懸浮軸承式回轉(zhuǎn)鋼領(lǐng)，目前無法達(dá)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的預(yù)期。

加捻驅(qū)動(dòng)與卷繞驅(qū)動(dòng)分離在紡紗原理上是可行的，一些實(shí)踐也得以證實(shí)，但此方案僅僅將加捻驅(qū)動(dòng)與卷繞驅(qū)動(dòng)分離，未能真正將加捻卷繞功能結(jié)構(gòu)分離，仍然是帶卷裝的加捻卷繞紡紗方案，且依然存在高速大直徑回轉(zhuǎn)氣圈。因此，它一方面存在著系統(tǒng)成本、大直徑軸承壽命和能耗等若干技術(shù)與經(jīng)濟(jì)難題，另一方面加捻速度和產(chǎn)能的突破還受制于與紡紗張力密切相關(guān)的紡紗斷頭率。

圖6 紡紗張力檢測(cè)反饋式電磁導(dǎo)紗器紡紗試驗(yàn)示例

2 加捻卷繞功能結(jié)構(gòu)分離

2.1 假捻紡紗結(jié)構(gòu)

基于對(duì)高速高產(chǎn)的追求，數(shù)十年來陸續(xù)有研發(fā)環(huán)錠紡加捻卷繞功能結(jié)構(gòu)分離的方案被提出并申請(qǐng)專利，其功能結(jié)構(gòu)實(shí)際上是無真捻的假捻，無法紡出具有真捻的紗線。

圖7～圖9是21世紀(jì)以來國內(nèi)研究者申請(qǐng)的3項(xiàng)假捻紡紗結(jié)構(gòu)，因其設(shè)計(jì)愿望偏離紡紗加捻卷繞機(jī)理，因而不具備應(yīng)用價(jià)值[6-8]。

圖7 CN 1528962 A 專利公開的假捻結(jié)構(gòu)示意

圖8 CN 1844522 A 專利公開的假捻結(jié)構(gòu)示意

圖9 CN 209941177 U專利公開的假捻結(jié)構(gòu)示意

從以上案例的表象看，確實(shí)實(shí)現(xiàn)了卷繞部分脫離加捻部分的不帶卷裝運(yùn)行，設(shè)計(jì)的加捻卷繞結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)潔。但不難看出，其均為不帶卷裝的非自由端加捻，是無實(shí)際捻度的純假捻機(jī)構(gòu)，無論是圖7的上部卷繞型式還是圖8、圖9的下部卷繞型式，都不具有紡紗真捻加捻效應(yīng)，也跳不出“假捻”的簡(jiǎn)單定義，即紗條兩端點(diǎn)均被握持(見圖10)。

圖10 非自由端假捻原理示意

2.2 自由端紡紗

行業(yè)內(nèi)外存在將環(huán)錠紡加捻卷繞分離的構(gòu)想尚可理解，但有甚者聲稱20世紀(jì)60年代已經(jīng)攻克“細(xì)紗和絡(luò)筒二機(jī)合一”的世界性難題，并在近年又有突破“為環(huán)錠紡紗技術(shù)和裝備的發(fā)展找到了新方向，研發(fā)出了國之重器——新一代細(xì)紗機(jī)”。

判斷此類信息需要先理清楚“環(huán)錠紡”的概念，即卷裝環(huán)繞錠子的加捻卷繞紡紗技術(shù)的實(shí)質(zhì)。如果實(shí)現(xiàn)了卷裝或卷繞與加捻分離的加捻(真捻而非假捻)紡紗技術(shù)，則事實(shí)上就是自由端紡紗技術(shù)，而非已有的自由端紡紗技術(shù)，就是新發(fā)展出來的自由端紡紗技術(shù)。

那么，新發(fā)展的自由端紡紗技術(shù)能在近階段成功實(shí)現(xiàn)嗎？答案是有可能，但非常困難。

除了紗體結(jié)構(gòu)的差異，自由端紡紗技術(shù)有著遠(yuǎn)超非自由端紡紗的加捻能力和產(chǎn)能潛力，因而推廣現(xiàn)有自由端紡紗應(yīng)用和研發(fā)新自由端紡紗技術(shù)，是紡紗領(lǐng)域一個(gè)重要的發(fā)展方向。

在已知的新型紡紗技術(shù)中，鮮有不帶卷裝加捻的非自由端、又不屬于自由端的紡紗技術(shù)。在非自由端紡紗技術(shù)中，曾經(jīng)有過一定產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的自捻紡紗技術(shù)，是一種特殊的、有別于環(huán)錠紡的、不帶卷裝加捻的非自由端紡紗技術(shù)，其片段交替的正反向加捻，將整體假捻轉(zhuǎn)變?yōu)榫植空婺怼Ａ硗饪赡苡糜诋a(chǎn)業(yè)應(yīng)用的離心紡紗技術(shù)，雖然沒有鋼領(lǐng)、鋼絲圈加捻，但有著跟環(huán)錠紡類似的帶卷裝紡紗特征，只是卷裝位于離心罐內(nèi)壁，形成空心卷裝，去除鋼領(lǐng)、鋼絲圈，有可能大幅提升加捻和產(chǎn)能極限。

3 結(jié)語

在紡紗技術(shù)領(lǐng)域中，加捻方式是決定紡紗生產(chǎn)能效和能力的第一要素，所以盡管牽伸工藝對(duì)紗線品質(zhì)是決定性要素，紡紗工藝技術(shù)和裝備的類型一般還是以加捻方式來命名，如環(huán)錠紡、轉(zhuǎn)杯紡、噴氣渦流紡等。同時(shí)紡紗生產(chǎn)的絕大部分能耗等運(yùn)行成本，也都是消耗在加捻卷繞工藝結(jié)構(gòu)方面。

工業(yè)革命早期就誕生的環(huán)錠紡紗技術(shù)，經(jīng)過一百多年的發(fā)展，進(jìn)步良多，但是論單錠產(chǎn)能，目前僅為最新自由端紡紗技術(shù)的數(shù)十分之一，加之紡紗流程冗長(zhǎng)，遂在諸多方面喪失競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)業(yè)對(duì)于提升環(huán)錠紡產(chǎn)能的厚望相當(dāng)迫切，但一直未能找到突破口。實(shí)質(zhì)性提升環(huán)錠紡產(chǎn)能的方向，還是要在帶卷裝加捻的基礎(chǔ)上，從解除鋼領(lǐng)、鋼絲圈和氣圈的制約因素著手，創(chuàng)造新時(shí)代環(huán)錠紡紗技術(shù)的新發(fā)展、新未來。