環(huán)錠細紗機氣圈控制技術的創(chuàng)新思路

倪 遠 孟 進

［1.紡之遠（上海）紡織工作室，上海，200063；2.杭州易紗電子商務有限公司，浙江杭州，311203］

1 細紗機氣圈控制環(huán)應用現(xiàn)狀

細紗機氣圈控制環(huán)在國外細紗機及國內配置有集體落紗的細紗機上普遍采用，是一項有效控制紡紗氣圈和紡紗張力的成熟技術。它曾是增大紡紗卷裝的有效措施，如今依舊是紡紗增速增產的有效措施。

氣圈控制環(huán)在國產細紗機上較少采用的主要原因是國產細紗機卷繞部件和工藝技術路線采用“中錠速，中卷裝”［1］，現(xiàn)今隨著高速化紡紗技術的應用，新裝細紗機采用氣圈控制環(huán)的比例在增大。

氣圈控制環(huán)可使完全無約束的單氣圈紡紗狀態(tài)成為局部受約束的雙氣圈紡紗狀態(tài)，環(huán)體可有效降低氣圈高速回轉時紗線產生的離心力，把原來較大直徑和較高高度的單氣圈分隔成上下兩個較小直徑和較小高度的小氣圈：一個是位于導紗鉤和氣圈環(huán)之間的上氣圈，另一個是位于氣圈環(huán)和鋼絲圈之間的下氣圈。這兩個小氣圈的性質和結構與原來大氣圈相似，按照紡紗機理，氣圈段最大張力位于氣圈頂部，即導紗鉤下氣圈部位。氣圈控制環(huán)能有效解決大小紗鋼絲圈質量難以選擇的矛盾，可相應減輕平衡氣圈段張力的鋼絲圈質量。由于在紡紗的加捻卷繞部分采用了增加氣圈控制環(huán)和減輕鋼絲圈質量兩個工藝手段，使得氣圈段最大張力大幅減小，降低了斷頭發(fā)生的幾率，其機理如下。

（1）氣圈段最大張力基本上與氣圈直徑呈正比，氣圈控制環(huán)的應用控制了氣圈最大直徑，從而降低氣圈段最大張力。

（2）氣圈段最大張力與氣圈段紗條長度正相關，而上氣圈段長度比原氣圈大幅度縮短，氣圈段最大張力減小。

（3）氣圈控制環(huán)的應用控制了氣圈最大直徑，因此可減輕鋼絲圈質量，從而降低氣圈段最大張力。

（4）氣圈在法向受離心力的作用，在切向受空氣阻力的影響，其合力成為氣圈段張力的構成要素。氣圈控制環(huán)在抑制氣圈直徑的同時，可以有效降低由法向離心力和切向阻力產生的氣圈段張力。

（5）氣圈控制環(huán)的應用有效阻止了鋼絲圈瞬態(tài)運動變化產生的下部氣圈張力向上部氣圈和紡紗段的傳遞，從而減少斷頭。

通過加裝氣圈控制環(huán)和減輕鋼絲圈質量，從以上5 個方面降低了氣圈段平均張力和最大張力，有資料表明，目前應用的氣圈控制環(huán)可降低紗線張力達30% 及以上。因此氣圈控制環(huán)的應用是環(huán)錠細紗機高速化生產中必不可缺的有效措施。

普通氣圈控制環(huán)的直徑一般比鋼領內徑大2 mm，棉紡鋼領直徑大部分為42 mm 左右。氣圈控制環(huán)的應用可使氣圈最大直徑從70 mm甚至更大（碰隔紗板狀態(tài)）壓縮到65 mm 以內，至少不碰隔紗板。由于氣圈段最大張力及張力波動率的有效降低，使鋼絲圈運行穩(wěn)定、紗線動態(tài)最小強力與紡紗張力峰值的差值增加，從而使紡紗生產狀態(tài)穩(wěn)定、紗線斷頭減少，并為錠速和產能的提升創(chuàng)造了條件。

2 幾種氣圈控制技術方案分析

2.1 鋼領附加環(huán)形導軌的方案

20 世紀末國際上就有類似減小氣圈直徑的方案提出來，如圖1 是奧地利申請人為改善鋼絲圈運行狀態(tài)而提出的鋼領附加環(huán)形導軌技術方案［2］，其中國專利申請?zhí)枮?3105612.8，專利名稱為環(huán)錠紡紗設備。該方案通過在鋼領上部加裝與鋼領同心的附加環(huán)形導軌，環(huán)形導軌固定在鋼領板上。環(huán)形導軌使進入鋼絲圈的紗線與水平面之間呈夾角α，該角為一個銳角，從而在降低氣圈高度和直徑的同時，使紗線對鋼絲圈的作用合力抵消部分離心力，以減輕鋼領鋼絲圈的磨損。并以紗線與環(huán)形導軌的滑動摩擦阻力替代部分鋼絲圈與鋼領的摩擦阻力，獲得紡紗所需的張力。由圖1 可知，由于環(huán)形導軌的內徑小于管紗最大直徑，因此紡紗過程因管紗錐度的存在而可以正常紡紗，但如果沒有環(huán)形導軌的移除結構，管紗就無法取出，也就無法進行接頭和落紗操作了。

圖1 鋼領附加環(huán)形導軌示意圖

2.2 小直徑氣圈控制環(huán)的構想與試驗

氣圈控制環(huán)的應用有效控制了氣圈最大工作直徑，縮短了氣圈高度，有利于降低氣圈段最大張力，穩(wěn)定生產，提升產能。但氣圈控制環(huán)直徑的進一步減小卻受制于運轉操作，如斷頭時的拔管接頭操作和落紗時的鋼領板下降。這與鋼領附加環(huán)形導軌應用情況類似。

如果不考慮這些操作因素的問題，氣圈控制環(huán)的最小內徑可以設定為空紗管的最大直徑加上3 mm 左右，這樣仍可以正常紡紗。如以目前使用的長度為200 mm、中部直徑為20 mm 的紗管為例，氣圈控制環(huán)內徑可以控制為24 mm 左右?；谶@些考慮，2007 年筆者構思了小直徑氣圈控制環(huán)紡紗的初始試驗方案。 圖2 是早期的試驗實樣，氣圈控制環(huán)下部以永磁體吸附在鋼領板上，接頭時等紗頭引出后再放置氣圈控制環(huán)，同時減輕兩檔鋼絲圈質量。

圖2 小直徑氣圈控制環(huán)試驗實樣

上述試樣的紡紗試驗表明，在相同紡紗條件下，同時應用小直徑氣圈控制環(huán)和減輕兩檔鋼絲圈質量，觀察小紗段紡紗，紡紗段手感拎頭張力明顯變輕，氣圈段分隔成上部大、下部小的兩個氣圈，圈形控制良好，上部最大氣圈不碰隔紗板，紡紗段紗條抖動幅度增加，這都說明氣圈段和紡紗段張力明顯降低。這主要是下部氣圈起始段紗條與水平面夾角由負值改變?yōu)榻咏阒?，使下部氣圈形態(tài)大幅度改變，同時也大幅度改變了鋼絲圈的運行跑道，隨著跑道走熟，紡紗張力應該還會有所下降。

減輕鋼絲圈質量，降低紡紗張力，都將明顯有利于提高紡紗穩(wěn)定性，進而降低紡紗斷頭率和節(jié)省紡紗功耗，也能延長鋼領使用壽命，或者為提高錠速和產能打開空間。

2.3 多波節(jié)氣圈超高速紡紗技術

使用氣圈控制環(huán)和鋼領附加環(huán)形導軌的技術方案是采用硬件的方法分隔和控制氣圈形態(tài)，西班牙卓絲特（Twistechnology）公司在ITMA2019上展出的“環(huán)錠紡超長氣圈段多波節(jié)氣圈紡紗技術”［3］，是采用工藝技術手段來控制氣圈形態(tài)，進而實現(xiàn)高速紡紗。據(jù)稱，該紡紗技術的產能可提高1 倍，能耗降低20%，展示的棉紡細紗機采用三羅拉牽伸加羅卡斯機械集聚紡紗裝置。超長氣圈段多波節(jié)氣圈單錠超高速紡紗演示如圖3 所示。

圖3 超長氣圈段多波節(jié)氣圈單錠超高速紡紗演示

從圖3 樣機現(xiàn)場運行情況看，紗管頂端到導紗鉤的距離約為600 mm，隔紗板也大幅度加長，但隔紗板與導紗鉤之間留出一個距離，鋼領與導紗鉤之間無氣圈控制環(huán)。演示的紡紗過程中紡紗段和氣圈段都呈現(xiàn)多波節(jié)自由氣圈，紡紗段為4個小氣圈，氣圈段為8 個小氣圈如圖3（b）所示，觀察其氣圈的最大直徑不超過管紗外徑（38 mm），氣圈頸部直徑大致在15 mm～20 mm。單錠超高速紡紗演示紡制14.8 tex 紗線時，出條速度37.8 m/min，最高紡紗錠速34 000 r/min，計算鋼絲圈線速度67.6 m/s，由于氣圈最大直徑約等于鋼領內徑，最大直徑處的氣圈線速度也為67.6 m/s。

由于鋼絲圈線速度過高，紡紗過程存在著鋼絲圈飛圈斷頭、多氣圈波節(jié)不穩(wěn)定、斷頭飛花帶斷鄰錠和接頭困難等問題，樣機只進行單錠紡紗演示可能與上述問題有關。目前這些問題尚無適宜的解決方案，因而無法進入產業(yè)化應用。盡管如此，該技術還是為高速紡紗，或將為環(huán)錠紡紗技術的突破帶來一些啟示。畢竟這是在普通環(huán)錠紡的基礎上僅增大了氣圈段高度和減輕了鋼絲圈質量，并使之產生多波節(jié)氣圈，這種并不復雜的改變就使得紡紗錠速極限產生了大幅突破。

有關多波節(jié)氣圈有助于超高速紡紗的機理，主要在于紡紗段和氣圈段的多波節(jié)自由氣圈紡紗狀態(tài)對環(huán)錠紡紗錠速制約要素的突破。制約環(huán)錠紡紗錠速的首要因素就是紡紗斷頭，而紡紗斷頭發(fā)生的充要條件是紡紗張力動態(tài)峰值大于紗線最小強力。假定我們無法改變紗線的最小強力，那么降低紡紗張力動態(tài)峰值就成為突破紡紗錠速制約的第一要素，一要降低紡紗平均張力，二要降低紡紗張力波動。多波節(jié)自由氣圈超高速紡紗工藝除了大幅度增大氣圈段高度外，另一個重要工藝就是大幅度減輕鋼絲圈質量，見圖4。同樣紡制14.8 tex 紗線，在普通紡紗條件下采用圖4 中較大鋼絲圈，錠速不足17 000 r/min，而在多氣圈紡紗條件下選擇小的鋼絲圈時，錠速可達34 000 r/min，后者錠速整整高出前者1 倍。

圖4 多波節(jié)氣圈超高速紡紗用輕量鋼絲圈與普通鋼絲圈示意圖

從靜態(tài)分析可知，減輕鋼絲圈質量可使卷繞段平均張力大幅度下降，由于該技術應用的氣圈段垂直高度很大，氣圈膨大的同時產生從上至下的扭轉滯后，形成多波節(jié)自由氣圈。操作時在接頭完成后用雙手適當干預可以控制波節(jié)數(shù)量，使整個多波節(jié)自由氣圈的最大直徑和頸部直徑都很小且均衡分布。如此，一方面通過大幅度減輕鋼絲圈質量來降低卷繞段平均張力；另一方面多波節(jié)自由氣圈直徑顯著變小，使氣圈段張力大幅度降低，并使卷繞段與氣圈段張力得到平衡，同時紡紗段張力也同步降低，使得在紡紗段形成多個波節(jié)小氣圈，從而大幅度緩解與平抑紡紗張力波動對超高速紡紗的影響。

環(huán)錠紡紡紗段的張力是氣圈段張力通過導紗鉤傳遞過去的，由于捻陷效應及位于加捻末端，紡紗三角區(qū)是強力最弱的位置，也是斷頭高發(fā)區(qū)。紡紗段也是我們日常用手指直接感知紡紗張力的位置，即便是目測紡紗段紗條，也能看到普通紡紗過程由于紡紗張力的作用使得紗條基本呈直線或小幅抖動狀態(tài)。當在多波節(jié)自由氣圈紡紗狀態(tài)下，低張力的紡紗段會因抖動而產生多個波節(jié)小氣圈，抖動源來自于氣圈段。由于上述多波節(jié)氣圈紡紗中前羅拉輸出鉗口基本垂直于錠子中心，因此換一個角度看，導紗鉤也相當于是一個把頸部約束到毫米級別的氣圈環(huán)，由于紗條張力特別小，從氣圈段紗條經過導紗鉤到紡紗段，氣圈也延續(xù)到了紡紗段。紡紗段小氣圈的存在，使我們可以直觀判斷出氣圈段和紡紗段的平均張力很小，同時氣圈段和紡紗段多波節(jié)自由氣圈又平抑甚至隔離了由鋼領板升降、卷繞直徑變化和鋼絲圈姿態(tài)引起的張力波動，從而實現(xiàn)超高速紡紗。值得關注的是，在其紡紗狀態(tài)中的多波節(jié)氣圈之間具有自調均衡效應，從而使氣圈之間的高度和直徑自動均勻，使紡紗狀態(tài)較為穩(wěn)定。

鋼領、鋼絲圈和自由氣圈作為環(huán)錠紡加捻卷繞的主要要素，環(huán)錠紡多波節(jié)氣圈超高速紡紗只是將自由氣圈改變?yōu)榫哂凶约s束特征的多波節(jié)氣圈，因此這種超高速紡紗技術在沒有增加硬件的情況下產生紡紗速度的突破，其實質是氣圈與張力控制技術的突破。

目前卓絲特公司也還沒有找到能持續(xù)超高速運行的鋼絲圈，只能用現(xiàn)有技術的鋼領鋼絲圈演示。飛鋼絲圈成為紡紗斷頭、甚至進一步提速的主要障礙。這個情況仍然符合行業(yè)現(xiàn)有技術現(xiàn)狀，即鋼絲圈線速度極限為40 m/s～45 m/s，尚不能大幅度突破。除了鋼絲圈壽命，超高速紡紗還存在著錠子、鋼領和高速運動部件的壽命、紗線毛羽等問題。卓絲特公司演示環(huán)錠紡多波節(jié)氣圈高速紡紗技術，并不是宣稱該技術可以成熟應用，而是要向行業(yè)展示該技術具有突破環(huán)錠紡紗錠速極限的可能，并期望尋找合作伙伴共同研發(fā)該技術。

3 開合式小直徑氣圈控制環(huán)的應用示例與機理分析

小直徑氣圈控制環(huán)的應用必須能夠適應整個紡紗過程的各種操作，這就要求每個氣圈控制環(huán)能夠做單個和整機的開合同步運動，即一對開合式小直徑氣圈控制環(huán)，閉合時為精確控制紗條的氣圈控制環(huán)，打開時不影響整個紡紗過程和維護工作中的各種操作，包括紗線接頭生頭時的單錠開合操作、整機落紗時的每側整體開合操作。

開合式小直徑氣圈控制環(huán)堅固地安裝在鋼領板上，一對半環(huán)設計為可同步開合的組件，設有單錠開合操作桿以適于單錠接頭操作和單面車聯(lián)動聯(lián)接桿以適于落紗，閉合后與鋼領、錠子精密同心定位，并保持高圓整度，打開后操作便利，單錠或整機開合過程方便、有效和可靠。開合式小直徑氣圈控制環(huán)的一種典型應用示例見圖5。

圖5 上下開合式小氣圈環(huán)各階段狀態(tài)

上下開合式小氣圈環(huán)閉合時內徑略大于紗管外徑，兩個半圓環(huán)的縱向軸設置在氣圈環(huán)支架上，以縱向軸心為中心可以自由旋轉向上打開和水平閉合。正常工作時，兩個半圓環(huán)在重力或彈簧力作用下閉合，約束控制氣圈局部直徑和最大直徑；接頭時，合上錠剎，左手操作氣圈環(huán)上的手柄，打開氣圈環(huán)，完成拔管等接頭操作；落紗時，由整機連桿打開所有氣圈環(huán)，鋼領板開始下降，完成后續(xù)落紗操作。

開合式小氣圈環(huán)配合輕量鋼絲圈的應用，在不提速的情況下，由于氣圈直徑的減小和鋼絲圈質量的降低，可以節(jié)省驅動錠子的功耗。在提速的情況下，還可進一步減輕鋼絲圈質量，同時降低與穩(wěn)定了紡紗張力，實現(xiàn)了增產。

開合式小氣圈環(huán)應用，使下部氣圈形態(tài)處于一個相對穩(wěn)定且紗條與水平面夾角接近零值的形態(tài)，不論是小紗、中紗或大紗，下部氣圈形態(tài)基本不變，從而降低了鋼絲圈在鋼領跑道上的變軌范圍，也改善了鋼絲圈對大小紗氣圈的適應性。上部氣圈高度的大幅度降低，配合輕量鋼絲圈的應用，允許氣圈上部形態(tài)凸起膨大，對降低導紗鉤部位氣圈張力最大處的張力峰值非常有利。

開合式小氣圈環(huán)配合輕量鋼絲圈的應用，由于需要使用與紗線線密度不相適應的輕量鋼絲圈，有可能需要定制或專門研發(fā)鋼絲圈，這是一個值得探索的配套項目。配置開合式小氣圈控制環(huán)可以棄用隔紗板和替代普通氣圈控制環(huán)。因此，小直徑氣圈控制環(huán)從結構上看是一種開合式氣圈控制環(huán)，從使用效應上看是一種增效降耗型氣圈控制環(huán)。其特征可以概括為：盡可能小的工作內徑、一對半環(huán)的同步開合、便利的單錠開合和可靠的整機開合。作為一種一次性投資的紡紗專件，其投資回報有賴于錠速和運轉效率的提升，從而打開提升紡紗產能的空間。

分析小直徑氣圈控制環(huán)紡紗和多波節(jié)氣圈紡紗的氣圈形態(tài)，兩者都存在著分隔上下氣圈直徑大致為20 mm～30 mm 的頸部，前者是因小直徑氣圈控制環(huán)硬件約束而成，后者是因超長氣圈段工藝使自由氣圈滯后扭轉而成，存在著分隔氣圈的波節(jié)頸部。小直徑氣圈控制環(huán)紡紗技術與多波節(jié)氣圈紡紗技術有著異曲同工之妙。

4 環(huán)錠紡氣圈控制技術發(fā)展展望

4.1 鋼領板升降多個小直徑氣圈控制環(huán)應用展望

在普通鋼領板升降的細紗機上，可在氣圈段同時設置一個及以上的小直徑氣圈控制環(huán)，如兩個開合式小直徑氣圈控制環(huán)應用，與單個開合式小直徑氣圈環(huán)應用結構和方式相同，下部氣圈環(huán)設置在鋼領板上，隨鋼領板的升降而升降，上部氣圈環(huán)應用結構也與單個開合式小直徑氣圈環(huán)相同，但設置在從機梁側向下延伸的軌道上，氣圈環(huán)的最下部位置大致為氣圈最大高度的上部三分之一位，是在單氣圈環(huán)應用的上部氣圈中部，把上部氣圈再次分隔為兩個小氣圈，這樣整個氣圈段分隔為上中下3 個短小氣圈。隨著鋼領板的上升，紡紗到中紗時，上下兩個氣圈環(huán)座開始接觸，由于整個氣圈段高度特別是中部氣圈段的壓縮，上氣圈環(huán)失去氣圈控制功能，氣圈段為兩個小氣圈。到大紗時，氣圈段高度進一步壓縮，成為一個小氣圈。從中紗起，下氣圈環(huán)座推動上氣圈環(huán)座一同升降，直到滿紗為止。

接頭操作時，合上錠剎，左手操作氣圈環(huán)上的手柄，打開氣圈環(huán)，完成拔管等接頭操作；落紗時，由整機連桿打開所有氣圈環(huán)，鋼領板開始下降，完成后續(xù)落紗操作。

上下兩個小直徑氣圈控制環(huán)的應用，將整個氣圈段分隔為上中下3 個短小氣圈，與單個小直徑氣圈控制環(huán)將氣圈分隔為上下兩個小氣圈的應用相比，更加能有效控制上部和下部氣圈的最大氣圈直徑和高度，從而進一步降低平均紡紗張力和張力波動。

4.2 錠子升降多個小直徑氣圈控制環(huán)應用展望

類似于瑞士羅特卡夫特公司的NGS 下一代細紗機和浙江金鷹紡機的細紗機［4］，其加捻卷繞部分為錠子升降級升技術結構，與廣泛應用的鋼領升降級升最大的工藝區(qū)別在于，錠子升降與級升的紡紗狀態(tài)是氣圈處于相對恒定的最大形態(tài)，即一落紗紡紗過程中氣圈形態(tài)始終處于高度方向最大狀態(tài)。由此可見，其最大的優(yōu)勢是紡紗過程卷繞的長短動程中氣圈大小形態(tài)基本穩(wěn)定不變，從而使紡紗張力也基本穩(wěn)定不變。紡紗張力只是隨管紗卷繞直徑的變化和紗線相對于鋼絲圈上下運動方向改變而波動。紡紗氣圈相對穩(wěn)定有利于穩(wěn)定加捻卷繞的狀態(tài)，進而可明顯降低紡紗張力波動率，減小鋼絲圈運行姿態(tài)的變化幅度及由此引起的運行不穩(wěn)定性和斷頭，能夠通過改變鋼絲圈型號來減少意外斷頭，有效控制斷頭水平，穩(wěn)定紡紗斷頭率。

從工藝的角度看，錠子升降與級升的加捻卷繞成形是以最大且不變的氣圈替代隨卷裝大小的長短復合動程變化氣圈；以相對穩(wěn)定的最大紡紗張力，替代大小紗紡紗階段和大小直徑卷繞升降的波動張力。其最大紡紗張力，仍然要比原本鋼領升降與級升紡紗狀態(tài)的中紗、大紗要大。因此這是一種平均紡紗張力大，但張力波動相對小的技術方案。 從紡紗能耗的角度看，現(xiàn)有細紗機70% 左右的能耗用于加捻卷繞，與鋼領升降級升紡紗形式比，錠子升降與級升技術的紡紗張力始終處于最大紡紗張力狀態(tài)，使加捻卷繞部分的能耗也處于較大狀態(tài)。

如果在錠子升降與級升技術的應用中，運用多氣圈環(huán)控制技術，如采用典型的兩個開合式小直徑氣圈控制環(huán)，將整個氣圈段分隔為上中下3個短小氣圈，其可以進一步降低和穩(wěn)定紡紗張力，并具有顯著節(jié)能的效應。相比鋼領板升降與級升，錠子升降與級升細紗機上應用多氣圈環(huán)控制技術，將更有利于鋼絲圈和氣圈的穩(wěn)定運行，技術優(yōu)勢更為顯著。

兩個開合式小直徑氣圈控制環(huán)都設置在固定的鋼領板上，上下部氣圈環(huán)將最大氣圈高度作3段分隔。接頭時，合上錠剎，左手操作氣圈環(huán)上的手柄，打開氣圈環(huán)，完成拔管等接頭操作；落紗時，由整機連桿打開所有氣圈環(huán)，錠子與管紗開始上升，完成后續(xù)落紗操作。

電錠技術的應用，可以為錠子升降與級升技術的應用創(chuàng)造有利條件。

5 結語

（1）環(huán)錠細紗機加捻卷繞技術在單錠產能提升方面的進展，主要集中在鋼領鋼絲圈材質和加工工藝方面，其他進展不大。如環(huán)錠紡紗加捻卷繞的氣圈控制技術，依然停留在固定式氣圈控制環(huán)應用上。

（2）環(huán)錠紡多波節(jié)自由氣圈超高速紡紗技術只是在ITMA2019 上演示，距離產業(yè)化應用差距甚大，若干制約應用的技術難題目前仍無有效解決方案。但其對環(huán)錠紡加捻卷繞技術發(fā)展的啟示，是值得紡紗工藝技術研究借鑒的。

（3）開合式小直徑氣圈控制環(huán)紡紗技術是一項改進性的環(huán)錠紡附加技術，其可能有限度地突破氣圈控制技術的障礙，創(chuàng)造性地提出了超極限氣圈控制技術方案，為探索紡紗氣圈張力控制創(chuàng)造出一個新途經，實現(xiàn)在現(xiàn)有環(huán)錠細紗機架構上的安裝應用以及在現(xiàn)有鋼領、鋼絲圈和錠子等高速元件應用壽命許可條件下的提速增產；也可以在下一步鋼領鋼絲圈加捻卷繞技術產生突破時，提供配套的氣圈控制技術方案，從而有效增大現(xiàn)有環(huán)錠細紗機的應用性價比，在低投入條件下提升紡紗行業(yè)產能和企業(yè)經濟效益。