環錠紡紗加捻卷繞裝置的研究與分析

于吉成 張明光 曹繼鵬

（遼東學院服裝與紡織學院，遼寧丹東 118003）

環錠紡紗加捻卷繞裝置的研究與分析

于吉成 張明光 曹繼鵬

（遼東學院服裝與紡織學院，遼寧丹東 118003）

環錠紡紗鋼絲圈與鋼領的配合是最精巧的實用技術，應用了表面涂層新技術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。但是鋼絲圈與鋼領間的摩擦限制了紡紗速度的進一步提升，在盡量減少摩擦熱或消除摩擦熱的基礎上，提出來替代鋼絲圈與鋼領配合的浮動環與鋼領配合的創新設計。采用的方法是機械式浮動環和磁懸浮式浮動環兩種。對這兩種創新設計在結構和功能方面作了簡單的介紹，旨在推進紡紗技術向無鋼絲圈方向推進，進一步提高紡紗速度和紡紗質量。

環錠紡紗；鋼絲圈；鋼領；摩擦熱；浮動環

環錠紡紗約占紗線總量的80%以上[1]，這項技術已經有200多年的歷史。鋼絲圈、鋼領的結構、紡紗工藝、紡紗技術、紡紗功能等都在不斷發展與提升，加捻卷繞結構上氣圈-鋼領-鋼絲圈仍在廣泛應用。氣圈-鋼領-鋼絲圈三要素的精簡與配合，形成了環錠紡紗技術特點。近些年隨著先進制造技術的發展，如壓延成型技術、熱處理技術、表面拋光技術、表面復合處理技術、新材料技術等，鋼絲圈的制造技術和應用材料得到了改進，鋼絲圈的耐磨性能有很大的提升，但是由于鋼領-鋼絲圈間摩擦的存在，限制了鋼絲圈速度的提升，同時也限制了紡紗速度的進一步提升，使其在單位產能方面落后于新型紡紗技術。本文提出兩種替代鋼絲圈的創新設計思路，并進行了探究和分析。

1 現有卷繞方式特點及問題

現有技術的環錠紡加捻卷繞部分主要由鋼領、鋼絲圈和錠子等組成，從最后一對羅拉鉗口輸出的須條，經過導紗鉤后穿過位于鋼領上的鋼絲圈，在接受加捻的同時卷繞到錠子上的筒管卷裝。錠子帶動筒管高速回轉，卷繞段紗線帶動鋼絲圈在鋼領上滑動運行，鋼絲圈每回轉一周，帶動鋼絲圈與導紗鉤之間的氣圈段紗線同步回轉一周，紗線上隨即被加上了一個捻回。加捻后的紗線經鋼絲圈的引導被卷繞到筒管上，而安裝鋼領的鋼領板被程序化地進行升降和級升運動，從而完成加捻卷繞過程。

在環錠紡的加捻卷繞元件中，鋼領鋼絲圈是一對簡單而又巧妙的結構構成，正是基于這一點，使環錠紡成為易于普及的主流紡紗形式。處在鋼領軌道上的鋼絲圈既是紗線氣圈回轉加捻的引導者，又是紗線升降級升卷繞的引導者。在紡紗加捻卷繞的過程中，鋼絲圈的自調速運動完成了卷裝變直徑卷繞的速差平衡。

以滑動摩擦運動方式與鋼領配合的鋼絲圈是紡紗過程中的不穩定因素之一，同時現有技術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。高速運動鋼絲圈的存在從根本上限制了紡紗產能的提升。有人曾嘗試改造鋼絲圈與鋼領間的摩擦性質，用滾動摩擦減少摩擦系數，提高紗線的成紗速度。但滾動鋼絲圈的結構復雜，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、紗線的摩擦系數，采用了一些新方法，主要有：

1.3.1 表面復合膜技術

表面復合膜處理技術是近年來形成的一種鋼絲圈表面處理技術。鋼絲圈表面與具有潤滑和耐磨性能的活性劑發生化學反應，在鋼絲圈的表面上形成一層保護膜[3]，這種保護膜具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨等優點。可以延長鋼絲圈的使用壽命，降低鋼絲圈與鋼領、紗線的摩擦系數，提高紡紗速度。

1.3.2 鍍層技術

有些鋼絲圈采用了Texparts鍍層，在速度和使用壽命之間達到了最佳的平衡，更大的鋼絲圈傾角降低其摩擦因數，提高了鋼絲圈速度，降低了最大張力，以減少斷頭和毛羽，提高了紗線質量[4]。鋼絲圈與鋼領的傾角，鋼絲圈和鋼領的鍍層，鋼領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顯著降低，紡紗速度顯著提高。

1.3.3 新材料技術

隨著各種新工藝新方法的不斷問世，新材料技術的鋼領鋼絲圈相繼出現，如鍍鉻、陶瓷、鍍氟、亞光、非晶C-N、軸承鋼、含鉻合金、Saphir藍寶石、碳纖維及自潤滑鋼領鋼絲圈等等。具有耐磨、耐腐蝕、硬度高等特性，在高溫和高負載情況下，鋼領和鋼絲圈不會發生“軟化”，可明顯增加鋼絲圈的使用壽命，提高成紗質量。

2 鋼領鋼絲圈改進的思路及設計

鋼領鋼絲圈面世以來，盡管發展迅速，但沒有根本性的改變。鋼領鋼絲圈高速滑動摩擦運動所產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想是消除摩擦。為追求效益最大化，達到較高的紡紗速度，取消或者替代鋼絲圈，減少或消除摩擦，已經在實踐中進行了摸索。在環錠紡鋼領鋼絲圈運動機理的基礎上，探討了嘗試采用可浮動的環形體替代鋼絲圈的設計及思路，包括磁懸浮式和機械式浮動環，也正在進行試驗研究。

磁懸浮是無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、磁懸浮隔振等技術已經得到了成功的應用[5]。實現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，根據懸浮高度的變化，通過控制激磁電流實現穩定懸浮[6]（圖2）。

圖1 磁環懸浮式

一種紗線卷捻的裝置是鋼領和轉環組合（圖1），轉環與鋼領采用大間隙配合，在紗線摩擦力作用下轉環繞鋼領的內環槽轉動。為了降低轉環的重量，采用鋼管或槽型鋼制造轉環，但是其重量還是遠遠大于鋼絲環的重量。轉環由靜止達到與紗線同步轉動的時間較長，此時紗線與轉環之間產生兩個方向的摩擦力，一個是紗線走絲方向的摩擦力，一個是沿轉環轉動方向的摩擦力。走絲方向的紗線張力使轉環與紗線的相對點與鋼領接觸產生的摩擦力，阻止轉環的轉動。此時紗線在轉環上滑動，隨著紗線在轉環上位置的變化，轉環與鋼領內圈接觸的位置也在不斷變化，摩擦力作用點也在不斷變化，因此卷繞初始階段或斷線再卷繞時，轉環轉動是一種振蕩過程，會影響紗線的卷繞。轉環加捻時轉環的轉動速度達到某一速度后才能形成浮動式轉動的運動形式。此時的轉環轉速與紗線的轉速同步，在高轉速條件下的側向浮動時能夠實現，但是軸向浮動由于轉環重力和紗線拉力的作用，轉環仍然存在著與鋼領環槽間的接觸摩擦。這種接觸摩擦狀態是一種不受限制的接觸摩擦。轉環轉動不穩定的現象對于高速轉動的環仍然存在。

圖2 機械浮動環式

3 具體應用及存在問題

永磁式懸浮是采用永磁鐵實現的懸浮。永磁鐵做成的懸浮環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，浮動磁環與固定磁環之間的間隙值選擇也很重要，間隙小排斥力大轉動環不穩定，磁力的側向分力更容易使轉動環靠向鋼領內環壁上，造成轉動環轉動失效。間隙小磁環在轉動平面內的波動小。間隙大的優點是轉動環受側向分力小，但轉動環在轉動平面內的波動大。轉動平面內的波動造成紗線卷繞進線速度的波動。永磁式懸浮加捻卷繞轉環在轉動平面內可以實現無接觸連接，轉動時的平面波動和側向竄動以及磁環間的間隙等問題還沒有解決，需要做進一步的探討。

永磁式磁環存在的另一個問題是磁環的極對數，磁環平面N、S極可以把磁環懸浮于兩個磁環中間，受磁環浮動側向力的作用，需要磁環沿徑向也要制造成N、S極，具有4個磁極的轉動環可以對轉環的側向力進行控制，轉環可以控制在已轉動軸中心線為軸線的轉動平面內，實現浮動環的穩定浮動。目前還沒有完全成功制成4個磁極的磁環的整體環體。

電磁懸浮在電磁懸浮軌道列車、電磁懸浮軸承等方面已經得到了應用，是一種成熟技術。電磁懸浮能夠通過電流的變化控制磁力的變化，達到控制懸浮間隙和懸浮力的作用。在紡紗機的紗線卷繞機構中采用電磁懸浮式浮動環是曾有人提出的設想，也有不少電磁懸浮環紗線加捻卷繞方面的論文與專利，理論上是做到了磁環懸浮，實現了無接觸連接的加捻卷繞。但是現階段浮動環與鋼絲圈加捻卷繞相比在結構、操作、紗線引入等方面都存在過于復雜的問題。電磁式浮動技術在加捻卷繞機構中的應用還需要簡化，達到應用還有一些要解決的問題。

機械浮動環式轉環加捻裝置存在的一個問題是紗線導入的問題。鋼絲圈與鋼領環的組合在紗線導入方面是最便捷和最方便的，由于鋼絲圈位于與鋼領環組合的最外端，容易將紗線引入鋼絲圈的開口中，紗線能夠順利地進入鋼絲圈中帶動鋼絲圈旋轉，實現紗線的卷繞引入和紗線的加捻。轉環與鋼領環的組合中，轉環位于鋼領環的內側，在轉環上開口紗線的引入需要從轉環的內側拉到轉環的外側，紗線在卷繞的過程中會多次地通過環上的開口處，轉環上開口的密閉和光滑連接都是需要解決的問題。為了防止轉環在重力的作用下脫離鋼領環內環，鋼領環內環的直徑要求小于轉環的外徑，卷繞時紗線的作用點的拉力使紗線受到轉環與鋼領環接觸楔面的加持力的作用容易形成斷線。如果采用鋼領圈開口式紗線引入方式，則鋼領圈需要做成翻蓋式，所謂翻蓋式是鋼領圈與轉環一起翻開，紗管插入的同時蓋上鋼領圈，則紗線從轉環的外環引入，這種形式的引線方式可以使鋼領圈上的開口再放大一些，因為紗線與轉環接觸，與鋼領圈內環不接觸。

轉環加捻裝置的結構相對于鋼絲圈加捻要復雜很多，只是在實驗室或針對更高速紡紗解決鋼絲圈發熱問題的實踐與探索方面研究轉環加捻機構的專利不少，能夠做到工業應用的不多。多數只存留在紙面上或專利中，而設計上存在的問題在于其結構復雜和使用上不簡捷，所以有待于提出新設想和簡單的結構來解決問題。

4 結論

環錠紡紗鋼絲圈與鋼領精巧、實用的配合多年來一直是紡紗機的加捻卷繞主導方式。由于在高速紡紗中鋼絲圈摩擦產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計的方法，用以提高紡紗速度。熱量產生的根源-摩擦熱是主要原因，由此產生了浮動環與鋼領配合的設想，目的是減少與消除摩擦，抑制摩擦熱的產生，提高紡紗速度。

采用無鋼絲圈紡紗技術，主要有普通鋼環和磁環（永磁環和電磁環）兩種方式，普通鋼環在設計上主要是要減輕環體的重量，為的是實現高速轉動時環體能夠懸浮。普通鋼環可以采用內引線或外引線的方式設計，內引線要求在鋼環的開口與風口操作。外引線要求在鋼領圈上開口。就操作而言外引線操作相對方便。

電磁式和永磁式懸浮方式在結構方面相對復雜，在紗線的引入等方面對磁環的結構產生改變，影響磁環的受力，另外永磁環的懸浮間隙與側向力對環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。

1.李小蘭.環錠紡紗新技術評析［J］.紡織器材, 2003，30（2）:60~62

2.秦貞俊.環錠細紗機鋼領、鋼絲圈問題的討論［J］.紡織器材，2003，30（1）:10~13

3.張一鳴，陳志軍.鋼絲圈磨損機理及等離子體滲硫鋼絲圈［J］.紡織器材,2016,43（1）:15~19

4.庾在海，吳文英，陳瑞琪.鋼領鋼絲圈表面處理技術及結構改進［J］.棉紡織技術，2004，32（1）: 62~64

5.周樹名.磁懸浮技術的分析及應用探討［J］.課程教育研究，2016（5）:253~254

6.庚在海，王一軍.磁懸浮鋼絲圈模型的建立及其控制分析［J］.自動化技術與應用，2007，26（5）: 49~51

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1671-3389（2017）01-08-04

丹東市科學技術局科技計劃項目（15033）