0 引 言

現(xiàn)代高效棉紡關(guān)鍵設(shè)備是棉紡行業(yè)紡紗工序的主力機(jī)型，技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)影響面寬。在傳統(tǒng)的粗、細(xì)、絡(luò)紡紗工序中，采用具有高生產(chǎn)效率的自動化、智能化的新型粗紗機(jī)、集體落紗細(xì)紗機(jī)、自動絡(luò)筒機(jī)的現(xiàn)代棉紡設(shè)備，將符合現(xiàn)代紡織企業(yè)發(fā)展的需要，同時對紡織機(jī)械制造企業(yè)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、生產(chǎn)技術(shù)升級等各方面起到重大的推動作用。

21世紀(jì)初，太平洋機(jī)電(集團(tuán))有限公司在國內(nèi)率先提出了“數(shù)字化紡織機(jī)械”的理念，提出了“以數(shù)字化紡機(jī)推動紡織工業(yè)信息化”的發(fā)展戰(zhàn)略，此觀念已成為當(dāng)前新型紡織機(jī)械的普遍要求。數(shù)字化紡機(jī)是世界紡織機(jī)械發(fā)展的方向，以數(shù)字化單機(jī)、車間級自動化和車間、企業(yè)信息化系統(tǒng)工程為標(biāo)志，用信息化改造傳統(tǒng)工業(yè)是其生存發(fā)展的必由之路。

“十二五”期間，棉紡業(yè)生產(chǎn)要達(dá)到每萬錠用工70人。在紡紗工藝流程的裝備中，采用多電機(jī)傳動的粗紗機(jī)、帶自動集體落紗裝置的長細(xì)紗機(jī)和多電機(jī)驅(qū)動的自動絡(luò)筒機(jī)是實(shí)現(xiàn)減少紡織企業(yè)用工的關(guān)鍵設(shè)備，具有極大的市場潛力。

上海二紡機(jī)股份有限公司順應(yīng)這一發(fā)展的方向，在高效現(xiàn)代棉紡關(guān)鍵設(shè)備項(xiàng)目中率先對新型粗紗機(jī)、集體落紗長細(xì)紗機(jī)、自動絡(luò)筒機(jī)三大類產(chǎn)品的研制、開發(fā)、商品化生產(chǎn)等各方面進(jìn)行了探索，取得了效果，并在紡織企業(yè)中進(jìn)行了規(guī)?；茝V。

1 高效現(xiàn)代棉紡關(guān)鍵設(shè)備的用途、技術(shù)參數(shù)及紡紗機(jī)理

高效現(xiàn)代棉紡關(guān)鍵設(shè)備項(xiàng)目涉及新型粗紗機(jī)、集體落紗長細(xì)紗機(jī)、自動絡(luò)筒機(jī)。

1.1 新型粗紗機(jī) (見圖1)

用途：適用于纖維長度22～60 mm的普梳和精梳纖維及化纖的純棉和混紡，將并條后的熟條加工成不同支數(shù)和不同捻度的粗紗，供細(xì)紗機(jī)紡制細(xì)紗。

技術(shù)參數(shù)：

(1)錠距：220 mm

(2)錠數(shù)：120

(3)紡紗線密度：1 250～200 tex （0.8～5Ne）

(4)適紡纖維長度：22～60 mm

(5)牽伸倍數(shù)：4.5～13

(6)卷裝尺寸：最大?152 mm ×406 mm

(7)最大錠翼工藝轉(zhuǎn)速: 1 500 r/min

(8)牽伸形式：四羅拉雙短皮圈牽伸（羅拉直徑?28.5 mm）

圖1 新型粗紗機(jī)

紡紗機(jī)理：將并條后的棉條通過紗架喂入到牽伸裝置，搖架、羅拉、皮圈等組成的牽伸系統(tǒng)對棉條進(jìn)行牽伸，利用錠翼和筒管的轉(zhuǎn)速差，將牽伸后的棉條卷到筒管上，形成粗紗管，供后道細(xì)紗機(jī)紡紗用。

粗紗機(jī)主要由喂入紗架、牽伸搖架、牽伸羅拉、皮圈、錠翼、筒管、機(jī)架、車頭傳動、吸棉系統(tǒng)、電氣控制裝置等組成，見圖2。

圖2 粗紗機(jī)紡紗主要部件

機(jī)構(gòu)工作部分的傳動有：牽伸羅拉傳動、錠翼傳動、筒管傳動、下龍筋升降傳動。四組運(yùn)動通過計算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)粗紗的紡紗。

1.2 集體落紗長細(xì)紗機(jī) (見圖3)

用途：適用于棉、棉型化纖的純紡或混紡，以粗紗喂入、紡制細(xì)紗、細(xì)紗落紗采用自動集體落紗系統(tǒng)。

技術(shù)參數(shù)：

(1)錠距：70 mm

(2)錠數(shù)：1 200～720等

(3)鋼領(lǐng)直徑：?45、42、38 mm

(4)筒管長度：210 mm

(5)紡紗線密度：49～5 tex（12～120Ne）

(6)錠速：12 500～23 000 r/min

(7)粗紗卷裝：最大?152 mm×406 mm

(8)集體落紗開車留頭率：≥97%

圖3 集體落紗長細(xì)紗機(jī)

紡紗機(jī)理：將粗紗通過紗架喂入到牽伸裝置，搖架、羅拉、皮圈等組成的牽伸系統(tǒng)對粗紗進(jìn)行牽伸，錠子高速旋轉(zhuǎn)對紗進(jìn)行加捻并將紗卷繞到細(xì)紗管上，鋼領(lǐng)板、導(dǎo)紗板升降運(yùn)動控制紗的卷繞成形，紡成的細(xì)紗管紗供后道自動絡(luò)筒機(jī)絡(luò)紗用。

集體落紗長細(xì)紗機(jī)主要由喂入紗架、牽伸搖架、牽伸羅拉、皮圈、錠子、鋼領(lǐng)、機(jī)架、車頭傳動、吸棉系統(tǒng)、電氣控制、集體落紗裝置等部分組成（見圖4）。

機(jī)構(gòu)工作部分的傳動有：

細(xì)紗機(jī)主機(jī)部分的牽伸羅拉傳動、錠子傳動、鋼領(lǐng)板升降傳動由主電機(jī)傳動，實(shí)現(xiàn)細(xì)紗的紡紗（見圖5、圖6）。

集體落紗裝置的升降臂運(yùn)動、輸送盤運(yùn)動、滿管紗輸送、空管喂入理管運(yùn)動等（見圖7）。

細(xì)紗機(jī)主機(jī)和集體落紗裝置的聯(lián)動控制采用現(xiàn)場總線、計算機(jī)控制、光機(jī)電一體化，實(shí)現(xiàn)紡紗、落紗的全自動化。

圖4 細(xì)紗機(jī)紡紗主要部件

圖5 車頭傳動

圖6 牽伸傳動

1.3 自動絡(luò)筒機(jī)

用途：將天然和人造纖維的單紗或股紗的細(xì)紗管紗絡(luò)筒至筒子紗，并對紗線進(jìn)行斷紗的無接頭捻接和檢測（見圖8）。

技術(shù)參數(shù)：

(1)錠數(shù)：60錠

(2)紗支范圍：333～4.92 tex（2～120 Ne）

(3)管紗長度：180～325 mm

(4)管紗直徑：最大?72 mm（九孔紗庫最大?48 mm）

(5)卷繞速度：300～1 800 m/min無級調(diào)速；最大機(jī)械速度2 000 m/min

(6)卷裝形式：圓柱形和圓錐形，半錐角為3°30′、4°20′、5°57′

(7)卷裝直徑：最大?320 mm

圖8 自動絡(luò)筒機(jī)

絡(luò)紗機(jī)理：將細(xì)紗管紗通過紗庫喂入到絡(luò)筒錠腳，紗通過紗線張力器、紗線捻接器、電子清紗器、曲線槽筒卷繞到紗管上去，絡(luò)成的筒紗供后道織造用。當(dāng)出現(xiàn)斷紗時，大吸嘴和小吸嘴通過負(fù)壓各抓住紗頭，使紗頭進(jìn)入捻接器的捻接，形成無接頭的紗。

自動絡(luò)筒機(jī)主要由喂入紗庫、紗線張力器、紗線捻接器、電子清紗器、筒子架、卷繞槽筒、機(jī)架、車頭傳動、吸棉系統(tǒng)、電氣控制等部分組成。

機(jī)構(gòu)工作部分的傳動：

自動絡(luò)筒機(jī)為單錠模塊化結(jié)構(gòu)，每個單錠自成一體，有管紗喂入系統(tǒng)、張力器傳動、捻接器傳動、槽筒卷繞傳動、負(fù)壓吸風(fēng)電機(jī)傳動等，所有的運(yùn)動通過計算機(jī)控制，每錠落紗狀態(tài)處于上位器控制和檢測，實(shí)現(xiàn)全自動絡(luò)紗（見圖9、圖10）。

圖9 模塊化的單錠絡(luò)筒錠

圖10 模塊化組合的自動絡(luò)筒機(jī)

2 主要技術(shù)關(guān)鍵和創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 新型粗紗機(jī)

它采用懸錠結(jié)構(gòu)、大卷裝；4臺電動機(jī)分別傳動錠翼、筒管、牽伸和龍筋升降，由計算機(jī)按設(shè)定的工藝曲線控制4個變頻器進(jìn)行同步驅(qū)動，滿足紡紗工藝要求（見圖11、12）。

圖11 4臺電動機(jī)驅(qū)動4個運(yùn)動單元

(1)改變錠翼、筒管傳動方式，用傘齒輪、螺旋傘齒輪替換低效率的螺旋交叉軸傳動，取消制約高速傳動的結(jié)構(gòu)。

(2)多電動機(jī)獨(dú)立驅(qū)動，分別直接傳動錠翼、筒管、羅拉和龍筋全過程位置控制。利用電機(jī)斷電瞬時的不同狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)斷電同步功能。

(3)在試驗(yàn)室進(jìn)行大量的工藝試驗(yàn)，開發(fā)紡紗工藝專家?guī)臁?/p>

圖12 紡紗工藝參數(shù)的設(shè)定與監(jiān)控

2.2 集體落紗長細(xì)紗機(jī)

它是集現(xiàn)場總線、計算機(jī)控制、光機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品。

(1)采用以CPU為核心，多電動機(jī)獨(dú)立驅(qū)動和現(xiàn)場總線相結(jié)合的現(xiàn)代控制技術(shù)，伺服電動機(jī)驅(qū)動或機(jī)械聯(lián)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鋼領(lǐng)板（導(dǎo)紗板、氣圈環(huán)）上升和下降的運(yùn)動，使整個運(yùn)動規(guī)律滿足不同的紡紗工藝和品種以及與集體落紗相配套的要求，使其能適應(yīng)后道工序高速退繞的要求，達(dá)到最佳的管紗成形和容量，并降低斷頭率、提高開車留頭率（見圖13、14）。

圖13 鋼領(lǐng)板、導(dǎo)紗板、氣圈環(huán)3路升降運(yùn)動

(2)通過CAE進(jìn)行吸風(fēng)均勻度理論計算，并通過試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，對負(fù)壓吸風(fēng)流道進(jìn)行重新配置。

(3)通過試驗(yàn)室進(jìn)行集體落紗裝置可靠性試驗(yàn)。

圖14 CPU、現(xiàn)場總線的現(xiàn)代控制技術(shù)

2.3 自動絡(luò)筒機(jī)

采用傳感技術(shù)、微電子技術(shù)的高度集成，特種電機(jī)直接驅(qū)動等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了錠單元模塊化設(shè)計以及計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，車尾提供負(fù)壓和回絲收集。絡(luò)筒錠由五個特種電機(jī)分別為卷繞、捻接、上蠟、張力和換管等單元提供動力驅(qū)動，簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高絡(luò)紗速度和機(jī)械效率、無疵、無結(jié)，適合后道工序高速退繞的高品質(zhì)筒子為紡織工業(yè)的提升產(chǎn)品等級奠定了基礎(chǔ)。（見圖15、16）。

圖15 自動絡(luò)筒機(jī)控制系統(tǒng)示意

圖16 高速卷繞系統(tǒng)

(1)絡(luò)筒錠選擇最佳的絡(luò)紗紗路排列，確保絡(luò)紗過程中對紗線的柔和處理。

(2)捻接器應(yīng)用高速旋轉(zhuǎn)氣流的射流附壁原理，將紗頭的捻度解開，又用反向的旋轉(zhuǎn)氣流，將二個已沒有捻度的紗頭，捻合在一起（見圖17）。

圖17 紗線捻接系統(tǒng)

(3)絡(luò)紗張力器應(yīng)用機(jī)械式結(jié)構(gòu)，在整個絡(luò)紗過程中對紗線保持一個恒定的握持力，使紗線的動態(tài)張力保持一致。

(4)根據(jù)后道高速退繞及筒子染色等工序的需要，采用握持力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，同時對卷繞密度初始值可進(jìn)行選擇和微調(diào)。

(5)將Uster Qusturn Ⅱ iMK C15/C20電容式清紗器作為紗線檢測器，保證紗線疵點(diǎn)的檢測和清除。

(6)筒子卷繞防疊功能的應(yīng)用，保證后道工序的高速退繞及防止筒子染色時的色差。

(7)定長和定直徑的應(yīng)用，將筒子與筒子之間的絡(luò)紗長度差異控制在1%以內(nèi)。

(8)斷電紗線切割功能：防止突然停電時，紗線上的疵點(diǎn)漏過。

3 技術(shù)突破

3.1 新型粗紗機(jī)

(1)開車啟動時避免斷頭

由于該粗紗機(jī)采用四電機(jī)分別驅(qū)動錠翼、筒管、牽伸和龍筋升降，四部分完全獨(dú)立傳動并由計算機(jī)同步控制。完全克服了傳統(tǒng)粗紗機(jī)電機(jī)到筒管的傳動鏈比到錠翼的傳動鏈長的缺陷，避免在開車啟動時，筒管啟動慢，形成粗紗細(xì)節(jié)或者產(chǎn)生斷頭。

(2)防止粗紗斷頭退繞飄頭

當(dāng)粗紗斷頭時，由于翼導(dǎo)卷繞時旋轉(zhuǎn)方向會引起斷頭粗紗退繞飄頭影響相鄰粗紗，故增加粗紗機(jī)前排外側(cè)的光電開關(guān)數(shù)量和靈敏度，當(dāng)粗紗卷繞剛一斷紗還沒有飄頭時，已經(jīng)被光電開關(guān)感應(yīng)自動停車。

(3)克服管紗回轉(zhuǎn)不穩(wěn)定和動力消耗不平衡

由于翼導(dǎo)卷繞時，在相同情況下錠翼轉(zhuǎn)速始終小于管道卷繞時的筒管轉(zhuǎn)速。粗紗機(jī)四部分由四個電機(jī)完全獨(dú)立傳動，避免管紗回轉(zhuǎn)不穩(wěn)定和動力消耗不平衡的問題。

3.2 集體落紗長細(xì)紗機(jī)

(1)長細(xì)紗機(jī)的吸風(fēng)系統(tǒng)

在紡紗過程中，當(dāng)紗斷頭時，必須由吸風(fēng)裝置把斷紗通過負(fù)壓吸入風(fēng)管中,每個吸棉口必須有足夠的負(fù)壓來對斷紗進(jìn)行吸附。特別對長細(xì)紗機(jī)來說，吸風(fēng)的總流量需加大，同時要克服長總風(fēng)管的頭、尾端負(fù)壓差增大，使長總風(fēng)管的頭、尾端負(fù)壓差減小。通過對細(xì)紗機(jī)吸風(fēng)系統(tǒng)的吸風(fēng)管內(nèi)空氣流動狀態(tài)和吸風(fēng)支管口壓力分布進(jìn)行空氣動力學(xué)仿真試驗(yàn)和分析，結(jié)合細(xì)紗機(jī)的運(yùn)用狀況，對吸風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，來提高細(xì)紗機(jī)的負(fù)壓吸風(fēng)系統(tǒng)性能。

(2)細(xì)紗機(jī)主機(jī)的機(jī)架振動分析

隨著細(xì)紗機(jī)錠子轉(zhuǎn)速的提高，主軸、機(jī)架系統(tǒng)的振動將增加。通過計算機(jī)數(shù)字化仿真分析，對主軸和機(jī)架系統(tǒng)進(jìn)行受力、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的動態(tài)仿真分析和評估，研究和建立細(xì)紗機(jī)主軸、機(jī)架系統(tǒng)動態(tài)數(shù)字仿真模型，通過動態(tài)數(shù)字仿真，為細(xì)紗機(jī)設(shè)計提供理論支持（見圖18）。

圖18 細(xì)紗機(jī)主軸、機(jī)架系統(tǒng)動態(tài)數(shù)字仿真模型

(3)集體落紗系統(tǒng)的可靠性

集體落紗系統(tǒng)提升橫臂的運(yùn)動、紗管輸送盤的移動、滿紗管的輸送、空管的喂入等一系列運(yùn)動機(jī)構(gòu)的可靠性和動作的控制協(xié)調(diào)性，細(xì)紗機(jī)再啟動開機(jī)的留頭率是集體落紗系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，通過計算機(jī)模擬設(shè)計和樣機(jī)的實(shí)踐及用戶使用的具體情況不斷地進(jìn)行改進(jìn)，使之成為滿足用戶需要的自動化落紗系統(tǒng)。

3.3 自動絡(luò)筒機(jī)

(1)絡(luò)紗張力的控制

紗線在絡(luò)筒及織造退繞中的速度都很高。隨著退繞速度增加，紗線張力增加，尤其是使紗線產(chǎn)生的短片段張力峰值對紗線質(zhì)量極為不利。因此在絡(luò)筒過程中必須控制紗線的張力，使張力適度和均勻。采用氣圈破裂器來改變氣圈的形狀與節(jié)數(shù)，防止單氣圈的產(chǎn)生，減少張力波動。同時還通過張力裝置對運(yùn)動的紗線實(shí)施開環(huán)或閉環(huán)控制，從而得到均勻的紗線張力，保證高速退繞的卷裝質(zhì)量（見圖19）。

圖19 軸向退繞中的管紗及氣圈

(2)紗線接頭質(zhì)量的控制

紗線接頭質(zhì)量是衡量成紗質(zhì)量的主要指標(biāo)，要求紗線的接頭強(qiáng)度≥原紗的80%，接頭直接≤原紗的1.2倍。故應(yīng)用高速旋轉(zhuǎn)氣流的射流附壁原理，將紗頭的捻度解開，又用反向的旋轉(zhuǎn)氣流，將二個已沒有捻度的紗頭，捻合在一起，形成氣捻接頭，從而形成高質(zhì)量的無接頭紗。

4 研制過程中形成的技術(shù)知識點(diǎn)

通過高效現(xiàn)代棉紡關(guān)鍵設(shè)備項(xiàng)目的實(shí)踐，相關(guān)技術(shù)人員撰寫了專業(yè)論文，并參加了全國紡機(jī)器材專業(yè)委員會組織的論文征集，其中《細(xì)紗機(jī)主軸和機(jī)架系統(tǒng)動態(tài)仿真分析》獲一等獎，《自動絡(luò)筒機(jī)張力控制技術(shù)探析》獲二等獎，《粗紗機(jī)翼導(dǎo)卷繞紡紗的探討和試驗(yàn)》獲三等獎，這些論文已在《裝備機(jī)械》雜志第129期和第130期上先后刊發(fā)。

在專利方面，共實(shí)現(xiàn)專利申請11項(xiàng)，并已授權(quán)。

5 項(xiàng)目的推廣和效益

高效現(xiàn)代棉紡關(guān)鍵設(shè)備項(xiàng)目的研制、開發(fā)和推廣，已成為我公司的主導(dǎo)產(chǎn)品，累計銷售了上百臺的新型粗紗機(jī)，上千臺的集體落紗長細(xì)紗機(jī)和幾百臺的自動絡(luò)筒機(jī)，年增加銷售額4～5億元人民幣，使公司實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和技術(shù)水平的提升，成套設(shè)備已在國內(nèi)全面推廣，新型粗紗機(jī)和的集體落紗長細(xì)紗機(jī)產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)出口。

該成套棉紡設(shè)備的推廣，將給紡織企業(yè)帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益，如棉紡廠用人減少、紡紗質(zhì)量提高、勞動生產(chǎn)率提高，同時又有較強(qiáng)的社會意義，如工人勞動強(qiáng)度減輕、改善工人生產(chǎn)勞動環(huán)境等。

附表以集體落紗長細(xì)紗機(jī)和普細(xì)紗機(jī)使用情況作了對比。

附表