經(jīng)緯紡織機械股份有限公司　楊華明/文

直倍捻機節(jié)能技術(shù)探討

經(jīng)緯紡織機械股份有限公司楊華明/文

闡述直捻機或倍捻機通過減小氣圈形態(tài)來達到節(jié)能目的的觀點，分析直倍捻工藝中形成氣圈的必要條件以及影響氣圈大小的因素，探索通過改進現(xiàn)有直捻機或倍捻機技術(shù)中的錠子組件的方法，對錠罐、加捻盤和儲紗盤的結(jié)構(gòu)及尺寸進行優(yōu)化設(shè)計，從而減小氣圈形態(tài)，達到節(jié)能降噪的目的。

直捻； 倍捻； 錠子組件； 氣圈； 轉(zhuǎn)矩； 節(jié)能

1　引言

在采用直捻機或倍捻機加捻紗線的直、倍捻工藝中，具有一定張力的紗線從與錠子軸線垂直的儲紗盤橫向出口引出，經(jīng)過加捻盤導(dǎo)向位于錠子上方固定不動的導(dǎo)紗器，紗線隨著錠子旋轉(zhuǎn)，在空氣阻力和離心力作用下形成氣圈。隨錠子旋轉(zhuǎn)的紗線氣圈在捻線輸送過程中克服空氣阻力需消耗能量。從實踐中得知，氣圈形態(tài)影響能量消耗多少以及噪音大小。氣圈小，克服空氣阻力消耗的能量少，產(chǎn)生的噪音低。

2　錠子能量消耗的組成

直捻機或倍捻機用于完成紗線加捻并形成卷裝，設(shè)備的能量消耗主要來自于實現(xiàn)加捻功能的核心部件錠子驅(qū)動所需的能量，而用來驅(qū)動錠子的能量消耗包括錠子空轉(zhuǎn)消耗的功率和帶動紗線旋轉(zhuǎn)形成氣圈時氣圈消耗的功率，即：

P錠子=P空轉(zhuǎn)+P氣圈

式中：

P錠子表示一只錠子消耗的功率；

P空轉(zhuǎn)表示一只錠子空轉(zhuǎn)消耗的功率；

P氣圈表示紗線形成氣圈時一只錠子消耗在氣圈上的功率。

經(jīng)過反復(fù)試驗得到的測試數(shù)據(jù)可表明：錠子本身消耗的功率所占比例很小，直、倍捻機錠子消耗的能量主要用于氣圈隨錠子旋轉(zhuǎn)時克服空氣阻力做功。

并且，已有相關(guān)試驗和研究推導(dǎo)出：

P氣圈=5.6×10-3·n3·R3·D·H

式中：

n——錠子轉(zhuǎn)速

R——氣圈半徑

D——加捻絲線的平均直徑

H——氣圈高度

上述式子清楚表明了氣圈大小和錠子消耗的能量之間的關(guān)系，即紗線氣圈克服空氣阻力消耗的能量與氣圈形態(tài)（包括氣圈直徑和高度）有關(guān)。

顯然，直、倍捻機驅(qū)動錠子所消耗的能量與氣圈形態(tài)有關(guān)。

3　形成氣圈的條件

在直、倍捻機中，握持點、紗線張力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速是紗線旋轉(zhuǎn)形成氣圈從而完成加捻的必要條件。

圖1　氣圈形成條件示意圖

如圖1所示，錠子上方固定不動的導(dǎo)紗器O是紗線的握持點，與錠子固定連接、具有一定半徑r的儲紗盤是紗線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣圈時具備一定轉(zhuǎn)矩的必需件，錠子轉(zhuǎn)速ω是帶動紗線旋轉(zhuǎn)形成氣圈的動力來源。

4　影響氣圈形態(tài)的因素

氣圈形態(tài)即氣圈幾何形狀及大小，由氣圈高度尺寸和氣圈包絡(luò)曲面半徑確定。

已有研究表明：氣圈張力及膨脹程度與倍捻機的加捻盤、儲紗盤形狀大小、導(dǎo)紗鉤高度有直接關(guān)系。在保證幾何尺寸滿足自由氣圈的形成條件下，儲紗盤出口點的張力和相應(yīng)的導(dǎo)紗器高度決定了自由氣圈的形態(tài)。

4.1影響氣圈高度的因素

對某臺投入生產(chǎn)運轉(zhuǎn)的直捻機或倍捻機而言，如圖1所示，氣圈高度H即儲紗盤到導(dǎo)紗器的距離，通常不再變動，是固定值，由設(shè)備安裝尺寸確定，不受其他因素影響。（為簡便起見，下文將氣圈直徑大小簡稱氣圈大小。）

4.2影響氣圈直徑的因素

紗線隨錠子旋轉(zhuǎn)在錠罐外圍形成氣圈。通常，直、倍捻機是根據(jù)喂入卷裝大小來確定錠罐罐身直徑，據(jù)此再確定加捻盤直徑和儲紗盤直徑。而在加捻過程中影響氣圈直徑的因素有：紗支、錠速、紗線張力及轉(zhuǎn)矩等。

1）紗支

采用同一設(shè)備加捻粗細(xì)不同的紗，在相同的錠速下，加捻粗紗時氣圈大，能耗多，噪音大；加捻細(xì)紗氣圈小，能耗低，噪音小。

2）錠速

加捻同一品種的紗線，在不改變紗線張力的情況下，錠速越高，氣圈越大，錠子消耗的功率越多，噪音也越大。反之，如錠速低，則氣圈小，能耗低，噪音也小。

3）紗線張力

已有研究和實驗表明：加捻相同品種的紗線，氣圈張力大，氣圈小，氣圈能耗少；氣圈張力小，氣圈大，氣圈能耗大。

對于如圖1所示的已確定結(jié)構(gòu)及尺寸的加捻錠子組件：在紗支、轉(zhuǎn)速一定的情況下，不論紗線在進入儲紗盤前的張力增大或減小，只要紗線在儲紗盤上的包角大于0度，儲紗盤在回轉(zhuǎn)運動中會通過紗線在儲紗盤上包角的變化而自行平衡氣圈張力，起到控制氣圈大小的作用，從而維持氣圈形態(tài)的穩(wěn)定，因此，不會產(chǎn)生節(jié)能效果；

但是，當(dāng)增大紗線張力至紗線在儲紗盤上的包角小于0度后，此時儲紗盤上無紗線存儲、不會自行調(diào)整氣圈張力，所以在儲紗盤前增大的紗線張力使紗線在離開儲紗盤后形成的氣圈張力也相應(yīng)地增大，從而可以使氣圈明顯減小，達到節(jié)能降噪效果。此外，在這種情況下，如果紗線進入儲紗盤前的張力有波動，還會導(dǎo)致氣圈大小的波動，使得氣圈處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

所以說，在一定條件下，紗線張力及氣圈張力會對氣圈形態(tài)產(chǎn)生影響。實際生產(chǎn)中，通過調(diào)節(jié)直捻機外紗張力的方法來增大氣圈張力，使氣圈減小，從而達到節(jié)能降噪的目的。

4）轉(zhuǎn)矩

根據(jù)物體轉(zhuǎn)動定律，紗線要圍繞錠子中心旋轉(zhuǎn)形成氣圈必須具備一定的轉(zhuǎn)矩，所以，從錠子組件的儲紗盤拋出的紗線必須同時具備一定的張力和轉(zhuǎn)動力臂，紗線才能隨錠子旋轉(zhuǎn)形成氣圈。如圖2所示的作用力F、力臂a和轉(zhuǎn)速ω均大于零，這是紗線形成氣圈的必要條件。即，紗線在儲紗盤上以一定的轉(zhuǎn)矩拋出并隨錠子以ω速度旋轉(zhuǎn)從而形成自由氣圈。

圖2　影響氣圈直徑的因素分析示意圖

所以，紗線轉(zhuǎn)矩和錠子轉(zhuǎn)速的大小是直接影響紗線旋轉(zhuǎn)所形成的氣圈幾何形狀的因素，也是影響加捻過程中紗線氣圈消耗功率大小的重要因素。

如圖1所示，在直捻機或倍捻機設(shè)備結(jié)構(gòu)及位置尺寸已確定的情況下，圖1中的紗線高度H即為固定值。圖中r為儲紗盤半徑，ω為錠子轉(zhuǎn)速。

錠子驅(qū)動紗線隨錠子旋轉(zhuǎn)形成氣圈所需要的功率，就是紗線離開儲紗盤時的轉(zhuǎn)矩做的功，即P=T·ω。

其中：P為功率，T為轉(zhuǎn)矩，ω為轉(zhuǎn)速。

由公式P=T·ω可以看出，轉(zhuǎn)矩小，功率小，能耗低。

所以，欲減小功率P達到節(jié)能目的，除了上述提到的采取減小轉(zhuǎn)速的方式外，還可以采用減小轉(zhuǎn)矩的方式。

即在轉(zhuǎn)速ω一定的情況下，如果減小轉(zhuǎn)矩T，就可以減小錠子驅(qū)動紗線旋轉(zhuǎn)形成氣圈所需要的功率P。

而轉(zhuǎn)矩T和紗線作用力F以及紗線旋轉(zhuǎn)力臂a之間存在關(guān)系式：T=F·a。

所以，欲減小功率P，就可以通過改變紗線離開儲紗盤時的作用力F及轉(zhuǎn)動力臂a從而減小轉(zhuǎn)矩T的方式來實現(xiàn)。

① 紗線作用力

如圖1所示的錠子，在加捻過程中，紗線離開儲紗盤后隨錠子旋轉(zhuǎn)形成自由氣圈。紗線在離開儲紗盤時所受的作用力即紗線張力，一方面用于提供紗線向上輸送所需的張力，另一方面用于提供紗線隨錠子旋轉(zhuǎn)所需的離心力。

提供給紗線向上輸送的穩(wěn)定的張力可以通過紗線張力器和儲紗盤來調(diào)節(jié)，提供紗線離開儲紗盤形成氣圈旋轉(zhuǎn)所需的離心力，與紗線質(zhì)量、轉(zhuǎn)速及儲紗盤半徑有關(guān)，按F= Mω2r變化。

這第二種“正在形成或者繼續(xù)重建”的結(jié)構(gòu)與存在論中的建構(gòu)結(jié)構(gòu)似乎具有某些相通之處。前提是，如果我們以存在主義觀點而非生物主義觀點來給這第二種結(jié)構(gòu)定下基調(diào)——從人的活動即“此在”結(jié)構(gòu)出發(fā)，就可以將“民間故事活動”看成一個“開放的活的”結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，始終處于未封閉的形成過程中，并通過不斷的交流進行調(diào)節(jié)達到暫時平衡。[注]此觀點詳見張瓊潔《當(dāng)代民間故事活動價值發(fā)生研究》，《民族文學(xué)研究》，2018年，第1期。

a. 減小紗線張力

由轉(zhuǎn)矩公式T=F·a可知，當(dāng)轉(zhuǎn)臂a不變時，如果減小紗線離開儲紗盤時的紗線張力F，可以減小紗線離開儲紗盤后隨錠子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣圈所需的轉(zhuǎn)矩T；又因為功率和轉(zhuǎn)矩間存在關(guān)系式P=T·ω，所以產(chǎn)生氣圈的轉(zhuǎn)矩T減小，就可以減少維持氣圈正常運動所需的功率P。

比如，在公開號為CN1210910A的發(fā)明專利說明書中闡述了該發(fā)明的任務(wù)就是創(chuàng)造一種倍捻錠子或作為直接并股捻線錠子設(shè)計的捻線錠子，采用這種無儲紗盤但具有自由旋轉(zhuǎn)的中間套的錠子，可以使作用在紗線上的拉力保持得很小，可使傳動錠子所需要的傳動功率保持盡可能的小并可提高生產(chǎn)率。

然而，當(dāng)轉(zhuǎn)速ω一定時，對于圖1所示的直捻機或倍捻機而言，其具有隨錠子旋轉(zhuǎn)的儲紗盤、加捻盤以及固定不動的錠罐的加捻錠子組件，在儲紗盤出口處的紗線張力F為了滿足紗線旋轉(zhuǎn)形成氣圈所需的離心力，F(xiàn)必須大于等于此處的離心力Mω2r，即F≥Mω2r；又由于紗線離開儲紗盤后會被引向錠子上方的導(dǎo)紗器并向上輸送給超喂輥，所以紗線要保證紗線勻速輸送，必須保證紗線張力具備一定大小的值，以形成穩(wěn)定形態(tài)的氣圈，不可能無限度減小儲紗盤口的紗線張力F。

并且，在加捻過程中，轉(zhuǎn)矩a不變的情況是儲紗盤始終有包角的狀態(tài)，即α≥0。

而當(dāng)紗線在儲紗盤上包角α≥0時，如圖2所示，改變紗線進入儲紗盤前的張力，由于紗線在儲紗盤上通過包纏角變化自行調(diào)節(jié)紗線張力，使得從儲紗盤引出的紗線9張力恒定、氣圈形態(tài)穩(wěn)定，并且此時的力臂即儲紗盤半徑（a=r），如果錠子轉(zhuǎn)速一定，此時的錠子消耗的功率就是個恒定值。

所以，對于具有圖1所示的加捻錠子組件的直捻機或倍捻機而言，通過紗線張力器減小紗線張力的方式不能達到減小氣圈而節(jié)能的目的。但是如果按照F≥Mω2r的相關(guān)影響因素來減小作用力F的話，比如通過降低轉(zhuǎn)速ω或減小儲紗盤半徑r等方式來降低紗線張力，可使傳動錠子所需要的傳動功率減小，這樣可以達到降低能耗的效果。這在試驗和生產(chǎn)中均得到驗證。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩和功率公式T=F·a和P= T·ω可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速ω不變時，如果增大紗線張力F，只有同時減小力臂a，才可能降低轉(zhuǎn)矩T，從而降低功率P。

增大紗線張力F，可以使紗線在儲紗盤上的包角α＜0。

而當(dāng)α＜0時，紗線離開儲紗盤瓷柱，如圖2所示的紗線10，其力臂a小于儲紗盤半徑r，即a ＜r。

通過試驗表明，增大紗線在儲紗盤前的張力，使紗線在儲紗盤上的包角α＜0后，紗線氣圈明顯減小。

當(dāng)α＜0時，紗線離開儲紗盤口的張力隨紗線進入儲紗盤前的張力大小變化。但在錠子轉(zhuǎn)速ω不變的情況下，紗線離開儲紗盤時滿足紗線隨錠子旋轉(zhuǎn)所需的離心力F=Mω2r是不變的。如果此時增加外紗張力，由于離心力不變，紗線向上的拉力就會增加。當(dāng)紗線向上的拉力增加時，會使氣圈變小。而氣圈變小，根據(jù)相關(guān)研究推導(dǎo)出的氣圈消耗功率公式P氣圈=5.6×10-3·n3·R3·D·H可知，消耗在氣圈上的功率降低。

從旋轉(zhuǎn)物體消耗功率的角度來說，離開儲紗盤的紗線氣圈消耗的功率P=T?ω= F?a?ω，此時式中的紗線張力F增大，但力臂a 大大減小，力矩T也減小，所以功率P也減小。這與上述氣圈小、功率消耗低的結(jié)論是一致的。

② 轉(zhuǎn)動力臂

從功率與力臂間的關(guān)系P= T·ω= F·a·ω可知，在作用力F和轉(zhuǎn)速ω不變的情況下，改變力臂a的大小，可以改變功率P值。即，增大力臂a，功率P增加；反之，減小力臂a，功率P降低。

通過減小力臂a從而實現(xiàn)功率P降低，可以根據(jù)紗線在儲紗盤上的包角變化情況進行討論。

a. 減小儲紗盤和加捻盤半徑使力臂減小

當(dāng)紗線在儲紗盤上的包角α≥0時，如圖2所示，力臂等于儲紗盤半徑，即a=r，所以要想減小功率P就可以減小儲紗盤半徑r。

反復(fù)的試驗表明：在紡紗工藝條件不變以及紗線在儲紗盤上的包角α≥0的情況下，如果減小儲紗盤半徑r至適當(dāng)值時，不需增加紗線進入錠子組件前的張力，就可以使氣圈直徑明顯減小，達到節(jié)能降噪的效果。

所以，在制造設(shè)備的生產(chǎn)實踐中，對現(xiàn)有的直、倍捻機加捻錠子組件進行優(yōu)化設(shè)計，從而實現(xiàn)節(jié)能效果。

具體方案是：根據(jù)喂入卷裝大小確定錠罐最大直徑后，再根據(jù)錠罐安裝方式以及喂入卷裝在罐內(nèi)的放置情況確定下罐形狀尺寸，下罐仿照氣圈形態(tài)設(shè)計為錐形，然后再通過減小加捻盤直徑，使紗線隨錠子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣圈下部（圍繞下罐的部分）直徑變小，同時，減小儲紗盤直徑，使紗線隨錠子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣圈曲率半徑變大，即包繞在錠罐外圍的氣圈直徑變小，整個氣圈形態(tài)變“瘦”，并且，結(jié)合錠罐大小和形狀，對加捻盤和儲紗盤結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化配比設(shè)計，最終使外紗圍繞錠子產(chǎn)生的自由氣圈直徑變小，在保證加捻紗線品質(zhì)的情況下（即紗線不與錠罐接觸，避免因摩擦產(chǎn)生毛絲或斷絲），最終使得采用這種新型節(jié)能電錠的捻線機達到節(jié)能10%～20%的目的。

采用此方案優(yōu)化設(shè)計的捻線機，其節(jié)能效果具體來源于兩方面：一方面加捻盤和儲紗盤作為紗線隨錠子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣圈的導(dǎo)向件，當(dāng)直徑減小時，可以使紗線捻線過程中形成的氣圈直徑減小，而氣圈直徑減小，其克服空氣阻力所需的能量就會減小。另一方面，儲紗盤和加捻盤作為旋轉(zhuǎn)錠子的一部分，其直徑減小可以使錠子本身消耗的能量減少。

另外，此設(shè)計方案是根據(jù)喂入卷裝大小來設(shè)計錠罐結(jié)構(gòu)尺寸，并且仿照氣圈形態(tài)來設(shè)計錠罐外形，這樣可有效避免紗線氣圈與錠罐摩擦而損傷紗線或產(chǎn)生斷紗，能保證紗線加捻順利進行并保證良好的紗線品質(zhì)；另外，錠罐的下罐設(shè)計成錐形形狀，與氣圈形態(tài)相仿，并且尺寸大小設(shè)計成與加捻盤大小匹配，這樣可以避免紗線從加捻盤引出時在加捻盤上方邊緣處形成氣流旋渦而導(dǎo)致較大的能量消耗。

b. 通過增大紗線張力的方式使力臂減小

當(dāng)紗線在儲紗盤上的包角α＜0時，如圖2所示，力臂小于儲紗盤半徑，即a ＜r。此種情況力臂大小由紗線的引出方向決定，而紗線的引出方向由紗線張力大小和儲紗盤上瓷柱位置確定。紗線張力越大，力臂越小。當(dāng)紗線從儲紗盤瓷柱處拋出的轉(zhuǎn)矩減小時，會使紗線氣圈變小，達到節(jié)能效果。增大紗線張力使紗線在儲紗盤上的包角小于0度從而減小氣圈、達到節(jié)能效果外，還可以通過減小儲紗盤、加捻盤半徑等優(yōu)化錠子組件結(jié)構(gòu)的方式減小紗線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，從而減少傳動錠子帶動氣圈運動所需的傳動功率。

FZJX

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5　結(jié)論

5.1紗支、錠速和氣圈大小是影響直倍捻機氣圈消耗功率的因素。同時，紗支和錠速又是氣圈直徑大小的影響因素。此外，影響氣圈直徑大小的因素還有紗線張力、轉(zhuǎn)矩、錠子組件結(jié)構(gòu)及尺寸。

5.2直、倍捻機在紗支、錠速一定的情況下，除了通過