唐文輝

(東華大學，上?！?01620)

?技術專論

環(huán)錠細紗機功率與節(jié)能分析

唐文輝

(東華大學，上海201620)

摘要：針對環(huán)錠細紗機產量低、能耗高等機理上的缺陷，尋找節(jié)能的思路與方法，介紹環(huán)錠細紗機全機功率的分類和組成，分析環(huán)錠細紗機各工作機構的功率消耗性質及大小。指出：環(huán)錠細紗機動力消耗占全廠動力消耗的60%～70%；錠子功率占傳統(tǒng)細紗機動力輸入的65%～75%，輔助功率占15%～25%；細紗機高速化會增大錠子能耗的比值，減小輔助能耗，需重點挖掘錠子的節(jié)能潛力；開發(fā)、使用高速器材，提高設備精度減小摩擦阻力，加強保全保養(yǎng)工作，都是節(jié)能的有效途徑；高節(jié)能將是現(xiàn)代細紗機不斷研究和發(fā)展的方向。

關鍵詞：環(huán)錠細紗機；功率；加捻；卷繞；卷裝；紡錠；能耗；節(jié)能

機器所需功率主要用于克服工作機構的有效阻力、運動副中的摩擦力、介質阻力(如空氣阻力)和運動機件的慣性阻力等，探討機器功率的方法有如下3種[1]。

a)通過計算這些阻力，求出傳動各工作機構和運動機件所需功率，其優(yōu)點是能比較簡明地表達出功率與有關因素間的相互關系，有助于分析探討；但這種理論計算求功率的方法，只能在較簡明的情況下應用[2]。

b)應用現(xiàn)代測試技術測定傳動各工作機構和運動機件所需功率，適合于比較復雜的情況，測定結果可得到較可靠的數(shù)據。

c)應用經驗公式進行所需功率的估算；因為經驗公式是長期生產實踐中積累數(shù)據的綜合，具有一定的價值基礎，當然也有一定的局限性，使用中應根據實際情況，不斷補充和修改[3]。

細紗車間是紡紗廠用電最多的車間，環(huán)錠細紗機是紡紗廠的用電大戶，其裝機容量約占紡紗廠總裝機容量的60%以上；如何降低細紗車間能耗，長期以來是紡紗廠探討的重要課題。環(huán)錠細紗機存在機理上的缺陷，使其產量低、能耗高，環(huán)錠細紗機的動力消耗一般占全廠的60%～70%，減少其耗電能直接降低噸紗的生產成本；所以，高節(jié)電性能是細紗機今后研究與發(fā)展的方向之一。

1環(huán)錠細紗機全機功率的組成

環(huán)錠細紗機全機功率可分為紡錠功率、輔助功率和基礎功率三大類。紡錠功率又可分為紡錠主要功率和紡錠次要功率；紡錠主要功率由紡紗加捻卷繞功率和管紗卷裝功率組成，紡錠次要功率由空錠(錠子本身)功率和錠子傳動功率組成。輔助功率(非紡錠功率)由牽伸功率和成形功率組成。基礎功率由電機功率和電機傳動功率組成[4]。

從錠子整個系統(tǒng)能耗的比例分配來看，引起能耗的外部因素是：① 管紗與氣圈紗在空氣中高速回轉的空氣阻力；② 鋼絲圈與紗線、鋼領之間的摩擦阻力；③ 錠帶拖動阻力損失。引起錠子能耗的內部因素是：① 軸承摩擦損耗；② 阻尼損耗能量。因此，改進錠子結構設計可以減少錠子能耗。

2紡錠功率

2.1環(huán)錠細紗機紡錠主要功率

環(huán)錠細紗機紡錠主要功率由紡紗加捻卷繞功率和管紗卷裝功率組成。環(huán)錠紡紗是有氣圈紡紗，其優(yōu)點是利用氣圈形態(tài)的彈性自動調節(jié)功能，使其加捻卷繞機構大大簡化，但加捻卷繞的原理存在重大缺陷——筒管是套在錠子上的，為了高產則錠子必須高速；而筒管的回轉只為完成卷繞功能，其速度比錠子速度慢，然而由于套在錠子上的筒管與錠子一起高速回轉，這不僅限制了環(huán)錠紡紗高速大卷裝的發(fā)展，并受到各種新型非環(huán)錠紡的挑戰(zhàn)，而且也大大浪費能耗；因為細紗錠子加上卷裝每轉才給紗條一個捻回的效率太低、管紗卷裝功率消耗卻很大，甚不合理[5-6]。

2.1.1加捻卷繞功率

環(huán)錠紡紗另一特點是加捻與卷繞作用同時進行，即鋼絲圈回轉的同時完成加捻、卷繞。鋼絲圈由卷繞段紗條拖動回轉，其卷繞功率分析如圖1所示。

圖1　錠子卷繞功率分析

圖1中各符號意義如下：

Ct——鋼絲圈的慣性離心力；

TRy——氣圈底端張力TR的y向分量；

TW——紗條卷繞張力；

Nyz——鋼領對鋼絲圈的反作用力N在yoz坐標面上的分量；

F——鋼領與鋼絲圈間的滑動摩擦力；

R——鋼領半徑；

rx——管紗卷繞半徑；

ωs——錠子及管紗角速度；

ωt——鋼絲圈角速度；

vt——鋼絲圈線速度；

vW——卷繞線速度；

vs——管紗表面線速度；

e——TRy對ox軸的偏心力臂。

根據紗條卷繞的基本概念，紗條卷繞線速度vW表示如下：

vW=rx(ωs-ωt) =vs-rxωt

(1)

那么，為克服卷繞張力TW所需每錠紡紗卷繞功率應為卷繞張力與卷繞線速度乘積，即：

(2)

由圖1知，對旋轉軸ox取力矩，因鋼絲圈的慣性離心力Ct和鋼領對鋼絲圈的反作用力Nyz均通過ox軸，故鋼絲圈在水平面上的力矩平衡方程為：

(3)

將式(3)代入式(2)得：

TWvs=(FR+TRye)ωt+TWvW=

FRωt+TRyeωt+TWvW

(4)

由式(4)可知，錠子的紡紗卷繞功率TWvs由3部分組成。

a)FRωt(=Fvt)——用來克服鋼絲圈與鋼領間的滑動摩擦，并保持鋼絲圈以角速度ωt作圓周運動的發(fā)熱功率，發(fā)熱功率和鋼絲圈與鋼領間的滑動摩擦力、鋼領半徑、鋼絲圈角速度成正比。

b)TRyeωt——消耗于維持氣圈形態(tài)所作的功率。如果考慮空氣阻力，則TRyeωt是消耗于氣圈以ωt角速度作圓周運動和保持氣圈一定形態(tài)所需的功率。

c)TWvW——卷繞段紗條在卷繞張力TW作用下，以卷繞線速度vW運動消耗的功率。

為了更加確切地表達TWvW的物理意義，把它再分解為：

TWvW=(TW-TR)vW+TRvW=

TR(K-1)vW+TRvW

(5)

由式(5) 可知，TWvW是紗條通過鋼絲圈時克服紗條與鋼絲圈間的摩擦阻力和拖動紗條以速度vW縱向向下進行卷繞消耗功。

將式(5)代入式(4)得：

(6)

通過紡紗張力測試，可以對錠子的紡紗卷繞功率各部分組成及大小進行判斷和估算，錠子的紡紗卷繞功率主要消耗于鋼絲圈與鋼領間的滑動摩擦及發(fā)熱，即在卷繞過程中形成紗條張力的主要來源是拖動鋼絲圈在鋼領上回轉而做的功，還有克服空氣阻力、維持氣圈旋轉做的功，以及克服紗條與導紗鉤、鋼絲圈的摩擦阻力、維持紗條作縱向向下卷繞運動做的功[7]。

鋼絲圈的發(fā)熱功率最大，它與鋼絲圈重量、鋼領半徑、錠子回轉速度正相關；維持氣圈形態(tài)所做的功次之，它與氣圈形態(tài)、張力及錠子回轉速度相關；卷繞紗條消耗的功較小。

2.1.2卷裝功率

細紗卷裝(管紗)是套在錠子上的高速回轉體，它在空氣中高速運動時所受的阻力主要是空氣阻力Fp，F(xiàn)p與卷裝表面速度vp的平方成正比，通常以下式表示：

Fp=Cρvp2S

(7)

式中：

C——阻力系數(shù)，取決于卷裝表面狀態(tài)；

vp=3.141 6dxns，dx、ns分別為卷繞直徑和回轉速度(同錠速)；

ρ——空氣密度；

S——細紗卷裝表面面積。

管紗高速回轉,克服空氣阻力的功率消耗Np應是空氣阻力Fp與卷裝表面線速度vp的乘積,所以：

Np=Fpvp=Cρvp3S

(8)

式(8)表明，細紗卷裝空氣阻力的功率消耗與其表面線速度三次方成正比，也與卷裝直徑和回轉速度的三次方成正比；與卷裝表面積成正比。由此可見，細紗卷裝功率隨卷裝直徑增大而增大；因為管紗逐漸增多，所以細紗卷裝功率在卷裝成形過程中是變化的。在管底成形階段的卷裝功率增速快，管底成形完成后則卷裝功率增速緩慢并近似線性增大、直至滿管。細紗卷裝功率在紡錠主要功率中占比相當大，其數(shù)值和紡紗卷繞功率大致相當。在大卷裝細號紗時，卷裝功率在紡錠主要功率中可高達70%～80%。

細紗卷裝空氣阻力的功率消耗與其表面阻力因數(shù)成正比，因此減少管紗表面毛羽、提高管紗表面粗糙度，可減小阻力因數(shù)C值和卷裝功率。

由式(8)可知，影響卷裝功率的主要因素是錠速和卷裝直徑，其次是卷裝高度即鋼領板升降全程。

2.2環(huán)錠細紗機紡紗的次要功率

環(huán)錠細紗機紡紗的次要功率由空錠功率和錠子傳動功率組成。

2.2.1空錠功率

錠子能耗的內部因素是：① 上軸承摩擦耗能；② 下支承阻尼耗能。因此，改進錠子結構設計是減少錠子能耗的主要途徑。

德國諾威佩勒公司(NOVIBRA)的高速錠子HP-S68型及HP-S68/3型的錠心頸部設計成耐磨軸承，底部軸承由軸向和徑向兩部分組成，錠桿被頸部軸承和富有彈性的底部徑向軸承支持，其徑向振動被富有彈性的油膜隔層的圓形卷簧吸收?？斟V功率是錠子整個系統(tǒng)能耗中引起錠子能耗的內部因素，是由上軸承組合件摩擦耗能和阻尼組合件耗能兩者組成。測定表明，空錠功率約為90%消耗在上軸承，因此空錠節(jié)能的重點應在上軸承。

2.2.1.1頸部軸承的能耗

滾柱軸承的能耗與錠速、軸承直徑、潤滑劑的粘度、軸承的徑向負荷等參數(shù)有關，頸部徑向軸承與錠帶接觸，承受錠帶徑向壓力和錠子回轉的動態(tài)力。

不同頸部軸承受到的徑向負荷是不同的，頸部軸承所受的作用力隨錠速增大而增大，如圖2所示。

圖2　頸部軸承受力與錠速的關系

由圖2可見，錠子應在無振動的平穩(wěn)狀態(tài)下運行，其提速才有意義；否則，提速過程中就會在頸部軸承處產生較大的徑向動態(tài)負荷，且隨錠速增大而增大；嚴重振動的錠子會使頸部軸承產生超徑向動態(tài)負荷，最終導致頸部軸承損壞。如徑向動態(tài)負荷以80N為準，頸部φ7.8mm軸承普通錠子錠速最高為15kr/min，HP-S68及HP-S68/3型錠子的錠速可開到21kr/min，而高品質的NASAHP-S68及NASAHP-S68/3型錠子的錠速為25kr/min時的徑向動態(tài)負荷仍很低。

錠子頸部軸承能耗與速度、軸承直徑和徑向負荷成正比，不同頸部直徑的軸承能耗如圖3所示。

圖3　錠子頸部不同直徑軸承的能耗

錠速越高、差異越大，科學合理的頸部軸承設計，如：NASAHP-S68及NASAHP-S68/3型錠子在錠速高達25kr/min時，其單錠能耗仍不大于φ7.8mm普通頸部軸承在錠速為15kr/min時水平，可見頸部軸承優(yōu)化設計的重要性。

2.2.1.2底部軸承的能耗

諾威佩勒公司產HP-S68型錠子底部軸承，是由底部徑向滑動軸承和平面止推軸承組成。

2.2.1.2.1底部徑向滑動軸承

諾威佩勒公司產HP-S68型錠子底部徑向滑動軸承是采用流體動力平面軸承，其能耗與油的粘度，軸承寬度、直徑等尺寸設計、徑向負荷和散熱能力有關，如圖4所示。

圖4　諾威佩勒公司產HP-S 68型錠子底部徑向滑動軸承的設計

流體動力平面軸承的能耗關系非常復雜，不能以一般的關系式表達。除了油的粘度、錠速外，流體動力平面軸承的能耗主要受錠子軸承直徑的影響。將HP-S68型錠子底部錠桿直徑由4.5mm減至HP-S68/3型錠子的3mm，底部軸承的能耗顯著降低，如圖5所示。

圖5　錠子底部錠桿直徑對其能耗的影響

2.2.1.2.2底部軸向止推軸承

HP-S68型錠子底部錠桿是由平底軸承支撐，錠桿底面是選用低摩擦力的半球面設計，錠桿底部在點接觸平底軸承上協(xié)調旋轉，幾乎無摩擦，即不耗能或能耗很少。

2.2.1.2.3底部徑向軸承的防振功能及其能耗

當錠桿產生短暫徑向滑動時，錠膽中的錠子油就會從狹窄的內層縫隙被壓向較大的空隙，在這狹窄的隙縫口便會形成節(jié)流阻力，并造成與油流反向的流壓；流壓的彈性反應非常迅速，使錠子油反復壓進壓出而產生強大的防振功能，因此能耗很少。

諾威佩勒公司提供的不同類型錠子的能耗比較見表1、圖6。

由表1、圖6可知：① 錠子的能耗隨錠速升高而增大,低速段增大慢，高速段增大快；②NASAHP-S68/3型和HP-S68/3型錠子的能耗隨錠速升高增加慢，HF21型及同類(HA-25型)錠子的能耗隨錠速升高增加快；③ 在錠速為15kr/min～20kr/min時，諾威佩勒公司第三代錠子比HF21型及同類(HA-25型)錠子的能耗約減少3W/錠，相當可觀。

表1不同類型錠子能耗比較

錠子類型NASAHP-S68/3,HP-S68/3HF21及同類(HA-25)運轉性能平穩(wěn)運行與低噪聲軸承非平穩(wěn)運行與噪聲軸承頸部軸承負荷輕、能耗小負荷重、能耗大底部軸承徑向油膜滑動軸承,錠桿底部半球面點接觸軸向軸承,能耗小底部為錐尖式結構錠桿,圓錐面的底部軸承,運轉中金屬摩擦、磨損快、能耗大

圖6　不同類型錠子的能耗比較

2.2.1.3改進錠子結構設計

改進錠子的結構設計減少錠子能耗，是新型高速錠子的主要特征。

2.2.1.3.1減小上軸承直徑，提高上軸承摩擦副的制造精度，可以減少其摩擦阻力和能耗。

a)將上軸承直徑由7.8mm減小為6.8mm時，就可以減小上軸承摩擦阻力；因為在錠桿相同的轉速條件下，φ6.8mm比φ7.8mm錠桿軸承檔線速度下降約12.8%。

b)對錠桿上軸承檔采用超精加工技術，提高錠桿上軸承檔的圓柱度和表面粗糙度，以減小上軸承摩擦副的摩擦阻力和噪聲，有利于節(jié)能降耗。

2.2.1.3.2隨著上軸承小型化，相應可減小錠盤的直徑，配置鋼質錠盤使帶輪直徑從傳統(tǒng)的24mm、22mm減少到20.5mm、19mm、18mm等。這樣，在滾盤相同的轉速條件下，提高了錠速；或在錠速不變的前提下，降低了滾盤軸系的轉速，細紗機振動及噪聲隨之下降，其運轉摩擦耗能及滾盤系統(tǒng)遇空氣阻力耗能減少，同時也降低了噪聲。

根據諾威佩勒公司提供的資料,錠子傳動效率與錠盤直徑關系見圖7。

圖7　錠子傳動效率與錠盤直徑關系

由圖7可知，錠盤直徑從22mm、20.5mm減小，帶動錠子轉動的能量傳動效率卻提高，最高約在錠盤直徑為18.7mm處。為環(huán)錠細紗機高速節(jié)能創(chuàng)造條件，實現(xiàn)了不用提升滾盤轉速的節(jié)電目的，也降低噪聲。通過理論和實踐證明，當錠盤錠帶弧直徑由22mm減少到20.5mm時，約節(jié)能3%～5%；錠盤錠帶弧直徑最小可為18.5mm，此時帶動錠子轉動的能量傳遞效率是最高的。測試表明：錠速為17kr/min，φ6.8mm小上軸承配用φ19mm小錠盤，相比φ7.8mm普通上軸承配用φ22mm普通錠盤的空錠功率節(jié)能為15%～20%。

2.2.1.3.3根據流體動壓原理，改變傳統(tǒng)錐尖式錠底為分體式平錠底，如圖8所示。

a)　R0.7 mm錠尖示意　　b)　R30 mm大球面示意1,7—錠桿；2—錠底；3—墊片；4—平錠底；5—滑動軸承；6—彈性管。圖8　兩種錠底結構比較

下支承結構采用動壓滑動軸承和平面止推軸承的復合結構設計，克服了傳統(tǒng)錠子的錐尖式錠底、尖錠桿式結構在運轉過程中易產生軸向竄動、錠桿偏離中心位置引起的低頻自激振動的缺陷。傳統(tǒng)錠子的錐尖式錠底使錠桿與錠底為半干摩擦狀態(tài)，易摩損、能耗多。新型高速錠子的動壓滑動軸承，在錠桿高速運轉時形成動壓油膜，使錠桿與徑向軸承分開,不發(fā)生直接接觸，有液體摩擦而避免干摩擦，減少了錠桿干摩擦和能耗。

下支承的軸向止推軸承與錠桿底R30mm大球面構成一對摩擦副，與止推軸承間接觸應力減少約80%，減少了錠桿底的磨損與能耗。

2.2.1.3.4縮短錠子上、下支承間的距離，可以減少錠子油循環(huán)的能耗及用量。傳統(tǒng)錠子上、下支承間距離為120mm，高速平錠底型錠子上、下支承間距離為100mm，錠腳也相應縮短，其容油量少，換油量也相應減少，錠子油與錠桿接觸長度也相應縮短，減少了錠子油與錠桿之間的摩擦和錠子油循環(huán)的能耗。

2.2.1.3.5縮小下軸承檔的直徑，可以降低錠子能耗。目前高速平錠底型錠子的下軸承檔直徑有4.5mm、3mm兩種。兩者相比較，下軸承檔直徑為3mm的錠桿與錠子油接觸面積小，錠子高速旋轉時錠子油與錠桿之間的摩擦阻力減小；另一方面，在相同的錠子轉速條件下，直徑為3mm的軸承檔表面線速度低、對油的攪動輕微，則油的渦動減小可減少錠子的能耗，且在相同條件下的下軸承檔直徑為3mm，比4.5mm節(jié)能2W。

2.2.1.3.6改進錠子密封為迷宮式設計，可以減少錠子油揮發(fā)、延長錠子補油和換油周期。

2.2.2錠子傳動功率

在環(huán)錠細紗機上，錠子的傳動路線是：電機→主軸→滾盤→錠子，從滾盤到錠子是通過錠帶、張力盤帶動的。

2.2.2.1錠帶

由于錠帶拖動是依靠滑動摩擦力，錠帶、滾盤的線速度高達18m/s～20m/s，不可避免會發(fā)生滑溜和錠速不勻缺陷，這就對錠帶提出更高要求。錠帶的內在質量及接頭型式直接決定傳動效率，它不僅影響其使用壽命和使用效果，而且影響能耗；因此，合理選擇錠帶具有重要的現(xiàn)實意義，不僅要求帶體薄而柔、抗靜電、耐磨，且摩擦因數(shù)較大，從而達到錠速穩(wěn)定、成紗質量好等綜合要求。

制造的錠帶分為棉織錠帶、滌綸錠帶、橡膠錠帶、聚酯錠帶等，因棉織錠帶的耐磨性能差、使用壽命短、消耗大、成紗質量差而逐漸淘汰。為改善傳動功能，也曾選用過滌綸錠帶，現(xiàn)在多選用橡膠錠帶和聚酯錠帶，高速紡紗時應選用聚酯錠帶。與棉織錠帶相比，橡膠類錠帶具有傳動平穩(wěn)、效率高、振動小、噪聲小、使用壽命長、伸長率低、耗電量少、成紗質量穩(wěn)定等優(yōu)點；所以，逐漸取代棉織錠帶，推廣應用后收到良好的效果。

錠帶張力大小要適宜,調整張力輪架重錘擺角大小以使錠帶張力大小適中,約控制在8N為宜；錠帶張力過大則加重錠子上支承徑向負荷，從而影響錠子壽命，也會增大錠帶能耗；錠帶張力過小則影響錠子傳動效率而容易失速，使錠速不勻增大、惡化成紗捻不勻。

錠帶工作位置應居中，在調整錠帶張力時要注意張力輪位置居中，使錠帶水平工作位置處于錠盤帶輪圓弧槽中部位置：水平工作位置過低時錠帶將摩擦錠盤輪帶槽下肩胛，易引發(fā)錠帶的接頭沖擊振動以至造成錠帶拉毛、破損，縮短錠帶使用壽命；水平工作位置過高的錠帶會上浮、飄動，易造成桿盤上竄、跳動以至嚴重影響成紗質量、增加斷頭，還會造成錠尖下錐非正常磨損，嚴重損傷錠子工作壽命，其危害極大。

橡膠錠帶通常由骨架層和彈性體層組成，不同的彈性體材料和骨架層數(shù)對橡膠錠帶產生不同的使用效果。橡膠錠帶與棉織錠帶相比，具有傳動平穩(wěn)、效率高、振動小、噪聲小、使用壽命長、伸長率低、耗電量少、成紗質量穩(wěn)定等優(yōu)點，逐漸取代棉織錠帶的推廣應用，收到良好效果。

高速節(jié)能錠帶有瑞士哈伯西(HABASIT)制造的HS-5型尼龍涂膠錠帶、上海愛西奧公司的Z-5系列節(jié)能錠帶和濟南天齊特種平帶有限公司的CNU型聚酯錠帶,共同優(yōu)點是無接頭、運轉平穩(wěn)、表面摩擦因數(shù)大、抗靜電，使用中能有效減少飛花、提高紗線質量、節(jié)能。CNU型聚酯錠帶具有以下特性：① 定伸應力大，1%定伸應力是橡膠錠帶的3倍，傳遞動力強，尺寸、張力穩(wěn)定，松緊邊錠速差異小，成紗捻不勻?。虎?帶體薄而柔，抗靜電且耐磨，使用壽命長，摩擦因數(shù)大，節(jié)電效果好；③ 接頭快捷、環(huán)保。CNU型聚酯錠帶高速性能好、成紗質量優(yōu)、節(jié)能優(yōu)勢強、性價比高，已在DTM1149、JWF1562型等高速環(huán)錠細紗機上成功使用，比橡膠錠帶節(jié)電10%以上。

2.2.2.2滾盤傳動功率

由于滾盤拖動錠帶高速運行，不可避免會發(fā)生錠帶和滾盤間滑動產生功率消耗、空氣粘滯性產生功率消耗和錠帶在滾盤上彎曲變形產生功率消耗等，其主要影響因素是錠帶和滾盤的質量及其尺寸規(guī)格。

按材料可將滾盤分為3大類：金屬滾盤、工程塑料滾盤、金屬和工程塑料滾盤；按滾盤的緊固型式分為錐孔型、直孔型2種；按滾盤的外徑分為250mm和200mm2種。滾盤的改進一直是圍繞節(jié)能與紡紗加捻的穩(wěn)定性進行，以往國產環(huán)錠細紗機采用φ250mm的鍍鋅鐵皮滾盤，重量約為1kg，其缺陷是運輸和安裝過程中易變形，使其啟動慣性大，功耗、噪聲大，拆裝不便?，F(xiàn)代細紗機采用“ABS+碳纖工程塑料”滾盤,降低滾盤自重達到節(jié)能效果。工程塑料滾盤具有低碳、環(huán)保、質輕(約500g)、平穩(wěn)節(jié)電(約5%)、噪聲小、拆裝簡便等優(yōu)點。

3環(huán)錠細紗機紡紗的輔助功率

環(huán)錠細紗機紡紗的輔助功率，由牽伸功率和成形功率(鋼領板升降功率)組成。在現(xiàn)代細紗機上，牽伸傳動采用高品質齒輪，關鍵齒輪經磨削加工和自動滴油潤滑，羅拉和轉軸滾動軸承化等。鋼領板、導紗鉤的升降傳動，由蝸輪蝸桿傳動向伺服電機驅動的電子升降方向發(fā)展，用電子凸輪取代機械凸輪，以電子技術傳動取代機械傳動，使傳動精度提高、環(huán)錠細紗機的牽伸功率和成形功率均較小。

4基礎功率

環(huán)錠細紗機紡紗的基礎功率，由電機和電機傳動功率組成，包含電機效率、耗電、主電機驅動帶的張力負荷耗電等；應提高主電機功率因數(shù)和轉換效率以達到節(jié)電效果。

4.1選用合適的電機功率

細紗工序是紡紗廠耗能最大的工序，傳統(tǒng)環(huán)錠細紗機上主電機大都是工頻雙速電機，其帶負載啟動能力強、成本低；但功率因數(shù)低、電機溫升高、車間熱負荷大、空調耗電量大、調整工藝車速時要更換皮帶輪，工人勞動強度大；因此，設計選用合適的電機功率方可節(jié)能：做到使用功率與額定功率應基本一致，不要大材小用，浪費電能。

4.2多種新型驅動技術的應用4.2.1采用新型電機

電機的效率是電能轉換為機械能的效率，應配置靜電電容器以增加變壓器的負載能力和減少線路損耗，可提高功率因數(shù)。稀土金屬永磁同步電機、無電刷變換電機、數(shù)位伺服AC電機、大容量同步電機等可提高功率，表2中列出了幾種電機的轉換效率和功率因數(shù)。

表2幾種電機的轉換效率和功率因數(shù)

單位:%

表2表明，永磁同步直流電機主要優(yōu)點有：

a)高效率、高功率因數(shù)，綜合節(jié)電率為12%，每小時節(jié)電約為1.6(kW·h)，節(jié)電細紗機也降低了供電系統(tǒng)損耗；

b)低轉動慣量、高動態(tài)響應，保證傳動的快速啟動和停止，轉速恒定、精度高，不丟轉，低振動、低噪聲；

c)具有較寬的經濟運行范圍。永磁同步直流電機經濟運行范圍遠比感應電機寬，在重負載或輕負載狀態(tài)運行都省電；永磁同步直流電機與變頻器、編碼器的配套使用，其節(jié)電效果約為10%。

4.2.2采用水冷電機

水冷電機的外殼由防銹處理的雙層鋼板焊接而成，工作時在外殼內是不斷循環(huán)的冷卻水，利用冷卻水把電機運行時產生的熱量帶走而不會進入空調系統(tǒng)內，從而降低了空調系統(tǒng)的冷負荷。電機外殼的溫度幾乎等于冷卻水溫度，由于同樣溫差條件下水的冷卻能力可達到空氣的50倍以上，所以只需較小的水量就可達到很好的冷卻效果。通過對電機散熱原理和細紗機工作特性及散熱方式的分析，細紗車間采用水冷電機具有提高效率、降低車間溫度和空調冷負荷、簡化空調排風系統(tǒng)、節(jié)約能源等優(yōu)點。實測表明，采用水冷電機后可使車間溫度比風冷電機降低約2 ℃，夏季減少空調冷負荷和送風量10%～15%，可使空調排熱風機停開，從而節(jié)約空調系統(tǒng)送回風系統(tǒng)耗電10%以上，并克服了細紗機車尾部位溫度過高、車間溫濕度分布差異過大的缺點。在當今能源緊張、車間溫度連年升高、工作環(huán)境惡化的狀況下，在紡織廠細紗車間推廣應用水冷電機具有較好的實踐效果。立達(Rieter)G33型、K44型細紗機用內冷電機把電機與變頻器產生的熱量，通過一個內部的熱交換器直接送入空調系統(tǒng)，大大減輕了空調系統(tǒng)的負荷。其內冷是閉合循環(huán)的冷卻系統(tǒng)，防止熱量釋放到紡紗車間。

4.2.3多電機驅動

多電機配置在裝機容量上略大于單一電機，但實際使用并不大于單一電機。

4.2.4采用同步齒形帶傳動

新型傳動系統(tǒng)廣泛使用同步齒形帶，同步齒形帶傳動系統(tǒng)無鍵、無齒輪，可消除齒輪轉動、啟動和制動時的不同步，防止產生細節(jié)；傳動平穩(wěn)可靠、無間隙、無滑差，能降低能耗、噪聲，提高產品質量。主電機采用高效節(jié)能強力平皮帶也有節(jié)能效益。

4.2.5采用新型單錠電機驅動

傳統(tǒng)的棉紡細紗機由一個電機用錠帶或龍帶分別傳動，耗電較多，單錠電機驅動是發(fā)展趨勢。根據村田公司介紹，其倍捻機采用環(huán)保節(jié)能型單獨電機驅動，不僅降低噪聲、操作簡便，并可節(jié)省電能約45%。

在高溫季節(jié)的印度、巴基斯坦，細紗機高速運轉中經常發(fā)生變頻器過熱跳閘停車而影響生產效率的問題。改正方法為全新的主機運行方案——工、變頻：在小紗和大紗、滿紗階段，主機由變頻驅動；中紗階段由工頻驅動；可有效降低功耗、節(jié)約能源，延長變頻器的使用壽命。

4.2.6采用高效斷頭吸棉風機、變截面風管

細紗機吸棉風機的功率一般為2.2kW，采用1.1kW新型節(jié)能電機有較好效果；改變截面風管的應用，可減小風速阻力，也有節(jié)能效果。

4.3做好設備保全保養(yǎng)

根據設備狀態(tài)制定平車計劃、定期保養(yǎng)，以確保機械狀態(tài)正常；做好專件器材及紡紗通道的潤滑，以減少摩擦、磨損，制定合理的加油周期，并采用新型長效潤滑油脂；齒輪傳動實行滴油、淋油或油浴潤滑。泰斯博斯(Texparts)公司產品手冊對紡機使用的錠子、錠盤張力輪、膠輥軸承的油脂品種、粘度、加油周期、加油量、使用最高速度、外殼溫度等都有明確的要求。經緯紡機公司也推薦錠子油采用NT-N10型機械油(CB433)；AS系列集聚紡膠輥軸承宜采用克魯勃公司產StburagsNbu12/300KP長效潤滑脂，加油周期為6萬工作小時(約7年)；如采用進口鋰基潤滑脂，加油周期為6個月，每錠每次加油量為3mL；采用薄形、高強低伸、耐油、耐用錠帶；傳動帶需按傳動功率設定型號及根數(shù)，防止因缺根、松緊不一造成打滑、摩擦而增加電耗。

5細紗機功率的估算和測試

細紗機在一落紗中，紡紗功率中的主要功率(卷繞功率+卷裝功率)是變化的，輔助功率(牽伸功率+成形功率)和錠子及其傳動功率(空錠功率+錠帶、錠盤傳動功率)基本不變。

5.1功率估算

在錠距、錠數(shù)等相近時，環(huán)錠細紗機消耗總功率Nt(未考慮基礎功率下)也可按下列經驗公式類比推算：

(9)

式中：

ns——錠速/(r·min-1)；

DR——鋼領直徑/cm；

L——升降動程/cm。

式(9)表示，影響細紗機功率主要因素次序是錠速、鋼領直徑和升降動程,即錠速和卷裝尺寸。

5.2功率測試

給定的卷裝尺寸、錠速、卷繞張力下，紡錠主要功率(紡紗卷繞功率和卷裝功率)是唯一的，并可精確測定，功率測試方法采用逐步減法取得。例如：紡紗卷繞功率是正常紡紗(大紗)的全機測定功率A，減去全機斷頭測定功率B，即(A-B)為紡紗卷繞功率；在全機斷頭基礎上拔掉紗管測定功率C，(B-C)即為卷裝功率；其余類推。

5.2.1示例1

以諾威佩勒公司制造HP-S68系列高速錠子的測定資料為例，測定條件：細號紗高速小卷裝為14.6tex，紗管長為180mm，鋼領直徑為38mm，錠速為20kr/min，測定結果如圖9所示。

圖9　諾威佩勒公司錠子的能耗分布

從圖9可知：

a)驅動紗管能耗的卷裝功率(對紗管的空氣阻力)為：25×40/60=16.67W；

b)卷繞過程中能耗的卷繞功率(鋼絲圈的摩擦，氣圈的空氣阻力等)為：12×40/60=8W；

c)其余的能耗(傳送至錠子、錠軸)為：15×40/60=10W；

d)每錠總能耗為：10+8+16.67=34.67W。

由此可見驅動管紗的能耗：卷裝功率約為卷繞過程中拖動鋼絲圈等的卷繞功率消耗動力的2倍；傳送至錠子、錠軸承的能耗(錠子次要功率)約為卷繞過程中卷繞功率能耗的1.25倍。這表明高錠速為20kr/min時的卷裝功耗占比最大；因此，細紗機高速化生產采用小卷裝工藝，不僅有利于減小張力和降低斷頭，也有利于降低功耗。

細紗機高速化生產卷繞功率占比相對較小的原因，是由于采用氣圈控制環(huán)低張力生產，鋼絲圈選用較小號數(shù)的原因。

5.2.2示例2

DTM129型細紗機(420錠)，配用17kW三相異步電機；工藝參數(shù)：品種為CJ/T60/40 12.96tex，捻度為1 020捻/m，鋼領為PG1/2-4254，鋼絲圈為OSS-33.5(5/0)，管紗直徑為39mm，紗管平均直徑為19mm，錠速為16kr/min和12kr/min。測試方案與結果見表3。

表3測試方案與結果

方案錠速/(kr·min-1)有功功率/kW狀況1125.442169.921比2-4-33.3%-4.52-45.6%正常紡紗3124.404167.683比4-4-33.3%-3.28-42.7%斷紗帶卷裝帶牽伸開車5124.006167.285比6-4-33.3%-3.28-45.1%斷紗帶卷裝牽伸卸壓開車

從表3可知：

a)方案1、2數(shù)據對比可見，正常紡紗時錠速12kr/min較錠速16kr/min小33.3%，能耗小45.6%；無任何措施提高錠速，能耗增加率大于錠速增加率。因此，在一般情況下要增加錠速，應采取必要節(jié)能措拖(如使用節(jié)能錠子，或適當縮小卷裝尺寸)。

b)通過正常紡紗時的能耗減去斷紗、卷裝、牽伸開車時的能耗，可以得到卷繞的能耗。在錠速為12kr/min時卷繞能耗為1.04kW(5.44kW-4.40kW)，平均每錠為2.48W(1 040W/420錠)；在錠速為16kr/min時卷繞能耗為2.24kW(9.92kW-7.68kW)，平均每錠為5.33W(2 240W/420錠)；錠速由12kr/min提高到16kr/min時，錠速提高了33.33%，卷繞能耗增大了115.3%。

c)牽伸部分正常工作與搖架卸壓(斷紗開車)對比，能耗差異值為0.4kW，其與紡紗速度基本無關，在錠速為12kr/min時，占全機能耗的7.3%；在錠速為16kr/min時，占全機能耗的4.0%。這些數(shù)據與青澤360型細紗機正常紡紗時總的牽伸部分能耗為0.8kW的實際相接近(1 008錠)。這表明，提高錠速、能耗增加是卷繞能耗和卷裝能耗相應增大所致。

d)紡紗的主要能耗與錠速密切相關，加捻卷繞部分的能耗基本上與錠速的二次方成正比。

6結論

6.1傳統(tǒng)環(huán)錠細紗機上的動力輸入主要被用于：錠子功率占65%～75%；輔助功率占15%～25%，其中，牽伸功率占10%～15%，成形功率(鋼領板升降功率)約占5%。隨著細紗機高速化，錠子功率占全機能耗的比值也在逐步增大，輔助功率占全機能耗比值逐步減??；所以，在細紗機逐步高速化生產中，由于全機能耗與錠速的二次方成正比，應在全面貫徹環(huán)錠細紗機節(jié)能措施中重點挖掘錠子功率的節(jié)能潛力。

6.2嚴格執(zhí)行“高速度、小卷裝”工藝，控制卷裝尺寸可防止卷裝能耗過大；不斷開發(fā)、發(fā)展、創(chuàng)新高速器材，使用高速節(jié)能鋁套管錠子、紗管、高精度節(jié)能滾盤和節(jié)能錠帶；用好氣圈控制環(huán)、減輕鋼絲圈重量以減小卷繞功率；合理確定細紗機主電機功率和采用新型電機；采用變頻調速可在提高產量基礎上減少斷頭，達到節(jié)能效果；加強設備的保全保養(yǎng)，提高設備安裝精度和運行狀態(tài)，減少摩擦阻力較大、傳動效率較低等帶來的能耗增加，也是降低細紗機能耗的基礎工作。

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The Power Analysis and the Energy Saving of the Ring Spinning Frame

TANG Wenhui

(Donghua University,Shanghai 201620,China)

Abstract:As to the disadvantages such as low throughput and high consumption of energy of the ring spinning frame,an idea or method of energy conservation is invited.Introduction is made to the varieties and the composition of the power of the ring spinning frame including the power consumption and power rate.It is pointed out that the motor power consumption accounts for 60%～70% of all the power in the plant.The power consumption of the spindle accounts for 65%～75% of the conventional spinning frame power rate,auxiliary power accounting for 15%～25%.The high speed spinning frame will increase the ratio of energy consumption of spindles,reducing the auxiliary energy consumption.There is much room on mining spindle energy-saving potential,developing and using high speed equipment,and enhancing accuracy of the equipment to reduce the friction resistance and strengthening the maintenance work are all effective ways in saving energy and the direction of research and development for modern spinning frame is efficient energy saving.

Key Words:ring spinning frame;power;twisting;winding;package;spindle;energy consumption;energy saving

收稿日期：2015-09-30

作者簡介：唐文輝(1936—)，男，浙江溫州人，研究員，長期從事環(huán)錠細紗技術的理論和實踐研究。

中圖分類號：TS103.23+1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-9634(2016)03-0001-09

網絡出版時間：2016-01-11 10∶36

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1131.TS.

20160111.1036.002.html