周鎖林 陶麗珍

（1.常州紡織服裝職業(yè)技術學院，江蘇常州， 213164；2.常州市生態(tài)紡織技術重點實驗室，江蘇常州， 213164）

細紗是紡紗生產流程的后道工序，設備數量多，能耗比例占到整個紡紗流程的60%以上，細紗機節(jié)能降耗也是紡紗企業(yè)長期以來探討的課題［1］。其中，細紗機斷頭吸棉系統(tǒng)是使吸棉笛管形成負壓，紗線斷頭后能被及時吸入回花箱而不影響相鄰錠位生產的裝置。通過對細紗機斷頭吸棉系統(tǒng)的研究，發(fā)現該系統(tǒng)存在缺陷，運行中能耗原料浪費大，智能化程度不高。吸棉笛管內的負壓大小對紡紗生產具有一定的影響，負壓過低會造成斷頭吸棉笛管口堵塞、羅拉纏花；負壓過高時能耗大，車間噪聲高，紗線在羅拉輸送線面口被強行吸拉，造成紗線毛羽多，同樣也會影響紡紗質量［2］。

1 斷頭吸棉系統(tǒng)

細紗機斷頭吸棉系統(tǒng)主要包括吸棉風機、回花箱、風管、連接管、吸棉笛管等部件，如果紡紗過程中有斷頭，吸棉系統(tǒng)能將斷頭后前羅拉鉗口牽伸出的扁平帶狀須條迅速吸入到前羅拉下面的吸棉笛管小孔內，纖維沿支風管、總風管聚集到車尾的回花箱內，這樣可以避免飄頭帶斷鄰紗，降低斷頭，節(jié)約原料，凈化車間環(huán)境［3］。

吸棉風機是細紗機斷頭吸棉系統(tǒng)的動力源泉，吸棉系統(tǒng)的動力主要靠風機運轉形成的管道負壓來產生。要求細紗機斷頭吸棉風機不掛花、不堵塞、高效節(jié)能、低噪聲，風量風壓大小以滿足細紗斷頭后能吸走須條纖維為宜。

吸棉笛管是細紗機斷頭吸棉系統(tǒng)的重要組成元件，目前主要有六孔梨形笛管和單嘴吸管兩種，其中廣泛使用的是六孔梨形笛管。要求吸棉笛管結構形狀合理，安裝定位正確，有適當的吸棉真空度，只有使吸孔的氣流吸入速度分布場有效地籠罩住前羅拉吐出的須條，這樣才能立即有效地吸入斷頭，提高斷頭吸入率。

2 目前斷頭吸棉系統(tǒng)存在的問題

細紗機斷頭吸棉系統(tǒng)是細紗機正常運轉不可缺少的組成部分，在紡紗過程中發(fā)揮著非常重要的作用，當細紗機的某個單錠發(fā)生紗線斷頭時，斷頭吸棉系統(tǒng)吸住前羅拉持續(xù)輸出的須條，防止纖維纏繞膠輥、羅拉。目前該斷頭吸棉系統(tǒng)主要存在以下不足。

（1）吸棉風機能耗高?，F有的環(huán)錠紡細紗機所配套的吸棉風機多采用無前盤、無蝸殼結構，這種結構的風機優(yōu)點是不掛花、不堵塞，但風機的運行效率較低。目前吸棉風機所配套的裝機功率絕大部分是2.2 kW，而根據細紗機紡紗工藝的設計要求，理論上吸棉風機的功率只要0.9 kW，這樣就出現了“大馬拉小車”的現象，造成風機的運行效率低下，能耗浪費較大［4］。

（2）吸棉笛管效率低。吸棉笛管的主要功能是通過吸棉風機產生的負壓將紡紗時出現的斷頭吸入回花箱，以防止須條纏繞在羅拉上。根據紡紗工藝的設計要求，吸棉笛管的負壓只要不低于500 Pa 即可正常運行，且不會影響紡紗工藝。因此，紡紗企業(yè)一般將笛管負壓控制在500 Pa～1 200 Pa 之間，實際生產中大多數紡紗企業(yè)將吸棉笛管的負壓控制在1 000 Pa 左右，這種生產狀況對能源的浪費非常大。

（3）吸棉系統(tǒng)智能化程度低。目前環(huán)錠紡細紗機的斷頭吸棉系統(tǒng)是各自運行，吸棉風機長時間高速滿負荷運轉，浪費了許多能源。值車工并不能及時發(fā)現細紗斷頭，嚴重時會造成相鄰紗錠斷頭，回花增多，損耗紡紗原料，降低紗線制成率。由于不能及時監(jiān)測吸棉風管內負壓，過高了浪費電能，過低了會影響紡紗工藝，造成斷頭后須條吸不干凈現象。

3 斷頭吸棉系統(tǒng)改造的幾種思路

3.1 吸棉風機變頻控制

無論回花箱濾網是否堵塞，細紗有無斷頭，吸棉系統(tǒng)始終以充足的負壓進行工作，但在回花箱濾網清潔，車間環(huán)境良好，細紗沒斷頭或斷頭少時，并不需要如此高負壓的吸力。因此，正常紡紗時吸棉風機長期保持高負壓吸力，浪費了許多能源。吸棉風機可以采取變頻控制，變頻風機轉速計算公式如下。

式中：N為風機轉速（r/min），f為電源頻率（Hz），P為風機旋轉磁場極對數。

根據以上公式可知，由于風機旋轉磁場極對數P為固定值，因此只要通過改變電源頻率就可以改變吸棉風機轉速，從而達到控制吸棉系統(tǒng)風管內負壓的目的。

3.2 吸棉笛管單管控制

吸棉笛管單管控制是指每個錠位均安裝一個吸管，相當于斷頭吸棉系統(tǒng)中的支風管，只要改變單嘴管橡膠接頭的相對軸向位置，就能使單嘴管吸口盡可能地靠近前羅拉鉗口。這種吸棉管定位方便，特殊結構的吸嘴能緊緊環(huán)繞著上面旋轉的前羅拉，不但擴展了加捻三角區(qū)下面的吸附空間，同時由于吸棉能力強，使得斷頭后所有纖維都被吸走，提高了斷頭吸入率，而且還能有效地清除羅拉表面黏附的纖維，有利于生產出光潔的紗線。

吸棉笛管單管控制要與細紗機單錠監(jiān)測裝置結合起來設計，目前細紗機單錠監(jiān)測裝置有光電式和偏磁式兩種監(jiān)測頭。這兩種監(jiān)測頭都是通過監(jiān)測獲取鋼絲圈運動信息，然后經轉換得到鋼絲圈運轉頻率等信號，可以檢測出細紗是否有斷頭，以及斷頭位置、斷頭頻數、錠速、產量等相關數據。

3.3 吸棉笛管智能控制

3.3.1斜向單嘴吸管

根據業(yè)內相關研究證明，吸棉笛管內空氣的流量在一定范圍內隨著導流孔傾斜角度增大而提高，吸棉笛管結構優(yōu)化后與原吸棉管相比，導流孔傾角為26°時對吸風性能提升較大。通過試驗，在保持負壓不變條件下，增加導流孔結構有助于提升吸棉笛管吸風性能，對吸棉笛管的節(jié)能增效和提高產品質量一致性有幫助［5］。根據這個研究結論，可以考慮將現有的笛管改造成斜向單嘴吸管，斜向單嘴吸管示意圖如圖1 所示，這樣吸管就具備了一定角度的傾角導流孔，可以穩(wěn)定和提高斜向單嘴吸管吸棉口處的負壓值，有利于吸棉風機在低頻率、低噪聲、高效益的狀態(tài)下運行。

圖1 斜向單嘴吸管示意圖

3.3.2加裝電磁感應閥

環(huán)錠紡細紗機斷頭數一般在20 根/（千錠·h）以內。只有在細紗斷頭數多或濾網堵花時，吸棉風機才需要開足吸棉負壓空氣，以便能及時吸走斷頭須條。因此，可以考慮在六孔梨形吸棉笛管與總風管連接管上安裝電磁感應閥，此閥門與細紗單錠檢測、吸棉總風管末端負壓檢測裝置相關聯。正常紡紗時，此閥門只需打開約1/4 孔徑缺口，留出此小缺口的主要原因是對車間的環(huán)境有好處，在紡紗時由吸棉笛管吸走紗線上的飛花，一定程度上減少了車間的含塵量，此時變頻吸棉風機以較低的轉速運行，以滿足能吸走紗線上浮游飛花的需求。六孔梨形吸管電磁閥安裝示意圖如圖2 所示。當某紗錠發(fā)生斷頭時，單錠檢測裝置將檢測到的電信號傳送到人機智能界面系統(tǒng)，經分析判斷后發(fā)出指令，打開該錠所在的笛管電磁感應閥門；與此同時，人機智能界面系統(tǒng)發(fā)出信息到智能終端（手機或平板監(jiān)視器），細紗機值車工可以最快速度前往處理斷頭，然后細紗機又能恢復到正常的紡紗狀態(tài)，進而最大限度地節(jié)約紡紗原材料。

圖2 六孔梨形吸管電磁感應閥示意圖

結合紡紗企業(yè)自身生產設備情況，如果細紗機笛管已是或已改造成單嘴吸管的，可在單嘴吸管與風管連接處考慮改造安裝電磁感應閥，單嘴吸管電磁閥安裝示意圖如圖3 所示。其工作原理與上面所述的六孔梨形吸管電磁感應閥基本一致，六孔梨形吸管電磁感應閥控制的是一組6 錠笛管通風量，而單嘴吸管電磁感應閥真正做到了細紗單錠斷頭吸棉風量的控制。由于正常生產紡紗時細紗斷頭數很少，所以絕大部分時間電磁感應閥是處于半閉合狀態(tài)，僅保留1/4 左右的閥門小孔以吸走紗線上浮游飛花，根據紡紗工藝要求，斷頭吸棉風管末端的負壓能達到500 Pa 以上即可。吸棉風機能以較低的頻率運行有助于節(jié)能降噪。

圖3 單嘴吸管電磁感應閥示意圖

3.3.3智能聯動控制

細紗機在運轉生產中，要求定期清理回花箱濾網積花，回花箱濾網分3 種情況：干凈、正常、堵花。干凈狀態(tài)是指回花剛剛被清理后的幾小時內，這時候風管氣流很通暢，吸棉也很順利；正常狀態(tài)是指生產過程中濾網上有部分積花，但并沒有堵塞，風管依然順暢；堵花狀態(tài)是指濾網上積花非常嚴重，并且積花厚度大于8 mm，影響風管內氣流的通暢。吸棉效果主要是看細紗機在堵花狀態(tài)下，風管末端的負壓能否達到500 Pa，當達不到時，斷頭吸棉效果差，羅拉和膠輥容易纏花。

根據以上研究分析，細紗機斷頭吸棉系統(tǒng)經適當技術改造后，即可進行智能聯動控制，具體實施方案如圖4 所示。細紗機在無斷頭、回花箱濾網干凈的情況下，吸棉風機可以較低的工作頻率運行，在正常紡紗過程中這種運行模式占據絕大多數時間，能節(jié)省大量電能；當出現個別紗錠斷頭，單錠檢測裝置可將檢測到的信號傳到人機智能界面系統(tǒng)，系統(tǒng)自動操作流程：打開該錠單嘴吸管電磁感應閥→發(fā)指令通知細紗值車工→人工處理細紗斷頭→恢復到正常生產狀態(tài)。正常紡紗生產一定時間后，回花箱濾網可能會出現積花現象，當吸棉風管車尾端的負壓檢測表數值小于500 Pa時，人機智能界面系統(tǒng)就會發(fā)出警報，通知細紗值車工前往處理回花箱濾網積花。

圖4 智能聯動控制示意圖

另外，根據不同的紡紗品種和車間懸浮飛花程度，可按照設定的吸棉風管車尾端的負壓值，智能調節(jié)吸棉風機的轉速。假定按紡紗生產工藝需要，吸棉風管車尾端的負壓值在600 Pa～800 Pa為最佳，當超過或低于此數值時，人機智能界面系統(tǒng)則發(fā)送指令到吸棉風機變頻控制器，通過減小或增加工作頻率的方式調節(jié)吸棉風機的轉速，從而達到節(jié)能增效的目的。

4 經濟效益分析

細紗機的技術改造應根據企業(yè)自身的設備條件、經濟能力合理分步進行，以達到最佳的投資收益率。最簡單直接的技術改造就是將吸棉風機功率由大換小，可能的前提下加裝吸棉風管車尾端的負壓檢測表及吸棉風機變頻控制線路，這樣基本上就可以智能地控制吸棉風管內的負壓值。有經濟條件的企業(yè)，還可以增加單錠檢測裝置，將笛管改造成斜向單嘴吸管并加裝電磁感應閥，所有這些改造項目與細紗機人機智能界面系統(tǒng)相聯結，這樣改造后的細紗機斷頭吸棉系統(tǒng)智能化程度更高。

4.1 吸棉風機改造

以紡紗企業(yè)生產規(guī)模1 萬錠為例，傳統(tǒng)環(huán)錠紡細紗機每萬錠大概有20 臺～24 臺，如果將細紗機吸棉風機的功率由2.2 kW 改為1.5 kW，全天運轉22.5 h，全年合計生產按320 天計，工業(yè)用電按0.8 元/（kW·h），可以計算萬錠細紗機（24 臺）全年節(jié)約電費大約為（2.2-1.5）×24×22.5×320×0.8÷104=9.676 8（萬元）。

4.2 吸棉笛管改造

吸棉笛管的最佳改造方案是同時安裝吸管電磁感應閥、吸棉風機變頻控制器，只有將單錠吸管或六錠笛管通過電磁感應閥聯動智能控制，吸棉風機才具備長時間低頻率運行的可能，這樣才可大幅度降低細紗機吸棉風機的能耗。當電機的頻率、電壓下降時，電機的額定功率會隨頻率呈正比下降。假設正常紡紗情況下吸棉風機以額定頻率50 Hz 的60%運行，根據電機的額定功率=額定轉矩×額定轉速，由于吸棉風機工作頻率降低了40%，根據公式（1）則風機的轉速可降低40%，這樣吸棉風機的功率也大致能降40%，萬錠細紗機（24 臺）全年節(jié)約電費大約為1.5×0.4×24×22.5×320×0.8÷104=8.294 4（萬元）。

4.3 投資與收益分析

縱觀以上研究分析，通過調研相關的紡紗企業(yè)生產情況，現以江蘇常州某紡紗企業(yè)1 萬紗錠改造為案例，分析研究細紗機斷頭吸棉系統(tǒng)經相關技術改造后的投資與收益情況。

4.3.1投資總額

細紗機單錠監(jiān)測裝置改造價格約35 元/錠，萬錠約需35 萬元；斜向單嘴吸管價格按20 元/錠計算，萬錠約需20 萬元；電磁感應閥價格按10 元/錠計算，萬錠約需10 萬元；萬錠細紗機約24 臺，吸棉風機功率由2.2 kW 更換成1.5 kW 約需2.4萬元，人機智能界面系統(tǒng)投資費為30 萬元，另外通風管道等小項目改造再機動增加10 萬元，這樣萬錠細紗斷頭吸棉智能系統(tǒng)改造費用共計約107.4 萬元。

4.3.2回收效益

由于更換了小功率吸棉風機并增加了變頻控制裝置，人機智能界面系統(tǒng)能控制吸棉風機長時間在低速狀態(tài)下運行，根據前面的分析計算結果，萬錠細紗機每年約可節(jié)省電費9.676 8 萬元+8.294 4 萬元=17.971 2（萬元）。

細紗機值車工巡回臺數改造前按5 臺/人計算，萬錠每班約需值車工5 人，由于改造后細紗斷頭能通過智能終端通知值車工，巡回效率更高，可增加值車工看臺量。如果看臺量按6 臺/人計算，萬錠每班約只需值車工4 人，三班值車工可減少3人，細紗機值車工工資按6 000 元/月核算，每年企業(yè)可節(jié)省人工工資6 000 元/人×3 人×12 個月=21.6（萬元）。

另外，由于細紗斷頭后人機智能界面系統(tǒng)能及時通知值車工前去處理，可減少原料浪費。設細紗號數27.8 tex，前羅拉速度250 r/min，前羅拉直徑25 mm，細紗值車工巡回處理一個斷頭時間可由6 min 降低到0.5 min，則單個細紗斷頭可節(jié)約原料3.14×25×250×（6-0.5）×27.8÷106≈3（g）。細紗斷頭平均按15 根/（千錠·h）計算，則萬錠 每 年 可 節(jié) 約 原 料 3×15×10×22.5×320÷1 000=3 240（kg），細紗價格按18 元/kg，回花價格按5 元/kg 核算，則可節(jié)約原材料費用 約3 240×（18-5）÷104=4.212（萬元）。綜合以上投資與收益分析，萬錠細紗機斷頭吸棉智能控制系統(tǒng)改造成本回收期約為107.4÷（17.9712+21.6+4.212）≈2.45（年）。如果技術改造的細紗機臺數越多，則投資回收期會更短些。

5 結語

在紡紗流程中，細紗機能耗比重很高，節(jié)能降耗任重道遠。本研究針對細紗機斷頭吸棉系統(tǒng)運行中存在能耗原料浪費大，智能化程度不高等問題，提出可以通過吸棉風機變頻控制、吸棉笛管單管控制和吸棉笛管智能控制等技術對細紗機斷頭吸棉系統(tǒng)進行改造提升。企業(yè)可以根據自身的設備條件、經濟能力分步分批進行。生產實踐證明，在單錠檢測的基礎上，將吸棉笛管改造成斜向單嘴吸管并加裝電磁感應閥，再與細紗機人機智能界面系統(tǒng)相聯結，是細紗機斷頭吸棉系統(tǒng)智能化改造的理想方案。項目的投資與收益分析顯示，項目技術方案可行，投資回收期短，且能達到節(jié)能降耗、減員增收的效果。