周鎖林 陶麗珍

（1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州， 213164；2.常州市生態(tài)紡織技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州， 213164）

細(xì)紗是紡紗生產(chǎn)流程的后道工序，設(shè)備數(shù)量多，能耗比例占到整個(gè)紡紗流程的60%以上，細(xì)紗機(jī)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(xì)紗機(jī)斷頭吸棉系統(tǒng)是使吸棉笛管形成負(fù)壓，紗線斷頭后能被及時(shí)吸入回花箱而不影響相鄰錠位生產(chǎn)的裝置。通過對細(xì)紗機(jī)斷頭吸棉系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在缺陷，運(yùn)行中能耗原料浪費(fèi)大，智能化程度不高。吸棉笛管內(nèi)的負(fù)壓大小對紡紗生產(chǎn)具有一定的影響，負(fù)壓過低會造成斷頭吸棉笛管口堵塞、羅拉纏花；負(fù)壓過高時(shí)能耗大，車間噪聲高，紗線在羅拉輸送線面口被強(qiáng)行吸拉，造成紗線毛羽多，同樣也會影響紡紗質(zhì)量［2］。

1 斷頭吸棉系統(tǒng)

細(xì)紗機(jī)斷頭吸棉系統(tǒng)主要包括吸棉風(fēng)機(jī)、回花箱、風(fēng)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(nèi)，纖維沿支風(fēng)管、總風(fēng)管聚集到車尾的回花箱內(nèi)，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(fēng)機(jī)是細(xì)紗機(jī)斷頭吸棉系統(tǒng)的動力源泉，吸棉系統(tǒng)的動力主要靠風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)形成的管道負(fù)壓來產(chǎn)生。要求細(xì)紗機(jī)斷頭吸棉風(fēng)機(jī)不掛花、不堵塞、高效節(jié)能、低噪聲，風(fēng)量風(fēng)壓大小以滿足細(xì)紗斷頭后能吸走須條纖維為宜。

吸棉笛管是細(xì)紗機(jī)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(jié)構(gòu)形狀合理，安裝定位正確，有適當(dāng)?shù)奈拚婵斩龋挥惺刮椎臍饬魑胨俣确植紙鲇行У鼗\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(xì)紗機(jī)斷頭吸棉系統(tǒng)是細(xì)紗機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)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(dāng)細(xì)紗機(jī)的某個(gè)單錠發(fā)生紗線斷頭時(shí)，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(fēng)機(jī)能耗高?，F(xiàn)有的環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)所配套的吸棉風(fēng)機(jī)多采用無前盤、無蝸殼結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)是不掛花、不堵塞，但風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率較低。目前吸棉風(fēng)機(jī)所配套的裝機(jī)功率絕大部分是2.2 kW，而根據(jù)細(xì)紗機(jī)紡紗工藝的設(shè)計(jì)要求，理論上吸棉風(fēng)機(jī)的功率只要0.9 kW，這樣就出現(xiàn)了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率低下，能耗浪費(fèi)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(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓將紡紗時(shí)出現(xiàn)的斷頭吸入回花箱，以防止須條纏繞在羅拉上。根據(jù)紡紗工藝的設(shè)計(jì)要求，吸棉笛管的負(fù)壓只要不低于500 Pa 即可正常運(yùn)行，且不會影響紡紗工藝。因此，紡紗企業(yè)一般將笛管負(fù)壓控制在500 Pa～1 200 Pa 之間，實(shí)際生產(chǎn)中大多數(shù)紡紗企業(yè)將吸棉笛管的負(fù)壓控制在1 000 Pa 左右，這種生產(chǎn)狀況對能源的浪費(fèi)非常大。

（3）吸棉系統(tǒng)智能化程度低。目前環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)的斷頭吸棉系統(tǒng)是各自運(yùn)行，吸棉風(fēng)機(jī)長時(shí)間高速滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，浪費(fèi)了許多能源。值車工并不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì)紗斷頭，嚴(yán)重時(shí)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(shí)監(jiān)測吸棉風(fēng)管內(nèi)負(fù)壓，過高了浪費(fèi)電能，過低了會影響紡紗工藝，造成斷頭后須條吸不干凈現(xiàn)象。

3 斷頭吸棉系統(tǒng)改造的幾種思路

3.1 吸棉風(fēng)機(jī)變頻控制

無論回花箱濾網(wǎng)是否堵塞，細(xì)紗有無斷頭，吸棉系統(tǒng)始終以充足的負(fù)壓進(jìn)行工作，但在回花箱濾網(wǎng)清潔，車間環(huán)境良好，細(xì)紗沒斷頭或斷頭少時(shí)，并不需要如此高負(fù)壓的吸力。因此，正常紡紗時(shí)吸棉風(fēng)機(jī)長期保持高負(fù)壓吸力，浪費(fèi)了許多能源。吸棉風(fēng)機(jī)可以采取變頻控制，變頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下。

式中：N為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min），f為電源頻率（Hz），P為風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場極對數(shù)。

根據(jù)以上公式可知，由于風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場極對數(shù)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制吸棉系統(tǒng)風(fēng)管內(nèi)負(fù)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(gè)錠位均安裝一個(gè)吸管，相當(dāng)于斷頭吸棉系統(tǒng)中的支風(fēng)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(jié)構(gòu)的吸嘴能緊緊環(huán)繞著上面旋轉(zhuǎn)的前羅拉，不但擴(kuò)展了加捻三角區(qū)下面的吸附空間，同時(shí)由于吸棉能力強(qiáng)，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(chǎn)出光潔的紗線。

吸棉笛管單管控制要與細(xì)紗機(jī)單錠監(jiān)測裝置結(jié)合起來設(shè)計(jì)，目前細(xì)紗機(jī)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(yùn)動信息，然后經(jīng)轉(zhuǎn)換得到鋼絲圈運(yùn)轉(zhuǎn)頻率等信號，可以檢測出細(xì)紗是否有斷頭，以及斷頭位置、斷頭頻數(shù)、錠速、產(chǎn)量等相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.3 吸棉笛管智能控制

3.3.1斜向單嘴吸管

根據(jù)業(yè)內(nèi)相關(guān)研究證明，吸棉笛管內(nèi)空氣的流量在一定范圍內(nèi)隨著導(dǎo)流孔傾斜角度增大而提高，吸棉笛管結(jié)構(gòu)優(yōu)化后與原吸棉管相比，導(dǎo)流孔傾角為26°時(shí)對吸風(fēng)性能提升較大。通過試驗(yàn)，在保持負(fù)壓不變條件下，增加導(dǎo)流孔結(jié)構(gòu)有助于提升吸棉笛管吸風(fēng)性能，對吸棉笛管的節(jié)能增效和提高產(chǎn)品質(zhì)量一致性有幫助［5］。根據(jù)這個(gè)研究結(jié)論，可以考慮將現(xiàn)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(dǎo)流孔，可以穩(wěn)定和提高斜向單嘴吸管吸棉口處的負(fù)壓值，有利于吸棉風(fēng)機(jī)在低頻率、低噪聲、高效益的狀態(tài)下運(yùn)行。

圖1 斜向單嘴吸管示意圖

3.3.2加裝電磁感應(yīng)閥

環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)斷頭數(shù)一般在20 根/（千錠·h）以內(nèi)。只有在細(xì)紗斷頭數(shù)多或?yàn)V網(wǎng)堵花時(shí)，吸棉風(fēng)機(jī)才需要開足吸棉負(fù)壓空氣，以便能及時(shí)吸走斷頭須條。因此，可以考慮在六孔梨形吸棉笛管與總風(fēng)管連接管上安裝電磁感應(yīng)閥，此閥門與細(xì)紗單錠檢測、吸棉總風(fēng)管末端負(fù)壓檢測裝置相關(guān)聯(lián)。正常紡紗時(shí)，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(shí)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(shí)變頻吸棉風(fēng)機(jī)以較低的轉(zhuǎn)速運(yùn)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(dāng)某紗錠發(fā)生斷頭時(shí)，單錠檢測裝置將檢測到的電信號傳送到人機(jī)智能界面系統(tǒng)，經(jīng)分析判斷后發(fā)出指令，打開該錠所在的笛管電磁感應(yīng)閥門；與此同時(shí)，人機(jī)智能界面系統(tǒng)發(fā)出信息到智能終端（手機(jī)或平板監(jiān)視器），細(xì)紗機(jī)值車工可以最快速度前往處理斷頭，然后細(xì)紗機(jī)又能恢復(fù)到正常的紡紗狀態(tài)，進(jìn)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(yīng)閥示意圖

結(jié)合紡紗企業(yè)自身生產(chǎn)設(shè)備情況，如果細(xì)紗機(jī)笛管已是或已改造成單嘴吸管的，可在單嘴吸管與風(fēng)管連接處考慮改造安裝電磁感應(yīng)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(yīng)閥基本一致，六孔梨形吸管電磁感應(yīng)閥控制的是一組6 錠笛管通風(fēng)量，而單嘴吸管電磁感應(yīng)閥真正做到了細(xì)紗單錠斷頭吸棉風(fēng)量的控制。由于正常生產(chǎn)紡紗時(shí)細(xì)紗斷頭數(shù)很少，所以絕大部分時(shí)間電磁感應(yīng)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(jù)紡紗工藝要求，斷頭吸棉風(fēng)管末端的負(fù)壓能達(dá)到500 Pa 以上即可。吸棉風(fēng)機(jī)能以較低的頻率運(yùn)行有助于節(jié)能降噪。

圖3 單嘴吸管電磁感應(yīng)閥示意圖

3.3.3智能聯(lián)動控制

細(xì)紗機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)生產(chǎn)中，要求定期清理回花箱濾網(wǎng)積花，回花箱濾網(wǎng)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(shí)內(nèi)，這時(shí)候風(fēng)管氣流很通暢，吸棉也很順利；正常狀態(tài)是指生產(chǎn)過程中濾網(wǎng)上有部分積花，但并沒有堵塞，風(fēng)管依然順暢；堵花狀態(tài)是指濾網(wǎng)上積花非常嚴(yán)重，并且積花厚度大于8 mm，影響風(fēng)管內(nèi)氣流的通暢。吸棉效果主要是看細(xì)紗機(jī)在堵花狀態(tài)下，風(fēng)管末端的負(fù)壓能否達(dá)到500 Pa，當(dāng)達(dá)不到時(shí)，斷頭吸棉效果差，羅拉和膠輥容易纏花。

根據(jù)以上研究分析，細(xì)紗機(jī)斷頭吸棉系統(tǒng)經(jīng)適當(dāng)技術(shù)改造后，即可進(jìn)行智能聯(lián)動控制，具體實(shí)施方案如圖4 所示。細(xì)紗機(jī)在無斷頭、回花箱濾網(wǎng)干凈的情況下，吸棉風(fēng)機(jī)可以較低的工作頻率運(yùn)行，在正常紡紗過程中這種運(yùn)行模式占據(jù)絕大多數(shù)時(shí)間，能節(jié)省大量電能；當(dāng)出現(xiàn)個(gè)別紗錠斷頭，單錠檢測裝置可將檢測到的信號傳到人機(jī)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(yīng)閥→發(fā)指令通知細(xì)紗值車工→人工處理細(xì)紗斷頭→恢復(fù)到正常生產(chǎn)狀態(tài)。正常紡紗生產(chǎn)一定時(shí)間后，回花箱濾網(wǎng)可能會出現(xiàn)積花現(xiàn)象，當(dāng)吸棉風(fēng)管車尾端的負(fù)壓檢測表數(shù)值小于500 Pa時(shí)，人機(jī)智能界面系統(tǒng)就會發(fā)出警報(bào)，通知細(xì)紗值車工前往處理回花箱濾網(wǎng)積花。

圖4 智能聯(lián)動控制示意圖

另外，根據(jù)不同的紡紗品種和車間懸浮飛花程度，可按照設(shè)定的吸棉風(fēng)管車尾端的負(fù)壓值，智能調(diào)節(jié)吸棉風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。假定按紡紗生產(chǎn)工藝需要，吸棉風(fēng)管車尾端的負(fù)壓值在600 Pa～800 Pa為最佳，當(dāng)超過或低于此數(shù)值時(shí)，人機(jī)智能界面系統(tǒng)則發(fā)送指令到吸棉風(fēng)機(jī)變頻控制器，通過減小或增加工作頻率的方式調(diào)節(jié)吸棉風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到節(jié)能增效的目的。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

細(xì)紗機(jī)的技術(shù)改造應(yīng)根據(jù)企業(yè)自身的設(shè)備條件、經(jīng)濟(jì)能力合理分步進(jìn)行，以達(dá)到最佳的投資收益率。最簡單直接的技術(shù)改造就是將吸棉風(fēng)機(jī)功率由大換小，可能的前提下加裝吸棉風(fēng)管車尾端的負(fù)壓檢測表及吸棉風(fēng)機(jī)變頻控制線路，這樣基本上就可以智能地控制吸棉風(fēng)管內(nèi)的負(fù)壓值。有經(jīng)濟(jì)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(yīng)閥，所有這些改造項(xiàng)目與細(xì)紗機(jī)人機(jī)智能界面系統(tǒng)相聯(lián)結(jié)，這樣改造后的細(xì)紗機(jī)斷頭吸棉系統(tǒng)智能化程度更高。

4.1 吸棉風(fēng)機(jī)改造

以紡紗企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模1 萬錠為例，傳統(tǒng)環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)每萬錠大概有20 臺～24 臺，如果將細(xì)紗機(jī)吸棉風(fēng)機(jī)的功率由2.2 kW 改為1.5 kW，全天運(yùn)轉(zhuǎn)22.5 h，全年合計(jì)生產(chǎn)按320 天計(jì)，工業(yè)用電按0.8 元/（kW·h），可以計(jì)算萬錠細(xì)紗機(jī)（24 臺）全年節(jié)約電費(fèi)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(shí)安裝吸管電磁感應(yīng)閥、吸棉風(fēng)機(jī)變頻控制器，只有將單錠吸管或六錠笛管通過電磁感應(yīng)閥聯(lián)動智能控制，吸棉風(fēng)機(jī)才具備長時(shí)間低頻率運(yùn)行的可能，這樣才可大幅度降低細(xì)紗機(jī)吸棉風(fēng)機(jī)的能耗。當(dāng)電機(jī)的頻率、電壓下降時(shí)，電機(jī)的額定功率會隨頻率呈正比下降。假設(shè)正常紡紗情況下吸棉風(fēng)機(jī)以額定頻率50 Hz 的60%運(yùn)行，根據(jù)電機(jī)的額定功率=額定轉(zhuǎn)矩×額定轉(zhuǎn)速，由于吸棉風(fēng)機(jī)工作頻率降低了40%，根據(jù)公式（1）則風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可降低40%，這樣吸棉風(fēng)機(jī)的功率也大致能降40%，萬錠細(xì)紗機(jī)（24 臺）全年節(jié)約電費(fèi)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(diào)研相關(guān)的紡紗企業(yè)生產(chǎn)情況，現(xiàn)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(xì)紗機(jī)斷頭吸棉系統(tǒng)經(jīng)相關(guān)技術(shù)改造后的投資與收益情況。

4.3.1投資總額

細(xì)紗機(jī)單錠監(jiān)測裝置改造價(jià)格約35 元/錠，萬錠約需35 萬元；斜向單嘴吸管價(jià)格按20 元/錠計(jì)算，萬錠約需20 萬元；電磁感應(yīng)閥價(jià)格按10 元/錠計(jì)算，萬錠約需10 萬元；萬錠細(xì)紗機(jī)約24 臺，吸棉風(fēng)機(jī)功率由2.2 kW 更換成1.5 kW 約需2.4萬元，人機(jī)智能界面系統(tǒng)投資費(fèi)為30 萬元，另外通風(fēng)管道等小項(xiàng)目改造再機(jī)動增加10 萬元，這樣萬錠細(xì)紗斷頭吸棉智能系統(tǒng)改造費(fèi)用共計(jì)約107.4 萬元。

4.3.2回收效益

由于更換了小功率吸棉風(fēng)機(jī)并增加了變頻控制裝置，人機(jī)智能界面系統(tǒng)能控制吸棉風(fēng)機(jī)長時(shí)間在低速狀態(tài)下運(yùn)行，根據(jù)前面的分析計(jì)算結(jié)果，萬錠細(xì)紗機(jī)每年約可節(jié)省電費(fèi)9.676 8 萬元+8.294 4 萬元=17.971 2（萬元）。

細(xì)紗機(jī)值車工巡回臺數(shù)改造前按5 臺/人計(jì)算，萬錠每班約需值車工5 人，由于改造后細(xì)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(jì)算，萬錠每班約只需值車工4 人，三班值車工可減少3人，細(xì)紗機(jī)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(gè)月=21.6（萬元）。

另外，由于細(xì)紗斷頭后人機(jī)智能界面系統(tǒng)能及時(shí)通知值車工前去處理，可減少原料浪費(fèi)。設(shè)細(xì)紗號數(shù)27.8 tex，前羅拉速度250 r/min，前羅拉直徑25 mm，細(xì)紗值車工巡回處理一個(gè)斷頭時(shí)間可由6 min 降低到0.5 min，則單個(gè)細(xì)紗斷頭可節(jié)約原料3.14×25×250×（6-0.5）×27.8÷106≈3（g）。細(xì)紗斷頭平均按15 根/（千錠·h）計(jì)算，則萬錠 每 年 可 節(jié) 約 原 料 3×15×10×22.5×320÷1 000=3 240（kg），細(xì)紗價(jià)格按18 元/kg，回花價(jià)格按5 元/kg 核算，則可節(jié)約原材料費(fèi)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(xì)紗機(jī)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(shù)改造的細(xì)紗機(jī)臺數(shù)越多，則投資回收期會更短些。

5 結(jié)語

在紡紗流程中，細(xì)紗機(jī)能耗比重很高，節(jié)能降耗任重道遠(yuǎn)。本研究針對細(xì)紗機(jī)斷頭吸棉系統(tǒng)運(yùn)行中存在能耗原料浪費(fèi)大，智能化程度不高等問題，提出可以通過吸棉風(fēng)機(jī)變頻控制、吸棉笛管單管控制和吸棉笛管智能控制等技術(shù)對細(xì)紗機(jī)斷頭吸棉系統(tǒng)進(jìn)行改造提升。企業(yè)可以根據(jù)自身的設(shè)備條件、經(jīng)濟(jì)能力分步分批進(jìn)行。生產(chǎn)實(shí)踐證明，在單錠檢測的基礎(chǔ)上，將吸棉笛管改造成斜向單嘴吸管并加裝電磁感應(yīng)閥，再與細(xì)紗機(jī)人機(jī)智能界面系統(tǒng)相聯(lián)結(jié)，是細(xì)紗機(jī)斷頭吸棉系統(tǒng)智能化改造的理想方案。項(xiàng)目的投資與收益分析顯示，項(xiàng)目技術(shù)方案可行，投資回收期短，且能達(dá)到節(jié)能降耗、減員增收的效果。