陳 革

(東華大學(xué)，上海 201620)

0 引言

紡織機械門類廣、品種多，包括生產(chǎn)主機、紡織儀器和配套裝置、專用基礎(chǔ)件以及軟件等600余種產(chǎn)品。各類紡織機械的工藝特征和性能迥異，涉及關(guān)鍵共性技術(shù)較廣泛，涵蓋紡織工藝、設(shè)計理論、力學(xué)、材料、檢測、控制等諸多領(lǐng)域。紡織機械關(guān)鍵共性技術(shù)研究是紡織產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步永恒的課題。

1 “十三五”紡織機械關(guān)鍵共性技術(shù)應(yīng)用回顧及問題剖析

“十三五”期間，我國紡織機械制造企業(yè)針對關(guān)鍵共性技術(shù)積極開展科技攻關(guān)，技術(shù)實力和產(chǎn)品競爭力得到進一步提高，大多數(shù)新開發(fā)裝備達到了國際先進水平，部分達到國際領(lǐng)先水平，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。筆者從紡織裝備的設(shè)計制造理論與技術(shù)、復(fù)雜系統(tǒng)及其數(shù)字化智能化控制技術(shù)、專用基礎(chǔ)件制造與強化技術(shù)3個方面進行回顧[1]。

1.1 應(yīng)用回顧

1.1.1 紡織裝備的設(shè)計制造理論與技術(shù)

機械產(chǎn)品設(shè)計理論與方法、產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計工具和數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，為紡織裝備在設(shè)計層面實現(xiàn)產(chǎn)品高端化奠定基礎(chǔ)，還大大縮短了紡織機械產(chǎn)品的制造周期。

有企業(yè)運用現(xiàn)代設(shè)計方法，對紡織裝備進行動力學(xué)分析，實現(xiàn)減振降噪降耗，已成功應(yīng)用于化纖長絲生產(chǎn)線自動落筒系統(tǒng)、針刺機振動分析與控制、寬幅織機振動控制、新型(阻燃型)復(fù)合阻尼管夾等，通過綜合評估選材和結(jié)構(gòu)的強度、剛度、動力學(xué)模態(tài)等，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)，規(guī)劃加工和裝配精度以及運行控制策略，有效減小紡織裝備振動與噪聲，顯著降低能耗。

在紡織裝備關(guān)鍵件可靠性提升和壽命預(yù)測技術(shù)方面，優(yōu)化設(shè)計方法成功應(yīng)用于年產(chǎn)15萬噸大容量粘膠短纖維成套設(shè)備，基于可靠性理論、相似性設(shè)計、建模分析、金相觀察與測試等手段，對壓榨機軋輥、黃化機攪拌器進行結(jié)構(gòu)分析，顯著提升了單線產(chǎn)能和纖維品質(zhì)，降低了綜合能耗。

在紡織流體理論和技術(shù)應(yīng)用方面，寬幅高產(chǎn)熱風(fēng)法薄型非織造布生產(chǎn)聯(lián)合機應(yīng)用紡織流體力學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)了對制品全幅均勻度精確控制；基于碟式多孔噴嘴的靜電氣噴紡制造裝備將靜電力和氣流力相結(jié)合，減小了材料的制造速度駐極超細纖維的直徑，比現(xiàn)有熔噴駐極纖維低1個數(shù)量級，解決了當前空氣過濾產(chǎn)品普遍存在的物理攔截效率低的問題。

1.1.2 紡織裝備的復(fù)雜系統(tǒng)及其數(shù)字化智能化控制技術(shù)

1.1.2.1我國紡織工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃重點布局的化纖、紡紗、針織、印染、非織造布、服裝、家紡七個紡織智能工廠(車間)示范工程均取得了明顯效果，紡織機械制造也有了智能化示范線，并開始在中國智能制造系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商聯(lián)盟紡織行業(yè)分盟的平臺上推廣應(yīng)用。國家有關(guān)部門實施的365項智能制造綜合標準化與新模式應(yīng)用項目中，紡織類項目入選新模式20項，入選綜合標準化6項；在認定的306項國家智能制造試點示范項目中，紡織類項目有20項。

1.1.2.2化纖長絲卷裝外觀在線智能檢測系統(tǒng)基于機器視覺技術(shù)，代替了人工外檢，降低人為因素影響，提高了檢測速度和精度，實現(xiàn)了從絡(luò)筒、外觀檢驗、包裝到倉儲的全流程自動化、智能化運行，開發(fā)的系統(tǒng)成功應(yīng)用于多家企業(yè)；支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的全自動電腦針織橫機攻克了自動起底編織、高品質(zhì)復(fù)雜花型編織、高速編織成圈機構(gòu)、針織物模擬、工業(yè)互聯(lián)及多傳感器信息融合的智能控制技術(shù)，解決了復(fù)雜花型編織、高速編織不穩(wěn)定等困擾業(yè)界多年的難題。此外，紡織行業(yè)承擔(dān)了國家重點研發(fā)計劃“智能機器人”重點專項“面向紡織典型行業(yè)的機器人自動化生產(chǎn)線示范應(yīng)用”和“面向運動鞋服行業(yè)的機器人自動化生產(chǎn)線”，在紡織行業(yè)起到較好的應(yīng)用示范作用。

1.1.2.3紡織智能制造的成效主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

a) 減少用工，提質(zhì)增效?；w長絲智能物流系統(tǒng)生產(chǎn)全流程節(jié)約用工50%以上，人均產(chǎn)值提高100%以上；紡紗智能生產(chǎn)線達到了國際先進水平，萬錠用工可實現(xiàn)15人以下；針織機械互聯(lián)互通形成了完整的系統(tǒng)解決方案和標準；服裝家紡智能吊掛系統(tǒng)和智能裁剪使同一工序效率提高60%，大規(guī)模個性化定制整體解決方案日趨成熟。

b) 節(jié)能減排，降低能耗。印染筒子紗染色實現(xiàn)了高效優(yōu)質(zhì)、節(jié)能減排，一次成功率可達到95%以上，噸紗節(jié)水為27%、節(jié)電為12%、減少污水排放為30%；萊賽爾纖維智能制造數(shù)字化車間實現(xiàn)了萬噸級萊賽爾纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，打破了國外壟斷。

c) 拓展應(yīng)用，優(yōu)化結(jié)構(gòu)。非織造布智能生產(chǎn)線實現(xiàn)了常規(guī)品種到防疫用非織造布的快速轉(zhuǎn)產(chǎn)和穩(wěn)定生產(chǎn)，并在抗“疫”戰(zhàn)斗中發(fā)揮了重要作用；千噸級碳纖維智能生產(chǎn)線實現(xiàn)了大絲束、高品質(zhì)、低成本生產(chǎn)，扭轉(zhuǎn)了我國碳纖維受制于人的被動局面，推動并加快我國紡織工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整。

1.1.3 紡織裝備專用基礎(chǔ)件制造與強化技術(shù)

除紡織裝備主機外，還有大量相對獨立、專用和通用的裝置、專用件、器材專件和零部件，統(tǒng)稱為紡織裝備專用基礎(chǔ)件，種類繁多，用量龐大，對紡織裝備的性能和質(zhì)量有至關(guān)重要的作用?！笆濉逼陂g，我國紡織機械企業(yè)在專用基礎(chǔ)件制造與強化技術(shù)方面取得進展。

高溫氣液染色機采用了組合式噴嘴，提高了勻染度，減少氣流循環(huán)無效損失，風(fēng)機功耗降低60%；寬幅高產(chǎn)水刺法非織造布成套裝備采用寬幅高效節(jié)能水刺頭組件，工藝適應(yīng)性好，研制了分體直抽式抽吸輥筒，負壓損失小；印花針織物低張力平幅連續(xù)水洗關(guān)鍵技術(shù)及裝備采用自主研制的布面超喂張力自動控制系統(tǒng)等多個單元裝置，實現(xiàn)了印花織物低張力高效水洗；高速經(jīng)編機復(fù)合針及其自動檢測系統(tǒng)研制出基于網(wǎng)帶爐的混合滴注裂解液光亮化熱處理新技術(shù)，提出織針針頭彈性、脆性半定量評定方法，研制成功綜合性能優(yōu)異的經(jīng)編機用復(fù)合針。

1.2 問題剖析

1.2.1原始創(chuàng)新研究投入不夠。紡織機械行業(yè)在基礎(chǔ)理論、共性技術(shù)及其應(yīng)用方面的自主研發(fā)能力和跨領(lǐng)域交叉研究能力相對薄弱，一些企業(yè)在研發(fā)和知識產(chǎn)權(quán)保護等方面投入不夠，對紡織機械的關(guān)鍵共性技術(shù)的研究不夠重視，基礎(chǔ)研究與技術(shù)開發(fā)較多處于跟隨狀態(tài)，缺乏原始創(chuàng)新。個別企業(yè)通過低價競爭取得市場份額，知識產(chǎn)權(quán)得不到有效保護，某些領(lǐng)域產(chǎn)品同質(zhì)化情況嚴重，影響了企業(yè)和研發(fā)人員對基礎(chǔ)研究和原始創(chuàng)新的積極性。

1.2.2穩(wěn)定性、可靠性有待提高。部分國產(chǎn)高端紡織裝備與國際先進水平仍有差距，在綠色化、短流程、高速化、適應(yīng)性等方面有短板，部分國產(chǎn)紡織裝備的設(shè)計、材料處理、加工和裝配等智能化生產(chǎn)和管理與國際仍存在差距，導(dǎo)致一些紡織機械產(chǎn)品運行穩(wěn)定性不高。部分零部件質(zhì)量差，降低了國產(chǎn)主機的可靠性。

2 “十四五”紡織機械關(guān)鍵共性技術(shù)的發(fā)展方向

“十四五”期間，紡織機械關(guān)鍵共性技術(shù)朝以下幾個方面發(fā)展[1]。

2.1 紡織機械動力學(xué)及減振降噪降耗技術(shù)

針對高速回轉(zhuǎn)或往復(fù)運動的紡織機械，基于多體系統(tǒng)動力學(xué)理論，建立含紗線等纖維柔性體的系統(tǒng)動力學(xué)模型，通過仿真與實驗測試，揭示加工過程纖維—機械—氣流等耦合多體動力學(xué)機理；建立纖維柔性體本構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)庫，為力學(xué)分析奠定基礎(chǔ)；根據(jù)裝備性能和工藝參數(shù)要求，綜合評估選材和結(jié)構(gòu)的強度、剛度、動力學(xué)模態(tài)等特性，設(shè)計裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)，提出機構(gòu)平衡、運動同步性控制、系統(tǒng)減振與隔振等策略，并規(guī)劃加工和裝配控制精度，以及運行控制策略，使紡織裝備在設(shè)計工作轉(zhuǎn)速區(qū)平穩(wěn)運行，減小振動與噪聲，降低能耗。典型應(yīng)用有化纖長絲全自動高速卷繞系統(tǒng)、織機劍桿引緯系統(tǒng)、織機打緯機構(gòu)、經(jīng)編機梳櫛橫移系統(tǒng)、非織造針刺機構(gòu)等。

2.2 紡織裝備關(guān)鍵部件可靠性提升和壽命預(yù)測技術(shù)

針對紡織裝備的關(guān)鍵零部件的可靠性和壽命問題，基于相似性理論，建立關(guān)鍵零部件系列參數(shù)分析模型；分別建立強度、剛度、振動、疲勞強度預(yù)測等不同計算和設(shè)計模型；基于可靠性理論，結(jié)合企業(yè)的實際加工工藝水平，通過仿真和測試，建立企業(yè)關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)、加工精度及其強度疲勞壽命基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，為裝備的有限元計算分析、可靠性設(shè)計奠定基礎(chǔ)，提出相應(yīng)關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)以及質(zhì)量檢驗量化標準；根據(jù)關(guān)鍵零部件疲勞壽命預(yù)測模型和測試，平衡關(guān)鍵零部件的維修周期，準確設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，減小運行故障率。

2.3 機器視覺技術(shù)在紡織裝備中的應(yīng)用

基于高速運動目標特征的自適應(yīng)動態(tài)范圍的有效成像策略，探索三維結(jié)構(gòu)光散射特性及作用機理，解決紗線的三維結(jié)構(gòu)在動態(tài)范圍成像有效性的難題，增強檢測系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性；研究動態(tài)三維測量方法，解決紗線及織物等紡織柔性產(chǎn)品的多曲面特性和局部異性難題，提高動態(tài)物體和場景的三維測量；基于濾波的高速運動模型的多特征、多線索的目標跟蹤算法，解決多模態(tài)背景干擾下的復(fù)雜環(huán)境場景目標跟蹤準確度問題，提高目標的跟蹤精度和跟蹤成功率。典型應(yīng)用有驗布機的布面檢測、長絲卷裝質(zhì)量檢測、前紡設(shè)備的異纖檢測、三維人體測量、細紗和色織領(lǐng)域的紗線視覺識別等。

2.4 數(shù)字孿生技術(shù)研究及應(yīng)用

研究面向紡織物理車間的“人—機—物—環(huán)境”互聯(lián)與共融技術(shù)，研發(fā)異構(gòu)設(shè)備的智能感知接入裝置；研究紡織虛擬車間構(gòu)建技術(shù)，構(gòu)建支撐紡織車間智能化生產(chǎn)的虛擬車間孿生模型；研究紡織裝備數(shù)字孿生數(shù)據(jù)構(gòu)建與管理技術(shù)，實現(xiàn)虛實數(shù)據(jù)的高效融合與智能化管理；研究基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)與精準管理技術(shù)，實現(xiàn)裝備健康管控、產(chǎn)品質(zhì)量實時控制與分析、車間能耗優(yōu)化與預(yù)測、物料智能跟蹤與配給、智能生產(chǎn)運行優(yōu)化等功能。

2.5 碳約束下的紡織裝備可持續(xù)綠色設(shè)計

在全球提出碳達峰碳中和目標的大背景下，紡織裝備的綠色低碳化是亟待完成的目標任務(wù)。紡織裝備持續(xù)綠色設(shè)計的方向是：開展紡織裝備新材料開發(fā)與試制、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的機—電可替代設(shè)計、產(chǎn)品機電解耦設(shè)計、面向可回收的產(chǎn)品全生命周期設(shè)計，形成高效、節(jié)能、環(huán)保和可循環(huán)的新型紡織裝備綠色設(shè)計策略，對降低紡織裝備制造業(yè)資源消耗、改善環(huán)境負荷都有著重要的作用。

2.6 紡織裝備中纖維束、織物與固體相互作用機理

在紡織裝備中，柔軟的各向異性纖維和織物既是被加工對象，又是與機械裝備系統(tǒng)傳遞中的運動和力不可分割的組成部分。纖維在加工過程中，其各向異性更加明顯，也比剛性加工對象或柔性加工對象張力問題更復(fù)雜。因此，從纖維束、織物的宏觀物理力學(xué)性能開始，系統(tǒng)研究紡織機械裝備中纖維束、織物的動態(tài)張力問題，研究纖維束張力的動態(tài)特性和影響因素，解決與之相關(guān)的纖維束路徑規(guī)劃、機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計等問題，形成控制張力的設(shè)計理論和方法。典型應(yīng)用有織機和經(jīng)編機的送經(jīng)卷取系統(tǒng)、漿紗機的送紗和卷取系統(tǒng)、連續(xù)式染整設(shè)備的送布和卷取系統(tǒng)、紡紗設(shè)備的卷繞系統(tǒng)等。

2.7 紡織裝備中纖維束、織物與流體相互作用機理

針對紡織裝備中廣泛應(yīng)用的紡織流體力學(xué)，研究紡織加工過程中纖維、紗線、織物等柔性體與流體(包括高速、低速氣流與液體流、牛頓流體與非牛頓流體、單相與多相流等)的相互作用原理，精確控制加工過程中纖維、紗線等柔性體在流場中的運動規(guī)律，明確紡織裝備中流體加工技術(shù)的紡織品成型機理，注重流體力學(xué)原理、空氣動力學(xué)原理在紡織裝備相關(guān)關(guān)鍵元器件與管路設(shè)計、優(yōu)化中的指導(dǎo)與應(yīng)用。典型應(yīng)用有噴氣織機引緯系統(tǒng)、噴氣渦流紡紗設(shè)備的紡紗系統(tǒng)等。

2.8 紡織裝備多電機協(xié)同控制技術(shù)

傳統(tǒng)紡織裝備大多采用主電機驅(qū)動，通過機械傳動系統(tǒng)，將動力傳遞到多個執(zhí)行單元，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、磨損大，傳遞范圍和距離有限。多電機分別驅(qū)動各執(zhí)行裝置，可克服機械傳動系統(tǒng)的諸多不足。多電機同步主要有3種形式：① 系統(tǒng)中的多臺電機保持同樣的速度，這是最簡單的同步形式；② 系統(tǒng)中的多臺電機速度之間保持某種恒定的比例關(guān)系，雖然電機速度會發(fā)生變化，但是電機之間的速度比是保持不變的；③ 系統(tǒng)中的多臺電機轉(zhuǎn)速之間保持某種特定的關(guān)系，根據(jù)工藝要求計算得出電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系。典型應(yīng)用有漿紗機和印染設(shè)備的傳動系統(tǒng)等。

2.9 紡織裝備專用基礎(chǔ)件制造與強化技術(shù)

突破紡織裝備專用基礎(chǔ)件的設(shè)計制造技術(shù)，創(chuàng)新紡織機械、器材專件加工工藝技術(shù)，研究纖維、織物與金屬材料之間的磨損機理、紡織機械零件表面處理、熱處理等高性能化技術(shù)、紡織機械零件專用材料制備技術(shù)等；研究柔性、精密工裝及制造綜合誤差控制理論與方法，形成紡織裝備關(guān)鍵零部件的柔性化、綠色化、集成化、智能化制造關(guān)鍵技術(shù)。典型應(yīng)用有高性能織針、鋼領(lǐng)、鋼絲圈、針布、化纖切絲刀、噴絲板、導(dǎo)紗部件、錠子、電錠、水刺頭、熔噴模頭、高頻加熱的熱牽伸輥、高精度紡絲計量泵等。

2.10 新材料在紡織裝備專用基礎(chǔ)件上的應(yīng)用

研制紡織裝備專用基礎(chǔ)件用材料，解決部分專用材料依賴進口、供應(yīng)不穩(wěn)定的問題；研究各種新材料在紡織裝備關(guān)鍵零部件上的應(yīng)用技術(shù)；復(fù)合材料在紡織裝備上的應(yīng)用，將對紡織裝備關(guān)鍵零部件的高速、輕量化設(shè)計提供廣闊的空間；工程陶瓷材料以其優(yōu)異的耐磨損、耐高溫、耐腐蝕性能，在紡織裝備零部件和器材專件上具有廣闊的應(yīng)用空間；通過改進化學(xué)熱處理和復(fù)合熱處理工藝，拓展中、高合金鋼的應(yīng)用范圍。如工程陶瓷在鋼領(lǐng)、鋼絲圈、摩擦盤、切線器、導(dǎo)紗件等量大面廣的器材專件上的應(yīng)用；碳纖維復(fù)合材料在劍桿織機用劍頭、傳劍輪和劍桿帶上的應(yīng)用等。

3 結(jié)語

筆者從紡織裝備的設(shè)計制造理論與技術(shù)、復(fù)雜系統(tǒng)及其數(shù)字化智能化控制技術(shù)、專用基礎(chǔ)件制造與強化技術(shù)3個方面，回顧了“十三五”期間我國紡織機械關(guān)鍵共性技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況，指出存在問題；并重點分析了“十四五”期間可重點關(guān)注的紡織機械動力學(xué)及減振降噪降耗技術(shù)，紡織裝備關(guān)鍵部件可靠性提升和壽命預(yù)測技術(shù)，機器視覺技術(shù)在紡織裝備中的應(yīng)用技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)研究及應(yīng)用，碳約束下的紡織裝備可持續(xù)綠色設(shè)計，紡織裝備中纖維束、織物與固體的相互作用機理，紡織裝備中纖維束、織物與流體的相互作用機理，紡織裝備多電機協(xié)同控制技術(shù)，紡織裝備專用基礎(chǔ)件制造與強化技術(shù)，新材料在紡織裝備專用基礎(chǔ)件上的應(yīng)用技術(shù)等十個紡織機械關(guān)鍵共性技術(shù)，為推動紡織機械行業(yè)全面高質(zhì)量發(fā)展，提升我國紡織裝備的整體水平，引導(dǎo)企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，謀劃未來五年紡織機械行業(yè)的發(fā)展方向和重點任務(wù)提供指導(dǎo)。