郭明瑞 高衛(wèi)東
(江南大學,江蘇無錫,214122)
紡織工業(yè)化發(fā)展進程中,環(huán)錠細紗機起步時間早,技術(shù)發(fā)展較為成熟,市場占有率高,是目前主要的紡紗設(shè)備。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計,全球仍有80%以上的細紗紡紗設(shè)備為環(huán)錠細紗機,而我國作為最大的紗線生產(chǎn)國,環(huán)錠紡紗錠的保有量過億錠,約占全球總量的一半。但是,環(huán)錠紡受其非自由端紡紗原理的限制,加捻過程與卷繞過程無法分離,其卷裝容量較小,且加捻過程存在紡紗氣圈,使得紡紗張力較大,限制了紡紗速度的大幅度提升。近年來,自由端紡紗技術(shù)得益于加捻過程與卷繞過程獨立進行,紡紗速度明顯高于環(huán)錠紡,得到了迅猛發(fā)展,其中轉(zhuǎn)杯紡技術(shù)和噴氣渦流紡技術(shù)已經(jīng)占據(jù)了相當規(guī)模的紡紗市場。當然,環(huán)錠紡雖然紡紗速度較低,但其加捻過程紗線兩端受握持,對纖維原料的品種和長度適應(yīng)性好,所紡號數(shù)范圍廣,同樣具有自身的優(yōu)勢特點,在一定時期仍將占據(jù)較大的紡紗市場份額。
當前環(huán)錠細紗機制造水平居于領(lǐng)先地位的國外紡機公司,仍然為環(huán)錠細紗機的技術(shù)提升而努力。國內(nèi)紡機公司近幾年發(fā)展速度同樣較快,無論是細紗機錠數(shù)、自動化水平、紡紗質(zhì)量和設(shè)備可靠性方面都得到了顯著提升,與國外高水平細紗機的差距越來越小。同時,印度朗維公司的環(huán)錠細紗機水平也有明顯進步。近年來,環(huán)錠細紗機技術(shù)的顯著進步是自動化水平的提升,而這一進步主要源于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,為今后進一步提高生產(chǎn)效率、減少用工數(shù)量、降低勞動強度提供支撐,以維持環(huán)錠紡技術(shù)的長遠發(fā)展[1-3]。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù),具有高精度、高效率、柔性自動化等特點。本文將對環(huán)錠細紗機數(shù)控技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用作以系統(tǒng)梳理與分析。
國產(chǎn)環(huán)錠細紗機的發(fā)展大致可分為五個階段。
第一代:新中國建立初期,1954 年實現(xiàn)批量生產(chǎn)的1291、1301 型環(huán)錠細紗機,牽伸倍數(shù)14 倍~20 倍。20 世紀60 年代對1291 型細紗機進行了改進,將重力加壓改為前、中羅拉杠桿加壓,大鐵輥改為磁性輥,采用分離式彈性支承高速錠子,牽伸倍數(shù)提升至40 倍。
第二代:在紡紗實踐中,對細紗機的原料適紡性提出了新的要求,研究人員經(jīng)過對牽伸機構(gòu)的改造,于1965 年開發(fā)出A512 型細紗機,達到408錠/臺,采用三羅拉長短膠圈牽伸、彈簧擺動銷,牽伸倍數(shù)擴大至10 倍~50 倍。1974 年,推出A513型,錠數(shù)增加至480 錠/臺,所紡紗線產(chǎn)品質(zhì)量有了更大提升。
第三代:20 世紀80 年代后期,相繼開發(fā)出FA502 型、FA503 型環(huán)錠細紗機,實現(xiàn)了羅拉中心距可調(diào),改善了對不同長度纖維的適紡性,可紡棉纖維和中長纖維。前三代環(huán)錠細紗機主要是對牽伸裝置進行改進,并未對細紗機的橫斷面、結(jié)構(gòu)、縱向布局等方面有較大改進。
第四代:改革開放以來,我國工業(yè)高速發(fā)展,國外先進紡機制造技術(shù)不斷引進,國產(chǎn)細紗機進入了快速發(fā)展階段,以集體落紗長車為代表的新機型使細紗機錠數(shù)規(guī)模有了顯著提升,各細紗機生產(chǎn)公司推出了多型集體落紗長車,有F1510 型、JWF1532 型、EJM128JL 型、TH578 型、DTM139型、ZJ798型、BS562型、SXF1599A 型和TM5263E型等。
第五代:以全數(shù)控技術(shù)為標志的細紗機區(qū)別于傳統(tǒng)機械傳動細紗機,自動化水平有了質(zhì)的飛躍,如JWF1580 型、BS598EM 型、TH598J 型等。
2.1.1 主電機節(jié)能技術(shù)
電機一直是工業(yè)用電大戶,傳統(tǒng)的環(huán)錠細紗機均由一臺主電機作為主傳動的動力源,驅(qū)動錠子旋轉(zhuǎn)、羅拉牽伸、鋼領(lǐng)板升降等動作。在紡織業(yè)早期,主電機為單轉(zhuǎn)速電機,只能以恒定速度運行,無法實現(xiàn)變速;后來有雙轉(zhuǎn)速電機的出現(xiàn),但變速范圍仍然限制較大,直至變頻技術(shù)在細紗機主電機上的應(yīng)用,實現(xiàn)了細紗機錠速范圍和變化模式的靈活配置,在優(yōu)化紡紗錠速的同時,實現(xiàn)了節(jié)能降耗[4-6]。細紗機的工作環(huán)境對電機的要求是發(fā)熱少、散熱好、效率高。目前,細紗機主軸電機由原來的三相異步電機改為永磁同步電機,在保證設(shè)備運行效率的同時降低能源消耗,增加設(shè)備使用壽命。永磁同步電機的定子為三相對稱繞組,與三相異步電機結(jié)構(gòu)相同,轉(zhuǎn)子上置有磁鋼,在穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)子上沒有電阻損耗,另外,由于永磁電機的磁場由永磁體產(chǎn)生,不需定子中的無功勵磁電流,通過合理設(shè)計可以使電機定子繞圈中的電流顯著降低,繞組銅耗明顯減小,達到減少總能耗、提高效率的目的。
瑞士立達G38 型環(huán)錠細紗機采用西門子IE4永磁變頻電機,效率比先前使用的IE3 電機高3%,比IE1 電機高14%。同時,IE4 主電機驅(qū)動專為高速運行設(shè)計,以達到節(jié)能效果[7]。除G38型環(huán)錠細紗機外,印度朗維公司的LRJ9SX 型環(huán)錠細紗機也采用IE4 永磁變頻電機[8]。
2.1.2 電子牽伸技術(shù)
傳統(tǒng)細紗機的牽伸機構(gòu)是由主電機通過齒輪箱傳動,各羅拉之間的速比通過改變齒輪齒數(shù)配比來調(diào)整實現(xiàn),結(jié)構(gòu)繁瑣,變換工藝耗時。采用伺服或變頻驅(qū)動系統(tǒng)控制細紗機的牽伸羅拉運轉(zhuǎn),對提高細紗機的自動化水平有重要意義[9-11]。細紗機牽伸機構(gòu)包括左、右兩側(cè),每側(cè)由前、中、后3根羅拉構(gòu)成,電子牽伸就是將前、中、后3 根羅拉采用3 個獨立的伺服或變頻電機驅(qū)動,實現(xiàn)總牽伸倍數(shù)和后區(qū)牽伸倍數(shù)的數(shù)字化控制,無需再更換牽伸傳動齒輪,同時在一定意義上實現(xiàn)了牽伸倍數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)。而細紗機驅(qū)動單元數(shù)量的配置通常跟全機錠數(shù)相關(guān),對于600 錠以下的短車,通常采用車頭單側(cè)傳動;1 200 錠左右的細紗機通常分為兩段,采用車頭、車尾兩側(cè)傳動;而1 800 錠左右的細紗機多分為三段,采用車頭、中部(1/3 位置)、車尾三處傳動。
瑞士立達G38 型環(huán)錠細紗機的電子牽伸系統(tǒng)FLEXIdraft 采用變頻控制電機,另外其配置的FLEXIstart 裝置還可實現(xiàn)牽伸系統(tǒng)的分段啟停,這樣可提高機器啟動的效率。根據(jù)機器的長度,只需開啟機器的1/4 或1/2。德國青澤ZR72XL型環(huán)錠細紗機采用了DraftBox 封裝式電子牽伸驅(qū)動裝置,傳動機構(gòu)完全密封設(shè)計,無需清潔或?qū)X輪加油潤滑,便于維護保養(yǎng)。
目前,電子牽伸技術(shù)面臨的難點主要是紡紗過程中,中途停車與再啟動時所產(chǎn)生紗線短片段粗、細節(jié)問題,這是由于電子牽伸裝置的前、中、后羅拉的伺服電機獨立,其運行過程中的轉(zhuǎn)速和扭矩差異較大,部分電子牽伸裝置的啟動和停止過程中各列羅拉的加、減速比例很難保持完全一致。并且這種由于中途停車與再啟動所產(chǎn)生的紗線短片段粗、細節(jié)在后道絡(luò)筒工序的處理難度較大。
2.1.3 錠子羅拉掉電同步停車技術(shù)
由于全數(shù)控細紗機的羅拉與錠子分離傳動,在突發(fā)停電時,兩者慣性差異較大,羅拉與錠子容易出現(xiàn)停車不同步的情況,造成全車斷頭。這一問題通過直流共母線技術(shù)得到了解決,實現(xiàn)多電機斷電同步停車及短時電壓波動不斷紗。直流共母線掉電同停技術(shù)是采用主變頻器負載主軸,將機械負載轉(zhuǎn)化為電能負載,在停電時,主電機反向作為發(fā)電機發(fā)電,通過直流共母線技術(shù)為錠子、羅拉、鋼領(lǐng)板的驅(qū)動電機提供所需電能,實現(xiàn)斷電同停,在突發(fā)停電情況下最大程度保持紗線不斷。
卷繞成形機構(gòu)是環(huán)錠細紗機的主要機構(gòu)之一,傳統(tǒng)的細紗機卷繞成形都是通過機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。機械式的卷繞成形機構(gòu)有以下缺點:機械部件配置參數(shù)固定,無法實現(xiàn)連續(xù)性變換卷繞參數(shù);調(diào)整工藝參數(shù)時,需更換部件,工作量大,停機時間長;機械凸輪運行過程存在桃尖沖擊、桃底停頓等缺陷,凸輪磨損會造成桃尖和桃底部分紗線堆積,后續(xù)管紗絡(luò)筒高速退繞易出現(xiàn)脫圈和滑塌現(xiàn)象。數(shù)控電子卷繞成形技術(shù)很好地解決了上述問題,該技術(shù)的應(yīng)用使得紡紗成形變得簡單,與傳統(tǒng)的機械凸輪機構(gòu)相比,采用伺服驅(qū)動后,可以通過數(shù)學模型實現(xiàn)各種經(jīng)典凸輪曲線,最優(yōu)化紡紗過程的鋼領(lǐng)板運動規(guī)律,對于各品種紗線的管紗成形可以設(shè)置最優(yōu)化的成形曲線,優(yōu)化管紗卷裝容量和高速退繞性能[12-13]。使管紗成形工藝變得更加靈活,無需對機械組件進行變化,還消除了機械結(jié)構(gòu)磨損所帶來的機器維護成本。
細紗機落紗是生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一,人工落紗工作強度高、效率低。隨著細紗機向“長車化”發(fā)展,數(shù)控集體落紗技術(shù)對提高細紗機自動化水平、降低人工勞動強度、減少用工,有重要作用[14]。目前,各廠家的細紗機長車均配備數(shù)控集體落紗裝置。數(shù)控集體落紗技術(shù)涉及電氣、機械、氣動和傳感器技術(shù)等。生產(chǎn)過程中,當系統(tǒng)接收到落紗信號后,集體落紗裝置會將空管插入中轉(zhuǎn)錠位,然后將滿管紗線一次性自動拔出,并轉(zhuǎn)移至下方輸送軌道的錠位上,再將中轉(zhuǎn)錠位的空管轉(zhuǎn)移至細紗機紡錠上,紡紗重新開始。集體落紗裝置多采用頂部抓管方式,以避免對紗線造成損傷,落紗效率高,紗線留頭率高,節(jié)約用工。目前,數(shù)控集體落紗時間可控制在3 min 以內(nèi)。
經(jīng)緯紡機JWF1580 型細紗機配置的數(shù)控集體落紗技術(shù),實現(xiàn)了1 824 錠長車精準快速集體落紗,解決了長車氣架升降和里外擺運動一致性問題,傳動管采用無間隙連接技術(shù),通過脹套擠壓安裝在兩傳動管之間的方式,調(diào)節(jié)螺釘來壓緊傳動管脹套,消除各氣架傳動管之間的間隙,提高了長車氣架集體落紗可靠性。并設(shè)計滾珠絲杠驅(qū)動集落氣架,傳動效率高,定位準確,落紗時間縮短至2.5 min,實現(xiàn)精準、快速落紗。同時優(yōu)化了滿紗輸送及空管落管技術(shù),空管走管率由28 個/min提升至最高45 個/min,滿足了粗號紗落紗頻繁對管紗輸送效率的高要求。日本豐田自動織機株式會社RX300 型環(huán)錠細紗機自動落紗后的空管走管率為40 個/min[15]。
細紗紡紗斷頭是影響生產(chǎn)連續(xù)化的重要因素,目前只能通過人工巡回檢查,發(fā)現(xiàn)斷頭進行人工接頭,由于紡紗斷頭具有一定隨機性,無法預(yù)測,傳統(tǒng)的細紗機只能人工按巡回路徑巡查,工作強度高,看臺數(shù)不多。環(huán)錠細紗機單錠監(jiān)測技術(shù)是反饋紡紗斷頭、弱捻的有效手段,從原理上主要分為光電式和電磁式,都是通過檢測鋼絲圈的運行情況獲取紡紗信息,進而判斷紡紗斷頭和弱捻情況[16]。現(xiàn)有單錠檢測裝置多安裝在鋼領(lǐng)板上,紡紗狀態(tài)下實時檢測鋼絲圈運行狀態(tài),檢測細紗斷頭情況,在斷頭處及車頭車尾進行燈光提示,可通過電子屏顯示機臺斷頭數(shù)量和位置,給予擋車工指引,降低擋車工勞動強度,提高看臺率。同時,基于單錠監(jiān)測技術(shù),還發(fā)展出粗紗停喂裝置,安裝在后羅拉后方位置,在紡紗斷頭后,粗紗自動停喂,有助于節(jié)約原料和生產(chǎn)管理。
單錠監(jiān)測是細紗自動接頭機器人的基礎(chǔ),只有準確獲取斷頭信息,自動接頭機器人才能精確定位實施接頭操作。細紗自動接頭機器人是對細紗工序自動化具有重要意義的一項數(shù)控技術(shù),為實現(xiàn)細紗無人值守車間提供了可能[17-18]。目前,環(huán)錠紡細紗接頭機器人產(chǎn)品主要由瑞士立達和西班牙品特兩家公司推出,這兩家公司的產(chǎn)品均具有較高的原創(chuàng)性。例如,瑞士立達公司推出的自動接頭機器人ROBOspin,可以模仿人工自動完成整個接頭循環(huán),從尋找管紗上的紗線開始,將紗線穿套鋼絲圈、導紗鉤,并采用繞膠輥形式接頭,另外也可以借助輔助紗線實現(xiàn)空管生頭。該接頭機器人須在機器兩側(cè)各配置一臺,從集成單錠監(jiān)測系統(tǒng)接收紗線斷頭信息,發(fā)起接頭操作。
雖然現(xiàn)階段接頭機器人的技術(shù)難度和設(shè)備成本都較高,影響了其推廣的速度,但面對企業(yè)招工難的現(xiàn)狀,在機器換人大背景下,相信細紗接頭機器人會成為必然選擇。
環(huán)錠細紗機受加捻卷繞原理的限制,相對于新型紡紗技術(shù),其紡紗速度處于弱勢。因此,提升環(huán)錠紡紗速度將長期伴隨環(huán)錠細紗機的發(fā)展。在現(xiàn)有條件下,通常錠速每提高2 000 r/min 左右,細紗產(chǎn)能可以提高10 %左右。隨著錠子、鋼領(lǐng)、鋼絲圈等配件為適應(yīng)高速化的發(fā)展,以及氣圈環(huán)等配件的應(yīng)用,為細紗機高速化創(chuàng)造了一定條件。雖然,細紗機提速后不可避免地會增加斷頭率,增加對成紗質(zhì)量和斷頭率的控制難度,但通過進一步的工藝優(yōu)化是可以克服的。
在環(huán)錠細紗機高速化發(fā)展方面,德國青澤公司推出的Z72XL 型環(huán)錠細紗機[19],設(shè)計錠速高達26 000 r/min,是目前設(shè)計錠速最高的環(huán)錠細紗機,在部分紗線品種紡紗時,實際生產(chǎn)速度可達20 000 r/min,并且單臺錠數(shù)突破了2 000 錠,達到了前所未有的2 016 錠,也是目前錠數(shù)最多、機臺長度最長的環(huán)錠細紗機。瑞士立達公司的G38型環(huán)錠細紗機設(shè)計錠速也達到了25 000 r/min 的高速,生產(chǎn)9.8 tex 機織紗時,最高運轉(zhuǎn)速度達到了22 500 r/min。另外,印度朗維公司的LR9/SX型環(huán)錠細紗機設(shè)計錠速同樣達到了25 000 r/min,在設(shè)備高速化上也已經(jīng)達到了較高水平。隨著國產(chǎn)環(huán)錠細紗機技術(shù)的不斷進步,機器設(shè)計錠速也在逐步提高,如中國經(jīng)緯紡機的JWF1580 型、JWF1590 型環(huán)錠細紗機,設(shè)計錠速也達到了25 000 r/min,國產(chǎn)細紗機高速化方面取得了長足發(fā)展。幾種環(huán)錠細紗機性能參數(shù)對比如表1所示。
在我國紡織行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型發(fā)展時期,企業(yè)對紡織設(shè)備的自動化和連續(xù)化要求進一步增強,所以需要大力發(fā)展自動化設(shè)備、聯(lián)合設(shè)備,以減少半制品流通和操作的勞動強度,提高生產(chǎn)效率。細紗工序生產(chǎn)過程涉及到粗紗原料的換裝和管紗成品的下機與運輸,這些環(huán)節(jié)的自動化是細紗工序降低勞動強度、減少用工的有效方式。而采用細紗機長車及粗細絡(luò)聯(lián)是紡紗自動化、連續(xù)化的具體表現(xiàn),可以替代運輸和落紗的工作。細紗機長車化是降低集體落紗裝置和粗細絡(luò)聯(lián)成本的有效途徑,目前,新建紗廠多選用配置集體落紗的細紗機長車,以減少用工數(shù)量。而粗細絡(luò)聯(lián)可以實現(xiàn)粗紗、細紗、絡(luò)筒工序間原料與制品的自動化輸送,顯著提高生產(chǎn)效率[20]。
德國青澤公司的Z72XL 型細紗機錠數(shù)達到了2 016 錠,其自動落紗系統(tǒng)CoWeMat 可以在2 min 內(nèi)完成整機臺全自動落紗。同時,瑞士立達公司的G38 型、日本豐田公司的RX300 型、印度朗維公司的LR9/SX 型,以及中國經(jīng)緯紡機的JWF1580 型環(huán)錠細紗機均達到了單臺1 824錠,自動落紗時間都可控制在3 min 內(nèi),代表了環(huán)錠細紗機長車化發(fā)展的方向。
目前細紗在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟,但是現(xiàn)有的細紗在線監(jiān)測技術(shù)所能獲取的紡紗信息仍比較有限,只能獲得紡紗斷頭和弱捻信息,還不能對紗線質(zhì)量進行在線檢測,而對紗線質(zhì)量的在線檢測可以提前獲取紗線質(zhì)量信息,為控制紗線質(zhì)量、調(diào)整紡紗工藝、發(fā)現(xiàn)不良錠位提供即時信息,避免紗線質(zhì)量離線抽樣檢測的滯后性和難以追溯性。發(fā)展細紗質(zhì)量在線檢測技術(shù)對促進紡紗智能化有重要意義,將會成為未來細紗機智能化發(fā)展的必要途徑。細紗質(zhì)量在線檢測技術(shù)需要集成傳感器技術(shù)、信號分析技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、控制技術(shù)和紡紗專家系統(tǒng)等多項技術(shù),其難度較大,目前有兩種技術(shù)路線:一種是巡回檢測,另一種是單錠檢測。紡紗生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)的在線檢測、自動控制、自動調(diào)節(jié)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控,智能化管理、數(shù)據(jù)分析及遠程診斷等信息化管理技術(shù)和系統(tǒng)的應(yīng)用更加深入和廣泛,使整個紡紗流程更加自動化和智能化。
在國內(nèi)各類生產(chǎn)要素成本逐漸提高,保持產(chǎn)品市場競爭力的壓力下,紡紗企業(yè)對紡紗設(shè)備的要求集中在減少用工、降低工人勞動強度和提高生產(chǎn)效率上。提高設(shè)備連續(xù)化和智能化,是近年來紡紗設(shè)備發(fā)展的主題。紡織智能制造的發(fā)展過程是從機械化到自動化,再到數(shù)字化,最終實現(xiàn)智能化。細紗機自動接頭機器人作為實現(xiàn)紡紗自動化的機器裝置,需具有感知、決策、行動和交互的功能,能協(xié)助或取代人工,是實現(xiàn)紡紗智能制造的重要手段之一,也是未來的發(fā)展趨勢。
隨著環(huán)錠細紗機實現(xiàn)全數(shù)字化控制,可紡紗線品種進一步增加,提高細紗機的柔性化水平,發(fā)展可以同時兼容竹節(jié)紗、包芯紗、段彩紗、復合捻度紗等更多花式紗品種的細紗機是必然趨勢?;诨ㄊ郊喚€開發(fā)所需要的模型模擬軟件對提高產(chǎn)品開發(fā)效率,優(yōu)化花形設(shè)計具有重要作用。日本豐田公司的細紗機已經(jīng)可以配置附屬軟件進行花樣模擬,并記錄和管理設(shè)定數(shù)據(jù)。而瑞士立達公司的G38 型細紗機也可選配竹節(jié)紗系統(tǒng)VIRIOspin,用來紡制竹節(jié)紗,同時也具備包芯紗功能。印度朗維公司的LR9/SX 型細紗機也配置了竹節(jié)紗和段彩紗功能及附屬軟件。
數(shù)控技術(shù)對促進環(huán)錠細紗機的自動化、柔性化和智能化發(fā)展起著重要作用。雖然環(huán)錠紡紗原理未能有所突破,但環(huán)錠紡紗技術(shù)仍然得到較快發(fā)展,縱觀細紗機近十年的發(fā)展創(chuàng)新,依托數(shù)控技術(shù)的節(jié)能主電機、電子牽伸技術(shù)、電子卷繞技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。帶集體自動落紗裝置的細紗機長車已經(jīng)成為主流,粗細絡(luò)聯(lián)技術(shù)逐漸發(fā)展完善。細紗機的自動接頭技術(shù)從原理上已經(jīng)成熟,其工業(yè)化設(shè)備已被證明可以實現(xiàn),未來必將得到大范圍推廣。同時,依托環(huán)錠紡紗技術(shù)的花式紗線品種得到廣泛應(yīng)用。
展望環(huán)錠細紗機的未來,高速化、長車化、柔性化、自動接頭、紗線質(zhì)量在線檢測等方面將成為環(huán)錠細紗機的發(fā)展方向。未來紡紗廠的萬錠用工數(shù)量將進一步減少,工人勞動強度降低。智能化車間、無人車間將成為現(xiàn)實。