棉纺环锭细纱机最高工艺锭速研究

唐文辉

(1.东华大学,上海　201620；2.东飞现代纺织技术研究所，上海　200083)



•技术专论

棉纺环锭细纱机最高工艺锭速研究

唐文辉1,2

(1.东华大学,上海201620；2.东飞现代纺织技术研究所，上海200083)

摘要：为了提高棉纺细纱机最高工艺速度、取得更高的产品质量和效率，从气圈方程的演变及单气圈控制环、无气圈控制环时推算细纱机最高工艺锭速等方面分析了最高工艺速度和卷绕高度关系，探讨了钢丝圈热磨损烧毁对锭速提高的约束，钢丝圈工艺速度与纺纱品种、号数、钢领型式的关系；提出了环锭细纱机最高工艺锭速的选择原则。指出：加捻卷绕过程中，纱线动态强力小于动态张力产生断头，是限制细纱机最高工艺速度的根本原因；细纱机高速化应分步走，适当缩小卷装，采用小内径钢领、大薄壁筒管、安装气圈控制环，并采用变频调速，依照纱质量的实际情况试验设定调速曲线。

关键词：细纱机；工艺锭速；钢领；钢丝圈；气圈控制环；纱线张力；筒管；机械速度

0引言

环锭细纱机锭速分为机械速度和工艺速度，最高机械速度指开空车的速度，工艺速度是实际纺纱生产速度。前者主要受机械状态限制，后者主要受纺纱水平限制，诸如断头率、成纱质量(毛羽和棉结等)和节能要求等[1-2]。限制细纱机高速化的主要因素是细纱断头率，只有做到细纱断头率、机配件消耗与电能消耗不增大、成纱质量不下降，细纱机高速化才有效益和现实意义。因为只有环锭细纱机达到低断头率时，才能真正提高产品质量、设备生产率和劳动生产率，减少用工和实现生产工序连续化。如果能做到细纱基本不断头或细纱断头率降至千锭时5根以下，则能促进多锭化超长机的发展，以及细络联、粗细联的自然推广。在降低断头率过程中，随着生产技术的发展，限制细纱机高速化的其他因素也会逐步克服[3]。应当指出，与生产相关的还有经济车速，它是从经济效益方面来权衡的，生产实践证明，不同品种、不同设备型号、不同原料，在最高工艺速度之下有不同的经济车速。笔者以工艺不断头为前提，在理论上探讨细纱机最高工艺速度。

正常生产时的细纱断头主要是由“张力与强力”的矛盾引起的，在加捻卷绕过程中，当纱线动态强力小于动态张力即产生断头，这是限制细纱机最高工艺速度的根本原因；钢丝圈的热磨损飞圈断头则是另一根本原因,因此，可从这两方面着手探讨细纱机最高工艺锭速。

一落纱中，最易发生断头的是始纺期小纱，这也是一落纱中气圈高度最大处。在细纱机断面尺寸分析中指出，一落纱中最大气圈高度Hmax主要由卷绕高度L决定。因此，细纱机最高工艺锭速受卷绕高度限制。细纱机锭速与卷绕高度(纱管长度)的关系，实质上是气圈高度和形态的控制，在保持正常气圈形态下稳张力纺纱，使断头率控制在允许水平，以尽量不发生张力断头；为此，必须明确气圈张力和气圈高度关系[4]。

1最高工艺锭速和卷绕高度的关系

1.1气圈方程的演变

由气圈理论分析知，气圈张力和气圈高度关系可由离心力系数a表达式(1)知：

(1)

式中：

w——纱线单位长度重量；

m——纱线单位长度质量；

ωs——钢丝圈角速度；

Tx——气圈张力垂直分力。

令Nm为纱线的公制支数，则纱线单位长度的重量为1/(100 Nm)(克重/cm)，纱线的线密度为1/(100Nmg)(g/m)。又因ωt≈ωs=2π·ns×1 000/60(rad/s),式中ωs、ns分别表示锭子角速度及其回转速度(kr/min)，将它们代入式(1)得：

(2)

通过式(2)换算可得离心力系数a值，其量纲为cm-1。

由式(2)可以转换出气圈张力垂直分力Tx表达式如下：

(3)

式中：

ns——锭子速度；

H——气圈高度；

aH——气圈形状的特征数。

由式(3)知：

a)在气圈形状aH值、纱线公制支数Nm和气圈高度H保持不变时，气圈张力垂直分力Tx与锭子转速ns的平方成正比；

b)在气圈形状aH值、纱线公制支数Nm和锭子转速ns保持不变时，气圈张力垂直分力Tx与气圈高度H(反映筒管长度)平方成正比。

由式(3)进一步转换为：

(4)

由式(4)知，在一定的气圈状态aH值、气圈张力垂直分力Tx和纺纱公制支数Nm下，气圈高度H和锭速ns的乘积为定值，即气圈高度H增大，锭速ns就降低；反之亦然。故此式即为可达到最高工艺锭速的条件。

明确了气圈张力和气圈高度关系后，应进一步探讨张力与强力关系，研究两者保持合理的比例才能防止纱条张力过大，以不发生张力断头或使断头率控制在适当水平。

气圈张力垂直分力Tx与单纱强力P关系可表达如下：

(5)

按照以往经验，要保持正常气圈形态下稳张力纺纱，比值E一般为(1/10～1/14)。式(5)表示在纺纱过程中气圈张力垂直分力Tx与纱线强力P的比值应控制的适当范围。

将式(5)代入式(4)得:

(6)

1.2无气圈控制环时细纱机最高工艺锭速的推算

在正常气圈下，aH=0.73π=2.29，根据现代纺纱技术水平，比值E采用1/10，NmP=14 000(公支cN)。代入式(6)，得：

因一落纱钢领板升降全程(卷绕高度)与管底成形完成时的气圈高度H相当，故由(nsH)max=257可估算的最高工艺锭速，如表1所示。

表1纱管长度与最高工艺锭速估算

1.3单气圈控制环时细纱机最高工艺锭速的推算

由式(4)知，增大气圈形状aH值可使nsH值提高；但aH值进一步增大，且当aH→π时，将使气圈崩溃。采用气圈控制环控制气圈形态是使aH值进一步提高而气圈不崩溃的有效方法，且最高工艺锭速相应增大，见表2；所以，国内外的现代棉纺高速环锭细纱机上都安装有气圈控制环。

表2纱管长度与最高工艺锭速估算

在nsH值一定的情况下，为使H较大(即管底成形阶段)，必须适当降低ns值；而使整落纱的平均ns有所提高，则应采用小纱变速装置，即采用小纱变速装置是提高平均转速的有效方法。所以，小纱变速装置或锭子变速装置是环锭细纱机高速化的必要措施，是现代棉纺高速环锭细纱机配套设备。其集聚纺纱的条干、强力、伸长及强力CV值、伸长CV值都优于普通环锭纱，特别是成纱强力可提高5%～10%，在成熟集聚环锭细纱机上，最高工艺锭速可突破22 kr/min。

2钢丝圈最高工艺速度

在现代纺纱技术条件下，约束锭速提高的另一因素是钢丝圈热磨损造成飞圈断头，这也使钢丝圈的线速度受到了限制。要突破钢丝圈的热磨损烧毁对锭速提高的约束，只有依靠钢领、钢丝圈的技术进步，具体体现在改进钢丝圈几何形状、材质、热处理、表面处理及加工精度等5个方面。锥面钢领、BC型下支承钢领是平面钢领的发展，其优势：一是钢丝圈与钢领配合好，前者呈两点接触，后者呈三点接触，使钢丝圈运行稳定，控制气圈能力强，纱线张力波动小，成纱毛羽及断头减少；二是钢领与钢丝圈接触面积较大，约是PG型钢领的1.5～2.0倍，具有压强小、耐磨性强、散热性好、纱条通道宽等优点，适合纺制易受温度损伤的合成纤维及其混纺纱，钢丝圈线速度可达到40 m/s～50 m/s[5-6]。据介绍，瑞士立达公司的Orbit系列锥面钢领、钢丝圈扩大了接触面、增加了散热面，适于高速，在锭速为25 kr/min时钢丝圈线速度达到55 m/s。

2.1布雷克(Bräcker)公司在其钢领、钢丝圈使用手册中，推荐钢丝圈适纺生产速度与纺纱号数关系如图1所示[7]。

2.1.1钢丝圈适纺速度随纺纱品种、纺纱号数、钢领型式及其直径不同而不同。机织用纱适纺号数范围为97.2 tex～4.4 tex，针织用纱适纺号数范围相对较窄为97.2 tex～9.7 tex；钢丝圈最高线速度纺机织用纱(41.5 m/s)比针织用纱(38.5 m/s)高。钢领型式适纺号数范围：PG1型平面钢领边宽为3.2 mm，相对使用较广，适纺纱号为36.4 tex～4.4 tex,PG2型平面钢领边宽为4.0 mm，相对使用居中，适纺纱号为97.2 tex～20.8 tex；Orbit锥面钢领相对使用较窄，适纺纱号为19.4 tex～7.3 tex；PG1型平面钢领和Orbit锥面钢领适纺号数细，PG2型平面钢领适纺号数粗。

2.1.2纺机织纱的钢丝圈适纺速度与纺纱号数关系可分为三段不同趋势曲线：在粗、中、细号段97.2 tex～15.3 tex，随着纺纱号数由大到小，纱条由粗到细，钢丝圈适纺速度逐步增大；在细号段15.3 tex～8.1 tex，钢丝圈适纺速度达到最高水平；在超细号段8.1 tex～4.4 tex，随着纺纱号数变细钢丝圈适纺速度逐步降低。机织用纱在细号段，采用PG1型平面钢领或Orbit锥面钢领，钢领内径为38 mm或40 mm时，钢丝圈适纺速度达到最高值，约为41.5 m/s。

2.1.3纺针织用纱的钢丝圈适纺速度与纺纱号数关系：随着适纺号数97.2 tex～9.7 tex由大到小，纱条由粗到细，钢丝圈适纺速度也逐步增大，直到纺纱号数为12.6 tex～9.7 tex，钢领内径为38 mm或40 mm时，采用PG1型平面钢领或Orbit锥面钢领，钢丝圈适纺速度达到最高值，约为38.5 m/s。

2.2瑞士立达公司的G33型细纱机在小卷装、钢领内径为38 mm、纱管长度为190 mm时，锭子转速选择如图2所示。

由图2可知：

a)适纺纯棉号数为16.2 tex～4.8 tex；

b)随着纺纱号数由大到小，纱条由细号到超细号，锭子适纺转速与纺纱号数关系与图1所示规律相似；在细号14.6 tex以下时，锭子适纺转速随纱条变细逐步增大；在细号14.6 tex～11.7 tex段，锭子适纺速度达到最高水平；而超细号11.7 tex～4.8 tex段，随着纺纱号数变细，锭子适纺转速逐步降低；

c)锭子最高适纺转速约为19 kr/min。

2.3国外知名公司制造的细纱机高速纺纱示例，如表3所示[8]。

表3国外细纱机高速纺纱示例

3环锭细纱机最高工艺锭速选择

环锭细纱机高速化就是“环”、“锭”的高速化，是其配套专件、器材的不断创新，也是生产管理水平的不断进步。棉纺环锭细纱机高速化生产是有严格条件的，就细纱机本身而言，除必须具备11项基本措施之外，还要求适宜的室内温度、空气相对湿度和空气洁净度,以有利加工纤维生产，才能实现其“优质、高产、高效率”。由于生产条件、要求不同，棉纺环锭细纱机高速化生产进程也有所不同。总之，环锭细纱机高速化生产应分步走，单气圈时最高工艺锭速约为17 kr/min，安装气圈控制环时最高工艺锭速约为20 kr/min～22 kr/min。此外，高速是相对的、不断发展的，它随着纺织专件、器材和纺机制造水平的发展被不断刷新，这是技术进步的必然，也是企业综合管理素质与生产能力进步的标志。

4结语

在当前条件下，棉纺环锭细纱机高速化生产，首先要适当缩小卷装，维持正常气圈纺纱，做到稳张力纺纱。细纱机高速化生产中最关键的是不断促进高速锭子、高速钢领和高速钢丝圈的技术进步，重点是做到“三中心”或“四中心”技术要求。高速纺纱采用小内径钢领、薄壁筒管、安装气圈控制环，对异常纺纱张力将有显著改善，使断头大幅下降，特别是纺小纱大直径和纺大纱小直径时效果最显著；而在此前提下采用变频调速并依照纱质量的实际情况试验设定调速曲线，方能取得更高的成纱产、质量和效率。

参考文献：

[1] 上海纺织控股(集团)公司，《棉纺手册》编委会.棉纺手册[M].3版.北京：中国纺织出版社，2004.

[2] 上海纺织工学院棉纺教研室.棉纺学：下册[M].北京：纺织工业出版社，1981.

[3] 唐文辉，刘荣清.环锭细纱机断头分析与控制[M].北京：纺织工业出版社，1986.

[4] GRISHIN F P.Balloon Control[J].Platts Bulletin,1954(6)：178-179.

[5] DE BARR A E，CATLING H.The Principle and Theory of Ring Spinning:Volume 5[M].Manual of Cotton Spinning:London,1965.

[6] 唐文辉.钢丝圈摩擦发热和散热性能分析[J].纺织器材,2014,41(3):1-4.

[7] 瑞士布雷克公司.Bräcker钢领、钢丝圈使用手册及短纤纺纱[Z].2008.

[8] Gerd Stahlecker.Novibra讯息:Novibra节能锭子HP-S 68系列[Z].

Probing into the Maximum Process Speed of the Cotton Ring Spinning Frame

TANG Wenhui1,2

(1.Donghua University,Shanghai 201620,China;2.Dongfei Institute of Modern Textile Technology,Shanghai 200083,China)

Abstract:In order to gain the maximum process speed of the cotton spinning frame for higher product quality and efficiency,feasibility is calculated of the maximum speed of the frame considering the gas ring equation evolution and the condition with or without single balloon control ring.Analysis is done to the relationship between the maximum process speed of the frame and the winding height.Probing is done into the thermal wear of the traveler bead on the improvement restriction of spindle speed,the relationship between the process speed of the ring and yarn varieties,the tex,and the ring type.The caution in determining the maximum speed of the frame is given.It is pointed out that in the process of twisting and winding,when the dynamic yarn strength is less than the dynamic tension,yarn breakage occurs.This is the important factor which restrict the increase of the maximum process speed of the frame.High speed spinning shall be gained step by step,through proper measures such as small package,small diameter of the ring,using the big bobbin with thin wall,installation of the balloon control ring,application of inverter-speed control and the setting speed curve according to the actual situation of yarn quality.

Key Words:spinning frame;process speed;ring;traveler;balloon control ring;yarn tension;bobbin;mechanical speed

收稿日期：2015-07-25

作者简介：唐文辉(1936—)，男，浙江温州人，研究员，长期从事环锭细纱技术的理论和实践研究。

中图分类号：TS103.81+3

文献标志码：A

文章编号：1001-9634(2016)02-0001-05

网络出版时间：2015-10-20 11∶15

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1131.TS.20151020.1115.026.html