环锭纺纱加捻卷绕装置的研究与分析

于吉成 张明光 曹继鹏

（辽东学院服装与纺织学院，辽宁丹东 118003）

环锭纺纱加捻卷绕装置的研究与分析

于吉成 张明光 曹继鹏

（辽东学院服装与纺织学院，辽宁丹东 118003）

环锭纺纱钢丝圈与钢领的配合是最精巧的实用技术，应用了表面涂层新技术和新材料之后的钢丝圈的使用性能与速度都得到了很大的提升。但是钢丝圈与钢领间的摩擦限制了纺纱速度的进一步提升，在尽量减少摩擦热或消除摩擦热的基础上，提出来替代钢丝圈与钢领配合的浮动环与钢领配合的创新设计。采用的方法是机械式浮动环和磁悬浮式浮动环两种。对这两种创新设计在结构和功能方面作了简单的介绍，旨在推进纺纱技术向无钢丝圈方向推进，进一步提高纺纱速度和纺纱质量。

环锭纺纱；钢丝圈；钢领；摩擦热；浮动环

环锭纺纱约占纱线总量的80%以上[1]，这项技术已经有200多年的历史。钢丝圈、钢领的结构、纺纱工艺、纺纱技术、纺纱功能等都在不断发展与提升，加捻卷绕结构上气圈-钢领-钢丝圈仍在广泛应用。气圈-钢领-钢丝圈三要素的精简与配合，形成了环锭纺纱技术特点。近些年随着先进制造技术的发展，如压延成型技术、热处理技术、表面抛光技术、表面复合处理技术、新材料技术等，钢丝圈的制造技术和应用材料得到了改进，钢丝圈的耐磨性能有很大的提升，但是由于钢领-钢丝圈间摩擦的存在，限制了钢丝圈速度的提升，同时也限制了纺纱速度的进一步提升，使其在单位产能方面落后于新型纺纱技术。本文提出两种替代钢丝圈的创新设计思路，并进行了探究和分析。

1 现有卷绕方式特点及问题

现有技术的环锭纺加捻卷绕部分主要由钢领、钢丝圈和锭子等组成，从最后一对罗拉钳口输出的须条，经过导纱钩后穿过位于钢领上的钢丝圈，在接受加捻的同时卷绕到锭子上的筒管卷装。锭子带动筒管高速回转，卷绕段纱线带动钢丝圈在钢领上滑动运行，钢丝圈每回转一周，带动钢丝圈与导纱钩之间的气圈段纱线同步回转一周，纱线上随即被加上了一个捻回。加捻后的纱线经钢丝圈的引导被卷绕到筒管上，而安装钢领的钢领板被程序化地进行升降和级升运动，从而完成加捻卷绕过程。

在环锭纺的加捻卷绕元件中，钢领钢丝圈是一对简单而又巧妙的结构构成，正是基于这一点，使环锭纺成为易于普及的主流纺纱形式。处在钢领轨道上的钢丝圈既是纱线气圈回转加捻的引导者，又是纱线升降级升卷绕的引导者。在纺纱加捻卷绕的过程中，钢丝圈的自调速运动完成了卷装变直径卷绕的速差平衡。

以滑动摩擦运动方式与钢领配合的钢丝圈是纺纱过程中的不稳定因素之一，同时现有技术的钢丝圈线速度极限约为每秒45米左右，并难以再大幅度地提升，过热、软化和烧毁飞圈是钢丝圈线速度和寿命超限的表征。高速运动钢丝圈的存在从根本上限制了纺纱产能的提升。有人曾尝试改造钢丝圈与钢领间的摩擦性质，用滚动摩擦减少摩擦系数，提高纱线的成纱速度。但滚动钢丝圈的结构复杂，没有得到广泛推广[2]。

近年来，为提高钢丝圈的使用寿命，降低钢丝圈与钢领、纱线的摩擦系数，采用了一些新方法，主要有：

1.3.1 表面复合膜技术

表面复合膜处理技术是近年来形成的一种钢丝圈表面处理技术。钢丝圈表面与具有润滑和耐磨性能的活性剂发生化学反应，在钢丝圈的表面上形成一层保护膜[3]，这种保护膜具有耐高温、耐腐蚀、耐磨等优点。可以延长钢丝圈的使用寿命，降低钢丝圈与钢领、纱线的摩擦系数，提高纺纱速度。

1.3.2 镀层技术

有些钢丝圈采用了Texparts镀层，在速度和使用寿命之间达到了最佳的平衡，更大的钢丝圈倾角降低其摩擦因数，提高了钢丝圈速度，降低了最大张力，以减少断头和毛羽，提高了纱线质量[4]。钢丝圈与钢领的倾角，钢丝圈和钢领的镀层，钢领的轮廓精确度和尺寸精度，钢丝圈的高圆柱度等这些精度的提高使纺纱中振动显著降低，纺纱速度显著提高。

1.3.3 新材料技术

随着各种新工艺新方法的不断问世，新材料技术的钢领钢丝圈相继出现，如镀铬、陶瓷、镀氟、亚光、非晶C-N、轴承钢、含铬合金、Saphir蓝宝石、碳纤维及自润滑钢领钢丝圈等等。具有耐磨、耐腐蚀、硬度高等特性，在高温和高负载情况下，钢领和钢丝圈不会发生“软化”，可明显增加钢丝圈的使用寿命，提高成纱质量。

2 钢领钢丝圈改进的思路及设计

钢领钢丝圈面世以来，尽管发展迅速，但没有根本性的改变。钢领钢丝圈高速滑动摩擦运动所产生的摩擦热限制了钢丝圈的线速度，也限制了纺纱速度，解决钢丝圈摩擦热的设想是消除摩擦。为追求效益最大化，达到较高的纺纱速度，取消或者替代钢丝圈，减少或消除摩擦，已经在实践中进行了摸索。在环锭纺钢领钢丝圈运动机理的基础上，探讨了尝试采用可浮动的环形体替代钢丝圈的设计及思路，包括磁悬浮式和机械式浮动环，也正在进行试验研究。

磁悬浮是无接触连接的一种有效的方法，磁悬浮轨道交通列车、磁悬浮轴承、磁悬浮隔振等技术已经得到了成功的应用[5]。实现磁悬浮的方法有电磁式和永磁式两种，电磁式可以采用电磁吸引式悬浮和磁斥式悬浮，为保证恒定的悬浮间隙，根据悬浮高度的变化，通过控制激磁电流实现稳定悬浮[6]（图2）。

图1 磁环悬浮式

一种纱线卷捻的装置是钢领和转环组合（图1），转环与钢领采用大间隙配合，在纱线摩擦力作用下转环绕钢领的内环槽转动。为了降低转环的重量，采用钢管或槽型钢制造转环，但是其重量还是远远大于钢丝环的重量。转环由静止达到与纱线同步转动的时间较长，此时纱线与转环之间产生两个方向的摩擦力，一个是纱线走丝方向的摩擦力，一个是沿转环转动方向的摩擦力。走丝方向的纱线张力使转环与纱线的相对点与钢领接触产生的摩擦力，阻止转环的转动。此时纱线在转环上滑动，随着纱线在转环上位置的变化，转环与钢领内圈接触的位置也在不断变化，摩擦力作用点也在不断变化，因此卷绕初始阶段或断线再卷绕时，转环转动是一种振荡过程，会影响纱线的卷绕。转环加捻时转环的转动速度达到某一速度后才能形成浮动式转动的运动形式。此时的转环转速与纱线的转速同步，在高转速条件下的侧向浮动时能够实现，但是轴向浮动由于转环重力和纱线拉力的作用，转环仍然存在着与钢领环槽间的接触摩擦。这种接触摩擦状态是一种不受限制的接触摩擦。转环转动不稳定的现象对于高速转动的环仍然存在。

图2 机械浮动环式

3 具体应用及存在问题

永磁式悬浮是采用永磁铁实现的悬浮。永磁铁做成的悬浮环存在的问题首先是永磁铁磁力的选择。永磁铁的磁力是恒定的，材料的组成成分决定了其磁力的大小，浮动磁环与固定磁环之间的间隙值选择也很重要，间隙小排斥力大转动环不稳定，磁力的侧向分力更容易使转动环靠向钢领内环壁上，造成转动环转动失效。间隙小磁环在转动平面内的波动小。间隙大的优点是转动环受侧向分力小，但转动环在转动平面内的波动大。转动平面内的波动造成纱线卷绕进线速度的波动。永磁式悬浮加捻卷绕转环在转动平面内可以实现无接触连接，转动时的平面波动和侧向窜动以及磁环间的间隙等问题还没有解决，需要做进一步的探讨。

永磁式磁环存在的另一个问题是磁环的极对数，磁环平面N、S极可以把磁环悬浮于两个磁环中间，受磁环浮动侧向力的作用，需要磁环沿径向也要制造成N、S极，具有4个磁极的转动环可以对转环的侧向力进行控制，转环可以控制在已转动轴中心线为轴线的转动平面内，实现浮动环的稳定浮动。目前还没有完全成功制成4个磁极的磁环的整体环体。

电磁悬浮在电磁悬浮轨道列车、电磁悬浮轴承等方面已经得到了应用，是一种成熟技术。电磁悬浮能够通过电流的变化控制磁力的变化，达到控制悬浮间隙和悬浮力的作用。在纺纱机的纱线卷绕机构中采用电磁悬浮式浮动环是曾有人提出的设想，也有不少电磁悬浮环纱线加捻卷绕方面的论文与专利，理论上是做到了磁环悬浮，实现了无接触连接的加捻卷绕。但是现阶段浮动环与钢丝圈加捻卷绕相比在结构、操作、纱线引入等方面都存在过于复杂的问题。电磁式浮动技术在加捻卷绕机构中的应用还需要简化，达到应用还有一些要解决的问题。

机械浮动环式转环加捻装置存在的一个问题是纱线导入的问题。钢丝圈与钢领环的组合在纱线导入方面是最便捷和最方便的，由于钢丝圈位于与钢领环组合的最外端，容易将纱线引入钢丝圈的开口中，纱线能够顺利地进入钢丝圈中带动钢丝圈旋转，实现纱线的卷绕引入和纱线的加捻。转环与钢领环的组合中，转环位于钢领环的内侧，在转环上开口纱线的引入需要从转环的内侧拉到转环的外侧，纱线在卷绕的过程中会多次地通过环上的开口处，转环上开口的密闭和光滑连接都是需要解决的问题。为了防止转环在重力的作用下脱离钢领环内环，钢领环内环的直径要求小于转环的外径，卷绕时纱线的作用点的拉力使纱线受到转环与钢领环接触楔面的加持力的作用容易形成断线。如果采用钢领圈开口式纱线引入方式，则钢领圈需要做成翻盖式，所谓翻盖式是钢领圈与转环一起翻开，纱管插入的同时盖上钢领圈，则纱线从转环的外环引入，这种形式的引线方式可以使钢领圈上的开口再放大一些，因为纱线与转环接触，与钢领圈内环不接触。

转环加捻装置的结构相对于钢丝圈加捻要复杂很多，只是在实验室或针对更高速纺纱解决钢丝圈发热问题的实践与探索方面研究转环加捻机构的专利不少，能够做到工业应用的不多。多数只存留在纸面上或专利中，而设计上存在的问题在于其结构复杂和使用上不简捷，所以有待于提出新设想和简单的结构来解决问题。

4 结论

环锭纺纱钢丝圈与钢领精巧、实用的配合多年来一直是纺纱机的加捻卷绕主导方式。由于在高速纺纱中钢丝圈摩擦产生的热量影响了纺纱速度的提升，人们开始寻找替代这种精妙设计的方法，用以提高纺纱速度。热量产生的根源-摩擦热是主要原因，由此产生了浮动环与钢领配合的设想，目的是减少与消除摩擦，抑制摩擦热的产生，提高纺纱速度。

采用无钢丝圈纺纱技术，主要有普通钢环和磁环（永磁环和电磁环）两种方式，普通钢环在设计上主要是要减轻环体的重量，为的是实现高速转动时环体能够悬浮。普通钢环可以采用内引线或外引线的方式设计，内引线要求在钢环的开口与风口操作。外引线要求在钢领圈上开口。就操作而言外引线操作相对方便。

电磁式和永磁式悬浮方式在结构方面相对复杂，在纱线的引入等方面对磁环的结构产生改变，影响磁环的受力，另外永磁环的悬浮间隙与侧向力对环体的要求还存在没有解决的问题，还需要深入地研究与探索。

1.李小兰.环锭纺纱新技术评析［J］.纺织器材, 2003，30（2）:60~62

2.秦贞俊.环锭细纱机钢领、钢丝圈问题的讨论［J］.纺织器材，2003，30（1）:10~13

3.张一鸣，陈志军.钢丝圈磨损机理及等离子体渗硫钢丝圈［J］.纺织器材,2016,43（1）:15~19

4.庾在海，吴文英，陈瑞琪.钢领钢丝圈表面处理技术及结构改进［J］.棉纺织技术，2004，32（1）: 62~64

5.周树名.磁悬浮技术的分析及应用探讨［J］.课程教育研究，2016（5）:253~254

6.庚在海，王一军.磁悬浮钢丝圈模型的建立及其控制分析［J］.自动化技术与应用，2007，26（5）: 49~51

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1671-3389（2017）01-08-04

丹东市科学技术局科技计划项目（15033）