纺纱技术创新和纺机新品研发的思考

2019-10-15阮德智秋黎凤王腊保

纺织器材 2019年5期

阮德智,秋黎凤,王腊保,倪远

(1.铜陵松宝智能装备股份有限公司,安徽铜陵 244000;2.陕西纺织器材研究所,陕西咸阳 712000;3.纺之远(上海)工作室,上海 200051)

1 纺纱领域工业化能级提升的思考

1.1 纺纱领域工业化能级现状

当下纺纱技术领域处于工业化能级2.0～4.0,绝大部分处在2.0～3.0[1](见表1),总体未跟上时代发展,且很不均衡。特别是环锭纺纱技术,数十年来基本无大的创新突破,行业努力普及应用的“新技术”,绝大部分是延续20世纪70～80年代甚至更早期的“超前技术构思”。

表1 绝大部分纺纱领域工业化能级

如假捻纺纱技术、集聚纺纱技术、清梳联技术、细纱断头检测技术、粗纱细纱集体落纱技术、品质追踪技术、细纱机电子牵伸电子升降技术、细纱机电锭驱动技术及细纱机自动接头技术等,都是20世纪40～80年代开始研发的技术,当下的推动和普及恰似一种补课并结合现代技术的再创新行为。

作为传统技术的纺纱加工制造业,在第一次产业革命期间,一度走在全球工业技术发展的前沿,但随着电气化、自动化和信息化技术的进步,大部分工业领域的发展超越了纺纱行业工业化能级水平,有些先进工业领域已经或将要从工业4.0迈向5.0。可见纺纱领域大部分工业化能级低于整体工业平均能级1个级别以上,低于先进工业领域能级2个级别以上。

1.2 纺纱领域工业化能级较低的原因

纺纱领域整体工业化技术能级较低的原因是多方面的,其中有4个方面值得关注和思考。

第一,产业盈利能力。纺纱传统业态的特征为低利或微利,产业资本需要满足基本的价值创造才会进入,比如对于投资回报期,有“五年心动,三年行动”的说法,目前有些企业甚至希望在2年以内。较高资本的入门条件,在客观上制约了产业的进步,特别是技术改造和装备升级的发展,也相应阻碍了纺机装备的研发进程。因此,即使技术成熟,可以提升品质、改善管理、促进降本增效的技术进步项目,由于投资回报期较长,行业普及速度也很缓慢,故而行业中率先应用这些技术进步项目的往往是规模和品牌效应好、盈利能力较强的企业。上述大部分与纺纱技术经济相关的创新项目,都经历了数十年的缓步前行,这不仅对于新兴行业、就是对于大部分工业领域而言都是不可思议的。

第二,劳动力红利。劳动力密集的纺纱加工业是对工费敏感的领域,改革开放以来的社会劳动力红利,是行业规模大发展的一个要因,但同时也无形中延缓了生产过程中机械化和自动化的应用。在行业中有一个现象,只要招工工源稍有好转,“机器换人”相关技改项目就会延迟或搁置。当下不仅是发达国家,作为人口大国的中国人口红利也已显出耗尽趋势,社会生产中机器换人是不可抗拒的必然趋势。用工难,用工贵,用工降低体力,用工符合作息规律,用工增强工作技能,是劳动密集型的纺织产业必然面对的重大问题。当下自动化技术在纺纱领域的重要功能之一就是替换人工,即使当下尚不能因“机器换人”产生经济效益,不远的未来一定能够。

第三,工艺技术成熟度。纺纱工艺技术有很多不够成熟的环节,对于这一点,大多数业内人士可能不会认同,可以说这是一个“非共识”的话题。一般认为纺纱技术经历了近200年的发展,是第一次产业革命的先锋行业,是传统之中的传统,怎么会有很多不够成熟的环节呢?还需要如何发展才能长大成熟呢?这是笔者认真思考、也恳请行业认真思考的问题。从工艺技术的角度看,纺纱工序流程长、装备多,涉及的主机、专件器材与工艺参数名目繁多,纺织原料和纱线品种的品类也很多,很难从系统性的角度使各项工艺技术要素设置在合理状态,这就出现了纺纱工艺技术多样化应用的状况,包括工艺流程配置、装备器材选择和工艺参数设置,这些方面还存在着不少可优化、可革新的环节——这种现状是客观存在的,相信在这方面是可以达成共识的。那么再站高一点来看,一个工业领域如果存在着工艺技术多样化应用的状况,以及还有不少可优化、可革新的环节,是不是就可认为该领域技术发展不够成熟呢?至少当若干主要工艺技术项目被多样化设置时,或者某些环节被优化时,一定会产生结果效应的不一致或离散,这就是工业化制造中工艺技术不成熟的表征。与此对应,纺机装备是纺纱工艺技术的一部分,纺机装备的研发需要以纺纱工艺技术为引导,如果工艺技术要素选择的目标或方向不一致,那么,包括主机和器材专件在内的装备研发也会发生偏差。我国纺机装备每年新推出的主机和专件器材品种和规格不少,而能被保留或产业化应用的又有多少呢?这也从侧面反映出纺纱行业呈现的“多有专家、少有权威,工艺优化永远在路上”的态势。

有关自动化、信息化和智能化,有专家提出“三不要”原则:① 不要在不成熟的工艺下做自动化,最好先做好生产线,这是工业2.0解决的问题;② 不要在管理不成熟的时候做信息化,这是工业3.0解决的问题;③不要在不具备网络化数字化基础时做智能化,这是工业4.0解决的问题。

由此可见,工业化能级的提升,需要一个渐次上升的台阶,基础不具备则难以跨阶进行。在纺纱行业处于工艺不够成熟、管理尚待完善的境况下,自动化、信息化和智能化只能摸索进阶。

在纺机装备的研发中,应该关注一个方向性的抓手,就是“工艺技术路线”。从自络自动投纱系统及细纱机断头检测等研发实例中,可以明显看到工艺技术路线选择不同带来截然不同的产品和效应。

第四,行业管理引导。行业管理引导对纺纱技术进步的影响很重要,目前看来还有改善空间。这可以从21世纪以来几个五年规划中若干技术项目[2-4]及对照发展现状中看出,也可以从获得行业奖励项目的推广应用状况中看到。纺纱领域的具体发展规划项目并不多,能够获得行业奖励和资助的项目也不多,行业规划与激励应该推动具有优势效应或可持续发展的项目,指导或引领行业技术进步方向,帮助项目落实,监管项目进程。尽可能避免具有优势效应的项目得不到产业政策激励,行业规划、获得奖励和资助的项目不能普及应用的局面。

当下纺纱行业自动化和信息化技术进步,正在被劳动力红利用尽的趋势有力推动。在这波进程中行业应该抓住契机,优选工艺技术路线,切实提升纺纱新技术应用性价比,吸引产业资本投入,着力提升纺纱领域工业化能级。

2 纺纱技术创新与转化

技术创新项目转化的效益决定于转化成功率、转化速率、应用面与应用的持续性。

作为一个传统行业,纺纱技术创新项目的转化率和转化速率一直不高,特别是转化速率要远远低于新兴产业,也低于大部分工业领域。这是现状中不利的一个方面,有利的方面是一旦技术创新成功转化,那么其被应用的规模就可能会很大,应用的持续性将会很长,因而创新带来的效益很显著。前者是由纺纱规模和体量决定的,后者是由行业属性决定的。我国纺纱规模和体量大、纺纱行业技术更新的速度相对缓慢,对纺纱技术创新项目投入产出比的提高是非常有利的。环锭纺纱技术领域相对落后、发展不平衡状况,对延展当下和后续的创新研发空间也非常有利。

因此,对纺纱领域的技术进步来说,现在是一个规模与体量、基础科技与学科交叉、下游需求与全球外展极其适宜技术创新的伟大时代,行业应该有较大动力抓住契机,重视技术研发,加大创新投入。基于中华民族的崛起速率、众志成城的民族精神、完整的工业体系与独大的行业体量,中国的纺纱技术应该、也必须走在世界前列,有必要、也有能力引领世界纺纱技术发展,突破一系列环锭纺纱生产技术发展瓶颈,为实现真正意义上的纺织强国目标而努力。

3 纺纱技术创新的侧重点

作为传统工业的纺纱技术,客观上说在整个纺纱工艺流程中,存在着多方面的发展瓶颈,其中也有不少可优化的环节,但是当我们对一些现状习以为常时,似乎“默认”了这些现状,而不认为它们是需要攻克的堡垒。这种现象在现实生产中屡见不鲜,其根本原因一是观念,二是能力。

当想要超越现状而碰到困难时,这个困难就是瓶颈,或者说对发展瓶颈的认知,取决于想要发展而被困难阻挡的问题。我们想要的发展是多方面的,同时阻挡发展的困难也是多方面的,但并不意味着所有困难都必须在当下克服,更不是所有瓶颈都能被突破。这就要求,有眼光来分辨,哪些想要发展的方面和方向是有可能被突破的、哪些环节是存在优化空间的、哪些存在已久的问题是亟待解决的。至少,我们必须认清哪些瓶颈已经有了解决方案,只是解决方案的性价比目前还不符合业界的预期。

研发纺纱工艺技术的专家,应该在2个方面作出努力:一是当下行业境况中急需攻克的难题;二是发现存在的难题找到可能的解决方案。

4 纺纱行业现状与特点

4.1 永不下落的“夕阳”

人们习惯把传统行业称为夕阳产业,结果,就出现了永不下落的“夕阳”。从第一次产业革命的先锋开始稳步发展至今,纺织产业显示出了十足的韧劲,这在第二产业中并不多见。任凭国际经济局面周期危机,纺织产业起伏不大,新兴产业潮起潮落,纺织产业从未止步反而持续壮大。

4.2 内需体量与外扩趋势

中国是全球最大的纺织生产市场,纤维年用量超过5000万t,占世界50%以上;约1.3亿枚环锭纺纱锭规模的内需,存量市场巨大,每年的增量市场也不小。外需东南亚和“一带一路”增量市场越来越大。永无止境的需求,消费、产业升级,纺织品门类和用量不断攀升。

市场经济不断推动人类社会分工的细化,从而不断创造需求、满足需求,实现社会和行业的发展。社会发展的动力来自于需求和市场,就必须充分理解需求、利用好市场。

中国纺织市场是得天独厚的,市场能量之大不言而喻。只要能开发出适合市场需要的产品,就能获得大的发展。即使研发创新过程中犯了点错误,市场容量也能给予足够的时间纠错。市场给了我们充分的创新空间,只要能创造出新技术、新产品,就可以调动市场,发展自己。中国纺织依然在稳步发展之中,这是大趋势,我们要善于利用市场规律发展自己,一定要顺势而为,择机而动。

4.3 纺纱技术进步状态

纺织行业总体技术进步缓慢,稳定发展,累积步进,偶尔也有突发。

从自动化信息化对行业发展的影响来看,纺机存量市场部分改造升级对新工艺、新技术的需求很大。增量部分机型档次和配置升级对新工艺、新技术的需求也很大。

在这样的社会和行业背景中,对于行业技术进步需要做好2件事:一是要善于发现行业需求中的矛盾,同时善于调动资源去解决矛盾,这个解决的过程就是能力释放的过程,也是成就事业的过程;二是要善于创造市场需求,同时满足这个市场需求,即将隐性需求转变为显性需求,由创新者发现、创造一个新事物,并且使其成为真实的市场需求。

4.4 对技术价值的重视

与以往相比,行业对新技术价值认同感提升,对技术交易接受度提高,对工艺技术引领装备发展的认知度转变很大。纺机装备包括主机和器材专件的研发与应用,对工艺技术的依存度较高,工艺技术路线的准确与合理是纺机产品研发的关键要素。

5 纺纱技术进步需求分析

前已所述,行业技术进步需要做好的2件事,即发现行业需求和创造市场需求。分解而言,纺纱生产中对技术创新的需求,可以分为显性需求、概念需求和隐性需求。存在概念需求是传统产业的一种特殊状态。

5.1 显性需求

显性需求主要是纺织企业对降本增效、品种质量和管理改善方面已经存在的需求,是一般的现实需求。如集聚纺纱装置、细纱断头检测装置、粗纱停喂装置、细纱落纱装置、理管机、自络自动投纱装置、筒纱包装线等创新装备技术,由于用工成本是近阶段增长最快的纺纱成本,所以与用工节省和机器换人相关的项目,就是可以直接计算投资回报期的项目,这些技术和装备就成为显性需求。

如集聚纺纱技术在20世纪60年代就已经完成构思架构,到21世纪前后从概念需求转变为显性需求,近20年来飞速发展,从初期的暴利阶段回落到近年的微利阶段。目前的纺企需求是顺应市场对品种的需求,所以集聚纺纱装置已经成为环锭纺中高端品种的标配。估计每年集聚纺纱装置增量纱锭超过细纱机增量纱锭规模,细纱机增量纱锭中也有半数为集聚纺配置,存量细纱机纱锭改造为集聚纺纱的需求持续。如果有突破投资成本制约、运行成本瓶颈的集聚纺纱新技术,市场仍会有良好的接受度。

又如细纱断头检测技术,也是近年从概念需求转换为显性需求。断头检测属于纺纱物联网管理系统基础信息采集的环节,是通过信息化管理间接产生效益的项目,需要研发企业协同用户提升管理,向管理要效益。可以把断头检测技术的应用分为3个层次:第一是锭位的运转设备报警通知,第二是锭位的运转设备管理考核,第三是锭速与卷绕相关的工艺优化。目前看来大部分用于第一、第二层次,只有应用到第三层次才能使效益最大化。

检索到的断头检测专利有十几种类型,传感方式包括电磁、霍尔、光电调制(红外光紫外光可见光)、声音、静电、摄像头图像处理、机械拨叉、温度等,有些设计根本没有按照断头检测信息作为信息化管理应该向深度应用扩展需求,要求实时在线和多信息采集,便于做深度数据挖掘并延伸智能化管理。机械式、移动式的断头检测方式,非实时信息单一,维护不便,性价比低。目前主流应用的传感方式为单锭电磁和光电式。

显性需求是纺机企业积极参与满足行业需求的最好抓手,是保持企业盈利发展的基石。为了提高竞争力,必须优化工艺技术路线,使产品的结构、电控和驱动能高效地完成工艺操作,创造价值。

5.2 概念需求

与自动化和信息化相关,行业具有一定的需求,且已有一些定向应用,但目前阶段不能直接创造效益、计算投资回报期的产品或技术创新,可以称为概念需求。

如品质追踪系统、细纱机电子牵伸电子升降驱动、细纱机电锭驱动及细纱机接头机等,此类技术其实在行业中也已经诞生30年～50年,放在其它行业早已不能算作新技术、新产品了。正是因为传统行业技术进步缓慢的特点,从数十年前的新构想,走向产业化应用需要多种条件,才会满足产业资本的投入条件,需要天时地利人和皆到位,才能得到发展。劳动密集型的纺纱业,如果人口红利没有用完,且工费没有那么快增长,上文提到的几项显性需求,将仍然处于概念阶段。当下的概念需求也在转换之中,一些先进示范企业为了迎合自动化、信息化和智能化发展的潮流,积极引领行业采用此类对长期生产管理有益、但目前并不能直接计算经济效益或者必须依靠产品和品牌附加值来创造效益的项目。

概念需求是以技术发展进程来界定的,这些项目确实是行业发展的需求,只是在性价比方面,存在着一定的制约因素,特别是投资成本方面,因此目前难以为纺纱企业直接创造经济效益,只能部分地体现管理效率和社会效益。研发的方向当然是要提高性价比,突破制约瓶颈,特别是在不断降低投资成本方面,提升与同类产品的竞争力,具体也是要通过优化工艺技术路线,改善结构、电控和驱动方式。

如品质追踪系统,典型的如RFID电子标签卷装技术,也有多家厂商在推动应用。在最有代表性的细纱管纱品质追踪推广应用方面,必须既要用于细络联,又要兼顾集体落纱甚至小机落纱,如果采用读写芯片将很难在性价比方面满足产业化要求。

又如深圳嘉友的电锭与上海二纺机多年来研发推动的电锭产品相比,前者的外转子无刷永磁电机电锭,就具有成本优势,将对该技术向产业化应用方向发展产生推动效应。

再如细纱机电子牵伸,国外著名纺机厂商主要是以异步电机驱动的,包括瑞士立达公司和德国青泽公司,国内大部分采用伺服电机及伺服控制器,应用成本较高,在抗干扰方面国内做好也不太容易;也有研发永磁同步电机驱动控制系统,性价比相对较高。电子牵伸和电子升降用于新机型细纱机升级较为有利,用作存量机型改造相对性价比较低,但若结合花式纱功能应用,则有可能从概念需求转换为显性需求。

细纱机自动接头机项目是纺纱行业中为数不多的、未能真正攻克的自动化装备难题之一。国外早在20世纪70年代就出现了自动接头机概念机,并有少量投产应用,如意大利康尼特克斯公司出厂了约70台、德国青泽公司出厂了约50台等——但是进入21世纪以来再无这方面的相关信息。

从目前的情况分析,欧洲厂商早期研制的自动接头机,可能在技术上不够成熟、在使用效率和值车能力上未适应需求。根据某些研发厂商后续反馈的信息,认为行业不需要再研发自动接头机了,而应把重点放在进一步降低纺纱断头的研究上。站在行业特性及行业发展的角度看,以下几个方面是上述观点难以立足的主要原因。

首先,降低细纱断头是很困难且是有条件的。

其次,由于纺纱断头与锭速之间的矛盾,及锭速与效益的正相关性,很低的断头率意味着存在锭速提升的潜力,不管纺纱条件如何,总会在锭速与断头之间确定一个平衡点;一味降低断头就意味着降低效益,因此规模化的纺纱生产,以目前环锭纺加捻卷绕技术条件下,保持一定的断头率是合理的。既然包容着合理的断头率,最终以自动接头机代替人工操作就是行业的需求。

第三,原本就是低利的纺纱生产,细纱机高效运行的前提一定是全时制生产,而重复、繁重和低效的运转操作最终是要向着少人或无人化的方向发展,至少人工的夜间作业是不符合社会发展和人类活动规律的,这就需要将绝大部分的人工操作岗位尽可能地转换或替换为机械化和自动化作业,细纱机接头操作就是这样的状态。

实际上欧洲厂商曾经以多种方案完成了细纱机自动化接头操作的设计,最后悲观地退出自动接头机的研制,笔者认为可能碰到了难以逾越的技术和(或)经济障碍。技术方面显然当时的工业技术水平远不如当下,包括结构、材料、制造、信息、工控和驱动等,研发制造的成本很高,值车能力和效率很低,当时的用工成本又很低,因而综合性价比很低。除此之外的另一个重要原因是全球主要纺纱市场逐渐远离了欧洲,以中国为主、亚洲市场的高性价比纺纱生产,满足了全球绝大部分的纱线需求——笔者猜测这才是得出“不需要再研发”定论的原因。

但是,困难挡不住发展。在2019ITMA国际纺机展上,有2家国外纺机厂商推出细纱机自动接头机样机,国内也有不同体制和不同细分行业领域的多家企业进入该项目的研发。

概念需求的技术和产品,可以作为纺机企业的研发储备,在积极寻求突破应用瓶颈的同时,等待行业将概念需求转变为显性需求。

5.3 隐性需求

隐性需求是指行业目前还未知,有什么技术可以用于为纺纱生产提供降本增效、品种质量和管理改善的方法、装备、软件或硬件,是由研发者创造和引导用户产生的需求,并将隐性需求转变为概念需求或显性需求。隐性需求的发掘都是创新工作,可以在知识产权法律的保护下,产生技术垄断的市场,有可能获取超额利润。

如当初微软公司的windows软件、苹果手机及IOS都是创造市场需求的典型例子,非常成功地将隐性需求转变为显性需求。行业中的例子如早年的自动络筒技术,近年的优势纺纱工艺技术,及尚需拓展的条筒增容技术和新概念抓混抓棉技术,及其它创新的纺纱技术。

隐性需求的创造或发掘有别于其它需求,其创新难度较大、成功率不高,往往需要人才储备与技术积累,需要多学科交叉、跨专业协作,才能发现超常规潜在的机会与可能。特别对工艺技术路线的把握要到位,新材料、新工艺、新技术的运用要适当,才能突破瓶颈消除制约,开创新局面。

创新的本质,就是做“非共识”的事,已形成共识的事物,无创新可言。然而我们在谈论“创新”的时候,其实并不一定具备心理准备去接纳“非共识”。创新的压力是“非共识”的压力,创新的风险也是“非共识”的风险。隐性需求不是共识,所以行业难以信服,有时甚至自己都难以确认当前的道路是否正确。

创新的道路,就是“非共识”的道路,就是在怀疑与争议中前行。既然“非共识”是创新的本质,那么这也是企业创新创业的难点。因为一个企业打造执行力,首先是打造企业共识。共识度越高,执行摩擦越少、执行力越强,整个组织对“非共识”的压制与排斥也就越本能、越彻底。所以在“非共识”的压力和风险中,完成创新需要视角清晰、执行刚毅。

有能力有胆识的企业,应该善用人才,整合社会资源,重视行业隐性需求的发现与发掘,在国家和全球知识产权法律的保驾护航下,将技术垄断转化为市场垄断,为自身和行业创造特殊价值。