直倍捻机节能技术探讨

经纬纺织机械股份有限公司　杨华明/文

直倍捻机节能技术探讨

经纬纺织机械股份有限公司杨华明/文

阐述直捻机或倍捻机通过减小气圈形态来达到节能目的的观点，分析直倍捻工艺中形成气圈的必要条件以及影响气圈大小的因素，探索通过改进现有直捻机或倍捻机技术中的锭子组件的方法，对锭罐、加捻盘和储纱盘的结构及尺寸进行优化设计，从而减小气圈形态，达到节能降噪的目的。

直捻； 倍捻； 锭子组件； 气圈； 转矩； 节能

1　引言

在采用直捻机或倍捻机加捻纱线的直、倍捻工艺中，具有一定张力的纱线从与锭子轴线垂直的储纱盘横向出口引出，经过加捻盘导向位于锭子上方固定不动的导纱器，纱线随着锭子旋转，在空气阻力和离心力作用下形成气圈。随锭子旋转的纱线气圈在捻线输送过程中克服空气阻力需消耗能量。从实践中得知，气圈形态影响能量消耗多少以及噪音大小。气圈小，克服空气阻力消耗的能量少，产生的噪音低。

2　锭子能量消耗的组成

直捻机或倍捻机用于完成纱线加捻并形成卷装，设备的能量消耗主要来自于实现加捻功能的核心部件锭子驱动所需的能量，而用来驱动锭子的能量消耗包括锭子空转消耗的功率和带动纱线旋转形成气圈时气圈消耗的功率，即：

P锭子=P空转+P气圈

式中：

P锭子表示一只锭子消耗的功率；

P空转表示一只锭子空转消耗的功率；

P气圈表示纱线形成气圈时一只锭子消耗在气圈上的功率。

经过反复试验得到的测试数据可表明：锭子本身消耗的功率所占比例很小，直、倍捻机锭子消耗的能量主要用于气圈随锭子旋转时克服空气阻力做功。

并且，已有相关试验和研究推导出：

P气圈=5.6×10-3·n3·R3·D·H

式中：

n——锭子转速

R——气圈半径

D——加捻丝线的平均直径

H——气圈高度

上述式子清楚表明了气圈大小和锭子消耗的能量之间的关系，即纱线气圈克服空气阻力消耗的能量与气圈形态（包括气圈直径和高度）有关。

显然，直、倍捻机驱动锭子所消耗的能量与气圈形态有关。

3　形成气圈的条件

在直、倍捻机中，握持点、纱线张力、转矩、转速是纱线旋转形成气圈从而完成加捻的必要条件。

图1　气圈形成条件示意图

如图1所示，锭子上方固定不动的导纱器O是纱线的握持点，与锭子固定连接、具有一定半径r的储纱盘是纱线旋转产生气圈时具备一定转矩的必需件，锭子转速ω是带动纱线旋转形成气圈的动力来源。

4　影响气圈形态的因素

气圈形态即气圈几何形状及大小，由气圈高度尺寸和气圈包络曲面半径确定。

已有研究表明：气圈张力及膨胀程度与倍捻机的加捻盘、储纱盘形状大小、导纱钩高度有直接关系。在保证几何尺寸满足自由气圈的形成条件下，储纱盘出口点的张力和相应的导纱器高度决定了自由气圈的形态。

4.1影响气圈高度的因素

对某台投入生产运转的直捻机或倍捻机而言，如图1所示，气圈高度H即储纱盘到导纱器的距离，通常不再变动，是固定值，由设备安装尺寸确定，不受其他因素影响。（为简便起见，下文将气圈直径大小简称气圈大小。）

4.2影响气圈直径的因素

纱线随锭子旋转在锭罐外围形成气圈。通常，直、倍捻机是根据喂入卷装大小来确定锭罐罐身直径，据此再确定加捻盘直径和储纱盘直径。而在加捻过程中影响气圈直径的因素有：纱支、锭速、纱线张力及转矩等。

1）纱支

采用同一设备加捻粗细不同的纱，在相同的锭速下，加捻粗纱时气圈大，能耗多，噪音大；加捻细纱气圈小，能耗低，噪音小。

2）锭速

加捻同一品种的纱线，在不改变纱线张力的情况下，锭速越高，气圈越大，锭子消耗的功率越多，噪音也越大。反之，如锭速低，则气圈小，能耗低，噪音也小。

3）纱线张力

已有研究和实验表明：加捻相同品种的纱线，气圈张力大，气圈小，气圈能耗少；气圈张力小，气圈大，气圈能耗大。

对于如图1所示的已确定结构及尺寸的加捻锭子组件：在纱支、转速一定的情况下，不论纱线在进入储纱盘前的张力增大或减小，只要纱线在储纱盘上的包角大于0度，储纱盘在回转运动中会通过纱线在储纱盘上包角的变化而自行平衡气圈张力，起到控制气圈大小的作用，从而维持气圈形态的稳定，因此，不会产生节能效果；

但是，当增大纱线张力至纱线在储纱盘上的包角小于0度后，此时储纱盘上无纱线存储、不会自行调整气圈张力，所以在储纱盘前增大的纱线张力使纱线在离开储纱盘后形成的气圈张力也相应地增大，从而可以使气圈明显减小，达到节能降噪效果。此外，在这种情况下，如果纱线进入储纱盘前的张力有波动，还会导致气圈大小的波动，使得气圈处于不稳定状态。

所以说，在一定条件下，纱线张力及气圈张力会对气圈形态产生影响。实际生产中，通过调节直捻机外纱张力的方法来增大气圈张力，使气圈减小，从而达到节能降噪的目的。

4）转矩

根据物体转动定律，纱线要围绕锭子中心旋转形成气圈必须具备一定的转矩，所以，从锭子组件的储纱盘抛出的纱线必须同时具备一定的张力和转动力臂，纱线才能随锭子旋转形成气圈。如图2所示的作用力F、力臂a和转速ω均大于零，这是纱线形成气圈的必要条件。即，纱线在储纱盘上以一定的转矩抛出并随锭子以ω速度旋转从而形成自由气圈。

图2　影响气圈直径的因素分析示意图

所以，纱线转矩和锭子转速的大小是直接影响纱线旋转所形成的气圈几何形状的因素，也是影响加捻过程中纱线气圈消耗功率大小的重要因素。

如图1所示，在直捻机或倍捻机设备结构及位置尺寸已确定的情况下，图1中的纱线高度H即为固定值。图中r为储纱盘半径，ω为锭子转速。

锭子驱动纱线随锭子旋转形成气圈所需要的功率，就是纱线离开储纱盘时的转矩做的功，即P=T·ω。

其中：P为功率，T为转矩，ω为转速。

由公式P=T·ω可以看出，转矩小，功率小，能耗低。

所以，欲减小功率P达到节能目的，除了上述提到的采取减小转速的方式外，还可以采用减小转矩的方式。

即在转速ω一定的情况下，如果减小转矩T，就可以减小锭子驱动纱线旋转形成气圈所需要的功率P。

而转矩T和纱线作用力F以及纱线旋转力臂a之间存在关系式：T=F·a。

所以，欲减小功率P，就可以通过改变纱线离开储纱盘时的作用力F及转动力臂a从而减小转矩T的方式来实现。

① 纱线作用力

如图1所示的锭子，在加捻过程中，纱线离开储纱盘后随锭子旋转形成自由气圈。纱线在离开储纱盘时所受的作用力即纱线张力，一方面用于提供纱线向上输送所需的张力，另一方面用于提供纱线随锭子旋转所需的离心力。

提供给纱线向上输送的稳定的张力可以通过纱线张力器和储纱盘来调节，提供纱线离开储纱盘形成气圈旋转所需的离心力，与纱线质量、转速及储纱盘半径有关，按F= Mω2r变化。

这第二种“正在形成或者继续重建”的结构与存在论中的建构结构似乎具有某些相通之处。前提是，如果我们以存在主义观点而非生物主义观点来给这第二种结构定下基调——从人的活动即“此在”结构出发，就可以将“民间故事活动”看成一个“开放的活的”结构系统，始终处于未封闭的形成过程中，并通过不断的交流进行调节达到暂时平衡。[注]此观点详见张琼洁《当代民间故事活动价值发生研究》，《民族文学研究》，2018年，第1期。

a. 减小纱线张力

由转矩公式T=F·a可知，当转臂a不变时，如果减小纱线离开储纱盘时的纱线张力F，可以减小纱线离开储纱盘后随锭子旋转产生的气圈所需的转矩T；又因为功率和转矩间存在关系式P=T·ω，所以产生气圈的转矩T减小，就可以减少维持气圈正常运动所需的功率P。

比如，在公开号为CN1210910A的发明专利说明书中阐述了该发明的任务就是创造一种倍捻锭子或作为直接并股捻线锭子设计的捻线锭子，采用这种无储纱盘但具有自由旋转的中间套的锭子，可以使作用在纱线上的拉力保持得很小，可使传动锭子所需要的传动功率保持尽可能的小并可提高生产率。

然而，当转速ω一定时，对于图1所示的直捻机或倍捻机而言，其具有随锭子旋转的储纱盘、加捻盘以及固定不动的锭罐的加捻锭子组件，在储纱盘出口处的纱线张力F为了满足纱线旋转形成气圈所需的离心力，F必须大于等于此处的离心力Mω2r，即F≥Mω2r；又由于纱线离开储纱盘后会被引向锭子上方的导纱器并向上输送给超喂辊，所以纱线要保证纱线匀速输送，必须保证纱线张力具备一定大小的值，以形成稳定形态的气圈，不可能无限度减小储纱盘口的纱线张力F。

并且，在加捻过程中，转矩a不变的情况是储纱盘始终有包角的状态，即α≥0。

而当纱线在储纱盘上包角α≥0时，如图2所示，改变纱线进入储纱盘前的张力，由于纱线在储纱盘上通过包缠角变化自行调节纱线张力，使得从储纱盘引出的纱线9张力恒定、气圈形态稳定，并且此时的力臂即储纱盘半径（a=r），如果锭子转速一定，此时的锭子消耗的功率就是个恒定值。

所以，对于具有图1所示的加捻锭子组件的直捻机或倍捻机而言，通过纱线张力器减小纱线张力的方式不能达到减小气圈而节能的目的。但是如果按照F≥Mω2r的相关影响因素来减小作用力F的话，比如通过降低转速ω或减小储纱盘半径r等方式来降低纱线张力，可使传动锭子所需要的传动功率减小，这样可以达到降低能耗的效果。这在试验和生产中均得到验证。

根据转矩和功率公式T=F·a和P= T·ω可知，当转速ω不变时，如果增大纱线张力F，只有同时减小力臂a，才可能降低转矩T，从而降低功率P。

增大纱线张力F，可以使纱线在储纱盘上的包角α＜0。

而当α＜0时，纱线离开储纱盘瓷柱，如图2所示的纱线10，其力臂a小于储纱盘半径r，即a ＜r。

通过试验表明，增大纱线在储纱盘前的张力，使纱线在储纱盘上的包角α＜0后，纱线气圈明显减小。

当α＜0时，纱线离开储纱盘口的张力随纱线进入储纱盘前的张力大小变化。但在锭子转速ω不变的情况下，纱线离开储纱盘时满足纱线随锭子旋转所需的离心力F=Mω2r是不变的。如果此时增加外纱张力，由于离心力不变，纱线向上的拉力就会增加。当纱线向上的拉力增加时，会使气圈变小。而气圈变小，根据相关研究推导出的气圈消耗功率公式P气圈=5.6×10-3·n3·R3·D·H可知，消耗在气圈上的功率降低。

从旋转物体消耗功率的角度来说，离开储纱盘的纱线气圈消耗的功率P=T⋆ω= F⋆a⋆ω，此时式中的纱线张力F增大，但力臂a 大大减小，力矩T也减小，所以功率P也减小。这与上述气圈小、功率消耗低的结论是一致的。

② 转动力臂

从功率与力臂间的关系P= T·ω= F·a·ω可知，在作用力F和转速ω不变的情况下，改变力臂a的大小，可以改变功率P值。即，增大力臂a，功率P增加；反之，减小力臂a，功率P降低。

通过减小力臂a从而实现功率P降低，可以根据纱线在储纱盘上的包角变化情况进行讨论。

a. 减小储纱盘和加捻盘半径使力臂减小

当纱线在储纱盘上的包角α≥0时，如图2所示，力臂等于储纱盘半径，即a=r，所以要想减小功率P就可以减小储纱盘半径r。

反复的试验表明：在纺纱工艺条件不变以及纱线在储纱盘上的包角α≥0的情况下，如果减小储纱盘半径r至适当值时，不需增加纱线进入锭子组件前的张力，就可以使气圈直径明显减小，达到节能降噪的效果。

所以，在制造设备的生产实践中，对现有的直、倍捻机加捻锭子组件进行优化设计，从而实现节能效果。

具体方案是：根据喂入卷装大小确定锭罐最大直径后，再根据锭罐安装方式以及喂入卷装在罐内的放置情况确定下罐形状尺寸，下罐仿照气圈形态设计为锥形，然后再通过减小加捻盘直径，使纱线随锭子旋转产生的气圈下部（围绕下罐的部分）直径变小，同时，减小储纱盘直径，使纱线随锭子旋转产生的气圈曲率半径变大，即包绕在锭罐外围的气圈直径变小，整个气圈形态变“瘦”，并且，结合锭罐大小和形状，对加捻盘和储纱盘结构尺寸进行优化配比设计，最终使外纱围绕锭子产生的自由气圈直径变小，在保证加捻纱线品质的情况下（即纱线不与锭罐接触，避免因摩擦产生毛丝或断丝），最终使得采用这种新型节能电锭的捻线机达到节能10%～20%的目的。

采用此方案优化设计的捻线机，其节能效果具体来源于两方面：一方面加捻盘和储纱盘作为纱线随锭子旋转产生气圈的导向件，当直径减小时，可以使纱线捻线过程中形成的气圈直径减小，而气圈直径减小，其克服空气阻力所需的能量就会减小。另一方面，储纱盘和加捻盘作为旋转锭子的一部分，其直径减小可以使锭子本身消耗的能量减少。

另外，此设计方案是根据喂入卷装大小来设计锭罐结构尺寸，并且仿照气圈形态来设计锭罐外形，这样可有效避免纱线气圈与锭罐摩擦而损伤纱线或产生断纱，能保证纱线加捻顺利进行并保证良好的纱线品质；另外，锭罐的下罐设计成锥形形状，与气圈形态相仿，并且尺寸大小设计成与加捻盘大小匹配，这样可以避免纱线从加捻盘引出时在加捻盘上方边缘处形成气流旋涡而导致较大的能量消耗。

b. 通过增大纱线张力的方式使力臂减小

当纱线在储纱盘上的包角α＜0时，如图2所示，力臂小于储纱盘半径，即a ＜r。此种情况力臂大小由纱线的引出方向决定，而纱线的引出方向由纱线张力大小和储纱盘上瓷柱位置确定。纱线张力越大，力臂越小。当纱线从储纱盘瓷柱处抛出的转矩减小时，会使纱线气圈变小，达到节能效果。增大纱线张力使纱线在储纱盘上的包角小于0度从而减小气圈、达到节能效果外，还可以通过减小储纱盘、加捻盘半径等优化锭子组件结构的方式减小纱线旋转的转矩，从而减少传动锭子带动气圈运动所需的传动功率。

FZJX

⑴ 孙同鑫. 毛倍捻机节能控制的研究［J］. 纺织机械，1994（5）：47.

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⑷ YKK株式会社. 断丝预防装置和具有断线预防单元的纱线处理机器：中国，CN1441096A［P］. 2003-09-10.

⑸ 宜昌经纬纺机有限公司. 一种用于直捻机的外纱张力调节方法：中国，CN102212905B ［P］. 2013-07-24..

⑹ 沃尔克曼股份有限公司. 捻线锭子，特别是倍捻锭子或直接并股捻线锭子：中国，CN1210910A ［P］. 1999-03-17.

⑺ 欧瑞康纺织有限及两合公司. 倍捻锭子或捻线锭子：中国，CN102212903A ［P］. 2011-10-12.

5　结论

5.1纱支、锭速和气圈大小是影响直倍捻机气圈消耗功率的因素。同时，纱支和锭速又是气圈直径大小的影响因素。此外，影响气圈直径大小的因素还有纱线张力、转矩、锭子组件结构及尺寸。

5.2直、倍捻机在纱支、锭速一定的情况下，除了通过