纺纱电机及其驱动系统的创新发展

刘荣清

(上海纺织工程学会，上海　200060)

•综合述评

纺纱电机及其驱动系统的创新发展

刘荣清

(上海纺织工程学会，上海200060)

摘要：介绍纺纱机械驱动用电机发展的进程，分析传统电机在应用中存在的问题和现代新型电机的优点，以及变频调速和伺服调速技术的差别与功能；通过应用实例说明新型电机在机电一体化、多电机驱动、单锭独立驱动、双侧同步驱动等方面的创新和发展；说明各种新型电机的发展与应用，提高了纺纱机生产水平和产品质量，达到省工、节能降耗、提高生产效率、降低生产成本的目的。

关键词：纺纱机械；电机；电锭；独立驱动；同步驱动；变频；伺服；调速

0引言

信息技术、智能技术、数字技术已成为当今推动纺织机械发展和创新的主要驱动力，对提高纺织业的产质量、节能降耗、减少用工、降低成本，以及环境保护至关重要[1]。其中，纺纱机驱动设备和器材的进步与创新是实现上述目标的基础和引擎。

1纺纱用电机的发展历程

纺纱机械上的电动机(以下简称“电机”)是纺纱机械动力之源。纺织用电机已有数百年历史。传统纺纱机普遍应用三相异步电机，一般一台纺纱机由一台电机驱动。20世纪80年代，纺织用电机推行系列化和标准化，按不同功能特征分为JFO2、FTW和FO2等多种类型。改革开放后，随着新型电机的应用，解决了传统电机存在的问题。

传统电机的驱动方式存在功能单一、传动环节多，传动机件多，润滑要求高，摩擦耗能多，驱动件存在齿隙、缝隙、松动、滑溜，以及输入、输出不同步，易造成成纱细节、纱疵多等问题。最主要的是，传统电机驱动无控制和调整的功能，不能适应纺机智能化、自动化、工序连续化、在线工艺、质量的检测和监控等要求。因此，正是现代纺纱技术促进了新型电机和驱动技术的创新和发展。

2新型电机的发展

2.1纺纱用电机使用特点

纺纱用电机使用特点如下，新型电机的选用必须考虑这些因素。

a)单机功率不大，一般不大于30kW；

b)主机连续使用时间长，一般超过24h；

c)负载稳定，但启动负荷较大，需配备相应的控制电路；

d)由于使用环境中飞花、尘杂较多，常采用全封闭式结构并需定期清洁；

e)由于电机数量较多，会影响车间温湿度，所以，夏季宜采用集中排风或水冷、油冷等设施进行降温或给湿；

f)电机转速高，如环锭细纱机、转杯纺纱机、喷气纺纱机的电机。转杯纺纱机电机转速已高达100kr/min，最高可达150kr/min。

2.2纺织用新型电机2.2.1三相永磁式电机

稀土永磁材料的发展，推动了永磁电机的应用；而永磁电机主要采用的永磁材料为铁氧体和铝镍钴合金，以前者最常见。

三相永磁式同步电机具有体积小、质量轻、高效节能等优点，其控制调整技术成熟，已经从一般控制驱动发展至高精度伺服驱动。

2.2.2同步电机

异步电机的转子转速低于旋转磁场的转速，而同步电机却能保持转速相同。由于同步电机的转子速度与负载大小无关，因此转速稳定，特别适用于无级调速或变速。

2.2.3无电刷直流电机

无电刷直流电机也是同步电机的一种。传统直流电机存在电刷结构复杂、使用不便的问题。现代无电刷直流电机采用了电子开关电路和转子位置传感器来取代电刷的换向器，实现了无刷化，并保持直流电机良好的控制特性、驱动能力和调速功能。

2.2.4伺服电机

伺服电机是自带编码器的同步电机，具有能快速实现无级变速、调速、关停的特性，目前新型纺纱机多数或全部采用伺服电机驱动。

此外，控制用步进电机和新型电磁直线等新型电机也已在纺机上应用。

3驱动变速控制技术及其应用实例

传统纺纱机主机除工艺调整、产品翻改外，一般按规定速度运转。不少传统主机是应用铁炮、锥轮做机内调速的，已被淘汰。而在20世纪70年代曾研发出电极变换、双速电机、交流整流子变速电机、可控硅调速及梳棉机电磁转差离合器等变速装置，但未成功应用。

现代纺纱机为了满足智能控制、在线生产、工艺检测和监控、机电一体化、简化传动结构、实现生产自动化和连续化等目的，广泛采用变频调速和伺服调速技术。

3.1变频调速

变频调速系统，由交流异步电机或同步电机以及交流变频器组成。目前，国内外有许多厂商制造各种特性的变频器，著名厂商如西门子、东芝、三菱、欧姆龙等。其中，纺织专用变频器也有不同特性的机型，可根据变速要求、功率、启动、矢量、速度等特性选用性价比高的变频器。

当下，变频调速技术已经成熟，无论是新机使用，还是老机改造都能适用，推广面较广。变频调速系统需关注变频器的温升情况，变频器大多带有风扇散热，但功率大的则需与车间分隔开；同时，需防止积花、尘杂的堆积。

3.2伺服调速

以伺服电机为主体的功能控制在速度、转矩、启动、关闭、负载能力及调速灵敏度等方面，都比变频调速效果好；伺服电机价格虽较高，但应用前景较好。

3.3电机调速应用实例

文献[1]对变频调速的应用，从纤维加工到纺、织、染已有较详细的叙述，笔者在此只作概括介绍。

“世上的事，本来就是信则有，不信则无，前进则有，后退则无。这四个孩子都不错，姓袁的孩子宽厚，姓吴的孩子实诚，这两个都有大成之象；上官家的丫头聪慧，你们李家的小子也有情有义，他们没有袁、吴两少年的浑成刚毅，凭其智计，足以在乱世中保全其身。眼下万花谷也是一盘棋，到了风云变幻的时刻，不知道东方宇轩的这一着，会引出什么样的变化。乌有兄，我近年修道，觉得天命既可为，也惟危，不如不为。天地无言，是造命，还是听命，吾不知也。我们今天晚上，来干犯天地，凿开万花因，予万花谷，也不知是福是祸。”

3.3.1纺纱工序自调匀整装置的应用，主要依靠驱动电机的变速来实现。根据开清棉棉层厚度的变化、纱条线密度的不同，引用开环、闭环或混合环的方式，以改变倍数、实现自调匀整，从而改善产品长、短片段的均匀度，降低重量不匀率和条干不匀率。

值得回味的是，20世纪80年代初，A272型并条机的自调匀整装置[2]如图1所示，是用铁炮调速的，伺服电机只起移动铁炮的作用。

3.3.2粗纱机利用4台变频或伺服电机即可编程序控制电机独立驱动锭翼、筒管、龙筋、牵伸同步运动；改变了原有复杂的传动系统，取得良好效果。

3.3.3细纱机根据一落纱中纺纱张力的变化或大、中、小纱断头规律，利用变频器调节锭子速度优化了纺纱速度，可提高产量8%～10%，是当前行业推行的热点。

图1　A272型并条机SPr自调匀整装置

3.3.4推行自动络筒机变频电机改变络纱速度，可替代防叠装置，改善筒子成形，甚至实现精密卷绕。

3.3.5根据经纱张力的变化，用变速电机自动调整喂入或输出速度，可减少意外牵伸。目前已在精梳机、并条机和粗纱机上应用[3]。

3.3.6控制精梳机分离运动的多连杆行星齿轮等复杂操控为采用伺服变速电机和电脑程序控制的电子凸轮已获成功[4]。细纱机钢领板升降成形凸轮和机构的运动也可由伺服变速的电子凸轮所替代，并已有产品问世[4-5]。

3.3.7在线检测纺纱空压机、风机、水泵的压力、流量、真空度等参数的变化，可通过变速电机根据生产要求自动调整，保持恒量供气、稳压和供水，从而稳定生产，节能降耗。

4电机驱动方式的创新

针对传统纺纱机单台电机驱动的缺陷，新型纺纱机普遍采用多电机、多轴及机电一体化技术，同时减少或去除各类齿轮、链轮、蜗轮、带轮等传动件，推行同步齿形带传动，实现无间隙传动。其优点如下。

a)减少单台主电机传动、多环节转变产生的能耗，降低用电量；

b)实现无齿隙、无缝隙、无打滑传动，基本做到可同时开车和停车，消除开关车不同步产生细节等疵点问题；

c)简化传动结构，减少机件、器材及润滑系统；

d)降低驱动产生的噪声；

e)可实现改变牵伸、捻度、速度等参数，不同调换齿轮或带轮，并实现无级精密调整。

目前，该技术已涵盖纺纱机的各个领域，如特吕茨勒公司推出的TD8型并条机。全机由5台伺服电机组成，如图2所示，全面采用无齿轮齿形带驱动，设置伺服导条架、后牵伸区、主牵伸区3组自调匀整装置和圈条监控器，圈条盘独立驱动还可实现无级

1,3,4,5,7—电机；2—伺服导条架；6—圈条器托盘；8—圈条监控器。图2　TD8型并条机传动

变速调节。

4.2单锭独立驱动和电锭的发展

为了工艺控制和生产自动化及节能需要，单锭独立驱动和电锭的发展是纺机发展的趋势。目前已实现单锭独立驱动的纺纱机有：自动络筒机、并纱机、转杯纺纱机；而采用电锭(锭子与电机一体化)的有倍捻机、环锭细纱机和粗纱机。倍捻机采用电锭后，全机电耗可减少10%～15%[6]；环锭纺纱机采用电锭后好处更多。电锭采用专用无电刷直流电机，其响应速度快，启动转距大，体积小，适宜调整运转，转速稳定，转速不匀率可控制在0.3%以内，适应单锭变速控制和驱动。电锭的捻度不匀率和断头率低，可通过单锭转速检测监控发现转速不正常锭子。分析断头的原因、检测断头率和生产效率、统计产量；若将断头和粗纱自动停喂装置相联锁，可以减少吸棉飞花，更重要的是节电，还可省去滚筒、锭盘、锭子等部件，减小机幅。如果电锭具有控制单锭慢速转动和钢丝圈定位等功能，将为今后研发智能机器人或机械手自动接头创造可能性，还能实现一台车上生产多种异捻纱。有关细纱电锭的介绍可参见文献[7-8]。然而，环锭细纱机电锭还未大面积使用，其性价比有待时间检验。

4.3纺纱机双侧同步驱动

部分纺纱机从20世纪50年代开始，其锭数、眼数不断增加，整机长度也相应加大。如精梳机从6眼扩大到8眼；粗纱机从80锭、120锭增加到600锭；赐来福转杯纺纱机从126锭增加至552锭；环锭细纱机更是从400多锭扩大到1 920锭。锭数、长度增加后最大的优点是节省看机、落纱等的人工以及电耗，收效显著。然而，部分机台原来的驱动方式不能适应纺纱机的新发展，主要问题有车头、罗拉的扭矩、扭振增大和断头增多、条干恶化，易产生规律性机械波纱疵，锭间质量指标变异增加等。其中，超长细纱机和精梳机等出现问题，其他机台也应引起足够注意。

在超长细纱机上，将前罗拉直径由22.3mm、25mm增为27mm，须采用双侧分开同步电机驱动。

精梳机传动复杂且呈周期性变化，惯性力大。当从6眼增至8眼后，扭矩振动明显增大，造成质量、定量、落棉眼间变异增大，为此特吕茨勒公司与丰田公司合作研制的TC012型高速精梳机(600钳次/min)采用了双侧伺服电机驱动，使得分离罗拉的扭矩减少约75%，质量和落棉量差异减少约50%[9]。

4.4双眼自调匀整并条机实现单眼独立驱动

立达公司产的RSD-D24型双眼并条机[10]的前罗拉、导条架、吸风等属单眼驱动，但自调匀整为双眼独立驱动，实现变频控制，既能发挥单眼独立驱动的车速高、效率高、耗电少的优点，又能保证自调匀整双眼独立驱动质量好、投资少的优点，国内也有多家厂商制造类似机型，如TMFD81L型并条机等。

4.5牵伸罗拉独立驱动与产品创新

立达公司产的K44、K45型、青泽产的Zinser351/361型、丰田的RX300型等环锭细纱机均可在牵伸部分选配由3个伺服电机独立驱动的牵伸装置，以方便调整牵伸大小。通过后罗拉周期性变速，可纺成不同粗细、不同长度、有规律或无规律的竹节纱或粗节纱及线密度不同的异号纱(长片段)；通过后罗拉瞬间超喂，即表面速度大于中罗拉速度，可纺成花式结子纱；还可通过一锭喂入两根粗纱的方法，即中罗拉恒速喂入本色纱，后罗拉间隙停顿喂入彩色纱，可纺成各种片段的段彩纱。上述的变速控制可由计算机程序预先设定精准控制。

5结语

传统的纺纱机械驱动技术已不适应现代纺纱生产要求，变频或伺服调速、多电机独立驱动技术的应用，简化了传动结构；电子凸轮、自调匀整、在线检测和监控等各种新技术已在纺机上得到越来越多的应用。纺纱机驱动设备的创新优化，是纺纱机智能化、自动化、机电一体化、数字化的需要，对提高纺纱机生产水平、产品质量、节能降耗、减少用工、降低成本、扩大纺纱品种具有重大意义。

参考文献：

[1] 刘荣清.变频技术在纺织机械上的应用[J].纺织器材，2013，40(3Z)：52-54.

[2] 《棉纺手册》编写组.棉纺手册：第二分册[M].2版.北京：纺织工业出版社，1987：144.

[3] 周建明，顾明，徐凯立，等.变频器在纺织行业应用调查：应用空间待突破 节能前景更广泛[J].变频世界，2012(10)：16-18.

[4] 陈春红，张慧芳，何勇.电子凸轮在高速精梳机上的应用[J].纺织器材，2013，40(4)：48-49，56.

[5] 印度朗维公司.LRS/AX型细纱机样本[Z].

[6] 刘荣清.倍捻技术发展与设备造型[J].棉纺织技术，2012，40(8)：61-64.

[7] 刘荣清.细纱机在线检测和电锭的发展与展望[C]//2012’全国细纱技术研讨会论文集.北京：中国棉纺织行业协会，2012.

[8] 刘荣清.细纱机传动系统的创新和发展[J].纺织器材，2015，42(2)：53-55.

[9] 德国特吕茨勒公司.TD系列并条机，TC012型精梳机样本[Z].

[10] 瑞士立达集团.RSD-D型并条机样本[Z].

TheInnovativeDevelopmentofMotorsPlustheDrivingSystemontheSpinningMachinery

LIURongqing

(ShanghaiTextileEngineeringInstitute,Shanghai200060,China)

Abstract:Introduction is made to the progress of the motors on the spinning machinery.Analysis is done to the problems with the traditional motor and the advantages of the modern motor,and differences and performance of the variable frequency speed control and servo control technology.The application examples illustrate the innovation and development of new motor in electromechanical integration,multi-motor drive,single spindle drive,bilateral synchronous drive and such.Introduction is made to the development and application of new kinds of motor with high production and high quality of products.The innovative development is of labor saving with less energy consumption,high production efficiency and low production cost.

Key Words:spinning machinery;motor;motor-driven spindle;individual drive;synchronous drive;frequency conversion;servo;speed regulation

收稿日期：2015-11-08

作者简介：刘荣清(1934—)，男，江苏无锡人，教授级高级工程师，主要从事纺纱工艺、产品、测试应用方面的研究。

中图分类号：TS103.11

文献标志码：A

文章编号：1001-9634(2016)03-0057-04