刘荣清
(上海纺织工程学会,上海 200092)
•综合述评
棉纺罗拉牵伸的发展和展望
刘荣清
(上海纺织工程学会,上海 200092)
为了优选并创新罗拉牵伸系统,追溯了环锭纺细纱机牵伸系统的发展历程,分析了建国以来牵伸系统在牵伸装置、加压机构、集聚纺装置、罗拉及其传动机构、胶辊、胶圈、胶圈销及压力棒和吸棉装置等方面的发展进步;阐明罗拉牵伸的缺陷,即:摩擦传动滑溜、胶圈内凹、周期性机械波、扭振恶化等;分析取消上胶圈,采用磁力加压装置的现状并进行展望。指出:传统纺织技术应跟上时代发展,积极采用新技术、新工艺、新设备、新器材,实现纺纱技术的自动化、智能化、信息化、数字化和连续化。
环锭纺细纱机;牵伸系统;罗拉;胶辊;胶圈;上销;下销;加压机构;牵伸摩擦;负压;磁力加压
罗拉牵伸系统是环锭纺细纱机的核心和关键部分,其优劣直接关系到成纱产质量、能耗和效益。优选、创新罗拉牵伸系统具有重要意义。
建国以前我国没有完善的纺机制造体系,纺纱主机设备几乎全部依赖进口,以欧美、日本、瑞士为主,机型复杂,设备落后。这一时期,细纱机开始用简单的三罗拉牵伸,其前、中、后罗拉采用自重加压,牵伸倍数约为10倍。20世纪50年代改用胶圈牵伸,前、中罗拉两侧合用黑鱼锤自重加压,以生产中、粗号棉纱为主,双胶圈牵伸有日东式、卡氏式(Casablanca)等,牵伸倍数约为20倍。建国以后,国产细纱机问世,先后生产1系列和A系列细纱机,如1291、1301型,为三罗拉双短胶圈,1292、1302型为三罗拉单胶圈,1293M、1293N、1294C、1294D型为四罗拉长短胶圈。牵伸倍数可达20倍~40倍。A系列(A512、A513等型)细纱机均采用三罗拉长短胶圈,弹簧摇架加压,牵伸倍数最高可达50倍,并适应化纤纺纱。1959年,个别工厂曾采用雷柄林专利——弹簧胶圈销和综合式大牵伸;大跃进时期曾在上海国棉一厂、北纺工厂建立四罗拉超大牵伸试验车间,但均未取得理想效果。文革以后,曾一度开展双短胶圈销的改进热潮,将L型上销改为K2型上销等,取得一定效果。
改革开放以来,我国纺织工业取得了长足进步,制造细纱机的企业已有数十家,机型更多。当前国际通用的弹簧加压、气加压三罗拉长短胶圈等牵伸装置已成为主流,能适应棉、化纤或混纺,长度为65 mm以下的纤维,牵伸倍数一般可达60倍~80倍。国产牵伸系统器材都有很大创新和发展,接近国外一般水平。
牵伸系统泛指罗拉牵伸装置、罗拉加压机构、上下罗拉传动机构、胶辊及胶圈、上下胶圈销、下胶圈张力架、集聚纺附加装置、断头吸棉装置等。
2.1 牵伸装置
摇架牵伸装置主要优点是安装、使用、调整、管理方便,上罗拉(上胶辊、上胶圈)连接在一起,加压、卸压方便,不如日东式将胶圈架骑放于下罗拉颈上,产生因胶圈架磨灭改变前钳口位置高低而导致的一系列问题。此外,采用长短胶圈设计,设置下胶圈张力架,可以保持下胶圈张力,减少上下胶圈的内凹;采用上托式阶梯下销,可强化纤维变速点前移。摇架加压原先存在的上下罗拉平行度差、加卸压不便等问题,通过相应改进,现已解决。为了加强后牵伸区摩擦力场对纤维的控制,使后区牵伸倍数或总牵伸倍数有所提高,可采用V型牵伸,将后罗拉抬高约半个罗拉直径并适当前移,形成后胶辊25°的V形后倾角和后包围弧,对成纱质量有利。
2.2 加压机构
现代牵伸系统淘汰传统的重锤直接加压和横杆间接加压,解决了设备笨重、耗材大、卸压难、管理不便等系列问题。当前主要采用螺旋弹簧加压、空气加压和板簧加压3种型式。
2.2.1 螺旋圆柱弹簧加压摇架
螺旋圆柱弹簧(以下简称圈簧)加压使用最早,推行面最广,结构较简单,售价较低,但弹簧参数如直径、螺距、压缩长度及其材质,摇架轴的高度、角度、罗拉加压后的挠度等均影响罗拉压力大小[1]。因此,易产生锭间压力变异,破坏稳定;弱压力的锭子对产品质量影响很大。此外圈簧占用体积大、产生压力较小;调节压力时,前、中、后区相互影响;压力调整常用色块改变进行微调整,不能单独调节,导致锭间压差大;另外,弹簧易老化、衰退、变形,改进方向为采用直压式可单独无级调整。
2.2.2 空气加压摇架
空气加压摇架(简称气加压摇架)是继圈簧加压摇架后发展的新的摇架加压方式,属软弹性加压,吸振能力强、加压稳定可靠。可方便无级调节加压,满足纺纱要求。其压力变化可定量显示,并能实现半释压和全释压。新型气加压已采用气囊直接加压,早期开关车气压不稳定问题已基本解决;但其结构较复杂,需有一个净化压缩空气的供气系统,包括空压机、储气筒、油水分离器、减压阀、安全阀等,虽供气不多,但耗能不少。每锭投资费用约是弹簧摇架的2倍,总成本较高。
2.2.3 板簧加压摇架
板簧加压摇架开发较早,现已成为成熟技术,国内外均有生产。新型板簧摇架示意见图1。
新型板簧摇架每档胶辊都由一个独立单元组成,压力传递无摩擦损耗,板簧形变产生压力直接施加于胶辊与罗拉,没有横向分力。板簧材质好、刚性大、压力稳定可靠,不易疲劳变形,使用寿命长;在相同压力下,板簧的弹性变形约是圈簧的8%~10%,采用较宽的握持距和精密制造,确保上下罗拉平行度;但调压范围较小,一般设计压力偏大。板簧要求采用特种钢材制做,售价比圈簧摇架超出数倍。
当前,3种摇架各有利弊,但从发展来看,板簧摇架具有较强生命力和发展前途。不论采用何种摇架必须加强管理,扬长避短,定期检查调整,保持良好的运转状态。笔者建议在每锭受力端部加装压力传感器,实现低压显示或报警,确保单锭或每只摇架压力始终处于控制状态。
2.3 集聚纺装置
20世纪80年代研制的集聚纺装置(早期叫紧聚纺装置)是牵伸系统的重大创新,对减少成纱毛羽,提高强力具有良好的效果。现今除中、粗号纱、起绒用纱无需推广外,一般都宜采用。
集聚纺装置型式较多,可归结为负压式和机械式两大类。负压式又有网格圈式、打孔胶圈式和集聚尘笼式3种。网格圈式又分为三罗拉和四罗拉两种,各有特点:负压式原理相同,均是通过吸风装置形成胶圈负压,使边缘纤维以拟定的轨迹向中心集聚,形成结构紧密、毛羽少的细纱。机械式则通过磁力加压全封闭集束器实现集聚效果,集束器底面形状与前罗拉表面相吻合、无间隙,在无牵伸区逐步收缩须条形成紧密纱。机械式集聚纺装置结构较简单,但不适合特细号纱使用,其以瑞士罗卡斯(Rocas)为代表,国内华裕纺机有限公司[2]、宜兴贝特尔纺织机械有限公司也有类似产品[3]。
集聚纺装置仍有发展和改进的空间,有关研究资料较多,这里不赘述。
2.4 罗拉及其传动机构
罗拉及其传动机构数十年来取得了很大进步。首先,为了适应重加压、高负荷运转,罗拉直径从早期22 mm、23 mm加大至25 mm甚至27 mm,目前,青泽(Zinzer)、马佐里(Marzoli)罗拉直径为30 mm。老机每节罗拉锭数一般为8锭,为了减少每节中间锭子加压后,后罗拉挠度加大,对罗拉加压、弯曲的影响,国内新机已改为6锭,但国外细纱机仍保持8锭。而为减少须条无捻包围弧,罗拉座已从早期35°改为45°。
当代细纱机由于材质改进,制造工艺、热处理方法等的进步,罗拉弯曲、偏心减少,不少企业已能制造高精度无机械波罗拉,如常州同和纺机等,为罗拉增速、加长、防振创造了基础。多锭长车对提高劳动生产率、降低成本、增加效率极为有利,目前青泽公司的Zinzer72型细纱机锭数最多,已达3 016锭,据介绍成本可减少11%,长车对罗拉要求较高,否则容易产生断头和锭间质量变异,必须采取车头、车尾两侧罗拉同步驱动;而丰田长锭细纱机则采用头、中、尾3处同步驱动。
新型细纱机配置三根罗拉,分别用伺服电机独立驱动,通过电脑对后罗拉速度进行调整,生产粗节或粗细节竹节纱、异号纱;通过对中罗拉速度的控制,实现停、开或变化,用两根异色粗纱可生产各种款式的彩纱,国内外企业都有研制可供用户选配。罗拉单独传动还可做到无级调节线密度偏差,而无需调节,并节省能耗,减少罗拉扭矩和扭振。
细纱前后罗拉有直齿、斜齿(螺旋形)两种,沟槽的齿形有等节距和不等节距之分,可按加工纤维选用。笔者建议制造人字形沟槽罗拉,以确保纤维在沟槽表面中间输出。
2.5 胶辊与胶圈
胶辊即牵伸上罗拉,早年称“皮辊”,用高档小牛皮作表层,内衬纯羊毛呢套与铸铁心轴胶接再上胶而成,工艺复杂、保养困难,成本高且易损坏。20世纪50年代后期试用聚氯乙烯管材套制,表面上胶,但寿命不长,易磨损中凹;80年代改用丁腈胶代替,并使用小套差、铝衬管等工艺,胶辊轴承从滚动轴承改为滚柱轴承;表面处理也从酸处理、生漆处理改为碳黑处理、抗静电涂料处理等;21世纪由丁腈橡胶和金属氧化物交联加抗静电型增塑剂制成的免处理或微处理胶辊,已扩大使用,效果良好。
胶辊要求有较好的弹性和回弹性,较小的变形量和较大的握持力,但这些要求互相矛盾。有企业将胶圈铁辊(中铁辊)用直径相同或稍大的中胶辊代替,可增加握持力,减少滑溜,对条干有利。
绪森公司推荐采用不同弹性体组成的夹层式胶辊,能提高耐磨性,增加使用寿命。我国近期有聚氨酯胶辊面世,其特点是弹性好,但耐磨性、摩擦性能尚待考验。
胶圈也是由皮圈发展而来,目前由丁腈橡胶和帘子线构成。内层为压缩层,与胶圈销接触,要求光洁,不粘附纤维,抗张力和抗弯曲性能好,不易老化且耐油污,抗静电和缠绕。中层为强力层,要求不变形,耐撕裂,尺寸稳定。
喷气涡流纺、赛络菲尔纺因无横动装置,对胶辊胶圈耐磨性提出更高要求,胶辊制造企业应研制新的高分子材料。
2.6 胶圈销和压力棒
近年来国内已研发多种型式的碳纤维上销,保持上下胶圈有效地接触,增强对纤维的控制,改善上销前沿与中下罗拉的平行度。也有制造厂将上销加长3 mm~4 mm,称大前冲上销,以减小牵伸浮游区长度,对纺纯棉条干有利。新T形下销将平面宽度由8 mm改为5 mm,厚度从3 mm减为2 mm,加强中部摩擦力场,对改善条干,减少细节有利[4]。
牵伸区附加压力棒是我国的创举,可以附加摩擦力场,减少对牵伸不利的罗拉反包围弧,加强对纤维的控制,使变速点集中和前移,对纱线条干有益;但必须强调的是,压力棒安放位置要适当,高低要统一,否则会造成锭间牵伸效率不一致,甚至出现硬头致使条干恶化。压力棒安装形式[5]有前区和后区两种,前区上销带压力棒、下销带压力棒等。德国绪森公司采用压力棒与隔距块镶嵌组合在一起的形式,见图2。
2.7 吸棉装置
细纱吸棉装置影响断头、飞花、纱疵、用电、落棉及操作劳动强度等,是牵伸系统的重要器材。传统车间的集体吸落棉装置因其耗电量大,开关车不同步,断头不易控制,一旦有火患,容易波及相邻机台等原因,已基本淘汰。现代细纱机采用单电机驱动,吸棉箱安装有负压自动控制系统,可自动报警及时处理落棉,保持吸口真空度基本稳定,提高吸棉效率,长车推行车前、车后单独配置吸棉系统,以节省用电,提高吸棉效率。有报导称,青泽1 200锭长车细纱机老机车头用1台10 kW吸棉电机,现车头、车尾改用两台2.2 kW吸棉电机,可节省用电约50%。
值得推荐的是瑞士立达(Rieter)公司发明的获国家能源奖的新型Ecorized吸棉管[6]。其外形和效果见图3和图4。它设计巧妙,正常纺纱时吸棉管开口较小,不断头时单锭吸棉功率可降低50%(3.5 kW),断头后开口放大,正常吸棉,还可优化设计与吸棉变频电机结合控制,效果更显著。
罗拉牵伸已存在近百年,是成熟的牵伸方式,特别适合纺制细特和特细线密度产品,存在主要问题是条干不匀,与自由端纺纱的转杯纺、喷气涡流纺、摩擦纺等有差距。根据Bruk/Trommer的研究,转杯纺的条干不匀率是同类环锭纺的75%[7];历届USTER统计值可知,转杯纺纱与环锭纺纱同类产品条干CV值的比较也可明显看到这一点,分析主要原因有以下几点。
3.1 上下罗拉摩擦传动存在滑溜和胶圈内凹
双胶圈装置摩擦传动上罗拉和上胶圈,在传递点产生一定程度的摩擦损失,必然产生一定的滑溜[8]。在牵伸区无纤维时也会产生滑溜,据测试其滑溜率在4%~10%,纺纱时,在牵伸力作用下,滑溜变异更加明显。图5~图8分别比较有无纤维、上罗拉加压、下罗拉表面状态、后牵伸倍数大小对滑溜率的影响。图中OH62、OH2022表示两种SKF胶圈架。
由此可见,纤维有无、上罗拉加压、下罗拉表面状态、后牵伸倍数大小、牵伸力大小等均影响胶辊和胶圈的滑溜和牵伸效率。
在纺纱状态下,前中、中后会有两个牵伸力。牵伸力大有利于纤维在牵伸中伸直平行度的提高和弯钩纤维的伸直,对成纱强力有利;但在罗拉握持力不足的情况下,后区牵伸力过大会使后胶辊前向滑移、后胶辊增速,后牵伸倍数减小,纺纱效率降低,线密度增大,重量不匀率加大,甚至出现出硬头、断头、纱疵增加等。前区牵伸力加大会造成前胶辊后向滑移,转速减小,同样出现上述问题。此时若将前后区隔距放大,后牵伸加大(远离临界牵伸),前钳口隔距片加大或减小粗纱捻度等都可以减小牵伸力,减轻或消除不良影响。胶圈(中罗拉)加压后,一般因握持力较大不易产生转速变异,出硬头时条干CV值往往变化不大,但粗节明显增加,成纱强力反而增加。唯一可靠的解决牵伸力过大、上罗拉过度变异的方法是增加中、后罗拉加压,提高握持力,但会增加罗拉负荷,产生一系列问题。
由此可见,胶辊、胶圈摩擦传动产生的滑溜问题是罗拉牵伸的主要症结。
此外,尽管采用上托和下压等措施,摩擦传动形成胶圈松边侧内凹也是不可避免的。内凹产生摩擦力场的不足,会形成对牵伸须条的弱控制,增加条干不匀。
3.2 罗拉、胶辊偏心、弯曲、变形恶化条干不匀率
上下罗拉偏心、弯曲和变形,均会使罗拉对纤维握持点前后移动,从而使罗拉输出长度发生瞬时或周期性变化,虽然握持点移距不大,但对每一回转罗拉或胶辊而言,足够导致条干不匀率加大。胶辊变形后可缩短浮游区距离,改善条干不匀,纺棉效果较显著。因此,采用低硬度胶辊可弥补变形造成的附加不匀,但胶辊硬度太小,胶辊加压后形成准椭圆形状态。胶辊一转可产生两个粗节和两个细节的典型波谱图,对条干极为不利[9]。除上面形成握持点移动的不匀外,还会形成微观的转速和线速度变异,造成微观的牵伸倍数周期性变化,使条干不匀。
3.3 罗拉、胶辊动态偏心、弯曲形成周期性机械波
环锭纺罗拉、胶辊最常见的周期性机械波及其条干不匀率与动态偏心、弯曲程度、罗拉转速、罗拉挠度、润滑状态呈正相关,一般有规律性,对成纱和后加工产品危害最大,而这些在自由端纺纱中一般不会出现。
3.4 后罗拉扭振恶化致条干不匀
后罗拉扭振形成的原因比较复杂,它与罗拉加压太重、扭矩过大、罗拉长度过长、罗拉摩擦阻力过大、纤维牵伸力过大和罗拉轴润滑不良等有关。在纺差别化化纤和中粗号纱时更容易产生;严重时可目测车尾后罗拉间隙抖动和停顿,造成条干恶化和纱疵,甚至罗拉接头处松脱等。
4.1 牵伸装置改进
基于胶圈摩擦传动的多种缺点,笔者认为取消上胶圈对消除条干隐患是有利的。20世纪80年代上海部分工厂曾做过无上胶圈牵伸试验,条干有所改善,但牵伸力降低,使成纱强度降低。2012年程登木先生创制的JF-120型聚纤纺细纱牵伸系统[10],也是去掉上胶圈,下胶圈与集聚纺相似,通过负压网格圈和控制棒实现对须条的变细控制,使纤维的变速点更靠前、更稳定、更集中。据介绍成纱条干显著改善,可低于USTER统计值5%的水平,毛羽也有所减少。该装置在网格圈上置放压力棒,可加强纤维的摩擦力场,保持一定的牵伸力;较彻底地解决了双胶圈内凹和牵伸力过大,导致胶辊滑溜问题。该装置在2012年上海国际纺机展运行正常,但现场飞花较多,须条有跳出压力棒的问题,成纱强度也有所下降。笔者认为可参考并条机牵伸装置,加装下压式回转压力棒,适当提高牵伸力,并研究网格圈吸口截面形态,优化牵伸变细曲线。2015年国际纺机展,南通金驰纺机也有类似装置展出,取消了上胶圈并简化牵伸机构,可节约用电;为了减少毛羽并增加强力,可在此基础上在前区加装类似RoCos磁力加压集棉器。当前该改进还不够成熟,但方向可圈可点,有待业内有兴趣人士进一步研究。
牵伸系统条干的改善,为扩大牵伸倍数创造条件,为前纺加重定量,甚至实现棉条喂入的超大牵伸创造条件,具有重大经济意义;至于取消上胶圈后纱线强力略为降低,可采用适当增大牵伸力,增加纤维伸直度来补偿,况且强力问题不是当前需要关注的主要问题。
4.2 牵伸加压的改进——磁力加压的可行性
磁力加压是一种新型加压方式,它利用磁体产生的磁力线在上下罗拉间构成的回路产生吸力,实现加压效果。磁力仅存在于上下罗拉间,下罗拉承受的荷重仅是上罗拉的荷重,因此无需复杂的加压结构,罗拉、轴承、机面受力大幅减轻,从而避免重负荷带来的机械磨损、罗拉弯曲、变形、扭振、机架要求高、耗电大等一系列问题。磁力加压在20世纪80年代初期,一度用于细纱机后上罗拉,称之为磁性大铁辊,其不足之处是上下罗拉的压力会随其间隙的加大而降低,当喂入粗纱定量大时,压力会减小,不符合纺纱工艺要求。此外,由于当时磁体材料易损坏,磁力易衰退,需定期充磁等问题,导致磁力加压技术停滞。
随着计算机信息产业、航天航空、新能源、军工新电机等前沿科技的发展,磁性材料获得惊人的突破,稀土永磁材料已成为当前的主体,早年用作大铁辊的钡铁氧体、锶铁氧体已趋淘汰。稀土永磁钐钴(SmCo)永磁体和钕铁硼(NdFeB)永磁体磁能积在27 Goe~50 Goe,被称为永磁王。它比20世纪90年代使用的磁钢的磁性高100多倍,比铁氧体、铝镍钴磁体性能优异很多,比铂钴合金的磁性还高出一倍,新型稀土永磁材料的发展为磁力加压奠定了基础。
磁体的性能指标有:磁感应强度、矫顽力、最大磁能积等。磁体的材料已从原先粉末烧结发展为合金和陶瓷镀层等多种。
纺纱四种加工型式与胶辊间隙的关系曲线如图9所示[11]。
由图9可见,如果工作间隙在A点以上,磁力加压的压力也有足够保证,新的永磁材料使A点不断上升,使磁力加压的可靠性更高,从而代替其他加压方式。目前,磁力加压因永磁材料价格高、产量低受到限制;但随着科技发展,这种现象必将改变,在纺织行业扩大使用,前景看好。现今磁力加压已用于RoCos集聚纺集束器、织机磁力引纬器等,笔者建议大力研发牵伸系统的磁力加压,尽早摆脱细纱机“重负荷”的局面。
5.1 追溯环锭纺细纱机牵伸系统的发展历程,有利于创新发展。棉纺牵伸系统自建国以来成绩不小,但至今还未摆脱学仿模式,缺乏品牌产品和创新动力,自主知识产权产品不多。
5.2 目前牵伸装置、加压机构等存在多种型式,应容许其在发展中成长、改进、竞争、淘汰。遗憾的是,双胶圈牵伸装置数十年来并未有大的发展。
5.3 纺织技术应适应时代的发展,应大力采用新技术、新工艺、新设备、新器材,实现自动化、智能化、信息化、数字化和连续化。
5.4 应积极支持研发无上胶圈负压引导的新型牵伸装置和稀土永磁材料的新型磁力罗拉加压机构。
[1] 刘荣清,李学成,吕德根.摇架加压机构的发展和展望[C]//“经纬股份杯” 2007年全国环锭细纱机科技创新及纺纱器材、专件应用技术交流研讨会论文集.咸阳:全国纺织器材科技信息中心,2007.
[2] 绍兴华裕纺机有限公司.产品说明书[Z].
[3] 宜兴贝特尔纺织机械有限公司.产品说明书[Z].
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[5] 刘全新,刘宁,宁焕英.现代细纱牵伸机构利用压力棒的回顾与探讨:兼析压力棒的多种定位方式及特点[J].纺织器材,2014,41(3):47-56.
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[9] 刘荣清,王柏润.棉纺试验[M].北京:纺织工业出版社,1981:227-228.
[10] 程登木.略谈JXF-120型聚纤纺细纱机牵伸系统[C]//“经纬股份杯”2012’“强专件、促设备、为行业”技术进步和创新经验研讨会论文集.咸阳:全国纺织器材科技信息中心,2012:78-83.
[11] 中国纺织大学棉纺教研室.棉纺学:下册[M].2版.北京:纺织工业出版社,2001:189-190.
The Development and Prospect of Cotton Rollers
LIU Rongqing
(Shanghai Textile Engineering Assn.,Shanghai 200092,China)
To select and innovate the drafting system, the history of ring spinning frame drafting system,and the progresses of drawing device,pressure mechanism,compact spinning device,roller and its transmission mechanism,cots and aprons and apron pins and the pressure rod and a suction device and such since the founding of new China are reviewed with the description of the defects of drafting including the friction drive slippery and aprons in concave and periodic mechanical wave and torsion vibration deterioration.Analysis is made on the current status and prospect of replacing top apron with the magnetic pressure device.It is pointed out that the traditional textile technology should keep up with the times in new technology,new equipment,new accessories for the automation,intelligentization,informationization,digitalization and continuous operation of spinning technology.
ring spinning frame;drafting system;roller;cot;apron;top apron;bottom apron;pressurizing mechanism;drawing friction;negative pressure;magnetic pressurizing
2015-04-28
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、产品及测试应用方面的研究。
TS103.11+4
A
1001-9634(2016)06-0052-06