超长车细纱机锭子传动系统研究

田克勤

(经纬智能纺织机械有限公司，山西 晋中 030601)

0 引言

目前，纺纱厂常规配台为多台细纱机匹配1台络筒机，纱管和满管纱通过人工运输到对方机台完成循环。细络联是1台细纱机匹配1台络筒机，纱管和满管纱通过凸盘完成自动输送，纱线在运输环节无人为损伤，是生产高品质纱线的必备配置，随着纺织工业的升级换代，细络联可能会成为纺织企业发展的一种标准模式。但络筒机价格昂贵，头数越少价格越贵，制约了其推广。面对市场需求，络筒机制造商努力降低单头成本，细纱机制造商发明了超长车，以增加细络联时络筒机头数，降低投资成本。

1 细纱机超长车的概念

按长度分，细纱机可分为短车、长车和超长车。一般来讲，单台细纱机锭数不大于624锭的为短车，624锭～1200锭的为长车，超过1200锭的则为超长车。超长细纱机一般设计达1824锭，生产个别品种时可扩展到2016锭。细纱机是非常复杂的机械产品，在狭小的空间内要实现粗纱准备、牵伸加捻、升降卷绕、自动落纱等一系列动作，且多锭重复，其一致性必须要好。短车到长车、长车到超长车不是简单的锭数复制增加，而是革命性的变化。

2 超长细纱机锭子传动

2.1 优选锭子传动方式

以1824锭超长细纱机为例，以常规锭距70 mm计算，在全车中段长度近65 m、总长约为70 m内，1824套锭子的步调必须一致。目前，细纱机锭子传动方式主要有2种，即龙带式和锭带式。龙带式是所有锭子使用1根龙带带动，龙带由多个电机驱动，一般96锭配1台功率为7.5 kW的电机，而龙带设计有张紧机构，每2套锭子配备1个龙带压辊，锭子沿龙带切向传动。锭带式则设计有1根从车尾到车头的主轴，主轴上安装有滚盘和张力机构，每个滚盘通过1根锭带传动4套锭子。

龙带式整机为1根龙带，长度为150 m，一旦损坏需全机停车，损失大，更换工作量也非常大，且龙带价格较高；龙带由多个小电机驱动，但小电机的功率因数和效率比大电机低，故传动能效较低；龙带与锭子沿切向传动，包裹面很小，故需要的侧压力很大，不利于节能，且对锭子损伤大，对电机轴的压力大，影响电机的使用寿命[1]。此外，龙带式为多电机接力传动，若单个电机失效难以发现，会造成龙带的急剧磨损；张力辊数量多(2锭1个，全车至少为954个，且电机转向处张力辊转速高、侧压大、寿命短)，损坏后更换工作量相当大。

锭带式是1根锭带传动4套锭子，若锭带损坏只停对应的4套锭子，且更换方便无需停车，产量损失极少，锭带价格低廉；细纱机一般采用1台大功率主电机驱动，能效高、节能；锭带与锭子包角达90°，锭带张力低(仅为5 N)，锭子寿命长、能耗低；采用主轴支撑，每36锭1个主轴轴承，全机仅有51个，4锭1个张力辊共456个，即总数量为507个，负载轻，在确保加脂条件下，使用寿命很长。因此，细纱机锭子传动优选锭带式。

2.2 主电机功率设计

超长车最大的特点是长、负载大，故所需主电机功率大。分析工况发现，需重点设计和解决6个问题：① 主电机功率；② 主电机到主轴的传动、主轴与尾轴的联接；③尾轴的结构；④主轴的结构；⑤ 校核承载力和解决热伸长；⑥ 主电机的散热。

随着纺织器材专件质量的提升、人工成本的增加，用户对细纱机高速的追求越来越高，平均锭速从10年前的14 kr/min到现在的18 kr/min，高速用户可达20 kr/min～21 kr/min；10年后的目标平均锭速可能为20 kr/min，高速用户可达22 kr/min～24 kr/min。因此，超长车细纱机的设计必须满足未来发展需要。当前1200锭细纱机高速时需55 kW主电机，用类比法计算，则1824锭细纱机需功率为83.6 kW，考虑未来22 kr/min～24 kr/min的锭速目标，18锭盘时对应电机最高转速为1.8 kr/min，故主电机功率需按90 kW设计，对应的主电机机座号为280。细纱机主电机设置在车尾，由于两侧锭子中心距为700 mm，受集体落纱装置限制车尾宽度不能超过600 mm，高度也有限，故普通电机无法安装，所以必须设计高功率密度电机，即把90 kW的电机做到250机座号内。经专业电机厂技术攻关，该问题得到较好解决，电机的布置问题得到落实。

3 主电机到主轴传动分析

尼龙片基高强度传动带(即平皮带)，因其大张力张紧，起动、刹车时允许少量打滑，安装要求较低，传递功率大，故在细纱机长车上普遍采用。细纱机的另一种传动方式为直联，如双张力盘机型，主轴和电机同轴，通过轮胎式弹性联轴器直联；该结构两轴弹性联接，安装要求低，缺点是主轴低，电机不好布置，仅能用于双张力盘机型，无法用于国内大量使用的单张力盘传动。第三种方式为同步带传动，普通同步带传递功率不足无法使用，需选用高强度同步带；同步带方式对安装要求较高，使用时必须解决安装对正问题。此外，其他传动方式如液压耦合器、链条等受结构、成本等限制未在细纱机上使用。

根据上述功率需求，计算平皮带传动结果如下：

电机功率P为90 kW，转速n为1.8 kr/min(变频运行到60 Hz)。

设计功率Pd=K0×P=2.0×90 kW=180 kW(交流电机驱动，24 h工作，使用系数K0取2.0)。

参看哈伯西(Habasit)传动皮带选用手册，小带轮直径为355 mm，空间结构不允许，故该方案不可行。

根据转速和设计功率，依据HTD同步带选用手册，确定选用14M型同步带。根据设计功率，参照14M型同步带带轮选用手册，确定小带轮齿数为42齿，采用1∶1传动，从动带轮也选42齿，带宽为85 mm，带轮结构和宽度可满足空间设计需要。

综合考虑各方面的利弊，超长车细纱机优选高强度同步带传动。

4 尾轴结构设计

尾轴指与电机直联或通过皮带传动，且与中间主轴同轴直联布置在车尾的一根轴，需由此传递电机功率，故而尾轴受力大、转速高，属于故障多发点。经过反复分析对比，优选设计出一种尾轴结构，采用整体式轴承座，即尾轴头、尾两端的支撑在同一个轴承座上，靠加工保证2处支撑的同轴；设计组合式轴承支撑，在皮带盘侧设计用滚子轴承承受皮带的径向力，配合球轴承实现轴向定位，内圈过盈配合热装配、外圈轴向压紧彻底避免跑外圈问题发生；轴的另一侧受力小，设计为小型的滚子轴承，轴向游动、内外圈分离，易于装配。此外，该处设计为油浴润滑，润滑良好、热量易于导出[2]。经试验证明，该尾轴结构使用效果非常好，如图1所示。

图1 尾轴结构

5 主轴结构设计

5.1 主轴扭转切向应力计算

主轴要满足扭矩要求，初选主轴直径为45 mm。一般情况下，高速时功耗最大，取锭速为24 kr/min，电机转速为1.8 kr/min时，电机功率为90 kW。

查阅机械设计手册，45钢的许用扭转切应力为25 MPa～45 MPa,计算得26.2 MPa，满足使用要求。

5.2 主轴热伸长计算

安装时环境温度为20 ℃，运行时车间温度为30 ℃，此时主轴温度约为35 ℃，轴承处约为45 ℃，取平均值为38 ℃，温升为8 ℃，查机械设计手册的45钢材料线膨胀系数αl=11×10-6mm/℃，故热伸长为5.72 mm。

通过计算可看出，主轴热伸长达6 mm，必须解决此问题。将超长车主轴分成2段，中间设计游动联接，使主轴能释放伸长量，头、尾两端也布置成可游动结构。这样1根65 m长的主轴分成32.5 m长的2根，把主轴的轴向约束点设计在每根主轴中间，当受热时主轴从中间向两侧热伸长，此时每段的伸长量为3 mm，轴承座设计满足3 mm游动即可。经过试验验证了该方案的可行性。

5.3 主轴与尾轴联接

主轴尾段需承担的热伸长为3 mm，故该段不能固定死，主轴尾段安装在中墙板上，尾轴安装在车尾框架中，二者的同轴对接难度很大，在集落时车尾受气架升降和里外摆反作用力的作用，约有2 mm的晃动，即主轴尾段与尾轴间轴向有2 mm晃动。综合以上因素，此处须采用弹性联接，给主轴热伸长空间，弥补同轴不足，应对集落时的晃动。

6 电机散热

一般纺纱环境温度为33 ℃，部分高温地区企业在无空调情况下运行，车间温度可高达45 ℃；主电机布置在车尾，空间狭小、皮带传动、发热量大。电机散热方法有：① 电机自带风扇散热，采用纺织专用风扇罩避免纤维堵塞，同比普通电机加大风扇流量；② 利用吸棉风机吹电机和皮带，强化散热；③ 利用集聚纺风机吹电机、皮带，再次强化散热；④ 确保地排排风量，把热空气即时排走；⑤ 宜选用水冷电机，强制热循环。

7 结语

7.1细纱机锭带式传动是1根锭带传动4套锭子，更换方便无需停车，产量损失少，价格低廉，能效高,使用寿命长，因此，细纱机锭子传动优选锭带式。

7.2细纱机主电机设置在车尾，受车尾宽度和高度的限制，普通电机无法安装，故必须设计高功率密度电机；综合考虑平皮带、直联和高强度同步带各方面的利弊，超长车细纱机应优选高强度同步带传动；通过计算可以看出，主轴热伸长达6 mm，将超长车主轴分成2段，中间设计游动联接，使主轴能释放伸长量，头、尾两端也布置成可游动结构，且把主轴的轴向约束点设计在每根主轴中间，可很好解决热伸长问题；主轴与尾轴的联接处须采用弹性联接，给主轴热伸长空间，弥补同心不足，应对集落时晃动问题。

7.3深入研究超长细纱机的锭子传动系统，可帮助研发人员和使用维护人员认识好、使用好超长细纱机，为广大同仁提供理论支持，为细络联时代提供更好的配置，对中国纺机影响深远。