我国细纱长车智能化路径的探讨

缪定蜀 刘国卫

（1.苏州市纺织工程学会，江苏苏州，215004；2.亚太健康防疫实业有限公司，江苏苏州，213100）

世界第四次工业革命的浪潮已经掀起，以网络化、信息化、智能化为主导的技术革命如火如荼开展，纺纱装备实现智能化既是纺机设备发展的必然趋势，也是纺织企业现代化的重要标志。细纱作为纺纱流程的重要工序，国产细纱长车智能化取得初步成效，但与世界先进水平相比仍存在一定的差距。本研究就细纱长车智能化这一议题进行探讨。

1 国外细纱长车的最新技术动态

当今全球纺机制造企业都在关注数字化、智能化，并加速持续推进。国外有代表性的细纱长车（超过1 200锭）在国内使用较多的有欧瑞康公司Zinser360、Zinser351型细纱机，瑞士RIETER公司G32、G33、K44、K45型细纱机，日本TOYOTA公司RX240、RX300E型细纱机，印度朗维公司IR60/AX型细纱机［1］。其中，在国内展出的Zinser72型细纱机锭数达2 016锭，该 机 型 生 产JC 14.5 tex纱时实开锭速25 000 r/min，配有可节约能耗的吸风系统以及自清洁系统，独创的抓手与安全膜和独立的气压系统相互分离，不会因落纱故障造成整机停车。国际先进细纱机已经初步实现智能化、数字化、网络化、低能耗，大致有以下优势。

1.1 纠错修正软件运用

德国欧瑞康巴马格公司将纠错修正软件用于工艺监控的工厂操作中心（POC），能够对现有生产数据进行核对、修正并使用。同时，根据机器数据库提供的参数设计，用于识别错误模式或偏差，以及提供诊断支持、预测性维护并帮助人工进行工艺优化。

1.2 柔性接头机器人

在2019年西班牙巴塞罗那纺机展上，瑞士RIETER公司正式推出可以实现细纱自动接头的智能机器人，机械手完全模拟人工，实现拔管、找头、穿钢丝圈、穿导纱钩、柔性接头等一整套动作循环。

1.3 超长与超高速

在2019年西班牙巴塞罗那纺机展上，西班牙卓斯特公司、日本TOYOTA公司分别展出最高锭速达40 000 r/min～50 000 r/min的纺纱设备；在印度市场，瑞士RIETER公司的K系列集聚纺纱机实开锭速22 000 r/min～25 000 r/min，且在保证质量前提下，千锭时断头控制在20根以内，可降低吨纱成本。印度朗维公司展出至今最长为2 400锭的超长四端驱动细纱机，开车稳固不振动。

1.4 全新数字化平台与预见性维护

在2018年中国国际纺织机械展览会暨ITMA亚洲展览会上，瑞士RIETER公司推出全新数字化平台，4种新型环锭纺长车及集聚纺长车均配置电子牵伸与单锭监测，用户只需通过点击操作就可完成对纺纱企业的运营和控制；UPtime系统为纺纱厂设备维护保养增添了智能化元素，基于实时监测的参数和大数据分析，该系统可自动提取影响设备性能的数据，识别差异和产生的原因，并提示由此可能会出现的潜在问题甚至故障，实现预见性维护。

1.5 能耗低于国内同等机型

由于细纱能耗占整个纺纱过程的50%～60%，其中锭子驱动占80%左右。瑞士RIETER公司生产的细纱长车通过选用高效IE4永磁主电机，LENA节能锭子（17.5 mm锭盘）等措施，可做到高速低能耗。据了解，K47型集聚细纱长车采用双侧吸风结合气流导向控制元件，可节约高达80%的集聚能耗，在确保每个锭子的集聚负压时单锭功耗不到1 W。对于环锭纺细纱长车同样如此，江阴某纺纱企业采用G32型（1 440锭）细纱机生产18.5 tex纱时［2］，全年可节约电费支出484万元。其中，仅细纱机采用高速节能锭子，同等条件下可节电约15%。

1.6 质量追踪处理

多年前，国外细络联就拓展了逐锭质量跟踪的功能，可将自动络筒机上发现的坏纱（毛羽多、粗细节、卷绕成形不良等）跟踪到细纱机具体的锭位上。通过对每个锭子编号，形成络纱与细纱质量跟踪体系，快速发现有问题的细纱，并加以应对解决，减少坏纱及浪费［3］。

2 我国细纱长车智能化现状

2.1 起步晚发展快

我国细纱长车自动化及智能化推广发展迅猛，早期纺纱企业使用有代表性的细纱长车机型有 F1510型［4］、F1520型［5］、JWF1532 型、EJM128JL型、TH598J型、ZJ798型、BS588型、SXF1599A型、TM5263E型、DTM139型等。部分集聚纺集落细纱长车已经采用数控电子牵伸，伺服电子升降，每根主轴由双轴承座支撑，全加工的联轴节联接，提高了主轴传动精度，钢领板、导纱板两路升降单独传动，提高了运行可靠性，在控制面板上设有工艺参数显示、故障提示及操作调整菜单显示。

在2018年中国国际纺织机械展览会暨ITMA亚洲展览会上首推的JWF1589E型高速智能细纱机，拥有经纬“9+1”智能系统，采用数控全电子纺纱，配备纺纱工艺专家系统、单锭检测系统、粗纱停喂系统、智能联网系统。特别是JWF1580型超长智能型细纱机突破了9大技术难题：1 824锭超长高速机架技术、超长电子加捻/牵伸技术、超长快装技术、罗拉超长长径比传动技术、锭子罗拉同步控制技术、超长负压均衡技术、超长精准快速落纱技术、节能双侧工艺吸棉技术、智能化纺纱控制。该机得到市场高度认可，可减少占地面积20%，降低吨纱能耗15%，节约安装时间30%，设备运行稳定可靠、故障率低，留头率达99.4%以上，拔管率达100%，已在国内外销售300多台。

此外，太平洋机电（集团）有限公司、江阴华方新技术科研有限公司独辟蹊径，研发的单电机智能驱动锭子，其创新点是电机轴与锭子合一或者电机轴与锭子分离，其中需要攻克的是如何校准锭子实现“三心”合一，以及细纱接头时如何控制电锭的运转等。

2.2 智能化推行总体上尚低

从整体上看，由于我国细纱长车起步滞后发达国家几十年，加上信息化进程没有达到预期效果，在智能化实际运用现状中，多数处于逻辑化及程序化阶段，还没有实现真正意义上的智能化。真正智能化的细纱机必须强化融合自动化与信息化元素至每个单元，通过采集系统把所有传感器（收集断头、空锭、温度、能耗、压力、张力、振动等参数）数据进行处理，利用无线射频技术实时采集生产线上数据，通过RFID对每个工人、每个工序、工时进行评估。对生产进度、过程进行有效监管，找出生产瓶颈，解决生产问题，部署更高层次质量控制及在线检测；利用物联网技术、无线网络技术组网连接，嵌入式系统采集生产工艺数据并发送到服务器，设备监控技术和数据分析加强信息管理和服务，达到自感知、自学习、自分析、自决断、自修复、自适应协调的境界，减少人工干预，提供准确生产数据，实现工业4.0升级。

2.3 器材维护周期偏短

我国从“十三五”开始实施产业转型，由于产品档次普遍不高，多以中档为主，在材质、耐磨性、使用寿命上不能适应高速、免加油、少维护、长寿命的要求，只好通过严格维护管理周期（较短）来保证产品质量，风险较大。而国外器材使用周期按年更换，电机、轴承5年免加油，锭子1年加油，钢领使用可达5年以上甚至10年。在用工紧张、成本日增的情况下，以增加工作量来保证质量的思路，不仅造成停台时间增加，生产效率降低，实际产量减少，而且还会造成生产管理混乱，经营成本增加，与智能化推行进程不匹配。

2.4 机械效率尚需提高

国产细纱长车型号较多，以2011年生产的DTM139型细纱机（1 200锭）为例，落纱总时间一般超过4 min，留头率实际在95%左右，而G32型细纱机有1 440锭，落纱时间不超过2.5 min，落纱后留头率达到99.5%以上。两者差距明显，故障率是因素之一。经过近几年设备结构优化，器材及部件优选，尤其钢领板升降采用电子凸轮和螺杆积极式升降，解决了传统锭带易黏花、钢领板与叶子板走动、钢领板打顿及抖动等难题，从而减少了细纱断头，管纱成形一致，适应了络筒高速退绕。另外，落纱部件如抓管器气囊、输送带的钢带、托盘、气缸等外购件质量按照高品质设备要求配置，落纱时间控制在3 min左右，但留头率仍在96%～98%波动。因此，机械效率与智能化改造要匹配、同步才相称。

目前JWF1580型超长智能型细纱机突破了1 824锭超长高速机架技术、电子加捻/牵伸技术、节能双侧工艺吸棉技术、智能化纺纱控制等多项关键技术，留头率达99.4%以上，达到国际先进水平。

3 细纱长车实现高端智能化的必要条件

3.1 信息化与网络化是智能化的基础

5G+ABC（5G技术与AI人工智能、Big Data大数据与Cloud云计算融合）时代的到来，意味着没有信息化与网络化就没有真正意义上的智能化。我国细纱长车由于历史积存的短板，运行效果不太理想，加上纺纱企业以中小企业居多，多数尚未实现信息化及数字化转型，必须加快补上智能制造这一环节。在细纱主机辅机信息化、智能化应用方面，加大对传感技术和网络技术推广运用，主机生产企业配合纺纱企业升级改造，除了增加机与电的运行监控信息采集、信息联网、同类机型集中控制外，还包括5G在纺织上的推广运用，数字化、网络化各类软件整合完善，即制造执行系统（MES）、企业资源计划系统（ERP）、基于信息物理系统（CPS）全过程互联互通系统及智能可视化用户交互交易系统与平台。

现有在用的细纱长车改造较为迫切的是通过MES系统整合细纱产量、品质、物耗、能耗、人员、成本的量化管理及动态跟踪，包括生产工艺稳定性报警预警软件，在线检测及质量预报、自动监控、细纱气圈动态张力监控软件，细纱断头、接头、空锭变化率及锭速监控软件，停车与机械效率分析软件，能耗物耗及生产效率控制软件等，帮助纺纱企业及时了解细纱各种运行参数、工艺参数合理性，并及时进行修正，通过设备生产效率、报警信息、能耗信息分析，制订科学的设备维护计划。

3.2 智能化是自动化连续化的发展趋势

自动化+连续化+智能化才能达到最佳生产效率。细纱工序是纺纱流程重要的节点，除了实现工艺、操作、巡回清洁、设备维护、安全等项目智能化，同时要完成纺纱系统前后衔接，按照不同品种配置，既能提供粗纱的运输、更换、处理尾纱、停喂、甚至接头，又可以满足任何一台细纱机向任何一台络筒机供应管纱与空管返回，实现台台通的闭环智能系统。最终由统一中央数控智能大脑发出指令，将上述所有功能及动作结合MES系统软件完美进行协调管理，完成少人或无人操作的智能化生产。

4 细纱长车智能制造发力点

针对我国纺机智能制造发展不平衡不理想的现状，纺织行业有权威人士认为：一是纺机智能制造比机床行业、汽车行业落后；二是实现制造环节的柔性化，即将工艺软件与MES结合起来，把车间里所有柔性加工整合贯彻落实，实现连续、自动、无人操作的智能化生产。智能制造是推进我国制造强国战略的重要举措，也是建设纺织强国，实现科技、时尚、绿色纺织新定位的重要路径。

4.1 打造细纱长车整体结构可靠性

由于细纱长车锭子超过短车数倍，工作面长，加工精度更高，细纱设备整体结构可靠性是用好智能控制的基础。国内纺机已紧跟国际先进技术的脚步，以G32型细纱机（1 440锭）为例有5个方面值得借鉴。

（1）机架为独特三位一体框架结构。墙板形成梯形框架式的整体，主轴与罗拉运行更加平稳和精确，适合做高档次纱线。国内为解决高速后整机晃动影响牵伸纺纱稳定、留头率低的问题，细纱长车目前普遍采用整体式中墙板、连体罗拉座、精确销孔定位安装及中墙板桥接安装等，已成为设计及组装标配。

（2）钢领板采取每块定位。区别国内细纱机仅3处定位，锭子锭脚与龙筋孔均采用公差配合，装配后锭子中心不会移动，有效地控制了锭子中心纵向的直线度，省去了平常敲校锭子的工作，即便机身再长，锭子及钢领也不易走动。

（3）器材配置和装配精度高。一是RIETER公司ORBIT系列钢领钢丝圈配上节能高速锭子，可满足22 000 r/min的高速要求，且器材的使用寿命可延长数倍。二是器材精度可靠性好，为满足高品质、锭差小的要求，选用全球物流选配，改善细纱重量C V、条干C Vb、强力C V和捻度C V，减少成纱毛羽，进而使布面偶发性纱疵明显减少。三是钢领与锭子同心度高，并有中心校正仪作保证，对降低毛羽、减少断头非常有利。重庆金猫纺织器材有限公司已开发特殊结构集落专用钢领［6］，钢领个体一致性好、耐磨、精度高，可解决纱线从钢丝圈中滑脱造成留头率降低的问题。四是超过1 200锭的细纱长车已淘汰气缸式托盘，选用钢带式托盘，可使空满管交换时间短，无需中间位寄存，落纱动作快捷可靠。五是所有轴承包括胶辊轴承均实现5年左右免加油维护。

（4）维护保养简单可靠。推行无故障器材和部件的配置，采取国际物流采购，按照设备档次及性价比选用有资质的制造企业。解决现有国产低端锭子需要每周或者每月加油的维护方式，建议选用加油周期在1年以上的高品质锭子。某纺纱企业对进口锭子与普通锭子的加油量、加油周期进行了3年的跟踪对比，进口锭子加油虽较贵，但加油量、补油次数、锭胆清洗耗油等仅为普通锭子的1%，高速锭子寿命却延长1倍以上。龙带驱动伺服电机及升降驱动电机，包括主电机，可以实现5年以上免加油维护。这既能确保工况的长期可靠，又能使保全工维修工作量大幅减少。为提高国内细纱长车的可靠稳定性，其电气部件、气动部件采用进口器件是值得肯定的。

（5）能耗达到国际先进水准。设计常闭状态的笛管，一旦纱线断头探杆失去平衡，密封盖将翘起打开，从而最大限度节约细纱吸棉风机的能耗。此技术涉及国外专利，为防止侵权风险，可考虑另辟思路。最近有报道，国内某企业生产的高效巡回清洁器和用于长车的吸棉风机，采用取消皮带传动、开式叶轮旋转、前盖不旋转等技术，节能效率分别达到50%和20%，受到众多用户的青睐。智能电子压力摇架可按品种不同，在保证用户质量要求前提下降低摇架加压。包括按品种调整锭带卷绕张力，按用户要求在满足强力前提下尽量减少捻系数等措施。取消橡胶皮带，例如SXF1599型细纱机主电机和主轴采用直联式，不仅提高了传动效率，还降低了功耗。将胶辊宽度从28 mm缩小至23 mm，不仅满足成纱要求，还能减少摇架压力，延长胶辊使用和回磨周期。

4.2 加速淘汰机械凸轮与机械式传动

国内多数细纱长车成形装置仍然采用凸轮箱、链条、链轮、级升连杆等机构，由于车身长，实际负荷重，容易造成轴承损坏、凸轮磨损、钢领板打顿等问题，影响纺纱成形系统运行，出现大量成形不良的纱。因此，改用电子凸轮可避免机械凸轮磨损产生的坏纱，减少钢领板顶部换向带来的张力突变而造成的意外断头，既便于各种纺纱号数调整，也有利于控制纺纱强力和改善捻度传递，从而提高锭速和减少断头。电子牵伸与电子升降取代机械式机构势在必行。

4.3 关键器材的智能化

2018年中国国际纺织机械展览会暨ITMA亚洲展览会首推YJ210-145DTY型智能细纱弹簧加压摇架，通过传感器、微型电机实现远程一键无极集体调整，在工艺优化、降低能耗方面有较好的现实意义，并能做到无人智能调整。又如近两年正在推行的智能纱管，通过射频扫描查找问题锭子，这项功能受到用户的青睐。未来，期待更多器材及辅助设备实现智能化。

4.4 与世界纺织工业4.0制造对接

纺机智能制造当今流行的趋势：设计模块化，制造数控化，生产流程数字化，质量ISO化，采购国际化，数据网络化，维修保养简单化，操作使用傻瓜化等。纺织企业需要拥有整套生产流程，其工艺优化及性能可靠，确保产品唯一和高效。

4.5 控制系统要拥有稳定芯片

控制系统应成为最稳定可编程逻辑控制器（PLC）的大脑，把集体落纱芯片、电子牵伸、电子升降芯片、单锭及锭速监控芯片、能耗监测芯片、设备动态监控与维护芯片，加上巡回清洁芯片等全部整合在一个集成PLC芯片中，有利于提高控制系统稳定性和可靠性。可以把每个单元芯片做精做好，再统一整合。如较为成熟的单锭检测装置已经和主机PLC融合在一起，采集读取主轴速度、前罗拉速度、锭子速度等参数，充分利用检测探头和传感器，减少不必要外设装置和线路，从而减少故障点。

4.6 单锭传动利于加快实施智能化

太平洋机电（集团）有限公司、江阴华方新技术科研有限公司的电锭驱动技术在实现智能化变革性方面做了尝试，无论是设备维修，还是产质量提升、产品开发等均具有独特优势。事实证明，单锭通过线路连接更加方便全程产质量监控及自动化、智能化水平的推行。单锭监测系统（ISM）通过对每个纱锭安装光学传感器监测钢丝圈的运动，记录断头及打滑的锭子［7］；在纺织企业监控系统SPIDERweb中方便地分析和显示这些数据并对挡车工进行三级引导，当超过断头极限时，机器两端的信号灯亮起加以指示。满足锭子精确同步及一致性运转的各种要求。锭子速度差异在±0.5%以内（国内一般在±1%左右）。不过，由于诸多因素，该项目在棉纺企业至今没有推行，在毛纺细纱机推广上已取得较好效果。

4.7 细纱机智能化改造

根据我国纺纱企业产业转移升级需求，“短平快”智能改造受到纺纱企业欢迎，尤其适用于小批量、多批次、快交期的经营模式，且解决了现有细纱机机弄偏小影响操作的难题。如2019年上海国际纺织机械展览会展出的细纱短车集落改造，推出平移集体式落纱改造技术，较传统摆臂式是水平收放，不受中墙板脚的跨度大小影响，解决了摆动式集落装置无法在狭小细纱机弄中操作的难题，气架垂直升降，可取消中间位寄放站，落纱效率高，且改造无需增加额外更换中墙板及大平车费用（包括工时），同时留头率达到98%以上，落纱时间缩短至2 min左右，完全是中国独创，推动了纺纱企业改造的积极性。

国内某大学开发的智能细纱机改造方案独特，采用变频+永磁同步电机的控制方式，其有别于国外采用的数字化+模块化智能控制以及变频+交流电机总线式公共电源控制形式。这种控制方式性能较好，但结构复杂，改造成本较高。

4.8 智能化推行与管理改革同步

智能化让原本手工计算统计汇总变得统一规范，柔性化软件使生产经营更加优化高效，使纺纱企业现场工作模式和管理模式更加现代化。第一，相关监控平台使操作工、维修工可以有目的有针对性地巡回，彻底改变了原有工作方式，可减轻工作强度，提高劳动效率；第二，传统考核除了产量考核，质量、消耗、工作状态及效率无法量化，即没有考核手段，如今通过传感器连接软件，可实现全方位检测监控，对操作工、维修工考核时有数据、有分析，考核激励机制得以完善，且更加科学规范。

5 智能化制造以市场需求为导向

5.1 攻克技术短板

智能化近几年在细纱长车上的应用还没有普及，由于纺纱品种多样化、复杂性，要达到智能化高水平发展，许多现存的技术瓶颈需要攻克。如钢领板升降张力上下一致的问题，突破18 000 r/min高锭速后减少断头与提高留头率的问题，巡回清洁减少布面纱疵的问题，粗纱与细纱柔性化机器人接头的难题等，均需要更加深入实际，在纺纱基础理论上有所突破。

5.2 智能化要人性化、理性化

智能化的发展防止过于追求功能复杂化，一切以为用户减少用工、提高效率、增加效益为宗旨，根据不同纺纱企业现状循序渐进，尤其控制好企业可接受的回收成本。一些工艺软件、操作软件、维修软件等让纺纱企业员工看得懂、用得上、易操作。

细纱长车智能化实现的关键是纺机工艺制造的高标准、智能化，而信息化、自动化、网络化是前提，缺一不可，同时要紧密与市场对接［8］，根据我国国情循序渐进布局，基于历史大数据的学习，解决纺纱企业急需解决的问题。衡量标准“二升二降”，即生产效率与资源综合利用率的大幅提升，运营成本与不良率的大幅降低。

6 结语

如何加快我国细纱长车高效智能化进程，缩短与国际纺机智能化水平的差距，重点在硬件与软件结合上发力，真正实现自动化、连续化、智能化。纺织设备现代化体现在基于生产制造执行系统，整合细纱产量、品质、物耗、能耗、人员、成本的量化管理及动态跟踪、研发工艺、质量预警软件、细纱纺纱动态监控软件、停车与机械效率分析软件、能耗物耗及生产效率控制软件等，运用信息物理系统（CPS）全过程互联互通及智能可视化用户交互交易系统与平台。未来纺织机械智能制造要做到设计模块化，制造数控化，质量ISO化，采购国际化，数据网络化，维修保养简单化，操作使用傻瓜化等。