纺织机械关键共性技术的回顾与展望

陈 革

(东华大学，上海 201620)

0 引言

纺织机械门类广、品种多，包括生产主机、纺织仪器和配套装置、专用基础件以及软件等600余种产品。各类纺织机械的工艺特征和性能迥异，涉及关键共性技术较广泛，涵盖纺织工艺、设计理论、力学、材料、检测、控制等诸多领域。纺织机械关键共性技术研究是纺织产业技术进步永恒的课题。

1 “十三五”纺织机械关键共性技术应用回顾及问题剖析

“十三五”期间，我国纺织机械制造企业针对关键共性技术积极开展科技攻关，技术实力和产品竞争力得到进一步提高，大多数新开发装备达到了国际先进水平，部分达到国际领先水平，并实现产业化应用。笔者从纺织装备的设计制造理论与技术、复杂系统及其数字化智能化控制技术、专用基础件制造与强化技术3个方面进行回顾[1]。

1.1 应用回顾

1.1.1 纺织装备的设计制造理论与技术

机械产品设计理论与方法、产品优化设计工具和数字化设计技术的发展，为纺织装备在设计层面实现产品高端化奠定基础，还大大缩短了纺织机械产品的制造周期。

有企业运用现代设计方法，对纺织装备进行动力学分析，实现减振降噪降耗，已成功应用于化纤长丝生产线自动落筒系统、针刺机振动分析与控制、宽幅织机振动控制、新型(阻燃型)复合阻尼管夹等，通过综合评估选材和结构的强度、刚度、动力学模态等，优化结构参数和运动参数，规划加工和装配精度以及运行控制策略，有效减小纺织装备振动与噪声，显著降低能耗。

在纺织装备关键件可靠性提升和寿命预测技术方面，优化设计方法成功应用于年产15万吨大容量粘胶短纤维成套设备，基于可靠性理论、相似性设计、建模分析、金相观察与测试等手段，对压榨机轧辊、黄化机搅拌器进行结构分析，显著提升了单线产能和纤维品质，降低了综合能耗。

在纺织流体理论和技术应用方面，宽幅高产热风法薄型非织造布生产联合机应用纺织流体力学技术，实现了对制品全幅均匀度精确控制；基于碟式多孔喷嘴的静电气喷纺制造装备将静电力和气流力相结合，减小了材料的制造速度驻极超细纤维的直径，比现有熔喷驻极纤维低1个数量级，解决了当前空气过滤产品普遍存在的物理拦截效率低的问题。

1.1.2 纺织装备的复杂系统及其数字化智能化控制技术

1.1.2.1我国纺织工业“十三五”发展规划重点布局的化纤、纺纱、针织、印染、非织造布、服装、家纺七个纺织智能工厂(车间)示范工程均取得了明显效果，纺织机械制造也有了智能化示范线，并开始在中国智能制造系统解决方案供应商联盟纺织行业分盟的平台上推广应用。国家有关部门实施的365项智能制造综合标准化与新模式应用项目中，纺织类项目入选新模式20项，入选综合标准化6项；在认定的306项国家智能制造试点示范项目中，纺织类项目有20项。

1.1.2.2化纤长丝卷装外观在线智能检测系统基于机器视觉技术，代替了人工外检，降低人为因素影响，提高了检测速度和精度，实现了从络筒、外观检验、包装到仓储的全流程自动化、智能化运行，开发的系统成功应用于多家企业；支持工业互联网的全自动电脑针织横机攻克了自动起底编织、高品质复杂花型编织、高速编织成圈机构、针织物模拟、工业互联及多传感器信息融合的智能控制技术，解决了复杂花型编织、高速编织不稳定等困扰业界多年的难题。此外，纺织行业承担了国家重点研发计划“智能机器人”重点专项“面向纺织典型行业的机器人自动化生产线示范应用”和“面向运动鞋服行业的机器人自动化生产线”，在纺织行业起到较好的应用示范作用。

1.1.2.3纺织智能制造的成效主要体现在以下几个方面。

a) 减少用工，提质增效。化纤长丝智能物流系统生产全流程节约用工50%以上，人均产值提高100%以上；纺纱智能生产线达到了国际先进水平，万锭用工可实现15人以下；针织机械互联互通形成了完整的系统解决方案和标准；服装家纺智能吊挂系统和智能裁剪使同一工序效率提高60%，大规模个性化定制整体解决方案日趋成熟。

b) 节能减排，降低能耗。印染筒子纱染色实现了高效优质、节能减排，一次成功率可达到95%以上，吨纱节水为27%、节电为12%、减少污水排放为30%；莱赛尔纤维智能制造数字化车间实现了万吨级莱赛尔纤维产业化生产，打破了国外垄断。

c) 拓展应用，优化结构。非织造布智能生产线实现了常规品种到防疫用非织造布的快速转产和稳定生产，并在抗“疫”战斗中发挥了重要作用；千吨级碳纤维智能生产线实现了大丝束、高品质、低成本生产，扭转了我国碳纤维受制于人的被动局面，推动并加快我国纺织工业的结构调整。

1.1.3 纺织装备专用基础件制造与强化技术

除纺织装备主机外，还有大量相对独立、专用和通用的装置、专用件、器材专件和零部件，统称为纺织装备专用基础件，种类繁多，用量庞大，对纺织装备的性能和质量有至关重要的作用。“十三五”期间，我国纺织机械企业在专用基础件制造与强化技术方面取得进展。

高温气液染色机采用了组合式喷嘴，提高了匀染度，减少气流循环无效损失，风机功耗降低60%；宽幅高产水刺法非织造布成套装备采用宽幅高效节能水刺头组件，工艺适应性好，研制了分体直抽式抽吸辊筒，负压损失小；印花针织物低张力平幅连续水洗关键技术及装备采用自主研制的布面超喂张力自动控制系统等多个单元装置，实现了印花织物低张力高效水洗；高速经编机复合针及其自动检测系统研制出基于网带炉的混合滴注裂解液光亮化热处理新技术，提出织针针头弹性、脆性半定量评定方法，研制成功综合性能优异的经编机用复合针。

1.2 问题剖析

1.2.1原始创新研究投入不够。纺织机械行业在基础理论、共性技术及其应用方面的自主研发能力和跨领域交叉研究能力相对薄弱，一些企业在研发和知识产权保护等方面投入不够，对纺织机械的关键共性技术的研究不够重视，基础研究与技术开发较多处于跟随状态，缺乏原始创新。个别企业通过低价竞争取得市场份额，知识产权得不到有效保护，某些领域产品同质化情况严重，影响了企业和研发人员对基础研究和原始创新的积极性。

1.2.2稳定性、可靠性有待提高。部分国产高端纺织装备与国际先进水平仍有差距，在绿色化、短流程、高速化、适应性等方面有短板，部分国产纺织装备的设计、材料处理、加工和装配等智能化生产和管理与国际仍存在差距，导致一些纺织机械产品运行稳定性不高。部分零部件质量差，降低了国产主机的可靠性。

2 “十四五”纺织机械关键共性技术的发展方向

“十四五”期间，纺织机械关键共性技术朝以下几个方面发展[1]。

2.1 纺织机械动力学及减振降噪降耗技术

针对高速回转或往复运动的纺织机械，基于多体系统动力学理论，建立含纱线等纤维柔性体的系统动力学模型，通过仿真与实验测试，揭示加工过程纤维—机械—气流等耦合多体动力学机理；建立纤维柔性体本构关系数据库，为力学分析奠定基础；根据装备性能和工艺参数要求，综合评估选材和结构的强度、刚度、动力学模态等特性，设计装置的结构参数和运动参数，提出机构平衡、运动同步性控制、系统减振与隔振等策略，并规划加工和装配控制精度，以及运行控制策略，使纺织装备在设计工作转速区平稳运行，减小振动与噪声，降低能耗。典型应用有化纤长丝全自动高速卷绕系统、织机剑杆引纬系统、织机打纬机构、经编机梳栉横移系统、非织造针刺机构等。

2.2 纺织装备关键部件可靠性提升和寿命预测技术

针对纺织装备的关键零部件的可靠性和寿命问题，基于相似性理论，建立关键零部件系列参数分析模型；分别建立强度、刚度、振动、疲劳强度预测等不同计算和设计模型；基于可靠性理论，结合企业的实际加工工艺水平，通过仿真和测试，建立企业关键零部件结构、加工精度及其强度疲劳寿命基础数据库，为装备的有限元计算分析、可靠性设计奠定基础，提出相应关键零部件结构工艺参数以及质量检验量化标准；根据关键零部件疲劳寿命预测模型和测试，平衡关键零部件的维修周期，准确设计结构参数，减小运行故障率。

2.3 机器视觉技术在纺织装备中的应用

基于高速运动目标特征的自适应动态范围的有效成像策略，探索三维结构光散射特性及作用机理，解决纱线的三维结构在动态范围成像有效性的难题，增强检测系统的环境适应性；研究动态三维测量方法，解决纱线及织物等纺织柔性产品的多曲面特性和局部异性难题，提高动态物体和场景的三维测量；基于滤波的高速运动模型的多特征、多线索的目标跟踪算法，解决多模态背景干扰下的复杂环境场景目标跟踪准确度问题，提高目标的跟踪精度和跟踪成功率。典型应用有验布机的布面检测、长丝卷装质量检测、前纺设备的异纤检测、三维人体测量、细纱和色织领域的纱线视觉识别等。

2.4 数字孪生技术研究及应用

研究面向纺织物理车间的“人—机—物—环境”互联与共融技术，研发异构设备的智能感知接入装置；研究纺织虚拟车间构建技术，构建支撑纺织车间智能化生产的虚拟车间孪生模型；研究纺织装备数字孪生数据构建与管理技术，实现虚实数据的高效融合与智能化管理；研究基于数字孪生的智能生产与精准管理技术，实现装备健康管控、产品质量实时控制与分析、车间能耗优化与预测、物料智能跟踪与配给、智能生产运行优化等功能。

2.5 碳约束下的纺织装备可持续绿色设计

在全球提出碳达峰碳中和目标的大背景下，纺织装备的绿色低碳化是亟待完成的目标任务。纺织装备持续绿色设计的方向是：开展纺织装备新材料开发与试制、产品结构的机—电可替代设计、产品机电解耦设计、面向可回收的产品全生命周期设计，形成高效、节能、环保和可循环的新型纺织装备绿色设计策略，对降低纺织装备制造业资源消耗、改善环境负荷都有着重要的作用。

2.6 纺织装备中纤维束、织物与固体相互作用机理

在纺织装备中，柔软的各向异性纤维和织物既是被加工对象，又是与机械装备系统传递中的运动和力不可分割的组成部分。纤维在加工过程中，其各向异性更加明显，也比刚性加工对象或柔性加工对象张力问题更复杂。因此，从纤维束、织物的宏观物理力学性能开始，系统研究纺织机械装备中纤维束、织物的动态张力问题，研究纤维束张力的动态特性和影响因素，解决与之相关的纤维束路径规划、机构创新设计和控制系统设计等问题，形成控制张力的设计理论和方法。典型应用有织机和经编机的送经卷取系统、浆纱机的送纱和卷取系统、连续式染整设备的送布和卷取系统、纺纱设备的卷绕系统等。

2.7 纺织装备中纤维束、织物与流体相互作用机理

针对纺织装备中广泛应用的纺织流体力学，研究纺织加工过程中纤维、纱线、织物等柔性体与流体(包括高速、低速气流与液体流、牛顿流体与非牛顿流体、单相与多相流等)的相互作用原理，精确控制加工过程中纤维、纱线等柔性体在流场中的运动规律，明确纺织装备中流体加工技术的纺织品成型机理，注重流体力学原理、空气动力学原理在纺织装备相关关键元器件与管路设计、优化中的指导与应用。典型应用有喷气织机引纬系统、喷气涡流纺纱设备的纺纱系统等。

2.8 纺织装备多电机协同控制技术

传统纺织装备大多采用主电机驱动，通过机械传动系统，将动力传递到多个执行单元，结构复杂、磨损大，传递范围和距离有限。多电机分别驱动各执行装置，可克服机械传动系统的诸多不足。多电机同步主要有3种形式：① 系统中的多台电机保持同样的速度，这是最简单的同步形式；② 系统中的多台电机速度之间保持某种恒定的比例关系，虽然电机速度会发生变化，但是电机之间的速度比是保持不变的；③ 系统中的多台电机转速之间保持某种特定的关系，根据工艺要求计算得出电机转速的关系。典型应用有浆纱机和印染设备的传动系统等。

2.9 纺织装备专用基础件制造与强化技术

突破纺织装备专用基础件的设计制造技术，创新纺织机械、器材专件加工工艺技术，研究纤维、织物与金属材料之间的磨损机理、纺织机械零件表面处理、热处理等高性能化技术、纺织机械零件专用材料制备技术等；研究柔性、精密工装及制造综合误差控制理论与方法，形成纺织装备关键零部件的柔性化、绿色化、集成化、智能化制造关键技术。典型应用有高性能织针、钢领、钢丝圈、针布、化纤切丝刀、喷丝板、导纱部件、锭子、电锭、水刺头、熔喷模头、高频加热的热牵伸辊、高精度纺丝计量泵等。

2.10 新材料在纺织装备专用基础件上的应用

研制纺织装备专用基础件用材料，解决部分专用材料依赖进口、供应不稳定的问题；研究各种新材料在纺织装备关键零部件上的应用技术；复合材料在纺织装备上的应用，将对纺织装备关键零部件的高速、轻量化设计提供广阔的空间；工程陶瓷材料以其优异的耐磨损、耐高温、耐腐蚀性能，在纺织装备零部件和器材专件上具有广阔的应用空间；通过改进化学热处理和复合热处理工艺，拓展中、高合金钢的应用范围。如工程陶瓷在钢领、钢丝圈、摩擦盘、切线器、导纱件等量大面广的器材专件上的应用；碳纤维复合材料在剑杆织机用剑头、传剑轮和剑杆带上的应用等。

3 结语

笔者从纺织装备的设计制造理论与技术、复杂系统及其数字化智能化控制技术、专用基础件制造与强化技术3个方面，回顾了“十三五”期间我国纺织机械关键共性技术的发展和应用情况，指出存在问题；并重点分析了“十四五”期间可重点关注的纺织机械动力学及减振降噪降耗技术，纺织装备关键部件可靠性提升和寿命预测技术，机器视觉技术在纺织装备中的应用技术，数字孪生技术研究及应用，碳约束下的纺织装备可持续绿色设计，纺织装备中纤维束、织物与固体的相互作用机理，纺织装备中纤维束、织物与流体的相互作用机理，纺织装备多电机协同控制技术，纺织装备专用基础件制造与强化技术，新材料在纺织装备专用基础件上的应用技术等十个纺织机械关键共性技术，为推动纺织机械行业全面高质量发展，提升我国纺织装备的整体水平，引导企业创新发展，谋划未来五年纺织机械行业的发展方向和重点任务提供指导。