直捻機節能方法的探討與分析

經緯紡織機械股份有限公司 楊華明/文

直捻機節能方法的探討與分析

經緯紡織機械股份有限公司 楊華明/文

探究直捻機在現有工作狀態下通過減小氣圈形態來達到節能目的的方法，詳細介紹直捻機在運行過程中通過外紗張力器控制外紗張力大小來改變氣圈形態從而達到降低噪音和節能的目的，并闡述這種節能方式的社會效益和應用前景。

直捻機；大氣圈；小氣圈；包纏角；外紗張力器；能耗；節能

1 引言

隨著汽車工業的快速發展，汽車行業相關產品的市場需求越來越大，并且其要求也越來越高。近幾年來，用于生產汽車輪胎對稱簾子線的直捻機在這種總體發展趨勢的影響下，直捻技術及捻線品質已日臻成熟和完善，但從節能環保、社會良性發展的角度來看，直捻機還具備一定的創新發展空間。本文主要針對現有工作狀態下的直捻機，探討分析其通過減小氣圈形態達到節能目的的方法。

2 直捻機工作機理與能耗因素

2.1 工作機理

現有的直捻機工作機理是外紗（紗架紗）經過紗道從錠子馬達底部軸內引入，并從錠子馬達上端口引出，在簾子線調節器處與放置在錠罐內的內紗（錠罐紗）匯合，錠位啟動后錠子馬達帶動外紗進行同步旋轉，開始階段外紗緊貼著錠罐外壁轉動，隨著錠子馬達速度的增加，外紗離開錠罐外壁并產生氣圈，待錠子馬達速度穩定后，外紗產生的氣圈維持較穩定的形態。

傳統的工作方式是外紗從錠子馬達上端口引出后需要在錠子馬達上的儲紗盤上包纏一定的角度（通常為270°～360°），此包纏角度的大小取決于進入錠子馬達前所給予的外紗張力大小。當包纏角在一定范圍內時，氣圈維持一定的形態，消耗一定的能量。

2.2 影響直捻機能耗的主要因素

除去設備動力源即電機自身發熱與磨損等耗能外，直捻機中能量消耗的主體就是加捻紗線。紗線加捻時需要消耗一定的能量，用來克服摩擦力和空氣阻力，從而完成輸送與回轉運動。

2.2.1 加捻紗線

根據物體做功的定義，在相同的運行條件下，紗線加捻做功消耗的能量與所捻紗線的質量成正比。

2.2.2 氣圈大小

直捻機在現有工作狀態下，即當紗線品種及工作速度確定的情況下，其外紗氣圈形態大

小與能量消耗密切相關。

圖1 氣圈示意圖

如圖1所示，當錠子旋轉時，具備一定張力的外紗在錠子儲紗盤上的握持點B和錠罐上方的握持點A之間隨錠子旋轉作高速回轉并在慣性離心力和紗段兩端張力及空氣阻力等的作用下，形成一彎曲而外凸的近似正弦曲線的空間曲線狀態，稱為氣圈。

大量實驗表明，氣圈形態隨外紗張力大小發生明顯變化，而退解張力和卷繞張力大小對氣圈形態影響不大。表1所示為直捻機捻線時的一組測試數據。

表1

由表1可以看出，當外紗張力調大時，氣圈變小。圖1中氣圈1表示外紗張力小，氣圈形態大（R1）；氣圈2表示外紗張力大，氣圈形態小（R2）。

根據做功原理，外紗做功W與氣圈旋轉半徑R、氣圈AB段紗線質量m、氣圈回轉角速度ω存在如下關系：

∵W∝F，R

而F∝m，ω2，R

∴W∝m, ω2，R2

其中，W——功率；

F——紗線形成氣圈做功所需的切向力；

m——紗線質量；

ω——氣圈角速度；

R——氣圈旋轉半徑。

當外紗氣圈由大氣圈1變為小氣圈2時，其回轉半徑由R1變小為R2，AB段氣圈曲線長度也變小，所以這段紗線的質量m也變小。結合上述關系式W∝m, ω2，R2 可知，外紗做功所需能量大大減小。

另外，在進行通過調節外紗張力大小測試氣圈變化的實驗時，對實驗錠位的功率消耗也進行了測試，多組實驗數據表明，在只改外紗張力的條件下，當大氣圈變為小氣圈時，其功率消耗減小了30%左右，這與理論推導的結果一致。與此同時，試驗者在實驗現場能明顯感覺到環境溫度和噪音降低，用溫度計和噪音儀測試，其結果也得到證實。

2.2.3 錠速

直捻機運轉錠速原則上是根據所捻紗線材質、規格等物性指標以及捻度等技術要求確定的，但其基本條件都是要保證錠子旋轉能夠帶動外紗旋轉形成氣圈。從2.2.2項中所述關系式W∝m, ω2，R2可知，速度越高，能耗越大。通過實驗測試設備運行電流和功率，其數據與結論吻合。

3 節能措施

根據上述對直捻機能耗因素的分析，在確定捻線品種的情況下，可以從減小氣圈形態和降低錠速方面采取相應措施達到直捻機降低能量消耗和噪音的目的。

3.1 減小氣圈形態

直捻機氣圈是具備一定預張力的外紗在輸送過程中克服空氣阻力作回轉運動形成的，可以通過控制紗線張力實現減小氣圈形態的目的。

從紗架引出的紗線在進入錠子底部之前先要經過外紗張力調節裝置獲取一定的預張力。現有的直捻機通常在機架上安裝電磁張力器或摩擦式張力器。實驗時選用了電磁張力器，通過與之相連的控制裝置調節經過張力器的電流值，當張力增大至某一值時，外紗在儲紗盤上的包纏角瞬間由270°～360°變為0°，氣圈迅速變小，隨之噪音明顯降低。

另外，生產中為了減小氣圈波動、維持穩定的氣圈形態以保證捻線品質，還可以在外紗張力器和錠子之間裝置一檢測傳感器，實時檢測外紗張力大小并通過控制裝置對外紗張力進行自動調節。

3.2 降低轉速

通過前面的分析已知，當直捻機以高錠速運轉時，其消耗的能量也多，所以可以通過降低錠子轉速來降低能耗。

但在實際生產中，除了考慮捻線要求，用戶往往還會結合生產效率和生產效益綜合考慮來確定錠速。通常來說，在保證直捻線品質的條件下，為了提高生產效率，一般會采用較高的錠速，但是高錠速會產生大能耗。如何解決這種高速高效與高能耗的矛盾，有待于在生產實踐中進一步探索。

3.3 優化電機配置

直捻機某錠位啟動后，錠子馬達帶動外紗進行同步旋轉，開始階段外紗緊貼著錠罐外壁轉動，隨著錠子馬達速度的增加，外紗離開錠罐外壁并產生氣圈，待錠子馬達速度穩定后，外紗產生的氣圈維持一定的形態。此時，通過外紗張力器調節外紗張力，使氣圈形態變小。當氣圈形態變小時，紗線加捻所需能量減少。穩定的小氣圈狀態下，錠位所消耗的能量作為選擇電機功率大小的依據。選擇功率較小的電機，其自身能耗較低，而紗線加捻所消耗的能量不變，所以在保證形成正常氣圈的前提下，選用功率較小的電機更經濟。

4 結束語

綜上所述，直捻機節能有多種途徑，但在不改變現有直捻機結構尺寸和情況下，通過增加外紗張力使氣圈形態減小從而減少直捻機能量消耗是一種效果顯著的方式，并且這種小氣圈節能的方式不僅僅只是減小直捻機本身運轉時的電能消耗，還可以改善環境條件，比如降低噪音、減少車間空調用電等。一方面，對直捻機生產廠家來說，小氣圈節能直捻機因節能降耗的特點具備顯著的市場競爭優勢，給自己和用戶帶來經濟效益的同時，還可以使雙方企業承擔起節能環保的社會責任并因此產生良好的社會效益；另一方面，對于全球社會因高速發展而產生強勁增長的能量需求來說，在紡機行業找到這種有效節能降耗的突破口對解決全球面臨的能源問題更是起到了推波助瀾的先導作用。

⑴ 上海交通大學出版社 《紡織工藝學》

⑵ 紡織工業出版社 《紡織機械設計原理》

⑶ Allma, CC3 Operating Manual and Service Information, 07.03.2001

⑷ 《紡織進展》1988年第16卷“紗的加捻”