棉紡細(xì)紗錠子發(fā)展演變與研究展望

莫 帥，馮戰(zhàn)勇，黨合玉，鄒振興

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300387； 2. 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點實驗室, 天津 300387)

錠子作為現(xiàn)代紡織工業(yè)的象征，是細(xì)紗機(jī)主要的加捻卷繞部件[1]。錠子的起源要追溯到新石器時期，由于人類對生活品質(zhì)的追求，發(fā)明了由陶石片材質(zhì)制作的縛盤和桿組成的紡縛，這種使纖維加捻成紗的古老技藝也成為現(xiàn)代錠子的雛形；西漢時期，冶鐵技術(shù)的發(fā)展使紡縛的材料從陶石轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度更好的鑄鐵材質(zhì)[1-2]；18世紀(jì)工業(yè)革命的發(fā)展，機(jī)器開始逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工紡紗，但由于水力轉(zhuǎn)動的動力不足以及加捻、卷繞的獨立性，錠子并不能高速轉(zhuǎn)動且磨損嚴(yán)重，生產(chǎn)效率較低[3]；19世紀(jì)中期，美國發(fā)明家Fales和Jenks研制了開放型立式轉(zhuǎn)子機(jī)械錠子，伴隨著電動技術(shù)的發(fā)展，錠速能夠達(dá)到 6 000 r/min 左右，但開放式結(jié)構(gòu)造成上下支承滑動軸承嚴(yán)重的潤滑不足和紗線污染[4]；隨后，美國研究員Rabbeth將雙支承軸承封閉在殼體內(nèi)，并注入潤滑油使其良好潤滑，形成了錠子重要部件錠膽的原型，下支承潤滑錠膽和上加捻卷繞旋轉(zhuǎn)體的錠子結(jié)構(gòu)也初步形成，此后，隨著紡織工業(yè)的不斷發(fā)展，以及轉(zhuǎn)子動力學(xué)和機(jī)構(gòu)學(xué)的深入研究，傳統(tǒng)機(jī)械錠子逐漸發(fā)展為由錠桿、錠盤、支承件、彈性阻尼件、錠腳、錠鉤等零部件組成的復(fù)雜綜合體[5]。

隨著科技的進(jìn)步，自動化、智能化工業(yè)生產(chǎn)不斷沖擊著傳統(tǒng)的紡織行業(yè)，棉紡錠子作為紡織工業(yè)重要的加捻卷繞機(jī)械專件，也向著高速、節(jié)能、環(huán)保、自動化控制的方向突破發(fā)展。本文綜合概括了傳統(tǒng)棉紡錠子的發(fā)展歷程和結(jié)構(gòu)形式演變，并對代表棉紡錠子最新方向的高速節(jié)能型、磁懸浮型、單電機(jī)驅(qū)動控制型錠子進(jìn)行了分析展望，以期對棉紡錠子未來的發(fā)展方向及后續(xù)的理論研究提供指導(dǎo)。

1 棉紡錠子的發(fā)展與結(jié)構(gòu)演變

1.1 棉紡錠子發(fā)展歷程

自19世紀(jì)機(jī)械錠子問世以來，紡織行業(yè)進(jìn)入飛速發(fā)展時期，為提高紡紗生產(chǎn)效率，錠子穩(wěn)定運轉(zhuǎn)下的錠速提升成為關(guān)鍵問題[6]。

1921年，德國SKF公司將上支承滑動軸承改進(jìn)為潤滑效果更好的滾動軸承，承受徑向載荷，下支承為錐形錠底的結(jié)構(gòu)，承受軸徑向載荷，由于這種錠子對錠膽內(nèi)部的支承部位的同軸度要求較高，如果精度達(dá)不到要求，高速運轉(zhuǎn)過程中會由于陀螺效應(yīng)的影響發(fā)生自動定心的不穩(wěn)定現(xiàn)象，增加磨損，影響紡紗質(zhì)量[1，7]。

20世紀(jì)50年代，SKF公司對錠子下支承進(jìn)行改進(jìn)，引入彈性元件-彈性卷簧和錠底軸向彈簧，配合潤滑油的油浴效果，可有效吸收桿盤旋轉(zhuǎn)體的軸徑向振動，這種類型錠子又通過有無彈性管連接上下支承部分而被劃分為整體式和分離式單彈性錠子，后者相對于前者有高速下更好的自調(diào)中心作用[8]。但隨后的研究表明，此類錠子高速運轉(zhuǎn)時上支承滾動軸承由于油霧潤滑的局限性和軸承的吸振不足，高速時錠桿旋轉(zhuǎn)體與軸承滾柱之間的干摩擦造成的噪聲、振動、功耗等問題對錠子穩(wěn)定性影響明顯[9]。

20世紀(jì)70年代，研究者對上支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，考慮到錠子運轉(zhuǎn)的噪聲和振動主要是由于上軸承的不良接觸造成的，提出了上彈性支承的結(jié)構(gòu)，錠子振動時，在彈性阻尼作用下使軸承滾柱與錠桿均勻接觸，改善軸承受力情況，降低噪聲功耗，改良集中體現(xiàn)在對軸承座下端橫、縱向切槽、軸承座外環(huán)加彈性套筒等方面的設(shè)計[10]。

20世紀(jì)90年代末，為適應(yīng)紡紗高速化發(fā)展，研究人員將下支承改進(jìn)為由徑向流體動壓滑動軸承和軸向推力軸承組成的分體式軸承支承，減弱高速下錠尖磨損，上支承將滾動軸承的內(nèi)環(huán)去掉，使?jié)L動體直接與錠桿接觸，并將光錠桿改進(jìn)為剛度更好的鋁套管桿盤結(jié)構(gòu)，上端用支持器受力支撐，確保與卷繞紗筒更好的連接，自此，棉紡錠子的基本結(jié)構(gòu)完整地建立起來[11]。

1.2 棉紡錠子結(jié)構(gòu)演變

1.2.1 支承結(jié)構(gòu)演變

棉紡錠子本質(zhì)是由兩點支承的立式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，錠膽結(jié)構(gòu)的演變主要集中在其內(nèi)部支承結(jié)構(gòu)上進(jìn)行。

1) 雙剛性支承。早期錠子上支承為滑動軸承，下支承為錐形錠底，這種結(jié)構(gòu)的支承都是剛性連接的[12]，所以又稱為雙剛性支承形式。

2) 單彈性支承。其結(jié)構(gòu)形式為上支承滾動軸承，下支承引入了彈性阻尼元件—彈性卷簧和彈性管[13]，以及適應(yīng)自動落紗、改善軸向沖擊的支承彈簧，而被稱為下彈性支承形式。

3) 雙彈性支承。由于單彈性支承形式對二階臨界轉(zhuǎn)速的限制，為了錠子高速化的發(fā)展，研究人員提出了上彈性阻尼原件支承的設(shè)計[14]，配合下彈性支承這種結(jié)構(gòu)被稱為雙彈性支承形式。

圖1示出錠子支承形式結(jié)構(gòu)示意圖和錠子下支承結(jié)構(gòu)演變模型圖。

圖1 機(jī)械錠子支承形式的發(fā)展Fig.1 Development of mechanical spindle support type. (a)Double rigid; (b)Single elastic; (c)Double elastic; (d)Lower support type structure evolution

1.2.2 錠桿盤結(jié)構(gòu)演變

棉紡錠子誕生之初，立式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)決定了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)體由錠桿和錠盤相配合的錠桿盤基本結(jié)構(gòu)形式[15]，隨著錠子高速化的發(fā)展，錠桿盤也經(jīng)歷了幾次重要結(jié)構(gòu)形式的變革。

1) 光錠桿桿盤結(jié)構(gòu)。光錠桿錠子是由整體錠桿與錠盤通過圓錐面配合的桿盤結(jié)構(gòu)，通過其上端圓錐面的靜摩擦力帶動紗筒加捻卷繞紡紗的[16]。由于圓錐面的表面粗糙度形成靜摩擦力的局限性，高速下易造成跳管現(xiàn)象。

2) 鋁套管桿盤結(jié)構(gòu)(錠桿壓配型)。相比光錠桿桿盤結(jié)構(gòu)，鋁套管是由錠桿、錠盤、鋁套管、支持器組成，具有更高的剛度、強(qiáng)度和承載能力[17]。其中由錠桿上下兩端圓錐面分別與鋁套管和錠盤配合連接的結(jié)構(gòu)為錠桿壓配鋁套管結(jié)構(gòu)形式。

3) 鋁套管桿盤結(jié)構(gòu)(鋁套管壓配型)。由于錠桿的直徑較小，分別連接鋁套管和錠盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，且由于過定位造成的不平衡偏心量易造成高速下的振動變形[18]，于是研究者提出了先由錠桿與鋁套管連接，再由鋁套管上的圓錐面與錠盤連接的鋁套管壓配型鋁套管結(jié)構(gòu)形式。

2 棉紡錠子發(fā)展新方向

2.1 高速節(jié)能型棉紡錠子

在紡織工業(yè)不斷發(fā)展的進(jìn)程中，棉紡錠子的性能改進(jìn)是圍繞著提高錠速為核心進(jìn)行的，至今，棉紡錠子穩(wěn)定轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到22 000 r/min以上，隨著單錠性能的提高，錠子高速下的能耗、噪聲成為迫切需要解決的問題[19]，因此，高速節(jié)能型棉紡錠子成為目前國內(nèi)外研究的主流產(chǎn)品。

根據(jù)國內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，棉紡錠子高速節(jié)能的關(guān)鍵有以下幾點：

1) 雙彈性支承。單彈性支承錠子二階臨界轉(zhuǎn)速在15 000～20 000 r/min之間，而雙彈性支承的設(shè)計能夠有效降低錠子的二階臨界轉(zhuǎn)速，使錠子在寬廣的二、三階臨界轉(zhuǎn)速間穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，同時上彈性的設(shè)計能夠有效減小錠桿對上軸承的徑向作用力，降低上軸承產(chǎn)生的噪聲和功耗[10，20]。

2) 雙振動系統(tǒng)。雙振動系統(tǒng)將錠子錠膽分為內(nèi)外2部分的結(jié)構(gòu)，內(nèi)錠膽由吸振卷簧、彈性管等配合潤滑油組成主振動系統(tǒng)，外錠膽由其內(nèi)部的甲基硅油形成子振動阻尼系統(tǒng)，子系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)移消耗主系統(tǒng)的振動使錠子高速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，并有效降低錠子超高速下的噪聲和功耗[10，21]。

3) 錠桿盤。錠桿作為非線性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)重要旋轉(zhuǎn)部分，其長度和直徑對臨界轉(zhuǎn)速和錠端振幅有很大影響[22]。通過縮短錠桿的上懸臂和下中心距長度都會提高錠子的二、三階臨界轉(zhuǎn)速，而上懸臂增加直徑、縮短長度提高其剛性會改善錠子高速和落紗引起的變形振動[23]，且減小錠子錠盤和下錠桿直徑能夠增加傳動比，提速節(jié)能，下錠桿變細(xì)引起的剛度不足由縮短中心距來彌補(bǔ)。

4) 鋁套管。鋁套管上端的離心式彈性支持器使錠子輕松落紗、減少預(yù)緊力對錠子的損傷、紗筒握力增加、減少跳管現(xiàn)象、提高紡紗質(zhì)量[24]；且鋁套管下端圓錐面與錠盤壓配的形式可提高連接強(qiáng)度，避免高速下錠盤和鋁套管的磨損。

5) 支承軸承。上支承采用去內(nèi)環(huán)的滾動軸承，并采用內(nèi)曲面或開螺旋槽外環(huán)增加彈性并自調(diào)中心；下支承采用徑向滑動軸承和軸向推力軸承，徑向流體動壓軸承可以將偏心產(chǎn)生的油膜力傳遞給阻尼元件，吸收振動[25]；而推力軸承能減弱錠尖摩擦磨損，減少竄動，降低上軸承受力。

德國諾威巴公司最新生產(chǎn)的HPS系列高速節(jié)能錠子，如圖2(a)所示。上下軸承直徑分別減小至5.8和3 mm，其中NASA型采用了雙彈性雙振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示，理論錠速最高可達(dá)30 000 r/min，單錠噪聲降低6%～7%，單錠功耗 8.5 W 左右，節(jié)能約2～4 W，換油周期長，壽命長[26]，代表了錠子紡紗高速和自動化的先進(jìn)方向。

圖2 新型高速節(jié)能機(jī)械錠子Fig.2 New high-speed energy-saving mechanical spindle

國內(nèi)近些年也開發(fā)了5.8軸承錠子，但相對于國外諾威巴等知名公司的高速、節(jié)能、環(huán)保型錠子，我們的產(chǎn)品在高速可紡和節(jié)能效果的可靠性、一致性，旋轉(zhuǎn)部件的互換性，免維護(hù)性、自動清紗功能等方面還有較大差距，亟需加強(qiáng)。

2.2 磁懸浮型高速錠子

由于細(xì)紗機(jī)錠速提高帶來的振動、摩擦、噪聲等問題的日益突出，而傳統(tǒng)機(jī)械錠子錠桿主動軸和錠膽支承之間接觸式剛性連接在運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生周期性附加載荷是造成這種問題的主要原因，因此，研究人員提出了非接觸式的磁懸浮紡紗錠子結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)機(jī)械錠子傳動方式不同，磁懸浮機(jī)構(gòu)利用永磁材料的力學(xué)性質(zhì)，通過工作間隙在磁力作用下實現(xiàn)力或轉(zhuǎn)矩的無接觸傳遞，錠桿主動軸和支承錠膽之間無需直接接觸，避免傳動中的摩擦損耗，實現(xiàn)錠子超高速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)[27]。

隨著近年來永磁材料和磁力軸承技術(shù)不斷發(fā)展，磁懸浮高速錠子根據(jù)驅(qū)動形式不同，主要分為軸向驅(qū)動和徑向驅(qū)動2種[28]：

1) 軸向驅(qū)動。軸向磁力驅(qū)動錠子機(jī)構(gòu)由永磁體鑲嵌在內(nèi)的主動磁轉(zhuǎn)子、被動磁轉(zhuǎn)子以及錠盤、錠膽構(gòu)成[29]如圖3所示。理論上，主動磁轉(zhuǎn)子和被動磁轉(zhuǎn)子的磁極相互垂直時，其磁極間只有軸向力產(chǎn)生，若主動磁轉(zhuǎn)子在外力的作用下偏轉(zhuǎn)一個角度θ，磁力線極軸不再對稱而發(fā)生扭曲[30]，如圖4所示，這種狀態(tài)下會使磁系統(tǒng)位能升高，而扭曲的磁場力會使磁位能得到釋放，這個過程中會有非接觸式的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，從而使被動磁轉(zhuǎn)子隨主動磁轉(zhuǎn)子高速無摩擦運轉(zhuǎn)[31]。

圖3 軸向磁力驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 axial magnetic drive structure diagram

圖4 軸向驅(qū)動磁力線Fig.4 axial drive line of force

2) 徑向驅(qū)動。徑向驅(qū)動通過永磁軸承內(nèi)外動、靜磁環(huán)的永久磁體之間產(chǎn)生的排斥力和吸引力來支承轉(zhuǎn)軸，產(chǎn)生徑向的懸浮效果[32]。當(dāng)錠子錠桿旋轉(zhuǎn)體由于不平衡力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，徑向載荷會從動磁環(huán)向靜磁環(huán)偏移，動、靜磁環(huán)間的工作間隙會變小，這種間隙的變化會由于徑向磁極排斥力的作用而使錠桿旋轉(zhuǎn)體位置向中心偏移，直到趨于平衡狀態(tài)[33]，其示意圖見圖5。徑向永磁軸承間的這種徑向磁力產(chǎn)生的平衡會避免錠子轉(zhuǎn)軸與支承軸承的摩擦磨損，避免振動和噪聲的產(chǎn)生，并且由于磁力的作用，可以取消錠膽內(nèi)的潤滑油，保證錠子更長周期的高速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，示意圖見圖6。

圖5 徑向磁力驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of radial magnetic drive

圖6 徑向磁浮軸承示意圖Fig.6 Schematic diagram of radial magnetic bearing

磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用具有無摩擦、高速運轉(zhuǎn)、無需潤滑劑、壽命長等許多傳統(tǒng)機(jī)械軸承支承錠子無法比擬的優(yōu)點[34]，這些獨特優(yōu)點使得磁力驅(qū)動技術(shù)為實現(xiàn)了錠子高速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)成為可能，但由于永磁體退磁特性和實際工況下的磁力學(xué)特性的復(fù)雜性是以后研究需要解決的問題。

2.3 單電動機(jī)驅(qū)動型錠子

為了滿足紡織行業(yè)信息化、自動化控制的發(fā)展，單電動機(jī)驅(qū)動細(xì)紗機(jī)錠子受到關(guān)注[35]，雖然目前電動機(jī)式錠子應(yīng)用并不廣泛，但電動機(jī)式錠子的研究伴隨著電動機(jī)控制等科技的進(jìn)步一直向前發(fā)展。

1987年，德國SKF公司在第十屆ITMA上展示了電動機(jī)驅(qū)動錠子，演示錠速達(dá)到22 000 r/min。同年，瑞士BK公司也公布了驅(qū)動系統(tǒng)為MAS的新型電錠細(xì)紗機(jī)，錠速提升到25 000 r/min。近年來，日本豐田、瑞士立達(dá)等國際知名紡織企業(yè)也公布了關(guān)于細(xì)紗機(jī)電錠的發(fā)明專利[36]。1990年，國內(nèi)的上海二紡機(jī)和經(jīng)緯集團(tuán)合作開發(fā)了電錠細(xì)紗機(jī)。因電動機(jī)控制技術(shù)和成本限制，并沒有廣泛應(yīng)用；近幾年，太平洋機(jī)電公司山西鴻基集團(tuán)研制了無刷直流電動機(jī)驅(qū)動的電錠細(xì)紗機(jī)，錠速可達(dá)16 000 r/min，單錠功率為11 W，錠與錠之間的轉(zhuǎn)速差異在4%以內(nèi)，單錠轉(zhuǎn)速差偏差值在0.07%～0.2%之間[37]；山西鴻基集團(tuán)開發(fā)的電錠，對于單錠的實時監(jiān)測和故障診斷有了根本性提升。2018年，江陰華方科技公司在推出了全電子細(xì)紗機(jī)，采用電錠單獨控制，并集成故障檢測功能，斷紗或不良錠子報警并自動停止，提高了制成率，大大降低能耗[38]。

圖7示出電動機(jī)式錠子實物圖，電錠系統(tǒng)主要由錠桿、鋁套管、電動機(jī)、錠腳組成。電動機(jī)壓配在錠桿上，組成電錠系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部件，其工作原理是通過對電動機(jī)定子繞組通電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，拖動轉(zhuǎn)子和錠桿在錠膽支承下旋轉(zhuǎn)，鋁套管套有紗管，實現(xiàn)紗線的加捻和卷繞功能[39]。

圖7 電動機(jī)式錠子實物圖Fig.7 Motor spindle physical model

最新的電動機(jī)式錠子技術(shù)是采用計算機(jī)控制的高速永磁直流無刷電動機(jī)與錠子的有效組合，是運用信息技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品[41]。它具有以下優(yōu)勢：

1) 節(jié)能省電。由于電動機(jī)驅(qū)動避免了龍帶傳動過程中的摩擦功耗、空氣阻尼、法向力附加損耗，且電動機(jī)驅(qū)動可根據(jù)在線監(jiān)測進(jìn)行實時變頻調(diào)速，試驗推算節(jié)能可達(dá)到30%～50%[40]。

2) 減振降噪。由于電動機(jī)潤滑簡單，噪聲較低，避免了龍帶傳動的法向不平衡力引起的偏心振動，且由于智能化的故障診斷使不良錠子及時停機(jī)避免發(fā)熱振動和噪聲[40]。

3) 產(chǎn)能提升。由于電錠可以實現(xiàn)錠子運轉(zhuǎn)實時監(jiān)測和故障診斷報警功能，為生產(chǎn)管理提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，紡織企業(yè)的智能升級不僅能夠解決生產(chǎn)一線勞動力短缺和人力成本高的問題，更能從根本上提高紡紗制造的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率品質(zhì)改善。單錠傳動可采用轉(zhuǎn)速傳感器等監(jiān)測元件進(jìn)行實時反饋控制，錠速控制精度可達(dá)±0.1%，錠速偏差值僅 0.1%～0.2%，顯著改善了紗線管間不勻率，確保錠子長期穩(wěn)定生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)棉紗[41]。

具有在線監(jiān)測和故障診斷等自動化控制功能的電錠細(xì)紗機(jī)有重要的實際價值和工程意義，代表著紡織工業(yè)的先進(jìn)發(fā)展方向，隨著驅(qū)動、控制和信息技術(shù)等技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，電錠細(xì)紗機(jī)將因其自身的優(yōu)勢，成為錠子發(fā)展的必然趨勢。

3 結(jié)束語

本文針對紡織細(xì)紗機(jī)的關(guān)鍵部件棉紡錠子，介紹了棉紡錠子的發(fā)展歷程和結(jié)構(gòu)形式演變，并展望了代表錠子先進(jìn)發(fā)展方向的高速節(jié)能型錠子、磁懸浮型高速錠子、單電機(jī)驅(qū)動錠子的研究狀況。在目前紡織行業(yè)集體落紗改造的背景下，新型的高速節(jié)能型錠子仍然是目前紡織工業(yè)主要應(yīng)用專件；磁懸浮錠子中永磁體的退磁、力學(xué)特性的復(fù)雜性是制約其由理論實驗向?qū)嶋H產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素；而隨著紡織細(xì)紗機(jī)高效的智能化發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的突破，單電機(jī)驅(qū)動型錠子必將取代傳統(tǒng)機(jī)械式錠子，成為智能紡織工業(yè)錠子專件的先進(jìn)發(fā)展方向。