转杯纺纱机的高速化、智能化及自动化发展

摘要：本文探讨了转杯纺纱机的高速化、智能化、自动化的内涵及其重要意义，并探讨了我国实现高速化、智能化及自动化的途径。

关键词：转杯纺纱机械；高速化；智能化；自动化

中图分类号：TS112.7 文献标志码：A

Development of Rotor Spinning Machinery： High-speed， Intelligent and Automatic

Abstract： The significance of high-speed， intelligence and automation for rotor spinning machine is discussed in this paper. Besides， some suggestions for the development of high speed， intelligent and automatic rotor spinning machine in China are also put forward.

Key words： rotor spinning；machinery； high-speed； intellectualization； automation

纺机制造业作为纺织工业的支柱产业，是我国纺织行业快速发展的重要基础。转杯纺纱机是主要的纺纱装备之一，高速化、智能化及自动化为其发展提供了新思路和新方向。因此，有必要在消化吸收国外先进技术的基础上，独立自主地对相关技术进行研究开发，不断推动其发展和创新。

1 转杯纺纱机的高速化发展

转杯纺纱机是通过高速回转的转杯完成纤维流的凝聚、并合、加捻成纱的一种新型纺纱方法（属于自由端纺纱范畴），高速化是其最主要的特点之一。经过不断改进工艺，转杯转速已由原来的 3 万r/min逐步提高至现阶段的10万 ～ 20万r/min，这也构成了转杯纺纱发展史的重要内容。

1.1 高速化的重要性

1.1.1 高速化是转杯纺纱高产的主要措施

纺纱的高产可以通过加捻高速、降低纺纱的捻度、增加机器的锭数、提高机器运转效率等多种措施来实现。但其中加捻件高速是实现纺纱高产最主要、最根本的措施。转杯纺纱能从传统的环锭纺纱领域脱颖而出就是由于其具有高速高产的特点。转杯纺纱将加捻和卷绕分开，为转杯高速化创造了条件，也为纺纱的高产提供了巨大的空间和时间，因此，有人将转杯纺纱的出现比作纺纱史的一次革命，因为它突破了环锭纺纱产量的极限。

1.1.2 高速化是拓宽转杯纺适纺纱号、提高经济效益的主

要途径

普通转杯纺纱机在转杯速度为 3万 ～ 5万r/min时，经过经济换算，适纺21S以下（折合纱号28 tex）的纱，这就大大限制了转杯纺纱的应用领域。

唯有提高转杯转速才能增加纺纱产能，释放出转杯纺技术强大的生命力。初步测算，当转杯转速在8.5万r/min时，适纺30S（折合纱号20 tex）的纱；转杯转速在12万r/min时，适纺42S（折合纱号为14 tex）的纱。因此，要使开发中细OE纱更有成效，必须实行转杯高速化。

1.2 高速化过程中遇到的问题

转杯纺高速化遇到的问题包括高速转杯驱动技术的局限性、转杯直径等纺纱工艺的限制、能耗及纺纱成本、人工操作困难等。

1.2.1 转杯驱动方式

从转杯纺纱一出现，人们就开始研究转杯的驱动方式。现有的转杯驱动方式主要有以下几种：

（1）直接轴承和龙带的转杯驱动方式（目前最高转速为11万r/min），捷克机型与国产机型都已采用；

（2）双盘支承间接轴承和龙带的转杯驱动方式（目前最高转速为16万r/min），Schlafhorst（赐来福）公司和Rieter（立达）公司的全自动转杯纺纱机目前采用这种驱动方式；

（3）空气轴承和中频电动机的转杯驱动方式（目前最高转速为 8 万r/min），四川川江厂的FA621型中频转杯纺纱机采用这种方式；

（4）磁性悬浮轴承和变频电机驱动方式（目前最高转速为20万r/min），已在赐来福公司的Autocoro 8机型上应用。

目前各种转杯驱动技术都面临着价格、使用寿命、能耗、噪声、维护、配件、故障等问题的考验，有待于深入研究开发。

1.2.2 转杯直径等纺纱工艺技术问题

转杯高速化面临着转杯直径与转杯速度的矛盾，现有转杯直径与转速的关系大致如表 1 所示。

转杯直径与适纺纤维的长度有关，一般转杯直径与纤维长度之比需大于1 ～ 1.3，最近高速化转杯纺这个比例稍有突破。一般说来，高速转杯纺适合纺中细号OE纱，不适合中粗号OE纱。但纤维长度又不宜太长，因此，细而短的化纤较适合高速转杯纺中细号OE纱的开发。

转杯高速后将引起动态张力的增加，造成断头增加，转杯高速后也会使纱与假捻盘的摩擦热量增加，影响假捻效果。高速转杯纺由于梳理速度没有大幅提高，分梳纤维量的增加也会造成纺纱品质降低。

1.2.3 转杯高速后造成人工接头困难

实践表明，当转杯转速在 6 万r/min以上时，人工接头操作就十分困难，因此，辅助接头、机械手接头、巡回小车接头、半自动接头等技术很早就进入转杯纺纱的研究范畴。

1.3 转杯高速化的途径

1.3.1 转杯驱动技术

转杯高速的轴承（直接式与间接式）和龙带驱动的能耗主要是在龙带、托轮等传递过程中。磁悬浮轴承、空气轴承与中频变频电机相结合的独立驱动方式将会是一个新的发展思路，这在节能降耗上将带来巨大的突破，同时在机械结构、自动化和智能化设计方面也将带来很大的潜力。

轴承和龙带的转杯驱动方式在生产实践中不断向前发展，已从 3 万r/min已发展到现在的11万r/min，双盘支撑、间接轴承的最高转速已达到16万r/min，轴承和龙带技术的改进为转杯向高速迈进创造了条件，因其结构简单、维护方便、使用成本较低，至今仍为广大用户青睐。但其在高速、节能、降噪、寿命等方面仍有待提高，以满足转杯高速化的要求。

1.3.2 高速后纺纱工艺方面尚需突破

（1）转杯高速化后适纺纱线支数的提高，需要深入开发化纤中细支OE纱的系统研究；

（2）转杯直径与可纺纤维长度间的关系，转杯凝聚槽表面处理和磨损的关系；

（3）假捻盘降温；

（4）纤维流分梳及其单纤维供应问题。1.3.3 转杯高速化更需要智能化和自动化

2 转杯纺纱机的智能化发展

纺纱机械加工技术的智能化发展是大势所趋。转杯纺纱机的高速化，大大促进了转杯纺纱向智能化方向发展，从转杯纺纱机的发展趋势来看，智能化是其核心部分。智能化直接或间接影响着转杯纺纱机及其产品的竞争力。

转杯纺纱机的智能化生产是指利用计算机模拟人工智能进行判断、分析、决策，实现转杯纺纱机生产中信息的收集、整理、存储、传输、转换等处理整合的过程，使生产过程中各个部分能系统地贯穿统一，可极大地提高生产效率，保证产品质量和社会经济效益。

2.1 转杯纺纱机纺纱器断头自停的智能化

纺纱过程中总会发生断头，断头后必须要求喂入原料停止供给，否则将产生原料浪费、纺纱器严重故障。断头后纺纱停止，影响机器产能，因此，断头后纺纱器的智能化主要体现在如下方向：

（1）利用光电检测到断头后立即通知原料喂入的电磁离合器（或步进电机）停止喂入；

（2）纺纱器红灯亮起，通知操作工接头或维修；

（3）车头控制箱记录断头的纺纱器编号、时间，统计纺纱产量的损失；

（4）车头控制箱利用微机测算全机断头的总数和时间，智能化统计机器断头率、纺纱产量，车间管理人员可以有效地进行产量与工资奖金挂钩；

（5）各台机器如与车间厂部联网，便可在网络上知道上述各种数据与车间纺纱实况。

2.2 转杯纺纱的纱筒定长智能化

纱筒定长的检测是根据正常纺纱时的引纱罗拉输纱长度来定的，也就是断头时间内不记录该纺纱器引纱罗拉的输出长度，纱筒的定长能使OE纱纱筒规格合一，便于包装、运输、后工序生产。纱筒定长智能化主要体现在如下几个方面：

（1）当某纺纱器纱筒定长检测器检测到纱筒纺纱达到规定长度后即通知纺纱自停器停止纺纱，纱筒架自动抬起，进入等待落纱状态；

（2）当巡回落纱接头小车抵达该纺纱器时，接到信号后进行落纱、换管、生头；

（3）车头控制箱记录全机的纱筒的生产总数。

2.3 转杯纺纱稳定负压系统的智能化

转杯纺纱的转杯内纺纱负压和排杂区负压的稳定性对纱线品质的影响很大，但纺纱和排杂风机通过风箱后，因过滤网内纤维原料和杂质的阻隔，造成负压的波动。转杯纺纱稳定负压系统的智能化就是通过检测风道内负压来自动控制调整变频风机电机的转速以保证风道负压的稳定，最终使转杯纺纱的品质一致。

2.4 转杯纺纱电子清纱器的智能化

转杯纺纱的纺纱品质在线检测、监控是通过电子清纱器来实现的。电子清纱器可对转杯纺纱过程中的粗节、细节、波纹纱、异性纤维等纱疵及纺纱线密度的变化进行在线监测。利用电子清纱器取得纱线质量和机器运转状态的信息可以对纺纱机进行监控。现在各种全自动或半自动转杯纺纱机都可配置不同型号的电子清纱器，具有不同的优缺点。电子清纱器的智能化功能仍在不断地发展，目前国际上先进的电子清纱器有立达的IQPLUS式、赐来福COROLAB Q 型、Loepfe（洛菲）的INI式、国产型QSD-18（上鹿纺电）和JQS-20（长岭纺电）等。

2.5 转杯纺纱机其他的一些智能化功能

除了上述的智能化技术和产品以外，转杯纺纱机其他的一些相关技术和装置还在不断地开发研究中，例如机器的火花报警装置、纱筒定径装置、接头质量监控装置、集体生头装置等。通过智能化技术的应用，转杯纺纱机将会在减少用工、提高纺纱品质、节能降耗、安全生产、现代生产管理等方面实现更大的突破。

3 转杯纺纱机的自动化

转杯纺纱机的自动化技术是一种运用控制理论。机械电子装备检测仪表、计算机和其它信息技术对转杯纺纱生产过程而言，是实现自动检测、控制、优化、决策，达到增加产量、减少用工、提高质量、降低消耗等目的的综合性技术。它将控制技术、机械电子技术和转杯纺纱技术进行了结合，也是检测、控制、驱动等 3 个系统的综合应用。转杯纺纱机的自动化使机械装备更加智能化、人性化、高速化，发展潜力巨大。其优点在于提高了机器的工作效率、工作质量、稳定可靠性，且操作简便、可减少或不用人工、扩展了适用范围、可多品种多批次同时生产等，从而达到提高转杯纺纱机整体效益的目标。

转杯纺纱机的自动化主要体现为纺纱接头的自动化和卷绕落筒的自动化，它是转杯纺纱工艺生产和卷绕落筒工艺生产连续自动运行的必要装备，也是转杯纺纱高速化后生产运行的必要装备。它完成了转杯纺纱高速化后人工难以完成的接头和落筒换管的任务。

3.1 纺纱接头的自动化

3.1.1 巡回走车（Coromat或AERObotic）

巡回走车是采用模拟人工接头的方法，通过机械、电气电子、光学和高压气体等组合构成巡回走车，精确化控制来完成全部接头动作。巡回走车式的全自动接头技术从20世纪80年代至今不断向前发展，赐来福公司和立达公司在该领域占据主导地位。其自动化接头过程如下：

（1）断头后通过机械动作使纱筒自动抬起，并发出信号，使自动巡回接头走车到达断头的纺纱器时会自动停下，并进行接头动作；

（2）由机械手打开纺纱器彻底清扫转杯（包括高压气吹、刷子扫等动作），恢复转杯凝聚槽的清洁；

（3）通过机械手寻找纱筒上的纱头，磨断形成蓬松的接头纱尾，达到设定接头的长度，合上纺纱器；

（4）转杯启动，由光电探测器测得转杯达到设定的接头转速时，由机械手将种子纱放入转杯，在此前后，自动巡回接头走车的喂给引纱系统根据设定的预喂纤维时间、引纱时间进行操作，完成接头动作；

（5）通过在线接头检测装置，检测引出纱的接头质量是否达到合格的设定值；

（6）将接头走车接上头的纱引导到主机上的喂给、引纱、卷绕系统；

（7）完成全部接头动作，巡回走车离开，进入巡回运转轨道。

在接头过程中步骤（4）～（6）中任一环出现失败，接头便重新开始。如 3 次没有接上，巡回接头走车就离开该断头纺纱器，机修工则根据其指示的红灯进行排故修理。接头的可调参数有沉纱长度、接头瞬间转杯设定转速、附加捻度值、预喂纤维量、引纱和卷绕的起始时间等。

3.1.2 纺纱器独立驱动、DigiPiecing单独数字接头系统

这种接头模式首先见于赐来福的Autocoro S机型。2011年Autocoro 8机型将这种模式加以发展，采用转杯磁悬浮和变频电动机独立传动的方式，这是一种半自动接头和巡回走车全自动接头相结合，采用喂给、引纱（卷绕）、转杯单独传动，数字化精确控制接头时间、喂入方式，每个纺纱器都配置接头系统的新型全自动接头机模式。它使全自动接头（1）～（5）的动作都在独立的纺纱器上通过DigiPiecing单独数字接头系统来完成，其优越性表现为：

（1）每个纺纱器断头后立即进行接头，不必等候巡回走车的光临，使机器运转效率提高；

（2）巡回走车由于巡回运转接头中故障多，运转维护难度大，非常不容易“伺候”；

（3）机器刚开车时，不用巡回走车按顺序对每个纺纱器进行接头，因此，该模式具有开车集体生头的类似功能，既保证接头质量，又节省开车接车时间；

（4）每个纺纱器都是独立单元，全部生产接头数据都可进入车头控制箱显示、调节、打印；

（5）纺纱器各运转元件全部采用独立驱动，既为数字化精确控制时间与动作、提高接头质量创造条件，又能大大节约能耗，因为断头期间各运转单元都可自停。

3.2 卷绕落筒的自动化

3.2.1 巡回走车式

早期的巡回走车有两部，一部是巡回接头走车，一部是巡回落纱走车，后来才将巡回接头和落纱合二为一，但仍配置纱管库和空管生头机构。自动落筒换筒管的步骤如下：

（1）转杯纺的纱筒达到设定长度或直径后，纺纱器停止工作，满纱筒自动抬起，脱离卷绕辊；

（2）利用巡回走车上的机械手，将达到规定卷装定量的纱筒抓起推送到机顶中央的纱筒输送带上，然后由运输带将其送到机尾，由另一机械手装置或人工取走；

（3）将车头贮存的空筒管通过空管输送带，自动运送到落筒的纺纱卷绕锭位，并由巡回走车将空管正确装入卷绕筒子架；

（4）由巡回走车将空管打上留尾纱的底纱；

（5）由巡回接头走车进行自动接头。

随着自动化技术的发展，巡回接头走车、落筒小车及打底纱装置合在一起，形成一个综合型的自动巡回走车，完成全自动清洁、接头与落筒换纱管的全部动作。

3.2.2 独立的卷绕落纱筒系统

Autocoro 8机型将独立的卷绕落纱筒系统与独立的接头系统相结合，每个纺纱器的独立落筒系统可完成3.2.1中（1）～（5）的顺序动作和功能。由于卷绕机构的独立驱动，落筒的卷绕质量、纱筒的密度和成形有较大的改观。

4 转杯纺纱机实现高速化、智能化、自动化的途径

（1）通过“仿造”实现转杯纺纱机的自动化是行不通的。一些纺机企业、研究单位曾经希望通过仿造国外先进自动化装备来实现自动化转杯纺纱机的国产化，结果均以失败告终。自动化转杯纺纱机不单涉及机械制造，还涉及到其他很多技术门类，特别是自动控制系统。仿制的产品在控制系统的时间顺序与机电一体化等方面都难以达到要求。另外，“仿造”必然涉及到国外专利技术，在中国从纺织大国向纺织强国迈进的过程中，纺机行业走“仿造之路”是行不通的。

（2）转杯纺纱机的高速化、智能化、自动化是一个典型的综合性、跨学科高科技项目，它涉及到控制理论、电子计算机、电子电气、精密机械、流体力学、气动控制、光电检测、材料学、纺纱工艺技术、微机网络、信息传递等众多学科，需要多个领域技术和科学的相互融合。

（3）高速化、智能化及自动化转杯纺纱机的研发设计不同于普通的机械设计，因此需要引进和培养能将上述众多学科进行有机结合的综合性人才，需要跨学科、跨行业甚至跨地区的学科技术合作。近10年来，世界转杯纺纱机的销售量约有60%在中国，国际转杯纺纱机的制造企业十分关注中国市场，从这点来说，我们有条件有能力吸收国内外的研发设计精英，组建强大的自动化转杯纺纱机研发团队。

（4）高速化、智能化、自动化转杯纺纱机一般都是价值500万元以上的大型、先进机械装备，相对地，其研发费用也很大，因此必须集中全行业的人力、物力、财力来开展这项研发工作。

（5）此外，还需要制定转杯纺纱机高速化、智能化、自动化的发展战略，明确方向、制定策略、组织人才、规划实施，才能使我国转杯纺纱装备行业持续、健康地发展。