纺织技术 | 细纱卷捻系统的“功率消耗”

细纱机高速讨论中，有一点共识是没有争论的，那就是高速带来高能耗，而且不是线性的，是n次方的关系。当细纱机技术发展到一定程度时，高能耗就成为进一步发展的瓶颈之一（当然还带来由此而引起的其他问题）。我们要研究在生产同样产品时如何降低设备能耗，就要先弄清楚能量是如何被“消耗”掉的。

按照牛顿力学的“能量守恒”原理，能量不能产生，也不能被消灭，只能从一种形态转变为另外一种形态。日常生产活动中最浅显的现象是：“电能”通过电动机变为“机械能”，“机械能”通过各种机械设备转变为“热能”等等。“电能”的表现形式是“电压”和“电流”；“机械能”的表现形式是“动能”和“势能（位能）”；“热能”的表现形式是“分子运动”，直观的表现为温度。

细纱机的电机，将电能转变为机械能，使包括锭子在内的所有运动部件得到能量（动能）开始运动，速度是动能“量”的标志。锭子（或包括纱管）的动能公式为(1/2)Jω²，其中：J是锭子（纱管）相对于其转动轴心线的转动惯量（若为直线运动，动能公式则为(1/2)mv²，m为物体质量）；ω是锭子的角速度（单位通常为rad/s，与锭子转速可通过公式ω=2πn/60换算，n为锭子转速，单位为r/min）。

在它达到稳定的生产速度后，如果没有摩擦和其他作用力，那么不需要再输入“功率”它就会不停地等速转动，因为它本身不消耗能量。除非它要“作功”，例如要拉动纱线运动，它的动能会转化为纱线的动能。在现实环境下，没有摩擦是不可能的，它有速度，就会和周围没有速度（或不同速度）的物体（包括空气）发生摩擦而“作功”，它的动能就会减小，这时它必须从原动件（锭带）取得能量，来维持不变的转速。

在所有的机械设备上普遍存在的“摩擦”，摩擦是将机械能转变为热能的主要形式，即通常所说的摩擦生热。皮带传动有摩擦，轴承有摩擦，运动件和空气有摩擦，零部件变形（如皮带弯曲）材料分子间有摩擦等等，各种摩擦无一例外地将机械能转化为热能。

从包括机器周围空气的“大环境”来说，机器上的所有摩擦产生的热能，通过辐射、传导等方式使周围的空气温度升高，扩散到更大范围的空气中去，能量没有消灭，是符合能量不灭原理的。但是就机器本身来说，电能转为动能，能量还在运动着的零部件中，但通过摩擦发热的热能散发到空气环境中去，就“离开”机器，无法“回收”了，这就是能量被“消耗”掉了。通过上述“能量循环”的分析可以得出两点结论：①机器零件本身不消耗能量。②所有被消耗的能量都是由于各种“摩擦”变为无法回收的热能。

因此，要研究节能，首先必须研究机器上存在的所有摩擦，特别是要研究摩擦消耗最大的那些零部件。

在细纱机上，消耗能量最大的之一要算是锭子（包括管纱）了。所以下面将详细研究（定性的）细纱锭子的摩擦状态。

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锭子的空气摩擦

细纱机和其他的机械设备一样，“摩擦消耗”有两类：①机械零件之间的摩擦：包括轴承、导轨等各种运动付；②和空气的摩擦。

在低速状况下，机械摩擦阻力为主要的，随着速度的提高，空气摩擦将占主要地位。汽车工业有这样的研究和实践经验，机械阻力随着速度提高而降低，空气阻力随着速度提高而上升。

当汽车时速达到100千米/时，机械阻力和空气阻力各占50%。这时车型设计必须考虑减小空气阻力的流线型，以降低能耗。

现在我们的细纱锭子转速开到2万转/分，如果钢领直径是42毫米的话，钢丝圈的线速度就是2.64千米/分，折算到时速约为158.4千米/时，气圈的最大值径处的纱线线速度还要超过这个数值。

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锭子和纱管的空气阻力

再来看锭子和纱管的空气阻力，在稳定速度下，它们本身具有的动能不会自身消耗。但是由于速度极高，尤其是管纱表面（纱层）比较粗糙，和周围空气产生摩擦就会带动贴近纱层表面的空气跟着运动。

由于空气有黏稠性，内层空气又会带动外面一层空气，一层又一层地带动，形成一个围绕纱锭旋转的、有一定半径的“旋转气团”，最内层贴近管纱表面空气的线速度是管纱线速度，越到外层线速度越低，一直到零。这就是说气团内存在“速度梯度”，不同速度的气体分子产生摩擦，因此气团本身一直在“消耗能量”。

锭子速度越快（或管纱直径越大），气团的直径也越大，气团具有的动能越大，消耗的能量也越多。气团的这些能量都是锭子作“功”的结果，就要“消耗”锭子的动能，这就是锭子和空气摩擦的实质。

怎样降低这种“消耗”呢？一个办法是减少“气团”中空气的“量”。

欧洲一家纺织研究所，做了这样的试验：用一个内壁非常光滑的圆筒，套在管纱外面，它的直径比管纱直径稍大。这样把气团限制在一个直径不大的圆柱形“气环”内，空气数量大大减少。虽然筒内高速空气和筒壁产生摩擦，但由于内壁光滑，阻力较小。

这一装置明显降低了高速锭子的能耗，当然由于操作问题，这样的措施现在不可能直接运用到生产车间来，目前还在实验室中，但是他们还在坚持这项试验。

虽然汽车与细纱锭子结构不同，但是可以肯定，达到这样的机械速度的情况下，应该考虑空气阻力的问题，我们必须去研究它。

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钢丝圈的摩擦阻力

高速细纱机的钢丝圈重量应当减轻，这一点经验我们已经有了，那么是否考虑过钢丝圈的钢丝截面形状在前进方向上的“流线型”设计呢？

物体在空气中运动的空气阻力有公式：F=（CpSV2）/2 。式中：F-空气阻力（单位：N）；C-阻力系数（取决于物体形状，无单位）；ρ-空气密度（单位：kg/m³）；S-垂直于速度方向的物体截面积（单位：m²）；V-物体与空气的相对速度（单位：m/s）。因为V很大，前面系数的微小变化都会引起阻力F的明显变化。

钢丝圈用的钢丝截面设计中，可以在两个系数上挖掘潜力：一个是截面积S；一个是阻力系数C。如果迎风面是平面形状那么C=1；在汽车发展过程中，有这么一组数据：上世纪50年代的汽车阻力系数C：箱式车、卡车C=0.9-1.0；轿车C=0.6；赛车C=0.4。到90年代的数据是：箱式车、大卡车C=0.7-0.9；桥车C=0.3；赛车C=0.1。可见外形的流线设计是大有潜力可挖的，我们在钢丝圈上是否也可以做一些研究呢。

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锭子的机械摩擦

细纱锭子的机械摩擦比较直观，主要就是锭子轴承。锭子从低速时代的滑动轴承发展到高速时代的滚动轴承，原因是众所周知的：滚动摩擦因数比滑动摩擦因数要显著小。但当向更高速度发展时，又回归到“流体动压滑动摩擦”形式，这是因为润滑剂在高速工况下，会在摩擦副之间形成具有“承载能力”的“油膜”，使轴承（固定件）与轴（转动件）脱离固体接触，此时的摩擦变为润滑剂分子之间的内摩擦，其摩擦因数显著小于固体之间的滚动摩擦因数（滚动轴承的摩擦属于固体间的“点”或“线”接触，难以形成大面积稳定油膜）。特别是“空气轴承”的出现，用空气做润滑剂，自然比液体润滑剂的阻力更小了。

摩擦力有两个决定因素，除了摩擦因数外，还有“正压力”。施加在锭子上的正压力主要由锭带张力产生。锭带在单个锭子上的包角一般为90度，根据力学分析，锭子受到的正压力大小大致是锭带张力的1.4倍。锭带张力包括初张力和传动张力，初张力不能太小，否则不能产生足够的摩擦力来可靠传动锭子；传动张力取决于负载大小，锭子组件受到摩擦阻力越大，则传动张力也越大；反馈回来，锭子轴承摩擦阻力也越大，这是一个恶性循环。所以锭速越快，轴承阻力越大，而且不是“线性关系”。

所以，要适应高速锭子减少摩擦阻力，有两个方面措施：一是设计优良的“液体润滑”滑动轴承或空气轴承；二是采用“单锭电机”传动方式，彻底消灭了轴承的“径向”负载（正压力）。

“单锭电机”传动方式理论上有很多优点，早在上世纪中叶已出现，但当时电机技术较落后，存在传动效率低、体积庞大、能量转换效率低、空耗大等问题，导致细纱机能耗高于锭带传动，经济上得不偿失，无法推广使用。但是经过半个多世纪的发展，现在上述问题都已经基本解决；而结构简单，取消了一整套传动机构；调速性能优越，减少机械摩擦能耗等诸多优点已经显现出来，特别是为环锭细纱机整体设计的彻底改革创造了条件，是值得生产细纱机的纺机企业关注的一项新技术。

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气圈和断头分析

有位行业同仁提到：细纱提速过程中，最令人头痛的问题之一是变速段瞬间的断头。这就涉及到速度工艺如何来设计比较合理而且断头少。

这的确是目前迫切需要解决的实际问题，重要是要找准“断头”的主要原因何在？

到目前为止，比较一致的认为，高锭速和在大、小纱时气圈的张波动是造成断头的主要原因，所以国内外对应的措施是“大、小纱减速”。但是，好像没有完全地解决问题。

张力过大，超过了纱线的强度极限，肯定是断头的原因。在“中纱”阶段，锭速可以开的很高，由于钢领板升降造成气圈变化，也产生张力波动，但断头很少，说明现在水平的“高锭速”和由于气圈正常张力波动，还没有达到纱线的极限强度，还有相当的“安全因数”。那么就是说这种张力波动还不是断头的原因，还存在一些突发性的，使张力超过纱线极限强度的未知原因存在，必须找出这个原因。

我想，一个值得注意的一个原因是：共振现象。

东华大学陈人哲教授在他的著作《纱线力学问题》中，指出纱线运动是一种振动，既有横波（质点振动方向和波传动方向垂直），也有纵波（质点振动方向和波传动方向一致），纱线的波动和瞬时张力有密切的关系。有波动，就有可能产生“共振”，此时可能发生高达几倍的振幅，也将产生超出纱线强度极限几倍的瞬态张力而导致断头，因此有必要研究环锭纺气圈的振动形态。

关于气圈的理论研究论文已经相当多，但是从“振动”角度出发的研究文章还不多见。由于气圈运动的复杂性（它并非简单的振动），研究需应用较高深的数学工具，采用数值分析方法，借助计算机进行大数据计算，这些工作可交由教授及其学生（通过博士、硕士论文）完成，本文仅做定性分析，探寻共振产生的可能性。

环锭纺气圈本身就是一个“圆偏振波”，它可以看作是两个正交的平面波的合成。它是一个“横波”，其频率就是锭子转速，振幅是气圈最大半径，半周期是气圈从导纱钩开始，经过钢丝圈并延伸到与锭子轴线相交点的长度。由于钢领的运动，它是一个“变周长”的复杂振动，其周期长、振幅一直在有规律地变化（规律决定于钢领运动）。振动体都存在一个“自然频率”，气圈的自然频率也是变化的，如果锭子速度和气圈的自然频率重合或成整倍数时，就会产生共振现象，我们必须避免。

另外还有一种振动：从管纱“卷绕点”到钢丝圈之间的纱线（这里可称其为“卷绕段”），也是一个振动体，其振动形式属于“纵波”，直观上较难观察到。

我们来分析卷绕区的长度，因为钢领板的运动，管纱的卷绕半径在不断地变化，锭速是不变的，所以在管纱一侧（卷绕区前端），卷绕速度是变化的；在钢丝圈一侧（卷绕区后端），纱线的绝对速度就是前罗拉输出速度，是不变的，但是钢领在上下运动，使气圈轴向长度在变化，经过钢丝圈的纱线的速度也发生变化。

假如钢领板上升（钢丝圈随钢领板同步上升），前端卷取速度因卷绕直径减小而变慢；后端纱线经过钢丝圈的输入速度则变快（等于前罗拉输出速度与钢领上升速度之和）；此时卷绕段纱线的长度增加，导致钢丝圈相对后移。因此，在钢领板上升阶段，钢丝圈的速度会减小；反之，钢领板下降阶段，钢丝圈的速度会增加。

这导致两种结果：1、气圈旋转速度实际上是变化的，影响气圈波形的变化；2、直线纱段的长度、速度都在变化（不是等速的），存在着“纵波”形式的振动，它引起的张力波动会影响气圈波形的变化，构成纵波振动。这些波动引起的张力波，都沿着纱线向上传递，合成为一个复杂的波形。

理论上，一个复杂的波动，可以用级数形式分解为若干个谐波（可以用简单函数描述的简单波形）的合成。这样就可以找出每一个谐波的自然频率，只要外加的强迫频率避开系统中这些自然频率的共振区域，就可以避免共振的出现。对于上述气圈的振动系统来说，理论研究可能是非常困难的，因为可变因数太多，而且相互影响，解析工作只有作为一个课题留给教授们带领博士、硕士研究生去完成。而生产实践上可以用实验方法来找出某一种细纱机和某种工艺条件下的气圈系统的若干个自然频率范围，然后设定一些锭子速度“禁区”，只要避开禁区的转速都是“安全”（不会共振的）的，有最低的断头率。

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逆向思维

实践经验和理论分析都得出一个结论，气圈的不稳定，造成张力波动，是引起大、小纱断头的重要原因。那么能不能创造一个“稳定气圈”的环境，消除断头的主要原因呢。

我这里又要用“逆向思维”来寻找“出路”了。

有一个研究生孙涛《单锭单电机细纱张力控制系统的研究》的论文（导师是江宜宽和宁福军），提出了一个“逆向思维”的可贵设想：传统细纱机的卷绕成形都是纱管（锭子）不升降而钢领板升降；他提出来的方案是：钢领板不升降，而纱管升降。

按照这样思路，上面讨论到的许多问题都迎刃而解了。

1、气圈的高度始终不变，消除了正常运行中引起张力波动的主要因素，没有大、小纱问题。

2、锭子跟随绕纱直径而改变转速，使卷绕线速度恒定，这样消除了钢丝圈转速的波动，气圈的转速也恒定了。这样从空管到满管，气圈形状始终不变。正常生产时在稳定转速下，不会出现“共振”现象。

3、这种结构，只有采用单锭电机才有可能（不需要庞大的锭子传动系统）。机构简单，节能降耗，适应高速。

4、结构上容易实现落纱自动化（集体自动落纱）和工序联合化（细络联）。

5、钢领板不升降，而纱管升降，带来的问题是纱管升降的能耗有可能大幅增加，因为锭子和筒管加上纱线的质量远远大于钢领板的质量。

作者：陆宗源

编辑： 中国纱线网，转载请注 明出处

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