倪  远

（上海东飞现代纺织技术研究所）

 

摘要：本文从环锭细纱机加捻卷绕技术结构的组成入手，分析了加捻卷绕各区段的工作状况和各器件的改进创新进程，结合相关专利技术对加捻卷绕技术的创新发展进行评析，提出了环锭纺存在的两大不稳定因素和一个速度极限，是环锭纺发展的主要屏障，消除或减轻其对稳定生产和提升产能的影响是环锭纺创新发展的主要方向。

关键词：环锭纺；加捻卷绕；钢领；钢丝圈；气圈；张力；线速度；产能；专利；创新；

 

1、环锭纺加捻卷绕概述

从手工纺纱向机器纺纱的发展始于18世纪英国产业革命。1769年出现了利用水力拖动的翼锭细纱机，1779年S.克朗普顿根据手工纺车原理发明了走锭细纱机，这是早期的两种细纱机。1825年R.罗伯茨又将走锭细纱机改进为自动作用的走锭细纱机，这种型式的机器在19世纪和20世纪初期获得了广泛的应用。1828年出现了帽锭细纱机。同年，J.索普创造了环锭细纱机，当时钢丝圈是由纺纱工用手工弯制而成的。1830年以后，才开始正式制造钢丝圈。环锭细纱机可连续生产，且纺纱速度较高，因而逐渐被广泛采用，成为现代应用最多的一种纺纱形式。

早期的工业化纺织生产不仅发展了纺织技术，而且也推动了当时蒸汽机和其它工业领域的发展和应用。到1914年，英国人拥有世界纺纱纱锭总数的3/5，技术上远远领先于其对手，并独霸了世界上棉纱和棉制品的出口市场，其平均出口份额大概在70～80%之间。到1924年英国棉纺织工业曾经达到6330万枚纺纱纱锭、79.2万台织机的规模。

“环锭纺”这个名词中，“环锭” 的含意是环形的钢领套置于锭子外周，而“纺”字在广义上是指纺纱过程，在狭义上即为加捻。与“环锭纺”对应的英文名词是“ring spin”，也同样描述为环形的纺纱或在环状物上的纺纱（加捻），钢领的“领”就来自于“ring”的发音。因而以环形钢领（钢丝圈）加捻是环锭纺的核心。

加捻使须条成为纱线，没有捻度就不成其为纱线。因而所有的纺纱形式，基本上均以加捻形式来命名，如非自由端纺纱的环锭纺、自捻纺，自由端纺纱的转杯纺、喷气纺等等。一些在环锭纺加捻形式上发展的附加特征性纺纱形式，如赛络纺、紧密纺等，只是简化了名称，完整名称应该是环锭赛络纺、环锭紧密纺或赛络环锭纺、紧密环锭纺等。

纺纱中的加捻过程，是耗费成本最大的一个工艺环节，其不仅设备复杂、能耗大，更重要的是其单位工位的产能极低，其制约了纺纱系统总体产能的提升。环锭纺纱加捻能耗大的原因在于，一是其必须带卷装回转加捻，加捻卷绕部分每回转一圈才给纱条加上一个捻回，纺纱加捻卷绕高速部分的容积和质量不可能小而轻；二是因单位工位产能低，且只能通过提高锭速来成比例地增加产能，而高速元件的能耗与速度的平方成正比，因此速度越高，单位长度或质量的纱线能耗成本越大。可见纺纱设备的利用率与纺纱能耗之间存在着不可调和的矛盾。

表1是一带四锭加捻卷绕传动式环锭细纱机纺纱功耗的实测数据。

（表1的纺纱条件是：二个方案同机台，420枚纱锭细纱机，采用17KW三相异步电机，变频控制；工艺：纺制JC/T45英支，C60/T40-CVC品种，捻度1020/米，粗纱定量8克/10米，重量牵伸约61倍，平面牵伸弹簧摇架后区双压力棒，高效工艺牵伸配置；用PG1/2-4254钢令，OSS5/0钢丝圈。纺纱长度4000米（管纱中纱），空纱管中部直径19毫米，管纱中部直径39毫米。）

表1：

从表1数据可见，正常纺纱时，锭速12000rpm较16000rpm时功耗小45.6％，剔除产量因素以单位产量纺纱用电成本计，较低的纺纱速度比较高的纺纱速度整机功耗节电，该品种锭速12000rpm比16000rpm可节电（5.44/12000-9.92/16000）/（9.92/16000）＝27％；同时其基本上符合纺纱功耗正比于纺纱速度之平方，即9.92/5.44≈（16000/12000）²。

使环锭纺发展成为主流的纺纱形式，其重要因素在于钢领钢丝圈加捻卷绕形式结构的简单和巧妙。说钢领钢丝圈加捻卷绕结构为所有加捻卷绕形式中最简单和巧妙的结构并不为过。一个环形轨道的“钢领”加上一个不成圈的“钢丝圈”，构成了最简洁有效的加捻卷绕主要结构。在纺纱过程中，钢丝圈为完成输出纱线的卷绕而滞后于锭速，其自调速运动非常巧妙地适应于卷装上大小直径的卷绕，而不必机械地伺服于卷绕直径的变化。气圈也是环锭纺加捻另一个巧妙的“结构”构成，虽然其没有应用附加构件。说环锭纺为环锭回转加捻，其确切的描述应该是钢丝圈引导并和气圈纱条一起在环绕锭子的钢领上作回转加捻。可见，气圈是空间无刚性约束的柔性体：既是加捻结构的构成又是纱线输送的路径、钢丝圈是速度无刚性控制的周向运动自由体：既是加捻的引导者又是卷绕的引导者。这就是钢领钢丝圈加捻卷绕形式的简单和巧妙之所在。

环锭纺产能的制约，从根本上说也是源自于这种纺纱加捻卷绕形式的简单和巧妙，简单和巧妙的结构赋予了其成为主流纺纱加捻卷绕形式的重要元素，但其独有的纺纱气圈形态、张力波动状况和钢丝圈运行姿态、线速度极限等纺纱稳定性影响因素，都会在一个运转参数上体现出来――纺纱断头率，细纱机高效纺纱――产能进一步提升的梦想，也被纺纱断头所粉碎。断头的主要因素除了纱线强力弱环小于张力峰值外，还包括钢丝圈过热、软化和烧毁飞圈及钢丝圈磨损割断头等钢丝圈运行意外状况造成的断头，这些是钢丝圈线速度或寿命超限的表征。

环锭纺被长期和大范围应用的另外两个因素是：与其它纺纱形式相比，其适纺品种最广和纱线断裂强度最高。环锭纺几乎可以纺制所有品种的纤维和所有线密度的纱线；环锭纱线也是所有纱线中对纤维强度利用率最高的纺纱形式。这两大因素也与钢领钢丝圈和气圈加捻形式直接相关。

在环锭纺纱用电成本和用工成本占纺纱总成本比例不断增大的情况下，高速纺纱带来的单位用电功耗增加和因断头率增加而用工增加的矛盾日益凸显，在环锭纺纺纱加捻卷绕结构没有重大突破之前，进行加捻卷绕结构部件的改良和探寻综合经济性良好的纺纱工艺参数是近阶段业界可以作为的事。

2、纺纱分段与导纱角

2.1纺纱段

将前罗拉钳口到导纱钩之间的区域称为纺纱段，只是一种习惯的称呼。前已所述，广义的“纺纱”是指整个纺纱过程，而细纱机上狭义的“纺纱”应该是指整个加捻卷绕过程。

2.1.1加捻三角区

按须条的行进方向看，加捻区始于加捻三角区。从牵伸部分最后一个握持钳口输出的扁平须条被传来的捻回所包卷。从捻度传递的路径看，三角区是加捻的末端。握持钳口处扁平须条横向宽度的存在阻止了捻回向钳口的传递，形成了一个弱捻环节。

导纱钩与前钳口的相对位置关系，决定了在一落纱过程中，与卷绕升降相关的导纱钩升降和级升使纺纱段中三角区纱条与上下罗拉包围弧的动态变化状况。纱条与上下罗拉的包围弧具有阻止捻度向三角区传递的不良效应。同时导纱钩所处水平面与纺纱段纱条之间的夹角，即导纱角，决定了纱条在导纱钩上接触包围弧的长度，且由于导纱钩的升降和级升运动使其动态变化，气圈段纱条的回转加捻运动在纱条与导纱钩的接触中被阻止捻回向纺纱段传递的程度也在动态变化。这种捻回逆纱线运动方向传递并受阻于接触点的现象称为捻陷。因此纺纱段的捻度总是小于气圈段的捻度，也是整个加捻卷绕部分捻度最弱的一段，而在三角区，则是捻度最难以传递到的地方。

三角区一方面是动态纱条捻度和强度最弱的环节，另一方面也是须条的边纤维难以被包卷入纱体而产生毛羽的关键部位。

无论是牵伸区中的集聚，还是通过附加阻捻钳口设置附加集聚区，并在附加集聚区中进行集聚，都是为了缩小须条进入加捻区的横向尺寸，即缩小三角区的横向尺寸。二十世纪末期兴起的紧密纺纱技术正是源自于这样的设计思路，采用负压气流式的同步凝聚也好，或者机械式的喇叭口、改变纱路矢量也好，都是为了减轻或消除三角区的不良影响，其对纱线产生了两个方面超乎想象的良性效应：纱线毛羽大幅度减少、断裂强度明显提升。可见小小三角区对纺纱外观和内在品质的影响。由于纱线因与毛羽相关疵点的降低和强伸特性的改善，环锭紧密纺纱线成为所有纱线中纱体最紧密、断裂强度最高（单纤维强力利用率最高）的纱线。

2.1.2导纱角

导纱钩所处水平面与纺纱段纱条之间的夹角，称为导纱角。导纱钩一方面阻止了捻度的传递，同时也使气圈段张力及其波动向纺纱段的传送被阻碍，对纺纱过程中卷绕段和气圈段动态张力的传送起到了缓冲效应。

因此，导纱角作为细纱机断面形态的一个重要参数，对其利弊平衡是细纱机设计的关键要素之一。

传统的细纱机导纱角设计取值，是在一个较小的范围内选择，细纱机集体落纱技术的应用，对包括导纱角、纺纱段长度、导纱钩与前罗拉钳口上下和进出位置、纱条与前上下罗拉包围弧等细纱机断面设计相关尺寸提出了新的要求。集体落纱的细纱机断面尺寸中，为了适于垂直拔管的需要，导纱角和纺纱段长度均有增大的趋势。这些参数的增大减弱了导纱钩对张力波动传递的缓冲效应，同时由于增加了气圈控制技术和纺纱张力――锭速控制技术，即气圈控制环和锭速的大中小纱分段变频调速技术（纺纱输出长度锭速控制）甚至复合卷绕直径变频调速技术（纺纱输出长度复合卷绕直径的锭速控制）的应用（详见本文3.5.4），缩小了纺纱张力的波动范围，从而也可以减少对通过纱条与导纱钩捻陷效应来抑制卷绕段和气圈段动态张力对纺纱段影响的依赖。

2.2气圈段

气圈段位于导纱钩与钢丝圈之间。

纺纱气圈是环锭纺所特具的产品工作形态，气圈段既是加捻卷绕的导纱路径，又是加捻结构的必要构成。

由于高速状态下纱条质点受离心力的作用，纱条呈外凸封闭的立体纺锤形体，在气圈上各点角速度相等的情况下，所处的直径越大，受到的离心力也越大，同时较大的回转半径使线速度成比例增大，纱条与空气的摩擦加剧，不但影响纱条外观品质，同时气圈回转所需的驱动功率和驱动力增加。离心力和驱动力的增大意味着卷绕段和气圈段的动态张力增大，相应的断头概率增大。

因此控制气圈形态一向是细纱机设计和纺纱生产的重要任务，高速纺纱中控制气圈形态显得尤为重要。

现代细纱机设计中广泛采用导纱钩独立随动升降和气圈控制环技术。

导纱钩的独立随动升降功能，对小纱和大纱阶段的纺纱性能都有良性效应。在小纱阶段，导纱钩的随动下移可以有效降低小纱特别是管底成形时的气圈高度，从而缩小气圈最大处直径，相应降低气圈段纺纱张力；在大纱阶段，导纱钩的随动上移可以有效增加气圈高度，因为过小的气圈高度使气圈对纺纱张力的柔性缓冲作用降低，从而导纱钩的随动上移可以有效降低断头概率。

采用气圈环控制气圈形态的方法，是将一个大气圈分隔成两个小气圈，气圈环便是两个小气圈结合处的颈部，其可以非常直观和有效地控制气圈最大直径，从而也控制了气圈段因气圈直径增大而产生的动态张力峰值。因而，在高速（锭速大于18000RPM）纺纱中，气圈环的应用已是一个基本和必需的选项。

气圈形态对于纱线动态张力来说，是一个具有柔性缓冲调控作用的加捻结构，其可以在纱线动态强力允许的范围内，自动平衡由于钢领钢丝圈滑动摩擦副配合不协调而产生运行稳定性降低所导致的张力变化，使纺纱过程顺利进行。随着卷绕升降、卷绕直径、气圈形态的动态变化，钢丝圈运行姿态也在不断改变，而钢丝圈运行姿态是其与钢领运动配合不协调、运行稳定性降低和纱线张力突变的主要原因。

日常生产中的气圈直径控制主要是钢丝圈重量的调整。在钢丝圈型号不变的情况下，增加钢丝圈重量可以在一定范围内控制气圈直径，当然这也同时改变了纺纱张力。较重的钢丝圈重量使卷绕段张力增大，气圈直径减小。

2.3卷绕段

卷绕段位于钢丝圈与卷装纱管之间，这是加捻卷绕三个分段中纱条路径最短的一段。

卷绕段是纱线加捻卷绕运行驱动力之源。锭子与筒管通过卷绕段张力将驱动功率传递到钢丝圈与气圈，使之作高速回转运动并完成纱条的卷绕输送。

在一个卷绕升降动程中，卷绕直径的最大（一般为钢领直径减去三毫米）和最小（筒管直径）之比通常为两倍左右（钢领标称直径42毫米时），在最大直径时，纱条与钢丝圈所处点钢领的法线成最大卷绕角；在最小直径时，纱条与钢丝圈所处点钢领的法线成最小卷绕角。因此，卷绕段的纺纱张力与卷绕直径的大小直接相关。

表2为纺纱实际有功功率分项测试和计算。

表2：

表2的纺纱条件同表1。表中的卷捻功率是指传动加捻卷绕部分的有功功率，卷绕功率是指通过卷绕段纱条传递的有功功率。

在表2的纺纱有功功率实际测试和计算中获知：一个升降动程中大直径时纺纱卷绕功率比小直径时大14.35％；实际消耗于纱线加捻卷绕的有功功率仅占卷捻部分有功功率的25.1％，即在加捻部分的有功功耗中，卷绕功耗仅占整个加捻卷绕部分有功功耗的四分之一左右，其余的四分之三均耗费在加捻传动部件和卷装驱动上。这些耗能部件包括：主电机传动皮带－主轴－滚盘－锭带－张力盘－锭子等传动链系统，其中主要可以分为二大部分，即在张力、重力、应力和润滑剂粘滞力等综合作用下的支承摩擦损耗及高线速度运行元件的空气阻尼损耗。

通过表2数据还可以计算卷绕段宏观平均张力，每锭卷绕段平均张力＝每锭卷绕功率/卷绕线速度。由于在短动程上下部存在卷绕直径的差异，即上部卷绕直径为19毫米，下部卷绕直径为39毫米，在锭速为16000rpm时，短动程大直径段每锭平均卷绕段张力＝（5.69）/（16000×0.039×3.14/60）＝0.174牛顿＝17.4CN，短动程小直径段每锭平均卷绕段张力＝（4.98）/（16000×0.019×3.14/1000/60）＝0.313牛顿=31.3CN，短动程小直径比大直径卷绕段张力大（31.3－17.4）/17.4＝79.9％。通过上述测试和计算可知，同样纺纱阶段的小直径纺纱张力较大，这便是小直径纺纱时拎头偏重、断头偏多的主要原因。

同时该品种成纱的单纱强力为213.9CN，测试最低强力为167.9CN，中纱时短动程上部小直径纺纱的宏观平均卷绕段张力占成纱最低强力的比例＝31.3/167.9＝18.6％，纱线强力有较大余量（当然这是与计算宏观平均卷绕段张力而非动态瞬时纺纱张力比），纺纱处于正常状态，断头较少。

3、加捻卷绕形式与元件的创新

加捻卷绕形式与元件的创新伴随着环锭纺的技术进步。以下以可资检索的专利信息为主要技术背景进行概要讨论。

3.1导纱钩

导纱钩的改良基本上围绕以下几个方面进行：减小捻陷效应、降低张力波动对纺纱段的影响、降低毛羽、提高引纱操作的便利性、延长使用寿命。

表3是近十多年来有关导纱钩改良的典型专利申请。

表3：

专利名称	申请号	申请人 地域	主要特征	主要性能	附图
导纱钩	952159775	河北	板式导纱器	缩短接头时间提高工作效率	图1
一种细纱机导纱钩	972126260	河北	螺旋顺时针 向下	缩短接头时间提高工作效率	图2
导纱装置	012186430	台北	铝质导纱轮	降低毛羽50％	图3
细纱机 导纱钩	02234909x	天津	镶嵌式 组合结构	减少断头降低毛羽纱条运行平稳操作方便寿命长	图4
环锭细纱机导纱钩	032787340	江苏	特硬材质	抗磨性能好寿命长	图5
导纱钩	2004201223795	安徽	V形圆弧槽 集聚	降低毛羽15％	图6
导纱钩	2007200408834	江苏	NiCr材质，2.2mm孔径	抗磨性能好寿命长	图7
低毛羽率刚玉导纱钩	2008200282135	陕西	刚玉材质双迎纱与引纱曲面	减少断头降低毛羽50％纱条运行平稳操作方便寿命长	图8

其中，申请号为012186430（图3）和2008200282135（图8）的专利申请声称可以降低成纱毛羽达50％，如果商品化应用中也具有相近效果的话，则在没有其它附加成本的情况下，对成纱品质的改善是难能可贵的。

导纱钩上的导纱孔引导纱线以与锭子和钢令同心的方式进入气圈段，导纱孔是气圈段的起点。对于导纱孔直径和导纱钩体直径的改良是适当缩小，较小的导纱孔直径可以减小气圈旋转时纱条在导纱孔中跳动的幅度，从而降低纺纱张力波动；较小的导纱钩体直径可以减小纱条与导纱钩的包围弧，从而减轻捻陷效应。在纺纱角角度较小时，这样的改良效果较有效。

导纱钩上擒纱器（钩）的原始设计有两大功能：断头擒纱和清纱擒纱。断头擒纱即在气圈段或卷绕段发生断头时，纱条头端被离心力甩到擒纱钩上，曲绕在擒纱钩头端的刻槽处；清纱擒纱是纱条因特大粗节或结杂质量超重而使气圈膨大时擒纱钩切断并擒住。第二个功能是早期的设计思路，随着络筒工序电子清纱和电脑在线监控技术的完善，笔者认为已无必要刻意设置导纱钩的清纱擒纱功能，因为主动切断头会影响劳动生产率。应该适当上翘擒纱钩头端，保证纺纱纱路畅通，尽量降低断头率，特别是人为断头。

 

   

图1                      图2                图3               图4

   

图5              图6                 图7              图8

3.2气圈控制环

气圈控制环的应用已是一项成熟技术。气圈控制环把一个大气圈分成两个小气圈后，每个气圈的高度减小了，纺纱张力也有所下降，并且有效避免了气圈波节的产生。适应高速纺纱的细纱机在设计上就已考虑了除钢领板、导纱钩外的第三套气圈环专用独立随动升降结构，其可以在卷装升降的情况下，始终保持气圈环位于气圈直径最大处，从而更加合理有效地控制气圈形态。而在普通细纱机上加装气圈环则只能在钢领板上通过安装支架加装。

3.3钢领附加环形导轨

钢领附加环形导轨（笔者简称）是奥地利申请人为改善钢丝圈运行状态而提出的技术方案，其有两项申请：申请号为92104563.8专利名称为钢领旋转装置及申请号为93105612.8专利名称为环锭纺纱设备，该方案通过在钢领上部加装与钢领同心或接近同心的附加环形导轨，改变进入钢丝圈纱线与水平面之间的夹角α，使其成为一个锐角，从而使纱线对钢丝圈的作用合力抵消部分离心力，以便减轻钢领钢丝圈的磨损。并以纱线与环形导轨的摩擦阻力替代部分钢丝圈与钢领的摩擦阻力，获得纺纱所需的张力。同时纱线进入钢丝圈角度的改变也使钢丝圈的运行姿态得以改变，有利于改善钢丝圈运行稳定性。实际应用时，由于环形导轨的内径小于钢领内径，因此只要α角大于管纱成形半角r／2的补角（管纱肩部表面斜面与水平面的夹角），就可以完成正常纺纱卷绕，但接头的拔管无法进行，除非纺制直径小于环形导轨内径的管纱或设置环形导轨移除的结构。

       

 图9                       图10

3.4钢领钢丝圈

无论对于设计、应用或改良，钢领与钢丝圈都是成对配套进行的。目前用于生产实践的主要为平面钢领和锥面钢领两种形式，平面钢领占绝对多数。

锥面钢领诞生于二十世纪七十年代。作为实现高速、大卷装的主要措施之一，锥面钢领的主要特点是钢领内跑道的几何形状为近似双曲线的直线部分，配套的钢丝圈几何形状为非对称形，内脚长，与钢领内跑道近似直线接触，接触面积大、压强小，可减少磨损与增大散热面积，钢丝圈运行平稳，有利于降低细纱断头。

钢领钢丝圈的改良主要围绕适于高速、降低断头、延长寿命和改善品质影响进行，改良的内容主要为两个方面：一是形态结构；二是材质和表面处理。

 

3.4.1钢领钢丝圈形态结构

钢领钢丝圈形态结构改良的着力点在于优化跑道形态、增大钢领钢丝圈间的接触面积，改善运行平稳性、抗楔性和散热性能。

表4摘录二十多年来钢领钢丝圈形态结构相关技术的专利申请。

表4：

专利名称	申请号	申请人 地域	主要特征	主要性能	附图
耐用节电钢领钢丝圈	85205004	上海	内跑道多曲面支承弧面	节电3％，钢领延寿2倍，钢丝圈延寿1倍	图11
托力轨道平面钢领	90102935.1	上海	外凸缘颈壁设有托力轨道面	线速度达每秒42-50米，断头率低，寿命长，品质好	图12
下支承多点接触钢领和钢丝圈	92102070.8	辽宁	包括有辅助支承面直线和上支承面直线的主跑道曲线	断头率降低25-35％，抗锲性好，钢领寿命长2-4倍，钢丝圈寿命长1-3倍，运行稳定，挂花率低50％	图13
新型钢领	95205840.5	湖北	上沿轨道向外倾斜32-38度	改善质量，减少磨损，延长寿命长1倍	图14
分别制造跑道及底座且将二者合为一体的钢领	03134348.1	陕西	跑道用硬质合金粉末冶金注射成形制造	成本低，寿命长	图15
通道隔离式钢丝圈	200720193727.1	山东	内脚设有隔离式纱线通道	纱线与钢丝圈摩擦阻力小，毛羽少，寿命长	图16
平面钢领用钢丝圈	200520023668.4	河北	内外脚相对于主体以相反方向折弯一个相等角度	纱线通畅，减小摩擦阻力，运行稳定，重心低，寿命长	图17
环锭纺纱机（锥面钢领）	9510074.8	瑞士	内跑道带有弧面的锥面钢领	改善质量，降低断头，钢领钢丝圈磨损小寿命长	图18
带有倾斜平面钢领的环锭纺纱机	95106457.6	瑞士	较小纱线通道GDL＝0.1-0.3的钢领钢丝圈	利用纱条毛羽产生润滑膜改善润滑性， 特别适于紧密纺	图19
顶边锥面钢领和钢丝圈	01280134.8	山西	顶边平直的平台，外边设有上支承跑道，钢丝圈设有弓形纱线通道	接触面大，受力均匀，运转平稳，磨损少，寿命长	图20
新型钢领	03239741.0	天津	钢领上部锥形，双曲率支撑面，瓦楞型钢丝圈	张力稳定，断头率低，加捻效率高，毛羽少，强力高	图21
锥面钢领	200320120492.5	江苏	内跑道设有圆弧过渡磨损面	使用寿命长，开机断头少	图22

在国内外钢领钢丝圈形态结构的改良方面，锥面钢领结构或类锥面结构的专利案例所占比例较大，说明较多的改良取向是针对增大钢领钢丝圈接触面积、降低运动副接触压强。但锥面钢领的实际应用不多，没有形成发展趋势。

 

      

图11              图12               图13               图14

     

 图15                图16              图17                    图18

      

图19                图20                   图21                图22

3.4.2钢领钢丝圈的材质和表面处理技术

钢领钢丝圈的材质和表面处理技术主要改善运动副接触摩擦性能为主，如耐磨性、润滑性、抗疲劳性等，其中表面处理技术主要包括表面改性技术、涂镀技术和薄膜技术。

以下摘录二十多年来钢领钢丝圈材质和表面处理相关技术的专利申请：

湖北申请人申请号为86201962 名称为镀铬钢领的专利申请公开了一种早期的钢领镀层方案：钢领表面经特殊处理和探索铬原子生核规律、改变镀硬铬工艺，选择合理的电流密度等参数，获得晶粒细小光洁、结合牢度好的镀铬钢领。

上海申请人申请号为87105949.5名称为纺纱粉冶钢领材料及制造方法的专利申请公开了一种用于制造纺纱粉冶钢领的Ｆｅ-Ｍｎ-Ｍｏ-Ｃ四元合金及制造方法。由于合理选择了成分和工艺，与Ｆｅ-Ｃ系合金钢相比，４０小时的磨损量减少６２％，疲劳寿命提高９６％，钢领使用寿命提高１～２倍。

上海申请人申请号为92108437.4名称为钢领表层非晶态处理工艺和装置的专利申请公开了一种采用普通低碳钢制造钢领的方法：在钢领表层先渗入非晶态形成元素，再在专用装置上用激光对钢领工作面表层作速熔急冷处理，形成非晶态层，提高钢领表层的硬度，延长使用寿命。

浙江申请人申请号为93245366.X名称为合金耐磨钢领的技术方案：在普通钢领外表面上按其形状覆盖一层耐磨的镍磷合金层。

德国申请人申请号为94119763.8名称为细纱机和捻线机的钢领和钢丝圈系统的专利申请公开了钢领与钢丝圈的接触表面包括多晶陶瓷材料的表面处理方案：钢领的陶瓷表面的表面结构具有圆的晶界，该晶界形成自生润滑纤维膜的存贮容积；以及钢丝圈包括特别由金属制的弹性载体材料，并且有金属和／或陶瓷表面，该表面的硬度大于钢领的陶瓷表面的硬度。

瑞士申请人公开了申请号为98814083.7名称为用于环锭纺纱机和环锭捻线机的钢领的技术方案，其环形芯镀有一硬铬层。

天津申请人公开了申请号为00103493.6 名称为表面合金化纺纱钢领与钢丝圈及其生产方法的技术方案：钢领与钢丝圈或其摩擦面经非电表面合金化处理，合金层硬度高、润滑性好、耐磨性好、抗蚀性强，因而大大提高了钢领与钢丝圈摩擦面之间的抗磨能力，延长了钢领与钢丝圈使用期，减少纱支断头与毛羽，减轻了劳动强度。

辽宁申请人公开了申请号为03134037.7名称为一种陶瓷钢领的技术方案：该陶瓷钢领是由92～99％氧化铝，0.5～6％氧化铌和氧化镧的混合物或氧化镁或氧化钙或氧化镱或氧化铌和氧化镧、氧化镁、氧化钙、氧化镱的任意组合物之一和0.5～2％的粘合剂构成。

武汉申请人公开了申请号为200510019963.7名称为复合类金刚石涂层纺织钢领及其制备方法的技术方案：对经过渗碳或者渗氮处理的钢领进行辉光清洗，然后依次沉积过渡金属层、过渡金属和类金刚石混合层及过渡金属掺杂的纳米复合类金刚石涂层，复合类金刚石涂层纺织钢领。

河南申请人申请号为200620032436.X名称为新型纺纱机钢领的技术方案，其特征为钢丝圈跑道的内侧面上刷镀有镍基低摩阻耐磨复合材料层。

浙江申请人申请号为200710070442.3名称为氮化硅涂层钢领及其制备方法的技术方案，其特征为先对钢领工作面进行抛光和清洗处理；再将钢领放入射频等离子体增强化学气相沉积设备中，沉积面朝上，系统抽至真空，以硅烷和氨气为反应气源，在硅烷流量10～30sccm、硅烷和氨气流量比 1/2～1/6、沉积温度300～600℃、射频功率80～150W的条件下，沉积10～30min 停止，自然冷却，得到氮化硅涂层钢领。

西安申请人申请号为200720031700.2名称为纳米陶瓷合金钢领的技术方案，特征为其由钢领本体和钢领本体表面覆盖的一层纳米陶瓷合金镀层组成。

辽宁申请人申请号为 200720103566.2名称为一种新型纺织机械用钢领的技术方案，基体采用铝合金制造，在钢领的表面设置（电解氧化或化学镀）有一层陶瓷膜。

钢领钢丝圈材质与表面处理的研究具有一定的技术含量，所以上述15项申请中有4项的申请人为国内院校，包括上海工业大学、浙江理工大学、武汉大学和西安工程大学等。

近年也有特殊浸涂材料应用于钢领钢丝圈，如北京邮电大学研制的PDR-纳米抗磨剂和823润滑剂。

 

3.5锭子及其驱动

3.5.1锭子

高速锭子是高速纺纱的基础之一。锭子性能的优劣直接关系到筒管回转稳定性、传动功耗、传动效率、运转噪音和锭子寿命等运行参数，甚至影响到纺纱张力波动。

锭子结构的改良绝大部分集中在可分离锭子上，改良的着眼点主要在于：改善润滑条件、改良轴向和径向支承摩擦副关系、振动的阻尼和缓解。

以下通过例举二十多年来锭子结构相关技术的专利申请案例，显示锭子结构的改良和创新。在国内申请人的设计中有参照国外先进锭子设计方案的，也有具有创新的技术方案。

表5：

专利名称	申请号	申请人 地域	主要特征	主要性能	附图
新式高速 锭子	88205680.8	湖北	下支承为 向心球轴承	最高30000rpm 振幅为0.02mm	图23
高速纺纱 锭子	88211914.1	上海	上轴承与锭脚间装有弹性支撑组件	最高18000rpm	－
一种使用弹性支承的高速纺纱锭子	90207419.9	上海	上轴承设有 调心结构	降低异常振动， 节能，延寿	－
一种双弹性支承细纱 锭子	94249104.1	河南	径向波纹管 双弹性支承	高速，低噪音， 低成本，节能，延寿	－
锭子的锭杆支承装置	95202840.9	浙江	下轴承锭尖球轴承	节能，延寿	图24
细纱机用高性能锭子	97228705.1	山西	上下支承结合件由弹性圈连接	最高26000rpm， 振动小，噪音低	－
锭子轴承 装置	99124896.1	德国	下轴承内壳具有 轴颈	径向阻尼好，成本低，结构紧凑	图25
分离式高速纺纱锭子	01220863.9	河南	下轴承由径向和平底组成	最高22000rpm， 振幅小	图26
杆盘易插拔式双滚动支承型高速 锭子	01228468.8	河南	下轴承径向 滚动轴承	最高30000rpm， 振幅小，寿命长	图27
杆盘易插拔式双滚动支承高速锭子	01273582.5	河南	下轴承径向 滚动轴承	最高48000rpm， 振幅小，寿命长	图27
精纺机新型高速锭子	02200282.5	山西	下轴承为轴向 球轴承	最高22000rpm， 振幅小，噪音低	－
一种纺织 锭子	03203041.x	河南	上轴承上部设有 储油腔	加油周期长	图28
一种纺织 锭子	03254194.5	河南	上轴承设有密封圈和含油环，下轴承设有过滤器	润滑条件好， 寿命成倍延长	图29
一种纺织 锭子	03254193.7	河南	下轴承为径向圆球	最高22000rpm， 无摆动、窜动	图30
环锭纺纱锭	200480020660.0	德国	中间和下部轴承为永久润滑滚动轴承	润滑条件好	图31
二万转以上高速锭子新型支承装置	200520024104.2	山西	下轴承为径向圆球	无摆动、窜动	图30
适纺范围宽的精纺高速锭子	200520135442.3	江苏	下支承径向 滑动轴承	锭速范围8000-30000rpm	图32
双振动系统高速纺纱 锭子	200720091027.1	河南	内外锭脚间填充阻尼介质	运转稳定，振幅小， 噪音低，寿命长	－
锭子	200710166369.x	山西	球底锭尖	最高35000rpm，寿命长	图26

              

       图23             图24             图25            图26          图27

         

     图28             图29           图30            图31             图32

3.5.2锭带传动

锭带传动系统的结构改良进展不大，基本上集中在滚盘材料轻质化、单双张力盘的合理化、锭带材料的橡胶化。

天津申请人申请号为90222810.2名称为浸胶锭带的申请公开了织物与橡胶复合的技术方案，该浸胶锭带的骨架结构为棉型，平纹、斜纹的囫囵边的扁平织物，其表面和缝隙间及棉纱内都包含有合成橡胶，所述浸胶锭带为实边，因此无破边和挂花现象。其特点是：因其带中含胶，胶中有带，所以摩擦系数大，传动滑溜小，伸长小，耐磨，不仅使用寿命长，而且节电效果好。

山西申请人申请号为93216275.4名称为有聚氨酯涂层的锭带的申请公开了织物与聚氨酯复合的技术方案，在现有锭带上加着了耐磨且韧性好的聚氨酯涂层，为使涂层与织物层粘接牢靠，可将织物层事先扎孔，使涂胶层在固化前渗透到孔中，固化后形成胶柱，这样便可使固化后织物层两面的胶层形成整体结构。这种锭带的使用寿命比原有的锭带提高十倍，从而降低了生产成本，同时提高了传动效率。

锭带传动大量应用的为一带四锭传动方式，另外，也有提出一带八锭（或以上）的传动方案，这基本上着眼于节能和减少机件损耗，但同时会带来锭速不一致性增大的可能。

 

3.5.3龙带传动

龙带传动虽然实际应用量不大，但其为一带多锭传动的典型应用。

在同步驱动控制技术日益成熟进步的情况下，德国申请人提出了一种一带多电机同步驱动的技术方案，在中国专利申请号为96104303.2的发明专利申请中予以公开。在图33中以多电机同时驱动一根龙带，将大功率的一点驱动方式，变革为小功率的多点驱动方式，从而克服了龙带传动受力集中，驱动冲击大，局部易于过度伸长甚至断裂的弊端。

图33

据国外制造厂商称，多电机单龙带驱动可以比普通锭带驱动节能5％，并可减少维护。

 

3.5.4纺纱张力――锭速控制技术

纺纱张力――锭速控制技术属于驱动控制技术范畴。自从变频调速技术被应用到工业控制中后，使锭速跟随纺纱张力变化规律进行程序化控制成为可能，达到在相当程度上平衡断头与产能矛盾的目的。

对环锭纺纺纱张力变化规律的研究是纺纱理论发展的一个基础课题，在这个基础上对纺纱张力进行针对性的控制，因此对纺纱张力的控制涉及加捻卷绕结构及其每一个部件，而采用锭速程序控制是一种非常有效的补充技术。其可以在小纱段、大纱段和小直径纺纱时张力相对较大断头相对较多的期间内采用锭子相对低速，在中纱段和大直径纺纱时张力相对较小断头相对较少的期间内采用锭子相对高速，来提高锭速、增加产量或/和减少断头。

在纺纱设备、品种和工艺确定后，纺纱过程中的动态平均张力主要随卷装卷绕位置和卷绕直径而变化，因而纺纱张力――锭速控制技术的实质是卷装状态――锭速控制技术。

环锭纺的卷绕为圆锥形卷绕，因而在一落纱纺纱周期中，钢领板上下升降完成卷绕层和束缚层的一次往复运动称为短动程，卷绕位置随级升累加而从管底到管顶的上升可以称为全动程，钢领板的每一个上下运动都会使气圈高度、卷绕直径和钢丝圈姿态发生变化，并由此引起纺纱张力波动。

早在五十年代，俄罗斯的巴甫洛夫就在《精纺工程》中介绍了纺纱张力――锭速控制的概念，我国八十年代出版的棉纺教科书中也介绍了两种控制方式：一是基本调节法，其特征是卷装状态对应于纺纱输出长度的锭速控制，即全动程锭速控制；二是“逐层调节法”，其特征是卷装状态对应于纺纱输出长度复合卷绕直径的锭速控制，即全动程和短动程复合锭速控制。需要指出的是，将全动程和短动程复合锭速控制称为“逐层调节法”并不合理，从字面解释，“逐层调节法”是以“层”为速度调节的基点，即层与层间速度是变化的，其没有表达出层内有速度变化。事实上针对短动程的锭速调节是以卷装直径为主要变量的函数关系，因而其是一种“逐径调节法”，笔者认为这种全动程和短动程复合锭速控制技术比较科学的称法应该为卷装状态――锭速控制技术。

基本调节锭速控制法，即输出长度多分段（如10分段）变速曲线已被广泛采用。其甚至已被认为是环锭细纱机采用变频驱动的主要理由。锭速控制方式也由多分段速度有级变化发展为速度平滑连续的无级变化控制方式。

全动程和短动程复合锭速控制法，国外也已有少量商业应用（一般作为选配功能）。图34为在八十年代出版的棉纺教科书有关全动程和短动程复合锭速控制的曲线图。

全动程和短动程复合锭速控制，是一种更趋完善的卷装状态――锭速控制技术。由于短动程大小直径的卷绕张力差异很大，按照本文2.3节的实例测试与推算，中纱阶段小直径比大直径卷绕段张力大近80％。应用全动程和短动程复合锭速控制，可以大幅度降低这个差异，即降低小直径部位的锭速、增加大直径部位的锭速，从而可在不降低平均锭速和产量的情况下降低断头率，或者在适当增加平均锭速和产量的情况下维持断头率水平。

图34

以下以降低大小直径的卷绕段张力差异值为目标，依据短动程大小直径的实测卷绕段张力差异值、卷绕段张力与锭速的平方成正比例以及调整后卷绕段张力取中间值三个关系式，就可以推算短动程大小直径的锭速与卷绕段张力的调整范围。仍以本文2.3节中纱阶段的实例测试进行推算：

由本文2.3节的实例测试推算得：            T_小＝1.8 T_大―――――――――（1）

由根据（1）式及调整后大小直径时卷绕段张力

基本不变设定调整后的卷绕段张力为中间值：  T_后＝1.342T_大＝T_小 /1.342―――（2）

由调整前后张力与锭速的平方成正比例得：    （N_大/N_前）² ＝T_后/T_大    ―――（3）

（N_小/N_前）² ＝T_后/T_小  ――― （4）

根据（2）和（3）式运算得：                N_小 ＝ 0.863 N_前―――――――（5）

根据（2）和（4）式运算得：                N_大 ＝ 1.158 N_前―――――――（6）

式中T_大、T_小分别为大小直径时调整前锭速为N_前对应的卷绕段张力，T_后为大小直径时调整后的卷绕段张力，N_大、N_小分别为调整后在卷绕段张力相近时大小直径对应的锭速。

即以调整前的平均锭速N_前＝16000rpm为推算基础，当调整后大小直径处的锭速N_小＝13810rpm、N_大＝18530rpm时，大小直径处卷绕段张力相近。当然这是以卷绕段张力为调整目标的推算，实际调整应以纺纱段张力为调整目标，这可以通过深一步的计算和测试进行修正。

在专利文献中，北京申请人申请号为200720143354.7的专利申请提供了一种名称为“细纱机逐层调速装置”的技术方案（图35），其是钢领板随着成形凸轮的旋转，由卷绕大直径到卷绕小直径，气圈角速度由高到低；反之，在钢领板下降时气圈角速度由低到高。申请文件中称其能实现恒张力纺纱。

图35

确实，这种五十年前就提出的缩小纺纱过程中张力波动差异率的技术方案，现今因为驱动技术的进步和控制技术的普及化而可以进入大范围应用期，这将为纺纱企业带来效益。

不过在有着自由气圈和钢领钢丝圈滑动摩擦副的环锭细纱机上，恒张力纺纱的“恒”也许只是一个相对概念。事实上，一方面以宏观平均张力为调节目标，通过锭速的调整只能缩小差异，而不能或者不需要真正恒定，毕竟大张力区段的锭速降低要兼顾产量、小张力区段的锭速提升要兼顾钢丝圈线速度；另一方面，气圈和钢丝圈两大不稳定因素产生的瞬态张力波动，如果没有检测反馈控制系统，是无法通过锭速的调整实现真正意义上的纺纱张力恒定。

 

3.5.5单锭电机直接驱动锭子

单锭电机直接驱动锭子简称电锭，是电机与锭子的有机组合。其优势在于大幅度的节能、锭间转速一致性好、控制和管理的便利性。

正如本文第2.3节表2计算的结果，在加捻部分的有功功耗中，有效加捻功耗仅占整个加捻部分有功功耗的四分之一左右，其余均耗费在：主电机传动皮带－主轴－滚盘－锭带－张力盘－锭子等传动链系统中。单锭电机直接驱动消除或减轻了多级间接传动过程中的法向力、传动支承损耗和高线速度元件空气阻尼等耗能环节。按照某些实验和推算，电锭可比锭带或龙带传动在卷绕能耗方面节能达50％以上。

电锭驱动的电机主要有交流异步电机和永磁同步直流无刷电机等动力源。在锭间转速一致性方面，采用交流异步电机驱动的电锭转速差异率可在1％左右，而采用永磁同步直流无刷电机驱动的电锭转速差异率可小于0.1％。因而其可以大大降低因捻度不匀而导致的单纱强度不匀。

同时电锭的控制和管理便利性也是传统驱动不可比拟的，经过与主机中央处理器的通讯和运算，并经功能扩展，可以实现如下监测、控制和数据统计及报警：

1)          断头监测、控制停转及制动，并可多级显示，重复断头提示

2)          断头锭位、时间、期间、输出长度、升降及高度统计

3)          断头率统计、排序

4)          纺纱长度与断头分布统计

5)          准确的全机产量统计

6)          时间效率、长度（产量）效率统计

7)          锭子驱动分段变速曲线

8)          单锭锭速统计、排序

9)          锭子负荷异常监测、显示和锭位统计、排序

10)       键盘设定ZS捻向

等等，涵盖工艺管理、设备维护和运转操作三大基础管理所需的信息，并用于指导优化生产管理，如在运转操作方面，可以优化值车路径，即时引导操作次序，还可分析生产效率与操作工的主观关系强化考核；在工艺管理方面，可以方便地获知锭速和锭速分段与断头率关系，优化当前纺纱条件下的锭速分段曲线，充分挖掘增产潜力，并因捻度不匀的降低而改善强度不匀；在设备维护方面，可以及时发现问题锭位引导修复，并方便落实维修考核。

总之电锭驱动的监测、控制和数据统计及报警不但可以包含ISM（瑞士立达公司单锭监控系统）、Ring i（印度普瑞美公司细纱机纱锭及纺纱监测系统）、OptiSpin（比利时巴可Barco公司的导纱钩纱条监测系统）或FilaGuard（德国青泽公司的纱线断头监视器）等的全部功能，而且经功能扩展后可以方便地实现如纺纱张力――锭速控制或卷装状态――锭速控制等定制功能。

因而电锭驱动可以在节省电能、优化用工、提升产能、改善品质、降低物耗和强化管理等方面为纺纱企业带来效益。

下表为自1995年以来中国专利局公告的电锭相关技术专利申请。

 

表6：

名称	申请号	申请人 地域	主要特征	主要性能	附图
电纺锭	95120610.9	山西	上下轴承各有油润滑，下轴承设有消振结构	实验转速36000rpm时功耗31.9w，节电52.7％	图36
纺纱机中一种单驱动锭子及制动/再起动该锭子的装置	97114349.8	日本	电锭的制动和再起动结构	结构简单、使用方便	图37
纺纱机用的单锭传动 装置	99124465.6	日本	电机与控制单元连为一体	电机与控制单元间 不易断线	图38
纺纱进行的锭子直接驱动电动机 系统	00804988.2	日本	电机与控制系统，定子与锭胆用绝缘材料固定	结构简单，成本低	图39
电锭	01111529.7	山西	非弹性支承，交流异步微型电机	节电，运转平稳， 低成本	图40
单锭子驱动的纺纱机的操作控制 系统	01137159.5	日本	多锭子计算机、单机台计算机、多机台计算机控制	高效地对多锭位、多机台电锭进行控制：监测、统计、报警	图41
用于纺纱机的带有电机的锭子	200480040097.3	瑞士	轴承与轴承罩间设有阻尼元件，轴承罩与电机罩组合在一起	适于转速60000rpm	图42
数控电子纱锭纺纱机	200720172126.2	广东	永磁直流无刷电机，12V供电	能效高，寿命长，噪音低，功耗5-9w	图43
带有单独的锭子传动机构的环锭纺纱机	200710194099.3	瑞士	锭子电机组件通过弹性悬架固定在机架上	最高转速30000rpm	图44
一种新型电锭	200820000545.2	北京	永磁直流无刷电机 驱动	节能15-20％， 结构简单	图45
一种细纱机电机式锭子	200810055495.2	山西	永磁直流无刷电机 驱动	最高转速30000rpm时功耗15w，运转平稳，寿命长	图46

    图36             图37                    图38                       图39                                 

图40                                     图41

 

图42             图43          图44         图45             图46

 

电锭驱动方案从最早提出至今已有数十年的时间，仅从驱动与控制的技术角度看应该是一项成熟技术，随着创新驱动与控制技术的普及应用及其性价比的不断提升，电锭驱动在纺纱这个传统领域的应用将会带来一个管理提升的重大进步。

 

4、特殊环锭加捻卷绕技术及创新

4.1回转钢令加捻卷绕

国内在二十世纪七十年代开始研究并试用回转钢领，希望通过钢领跑道的高速回转来等效地提高钢丝圈的绝对转速，从而突破钢丝圈运行线速度的极限。

以下为二十多年来回转钢领相关技术结构的专利申请案例。

表7：

名称	申请号	申请人 地域	主要特征	主要性能	附图
环锭纺纱加捻卷绕装置	87204381	湖南	附加升降竖轴齿轮传动回转钢领和回转气圈筒	在钢丝圈绝对转速不变的情况下，使钢丝圈与钢领的相对速度接近于零，无自由气圈，纺纱张力稳定	图47
气动环锭纺纱加捻卷绕装置	90212915.5	湖南	气动驱动回转钢领和回转气圈筒		图48
纺纱用钢领	95190901.0	日本	带有空气阻尼和稳速结构的回转钢领	断头后较快停转	图49
纺纱钢领结构	97113519.3	日本	回转钢领颈部设置开口	去除飞花积聚，在锭速1-1.5万的稳定状态下，钢丝圈与钢领基本同步回转	图50
旋转纺纱钢领结构	97126009.5	日本	轻质回转钢领	经济、实用、安全、稳定	图51
纺纱钢领	99102322.6	日本	具有凸缘跑道的回转钢领	钢丝圈与钢领不同步回转时，钢丝圈与钢领有两个接触点，反之只有一个接触点	图52
用于环锭纺纱机或捻线机的设备和导纱环锭	200810127532.6	德国	永磁斥力悬浮的回转钢领		图53
			永磁－电磁控制斥力悬浮的回转钢领		图54
			永磁斥力－气流控制悬浮的回转钢领		图55

   

图47                  图48                             图49

  

图50                               图51                        图52

  

图53                    图54                        图55

已经公开的回转钢领加捻卷绕技术中，钢领的回转有主动驱动和被动拖动两种形式。主动驱动又有机械传动、气动驱动和电磁驱动等形式；被动拖动又分为钢丝圈拖动和导纱器拖动两类。主动驱动的结构复杂又需消耗不小能量；被动拖动的锭间转速不一致性较大。

据日本申请人专利号为97113519.3的申请文件所述，在锭速10000～15000rpm的稳定状态下，钢丝圈与钢领可基本同步回转（图49），即钢丝圈在绝对转速为10000～15000rpm时，钢丝圈因离心力和纱线张力等综合受力对回转钢领产生的静摩擦力，就可由纱线的卷绕张力来驱动高速回转。在德国申请人专利号为200810127532.6的专利申请（图50、图51）中，以磁斥力悬浮的回转钢领可以省却钢丝圈，纱线直接勾挂在回转钢领的导纱器上。

回转钢领技术将钢领钢丝圈之间的相对滑动运动部分转变为钢领与钢领座之间的相对运动，是以较大惯量的钢领转动替代较小惯量的钢丝圈转动，这就给钢领与钢领座的设计制造带来难度。

同时即使回转钢领技术能成熟应用，其仍然不能解决进一步提升锭速时遇到的环锭纺纺纱气圈形态、张力波动状况对纺纱稳定性的影响，除非同时采用回转气圈筒或类似同步气圈限制技术，如申请号为87204381（图47）、90212915.5（图48）所提出的气圈半限制和下文所述的回转气圈筒（罩杯）同步气圈限制加捻技术。也可能因为未解决自由气圈对纺纱稳定性的影响这个原因，笔者检索到的所有回转钢领专利案中均未有使用回转钢领能大幅提升锭速的明确表述。

除外，回转钢领没能大量应用的原因还在于，制造难度与成本、应用维护难度与成本。虽然多年来国内外对回转钢领的的研究不断，但回转钢领组件相对复杂的结构构成、制造精度要求和材质要求，以及应用维护中回转转速一致性等要求，阻碍了回转钢领的推广应用。

 

4.2回转气圈筒（罩杯）加捻卷绕

回转气圈筒（罩杯）加捻卷绕技术以消除自由气圈和钢丝圈高速相对运动两大影响纺纱的不稳定因素为主要出发点，依托创新的结构、适宜的材料、精密的制造和先进的控制技术对传统纺纱技术进行革新。

表8回转气圈筒（罩杯）加捻卷绕专利（图56～61）的申请人均为瑞士立达公司，反映了在2003年以前立达公司就开始研发没有自由气圈的纺纱加捻技术，其卷绕导纱的基本特征有两种结构形式：一是有钢丝圈的导纱结构；二是没有钢丝圈而采用固定导纱器的导纱结构。前者的气圈筒兼有回转钢领的功能，钢丝圈的导纱降低了对气圈筒转速控制的难度。后者的导纱器固定在气圈筒上，因而气圈筒的转速必须精密地跟踪锭速和出条速度，在适宜的纺纱张力情况下完成卷绕。

表8：

名称	申请号	申请人 地域	主要特征	主要性能	附图
具有旋转钢领和筒子的纺织机	200410071679.x	瑞士	磁或空气或滚动轴承回转钢领及回转气圈筒	无自由气圈，纺纱张力稳定适于高速	图56
包括集束牵伸装置的纺纱机	200480033674.6	瑞士	带有导纱器的回转罩杯	无自由气圈，纺纱张力稳定适于高速	图57
用于纺纱机的气圈控制套筒	200510009334.6	瑞士	空心轴电机驱动带有导纱器的回转罩杯	无自由气圈，纺纱张力稳定适于高速	图58
具有屏蔽元件的锭子	200510106343.7	瑞士	回转气圈筒与屏蔽筒	减少纱条与空气摩擦，降低毛羽、能耗和噪音	图59
具有漏斗和纺纱元件的漏斗纺纱 装置	200510106344.1	瑞士	回转气圈筒与屏蔽筒	减少纱条与空气摩擦，降低毛羽、能耗和噪音	图60
纺纱装置的漏斗单元	200610009049.9	瑞士	封闭隔振式气圈筒导纱纺纱	降低悬垂罩杯组件的振动，适于高速	图61

 

            

图56                图57                图58

                  

                 图59                  图60                  图61

 

4.3纱圈加捻卷绕

瑞士立达公司有一个研发纱圈加捻卷绕纺纱（Loop twisting 或 Loop spinning）新技术的研发小组，其在2003年之前就开始着手研究纱圈纺纱方法，在中国的专利申请包括200480011245.9、200510106349.4、200510048396.8和200610089810.4（见图62～65）等。

这些专利申请涉及纱圈纺纱相关的技术环节。采用钟形回转气圈罩、电锭驱动和电机直接驱动罩杯及锭子升降的基本结构，并从纱线圈环离心力对钢领和空气的摩擦阻尼作用中获得纺纱张力，根除了自由气圈和钢丝圈，纺纱速度得以提升。与4.2节中无钢丝圈的气圈筒纺纱技术比，纱圈纺纱的回转气圈罩不需要精密的转速跟踪伺服。虽然纱线圈环离心力对钢领和空气的摩擦可能会增加纱线毛羽，但与自由气圈和气圈控制环相比，对纱条的影响不会更大。此技术经历了多年研究，目前尚未见诸商业应用和报道，其实际应用的难度除了技术问题外，或许还在于锭子与罩杯双高速驱动及其控制等成本问题。

          

图62                       图63

 

图64                              图65

4.4锭端加捻

锭端加捻也被称为指形加捻，因锭子的顶部具有弯曲的指尖状钩端而得名，其特点包括：

a、加捻发生在锭子端部的上游，并以锭子转速进行加捻，纺纱段纱条捻度比传统气圈加捻的捻度大大提高，可增加纱线强度、降低断头率；

b、从锭端到钢丝圈一段气圈大幅减小，降低了纱线高速运转惯性，大幅度降低张力，从而降低断头率；

c、导纱钩到钢丝圈段存在纱条与纱管的接触摩擦，摩擦线速度为出条速度，其使纱条毛羽增加。

锭端加捻纺纱方法在数十年前就以开始应用，如二十世纪六十年代瑞士立达公司的H3型毛纺环锭细纱机。早期的锭端加捻纺纱由于纱条路径包缠于纱管表面，纱条与纱管在纺纱张力作用下的摩擦导致纱条毛羽增多，因而锭端加捻纺纱方法一般被用于毛纺，其只适于纺制允许有毛羽的织物用纱。

德国申请人申请号为99804726.0的专利申请（图66）提出了一种结合紧密纺的锭端加捻技术方案，同时采用导纱钩升降和锭速变化的特殊控制程序使纺纱过程在普通气圈纺纱和锭端加捻气圈纺纱两种模式中切换，该技术可以在增加产能的同时降低毛羽增量。

     

图66

德国青泽公司该技术应用于毛纺环锭细纱机产品，称为“手指锭”。据称其能提升产能最大达33％（见图67）。在纺纱锭速为12000rpm左右的情况下，其纺纱张力约为普通环锭加捻的六分之一（见图68）。

图67                                     图68

锭端加捻纺纱技术有效缩小了气圈直径和高度，降低了纺纱张力，但其仍然使用钢领钢丝圈滑动摩擦运动副，因而在原本锭速不太高的毛纺生产中，可以配合紧密纺纱技术挖掘纺纱产能潜力，而在钢丝圈线速度接近极限的棉纺生产中，很难在纺纱速度方面再有突破，同时其具有纱条路径与纱管的接触摩擦会产生毛羽增量的弊端。因此尚未见有锭端加捻应用于棉纺、且能大幅提升纺纱速度的报道。

有报道意大利Gavdino公司生产了一种新型的锭端加捻细纱机，其最大锭速为17000rpm。

4.5滚动钢丝圈加捻卷绕

1999年俄罗斯科技人员用新的特种钢丝圈技术代替传统的钢丝圈运转技术，这种技术叫“滚动钢丝圈”（Rolling traveler）技术，使钢领钢丝圈之间的滑动摩擦运动改为滚动摩擦运动，可使锭子速度进一步提高，对提高纺纱质量，降低细纱断头都有改善，是环锭纺纱技术的一大突破。

滚动“钢丝圈”体系（图69、70），采用双钢领，内钢领有一个斜槽，细纱由此进入两个钢领之间，而不需要像传统细纱机钢领那样将纱挂在钢丝圈上。滚动的“钢丝圈”实际上是个球形或圆柱形的滚动金属体，滚动“钢丝圈”在两个钢领之间受到纱线的推动而开始启动，启动后在外钢领跑道上与纱线一起运动，“钢丝圈”在离心力作用下几乎不再与内钢领接触。由于是滚动摩擦，因此“钢丝圈”与钢领之间的摩擦力很小，纺纱张力也小，纺纱质量稳定，断头低，毛羽少。

图69                               图70

与普通环锭纺的钢领钢丝圈结构比，滚动钢丝圈加捻卷绕结构复杂，操作维护难度也较大。同时如上4.1节所述，对钢丝圈运行线速度极限的突破，可以解决钢领钢丝圈运行寿命问题，但未能解决进一步提升锭速时遇到的环锭纺纺纱气圈形态、张力波动状况对纺纱稳定性的影响。只要是有自由气圈的纺纱加捻形式，纺纱锭速的提高不得不考虑气圈对纺纱稳定性的影响。

4.6“钢领钢环”加捻卷绕

江苏申请人申请号为200610111975.7的发明专利申请（图71），公开了一种以金属环在“钢领”内侧沟槽中，以回转加偏心位移的复合运动代替钢丝圈滑动的加捻卷绕技术方案，笔者称其为“钢领钢环”加捻卷绕纺纱方式。该方案以纱线在“钢领”和金属环之间的摩擦阻力替代钢丝圈与钢领的摩擦阻力而获得纺纱张力，没有了钢丝圈，因而消除了钢丝圈与钢领的高速滑动摩擦损耗。

“钢领钢环”加捻卷绕纺纱方式结构简单，同时巧妙地将纱条卷绕张力的作功动能转换为推动钢环回转加偏心位移复合运动的动能，没有了机件相对高速运动带来的弊端，又将纱条与光滑的圆弧过渡的机件的摩擦阻尼转化为纺纱必需的加捻卷绕张力。只是“钢领钢环”的简单结构可能难以调整并适于不同的纺纱速度和纺制不同品种的纱线。因而该结构在进入商业化应用之前还有一段探索和改进的过程。

图71

5、结语

环锭纺钢领钢丝圈加捻卷绕技术是传统行业中的传统结构和工艺，同时，其又是制约单工位、单机甚至整个流程产能提升的关键所在。对此结构和工艺的创新突破是环锭细纱机诞生一百八十多年来业界一直祈盼并付之努力的事。

本文在数百项相关专利文献中检索出近百项具有代表性的专利申请案，作为讨论和研究环锭细纱机加捻卷绕结构发展和革新的背景技术，从中可以看到业界所关注的对象和积极变革的目标，或者还可以洞察到这些变革的发展趋向。

现今，新科技的发展势不可挡，新型纺纱技术不断进步和完善，高产能、高品质和高效能自动控制的纺纱形式，给予传统的环锭纺纱技术一种无形的压力，上述环锭纺纱加捻卷绕结构点点滴滴的革新积累是否会酝酿一种崭新变革的突起？但不管如何，钢领钢丝圈简单而巧妙的加捻卷绕结构，依然站在所有加捻卷绕技术结构之首，并继续地为人类绝大部分纺织产品的纺纱加工而服务。

 

 

 

特别说明：

1、   本文的形成得到了唐文辉先生和曹小华先生的帮助，在此一并表示感谢。

2、   本文涉及的专利技术大部分为非自由技术，仿制应用必须得到专利权人的许可。

 

参考文献：

1、唐文辉等，环锭细纱机断头分析与控制，纺织工业出版社，1986年版。

2、中国知识产权局专利局专利文献。

3、上海纺织专科学校教研组，棉纺工程（下），纺织工业出版社，1989年版。

4、李小兰等，一种环锭纺纱新装置（译文）〔J〕，棉纺织技术，2002；30（6）：60～62。

5、德国欧瑞康细纱机样本。