劉榮清

(上海紡織工程學(xué)會(huì)，上?！?00060)

?綜合述評(píng)

紡紗電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展

劉榮清

(上海紡織工程學(xué)會(huì)，上海200060)

摘要：介紹紡紗機(jī)械驅(qū)動(dòng)用電機(jī)發(fā)展的進(jìn)程，分析傳統(tǒng)電機(jī)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題和現(xiàn)代新型電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，以及變頻調(diào)速和伺服調(diào)速技術(shù)的差別與功能；通過(guò)應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明新型電機(jī)在機(jī)電一體化、多電機(jī)驅(qū)動(dòng)、單錠獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、雙側(cè)同步驅(qū)動(dòng)等方面的創(chuàng)新和發(fā)展；說(shuō)明各種新型電機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用，提高了紡紗機(jī)生產(chǎn)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到省工、節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的目的。

關(guān)鍵詞：紡紗機(jī)械；電機(jī)；電錠；獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；同步驅(qū)動(dòng)；變頻；伺服；調(diào)速

0引言

信息技術(shù)、智能技術(shù)、數(shù)字技術(shù)已成為當(dāng)今推動(dòng)紡織機(jī)械發(fā)展和創(chuàng)新的主要驅(qū)動(dòng)力，對(duì)提高紡織業(yè)的產(chǎn)質(zhì)量、節(jié)能降耗、減少用工、降低成本，以及環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要[1]。其中，紡紗機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備和器材的進(jìn)步與創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的基礎(chǔ)和引擎。

1紡紗用電機(jī)的發(fā)展歷程

紡紗機(jī)械上的電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“電機(jī)”)是紡紗機(jī)械動(dòng)力之源。紡織用電機(jī)已有數(shù)百年歷史。傳統(tǒng)紡紗機(jī)普遍應(yīng)用三相異步電機(jī)，一般一臺(tái)紡紗機(jī)由一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。20世紀(jì)80年代，紡織用電機(jī)推行系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，按不同功能特征分為JFO2、FTW和FO2等多種類型。改革開(kāi)放后，隨著新型電機(jī)的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)電機(jī)存在的問(wèn)題。

傳統(tǒng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式存在功能單一、傳動(dòng)環(huán)節(jié)多，傳動(dòng)機(jī)件多，潤(rùn)滑要求高，摩擦耗能多，驅(qū)動(dòng)件存在齒隙、縫隙、松動(dòng)、滑溜，以及輸入、輸出不同步，易造成成紗細(xì)節(jié)、紗疵多等問(wèn)題。最主要的是，傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)控制和調(diào)整的功能，不能適應(yīng)紡機(jī)智能化、自動(dòng)化、工序連續(xù)化、在線工藝、質(zhì)量的檢測(cè)和監(jiān)控等要求。因此，正是現(xiàn)代紡紗技術(shù)促進(jìn)了新型電機(jī)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。

2新型電機(jī)的發(fā)展

2.1紡紗用電機(jī)使用特點(diǎn)

紡紗用電機(jī)使用特點(diǎn)如下，新型電機(jī)的選用必須考慮這些因素。

a)單機(jī)功率不大，一般不大于30kW；

b)主機(jī)連續(xù)使用時(shí)間長(zhǎng)，一般超過(guò)24h；

c)負(fù)載穩(wěn)定，但啟動(dòng)負(fù)荷較大，需配備相應(yīng)的控制電路；

d)由于使用環(huán)境中飛花、塵雜較多，常采用全封閉式結(jié)構(gòu)并需定期清潔；

e)由于電機(jī)數(shù)量較多，會(huì)影響車間溫濕度，所以，夏季宜采用集中排風(fēng)或水冷、油冷等設(shè)施進(jìn)行降溫或給濕；

f)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，如環(huán)錠細(xì)紗機(jī)、轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)、噴氣紡紗機(jī)的電機(jī)。轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速已高達(dá)100kr/min，最高可達(dá)150kr/min。

2.2紡織用新型電機(jī)2.2.1三相永磁式電機(jī)

稀土永磁材料的發(fā)展，推動(dòng)了永磁電機(jī)的應(yīng)用；而永磁電機(jī)主要采用的永磁材料為鐵氧體和鋁鎳鈷合金，以前者最常見(jiàn)。

三相永磁式同步電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，其控制調(diào)整技術(shù)成熟，已經(jīng)從一般控制驅(qū)動(dòng)發(fā)展至高精度伺服驅(qū)動(dòng)。

2.2.2同步電機(jī)

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，而同步電機(jī)卻能保持轉(zhuǎn)速相同。由于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度與負(fù)載大小無(wú)關(guān)，因此轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，特別適用于無(wú)級(jí)調(diào)速或變速。

2.2.3無(wú)電刷直流電機(jī)

無(wú)電刷直流電機(jī)也是同步電機(jī)的一種。傳統(tǒng)直流電機(jī)存在電刷結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用不便的問(wèn)題。現(xiàn)代無(wú)電刷直流電機(jī)采用了電子開(kāi)關(guān)電路和轉(zhuǎn)子位置傳感器來(lái)取代電刷的換向器，實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷化，并保持直流電機(jī)良好的控制特性、驅(qū)動(dòng)能力和調(diào)速功能。

2.2.4伺服電機(jī)

伺服電機(jī)是自帶編碼器的同步電機(jī)，具有能快速實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速、調(diào)速、關(guān)停的特性，目前新型紡紗機(jī)多數(shù)或全部采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

此外，控制用步進(jìn)電機(jī)和新型電磁直線等新型電機(jī)也已在紡機(jī)上應(yīng)用。

3驅(qū)動(dòng)變速控制技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例

傳統(tǒng)紡紗機(jī)主機(jī)除工藝調(diào)整、產(chǎn)品翻改外，一般按規(guī)定速度運(yùn)轉(zhuǎn)。不少傳統(tǒng)主機(jī)是應(yīng)用鐵炮、錐輪做機(jī)內(nèi)調(diào)速的，已被淘汰。而在20世紀(jì)70年代曾研發(fā)出電極變換、雙速電機(jī)、交流整流子變速電機(jī)、可控硅調(diào)速及梳棉機(jī)電磁轉(zhuǎn)差離合器等變速裝置，但未成功應(yīng)用。

現(xiàn)代紡紗機(jī)為了滿足智能控制、在線生產(chǎn)、工藝檢測(cè)和監(jiān)控、機(jī)電一體化、簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化和連續(xù)化等目的，廣泛采用變頻調(diào)速和伺服調(diào)速技術(shù)。

3.1變頻調(diào)速

變頻調(diào)速系統(tǒng)，由交流異步電機(jī)或同步電機(jī)以及交流變頻器組成。目前，國(guó)內(nèi)外有許多廠商制造各種特性的變頻器，著名廠商如西門子、東芝、三菱、歐姆龍等。其中，紡織專用變頻器也有不同特性的機(jī)型，可根據(jù)變速要求、功率、啟動(dòng)、矢量、速度等特性選用性價(jià)比高的變頻器。

當(dāng)下，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成熟，無(wú)論是新機(jī)使用，還是老機(jī)改造都能適用，推廣面較廣。變頻調(diào)速系統(tǒng)需關(guān)注變頻器的溫升情況，變頻器大多帶有風(fēng)扇散熱，但功率大的則需與車間分隔開(kāi)；同時(shí)，需防止積花、塵雜的堆積。

3.2伺服調(diào)速

以伺服電機(jī)為主體的功能控制在速度、轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)、關(guān)閉、負(fù)載能力及調(diào)速靈敏度等方面，都比變頻調(diào)速效果好；伺服電機(jī)價(jià)格雖較高，但應(yīng)用前景較好。

3.3電機(jī)調(diào)速應(yīng)用實(shí)例

文獻(xiàn)[1]對(duì)變頻調(diào)速的應(yīng)用，從纖維加工到紡、織、染已有較詳細(xì)的敘述，筆者在此只作概括介紹。

“世上的事，本來(lái)就是信則有，不信則無(wú)，前進(jìn)則有，后退則無(wú)。這四個(gè)孩子都不錯(cuò)，姓袁的孩子寬厚，姓吳的孩子實(shí)誠(chéng)，這兩個(gè)都有大成之象；上官家的丫頭聰慧，你們李家的小子也有情有義，他們沒(méi)有袁、吳兩少年的渾成剛毅，憑其智計(jì)，足以在亂世中保全其身。眼下萬(wàn)花谷也是一盤棋，到了風(fēng)云變幻的時(shí)刻，不知道東方宇軒的這一著，會(huì)引出什么樣的變化。烏有兄，我近年修道，覺(jué)得天命既可為，也惟危，不如不為。天地?zé)o言，是造命，還是聽(tīng)命，吾不知也。我們今天晚上，來(lái)干犯天地，鑿開(kāi)萬(wàn)花因，予萬(wàn)花谷，也不知是福是禍。”

3.3.1紡紗工序自調(diào)勻整裝置的應(yīng)用，主要依靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變速來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)開(kāi)清棉棉層厚度的變化、紗條線密度的不同，引用開(kāi)環(huán)、閉環(huán)或混合環(huán)的方式，以改變倍數(shù)、實(shí)現(xiàn)自調(diào)勻整，從而改善產(chǎn)品長(zhǎng)、短片段的均勻度，降低重量不勻率和條干不勻率。

值得回味的是，20世紀(jì)80年代初，A272型并條機(jī)的自調(diào)勻整裝置[2]如圖1所示，是用鐵炮調(diào)速的，伺服電機(jī)只起移動(dòng)鐵炮的作用。

3.3.2粗紗機(jī)利用4臺(tái)變頻或伺服電機(jī)即可編程序控制電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)錠翼、筒管、龍筋、牽伸同步運(yùn)動(dòng)；改變了原有復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)，取得良好效果。

3.3.3細(xì)紗機(jī)根據(jù)一落紗中紡紗張力的變化或大、中、小紗斷頭規(guī)律，利用變頻器調(diào)節(jié)錠子速度優(yōu)化了紡紗速度，可提高產(chǎn)量8%～10%，是當(dāng)前行業(yè)推行的熱點(diǎn)。

圖1　A272型并條機(jī)SPr自調(diào)勻整裝置

3.3.4推行自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)變頻電機(jī)改變絡(luò)紗速度，可替代防疊裝置，改善筒子成形，甚至實(shí)現(xiàn)精密卷繞。

3.3.5根據(jù)經(jīng)紗張力的變化，用變速電機(jī)自動(dòng)調(diào)整喂入或輸出速度，可減少意外牽伸。目前已在精梳機(jī)、并條機(jī)和粗紗機(jī)上應(yīng)用[3]。

3.3.6控制精梳機(jī)分離運(yùn)動(dòng)的多連桿行星齒輪等復(fù)雜操控為采用伺服變速電機(jī)和電腦程序控制的電子凸輪已獲成功[4]。細(xì)紗機(jī)鋼領(lǐng)板升降成形凸輪和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)也可由伺服變速的電子凸輪所替代，并已有產(chǎn)品問(wèn)世[4-5]。

3.3.7在線檢測(cè)紡紗空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵的壓力、流量、真空度等參數(shù)的變化，可通過(guò)變速電機(jī)根據(jù)生產(chǎn)要求自動(dòng)調(diào)整，保持恒量供氣、穩(wěn)壓和供水，從而穩(wěn)定生產(chǎn)，節(jié)能降耗。

4電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的創(chuàng)新

針對(duì)傳統(tǒng)紡紗機(jī)單臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的缺陷，新型紡紗機(jī)普遍采用多電機(jī)、多軸及機(jī)電一體化技術(shù)，同時(shí)減少或去除各類齒輪、鏈輪、蝸輪、帶輪等傳動(dòng)件，推行同步齒形帶傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)如下。

a)減少單臺(tái)主電機(jī)傳動(dòng)、多環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的能耗，降低用電量；

b)實(shí)現(xiàn)無(wú)齒隙、無(wú)縫隙、無(wú)打滑傳動(dòng)，基本做到可同時(shí)開(kāi)車和停車，消除開(kāi)關(guān)車不同步產(chǎn)生細(xì)節(jié)等疵點(diǎn)問(wèn)題；

c)簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，減少機(jī)件、器材及潤(rùn)滑系統(tǒng)；

d)降低驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲；

e)可實(shí)現(xiàn)改變牽伸、捻度、速度等參數(shù)，不同調(diào)換齒輪或帶輪，并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)精密調(diào)整。

目前，該技術(shù)已涵蓋紡紗機(jī)的各個(gè)領(lǐng)域，如特呂茨勒公司推出的TD8型并條機(jī)。全機(jī)由5臺(tái)伺服電機(jī)組成，如圖2所示，全面采用無(wú)齒輪齒形帶驅(qū)動(dòng)，設(shè)置伺服導(dǎo)條架、后牽伸區(qū)、主牽伸區(qū)3組自調(diào)勻整裝置和圈條監(jiān)控器，圈條盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)還可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)

1,3,4,5,7—電機(jī)；2—伺服導(dǎo)條架；6—圈條器托盤；8—圈條監(jiān)控器。圖2　TD8型并條機(jī)傳動(dòng)

變速調(diào)節(jié)。

4.2單錠獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和電錠的發(fā)展

為了工藝控制和生產(chǎn)自動(dòng)化及節(jié)能需要，單錠獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和電錠的發(fā)展是紡機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。目前已實(shí)現(xiàn)單錠獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的紡紗機(jī)有：自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)、并紗機(jī)、轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)；而采用電錠(錠子與電機(jī)一體化)的有倍捻機(jī)、環(huán)錠細(xì)紗機(jī)和粗紗機(jī)。倍捻機(jī)采用電錠后，全機(jī)電耗可減少10%～15%[6]；環(huán)錠紡紗機(jī)采用電錠后好處更多。電錠采用專用無(wú)電刷直流電機(jī)，其響應(yīng)速度快，啟動(dòng)轉(zhuǎn)距大，體積小，適宜調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速不勻率可控制在0.3%以內(nèi)，適應(yīng)單錠變速控制和驅(qū)動(dòng)。電錠的捻度不勻率和斷頭率低，可通過(guò)單錠轉(zhuǎn)速檢測(cè)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速不正常錠子。分析斷頭的原因、檢測(cè)斷頭率和生產(chǎn)效率、統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量；若將斷頭和粗紗自動(dòng)停喂裝置相聯(lián)鎖，可以減少吸棉飛花，更重要的是節(jié)電，還可省去滾筒、錠盤、錠子等部件，減小機(jī)幅。如果電錠具有控制單錠慢速轉(zhuǎn)動(dòng)和鋼絲圈定位等功能，將為今后研發(fā)智能機(jī)器人或機(jī)械手自動(dòng)接頭創(chuàng)造可能性，還能實(shí)現(xiàn)一臺(tái)車上生產(chǎn)多種異捻紗。有關(guān)細(xì)紗電錠的介紹可參見(jiàn)文獻(xiàn)[7-8]。然而，環(huán)錠細(xì)紗機(jī)電錠還未大面積使用，其性價(jià)比有待時(shí)間檢驗(yàn)。

4.3紡紗機(jī)雙側(cè)同步驅(qū)動(dòng)

部分紡紗機(jī)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，其錠數(shù)、眼數(shù)不斷增加，整機(jī)長(zhǎng)度也相應(yīng)加大。如精梳機(jī)從6眼擴(kuò)大到8眼；粗紗機(jī)從80錠、120錠增加到600錠；賜來(lái)福轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)從126錠增加至552錠；環(huán)錠細(xì)紗機(jī)更是從400多錠擴(kuò)大到1 920錠。錠數(shù)、長(zhǎng)度增加后最大的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省看機(jī)、落紗等的人工以及電耗，收效顯著。然而，部分機(jī)臺(tái)原來(lái)的驅(qū)動(dòng)方式不能適應(yīng)紡紗機(jī)的新發(fā)展，主要問(wèn)題有車頭、羅拉的扭矩、扭振增大和斷頭增多、條干惡化，易產(chǎn)生規(guī)律性機(jī)械波紗疵，錠間質(zhì)量指標(biāo)變異增加等。其中，超長(zhǎng)細(xì)紗機(jī)和精梳機(jī)等出現(xiàn)問(wèn)題，其他機(jī)臺(tái)也應(yīng)引起足夠注意。

在超長(zhǎng)細(xì)紗機(jī)上，將前羅拉直徑由22.3mm、25mm增為27mm，須采用雙側(cè)分開(kāi)同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

精梳機(jī)傳動(dòng)復(fù)雜且呈周期性變化，慣性力大。當(dāng)從6眼增至8眼后，扭矩振動(dòng)明顯增大，造成質(zhì)量、定量、落棉眼間變異增大，為此特呂茨勒公司與豐田公司合作研制的TC012型高速精梳機(jī)(600鉗次/min)采用了雙側(cè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得分離羅拉的扭矩減少約75%，質(zhì)量和落棉量差異減少約50%[9]。

4.4雙眼自調(diào)勻整并條機(jī)實(shí)現(xiàn)單眼獨(dú)立驅(qū)動(dòng)

立達(dá)公司產(chǎn)的RSD-D24型雙眼并條機(jī)[10]的前羅拉、導(dǎo)條架、吸風(fēng)等屬單眼驅(qū)動(dòng)，但自調(diào)勻整為雙眼獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)變頻控制，既能發(fā)揮單眼獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的車速高、效率高、耗電少的優(yōu)點(diǎn)，又能保證自調(diào)勻整雙眼獨(dú)立驅(qū)動(dòng)質(zhì)量好、投資少的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)也有多家廠商制造類似機(jī)型，如TMFD81L型并條機(jī)等。

4.5牽伸羅拉獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與產(chǎn)品創(chuàng)新

立達(dá)公司產(chǎn)的K44、K45型、青澤產(chǎn)的Zinser351/361型、豐田的RX300型等環(huán)錠細(xì)紗機(jī)均可在牽伸部分選配由3個(gè)伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的牽伸裝置，以方便調(diào)整牽伸大小。通過(guò)后羅拉周期性變速，可紡成不同粗細(xì)、不同長(zhǎng)度、有規(guī)律或無(wú)規(guī)律的竹節(jié)紗或粗節(jié)紗及線密度不同的異號(hào)紗(長(zhǎng)片段)；通過(guò)后羅拉瞬間超喂，即表面速度大于中羅拉速度，可紡成花式結(jié)子紗；還可通過(guò)一錠喂入兩根粗紗的方法，即中羅拉恒速喂入本色紗，后羅拉間隙停頓喂入彩色紗，可紡成各種片段的段彩紗。上述的變速控制可由計(jì)算機(jī)程序預(yù)先設(shè)定精準(zhǔn)控制。

5結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的紡紗機(jī)械驅(qū)動(dòng)技術(shù)已不適應(yīng)現(xiàn)代紡紗生產(chǎn)要求，變頻或伺服調(diào)速、多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；電子凸輪、自調(diào)勻整、在線檢測(cè)和監(jiān)控等各種新技術(shù)已在紡機(jī)上得到越來(lái)越多的應(yīng)用。紡紗機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的創(chuàng)新優(yōu)化，是紡紗機(jī)智能化、自動(dòng)化、機(jī)電一體化、數(shù)字化的需要，對(duì)提高紡紗機(jī)生產(chǎn)水平、產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能降耗、減少用工、降低成本、擴(kuò)大紡紗品種具有重大意義。

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TheInnovativeDevelopmentofMotorsPlustheDrivingSystemontheSpinningMachinery

LIURongqing

(ShanghaiTextileEngineeringInstitute,Shanghai200060,China)

Abstract:Introduction is made to the progress of the motors on the spinning machinery.Analysis is done to the problems with the traditional motor and the advantages of the modern motor,and differences and performance of the variable frequency speed control and servo control technology.The application examples illustrate the innovation and development of new motor in electromechanical integration,multi-motor drive,single spindle drive,bilateral synchronous drive and such.Introduction is made to the development and application of new kinds of motor with high production and high quality of products.The innovative development is of labor saving with less energy consumption,high production efficiency and low production cost.

Key Words:spinning machinery;motor;motor-driven spindle;individual drive;synchronous drive;frequency conversion;servo;speed regulation

收稿日期：2015-11-08

作者簡(jiǎn)介：劉榮清(1934—)，男，江蘇無(wú)錫人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事紡紗工藝、產(chǎn)品、測(cè)試應(yīng)用方面的研究。

中圖分類號(hào)：TS103.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-9634(2016)03-0057-04