自调匀整装置：纺织机械的精细控制技术

（一）自调匀整的含义与作用

1.自调匀整的含义 一般的牵伸机构，参数都是稳态的，与喂入纱条性质的波动不相适应。如果牵伸机构的参数（牵伸倍数）不是稳态，而是波动的，且这个波动与喂入纱条的指标波动成相关关系，那么输出纱条的指标就有可能稳定在一定的水平。

自调匀整就是根据喂入或输出的半制品单位长度的重量（或粗细）差异，自动调节牵伸倍数，从而使输出的半制品单位长度的重量（或粗细）为稳定常量的在线匀整控制方法。

2.自调匀整的作用 在纺纱过程中，纱条内存在着各种形式和各种片段的不匀，而自调匀整装置能在一定范围内消除和调节这些不匀。自调匀整的作用如图6-36 所示。

图6-36　自调匀整的作用

如图6-36 （a）所示，假设一理想纱条，经过普通的牵伸区，由于牵伸装置对纤维控制的不完善，结果使输出纱条产生了附加不匀，或称牵伸不匀，表现为短片段不匀。这种不匀的性质仅仅是短片段的，图中输出纱条的均匀度代表了所能期望的最好的情况。

如图6-36 （b）所示，实际上正常喂入的纱条本身就是不匀的，且不匀的片段长度是变化的。当这种不匀的纱条喂入普通牵伸区后，不匀片段的波长会随着牵伸而变得更长，加之经牵伸后又附加了短片段不匀，结果使输出纱条存在着长片段不匀和短片段不匀。

如图6-36 （c）所示，如将带有不匀的正常纱条喂入自调匀整牵伸区，则自调匀整能基本消除中、长片段不匀，但经过牵伸仍然产生附加牵伸不匀，即仍然存在短片段不匀。但同图6-36 （a）相比，已经基本达到喂入理想纱条的水平。显然，自调匀整具有很好的匀整作用。

比较而言，并合作用主要是改善纱条的随机不匀和在负相关（-1≤r≤0）情况下的不匀，但对改善正相关（0≤r≤1）情况下的不匀或同步不匀效果较差；并合的匀整作用是有限的，它能减少的不匀仅为喂入纱条不匀率的，且随着并合根数的增加，必然要增加牵伸倍数，从而又增加了牵伸不匀；同时，在喂入纱条不匀率较小时，并合效果较差，甚至可能在通过的道数过多时出现相反的效果。

而自调匀整装置在作用正确时，只要喂入纱条的不匀率在匀整范围以内，除了牵伸产生的短片段不匀以外，基本上能消除包括正相关在内的全部不匀，自调匀整装置还能在线进行连续、自动地较正和监督，使输出纱条的均匀度达到预期要求。

（二）自调匀整基本原理

1.纱条匀整的基本方程 在罗拉牵伸系统中，单位时间内喂入半制品的重量和输出半制品的重量是相等的，且在不考虑罗拉打滑的情况下，牵伸倍数等于前、后罗拉的速度之比，或喂入、输出定量之比，即：

式中：V1、G1——后罗拉线速度和喂入半制品定量（单位长度的重量）；

　　　V2、G2——前罗拉线速度和输出半制品定量（单位长度的重量）；

　　　E——牵伸倍数。

如果喂入半制品的定量产生偏差ΔG，此时G1=G0+ΔG，G0 为喂入半制品的额定定量。

由式（6-24）得：

由式（6-25）两端各乘以V1 后得：

在式（6-26）中，假定输出定量G2 和额定喂入定量G0 为常数，而喂入定量的增量ΔG和牵伸倍数E 为变量，G2 是ΔG 和E 的函数。

要想使输出定量G2 保持不变，变量ΔG 和E 之间的关系，须满足如下等式，即：

式中：——额定牵伸倍数，，是常数。

式（6-27）称为匀整基本方程，表示牵伸倍数随喂入半制品定量变化的规律，即牵伸倍数E 随着喂入定量偏差ΔG 的增大而增大。由此可知，自调匀整装置的工作原理是依据喂入纱条的定量偏差，通过调节牵伸倍数的大小，使输出纱条的定量保持不变的。

匀整方程忽略了牵伸过程中的多种影响因素，其实用性也将受到一定限制。罗拉牵伸是通过改变纤维头端间的相对位移（移距）来改变纤维头端密度，以达到改变纱条线密度的目的。在目前使用的自调匀整装置中，由于检测方式不是检测纤维头端密度，而是以检测厚度（或粗细）为基础的。在纱条的某个截面上，纤维头端密度的变化和厚度的变化有一定的函数关系，除振幅不同之外，相位也有一定的差距。当不匀片段长度大于等于纤维平均长度的五倍时，振幅接近，有较好的匀整效果；而当不匀片段长度小于纤维平均长度的五倍时，匀整作用受到限制。

可见，目前使用的自调匀整装置对于匀整不同片段长度的不匀，其匀整作用是不同的，而对长片段不匀的匀整作用强，而对短片段不匀的匀整作用较差。

2.牵伸倍数的调节方式

在现有的自调匀整装置中，有通过改变前罗拉的速度来调节牵伸的，也有通过改变后罗拉的速度来调节牵伸的。

（1）改变前罗拉速度。根据式（6-24）可得：

式中：C1、C2——常数。

从式（6-28）和式（6-29）可看出，前罗拉速度和喂入纱条定量（或粗细）及牵伸倍数间成正比，是线性关系。

（2）改变后罗拉速度。根据式（6-24）可得：

式中：C3、C4——常数。

从式（6-30）和式（6-31）可以看出，后罗拉速度和喂入纱条定量（或粗细）及牵伸倍数间成反比关系，非线性关系，而是双曲线关系。

上面的讨论决定了自调匀整变速装置设计时应遵循的规律。如通过外形变化的铁炮（锥轮）变速机构，若前罗拉变速，铁炮的外形是直线，即采用直线铁炮；若后罗拉变速，铁炮的外形是双曲线，即采用双曲线铁炮。

（3）两种变速方式的优缺点。从负荷看，希望调速部分的功率越小越好，以降低系统的能耗。调节后罗拉一般所需功率的变化比调节前罗拉为小，也比较容易满足系统对惯性的要求。

从提高调速精度看，前罗拉调速比后罗拉调速有利。因为前罗拉转速比后罗拉转速高，转速的误差率可降低。另外，调速部分一般是做高速运转的，这样减速齿轮系统可尽量减少，因而也减少了齿间误差。

采用前罗拉变速时，牵伸倍数与喂入纱条的重量变化呈线性关系，而后罗拉变速时，则为双曲线关系。线性关系比较容易调整。(www.xing528.com)

上述对比分析只是相对的，对具体装置还需作全面的分析，才能作出正确的取舍。目前使用的自调匀整装置以采用后罗拉调速方式的较多。

（三）自调匀整装置的组成与分类

1.自调匀整装置的组成 自调匀整装置主要由以下三大系统组成。

（1）检测系统。检测系统是在生产运转中，对喂入或输出制品重量或粗细的变化或不匀进行连续测定，并将测量信号进行转换和传送，因此，也称为自调匀整装置的传感器。检测传感器的形式主要有电容式、光电式、电磁感应式、位移传感式和气动式等。目前在自调匀整装置中使用最广泛的传感器是位移传感器。

（2）调节系统。调节系统就是匀整装置的控制电路，包括比较和放大两部分。比较部分是将检测和转换所得到的代表条子重量变化的信号，同给定标准值进行比较，只要条子重量不符合标准，比较部分即可将测得的偏差信号送给放大器进行放大。

（3）执行系统。执行系统由调速系统和变速机构组成，调速系统按放大器发出的信号，产生相应的速度，再通过变速机构把该速度与需要变速的罗拉速度相叠加，以使牵伸倍数随须条重量增减而作反比例变化，达到匀整的目的。变速执行系统的结构有多种型式，如机械式、液压机械式、电气式和机电式等。并条机自调匀整装置使用较广的有机械式和电气式等。机械式变速执行机构一般采用差速齿轮箱变速装置，并有差微机构用于速度叠加。电气式变速执行系统一般是伺服电动机调速。

此外，应用于毛纺等长纤维纺纱设备上的自调匀整装置，由于从检测点到匀整点有一定距离，且纱条速度较慢，因此，由检测所得的信号不能立即往后传送，必须等纱条从检测点到达匀整点时，才能将检测信号输出，这一作用由记忆延迟机构来完成。图6-37 所示为毛纺针梳机自调匀整装置的组成。

图6-37　针梳机自调匀整装置的组成

但棉纺设备普遍速度快、所纺纤维短，从检测点到匀整点的距离短，一般不用记忆延迟机构。另外，对于检测在输出部位的自调匀整装置也不需要记忆延迟机构。

2.自调匀整装置的分类 目前使用的自调匀整装置控制系统、结构形式多种多样，但其基本原理是相同的。具体分类如下。

按控制系统可分为：开环系统、闭环系统、混合环系统。

按牵伸的调节方式可分为：后罗拉变速方式、前罗拉变速方式。

按结构形式可分为：纯机械式、纯电气式、综合式。综合式又可分为机械和电气结合式、机构和液压结合式、同位素和电气结合式、机械和电气与微机结合式等。

3.不同控制系统的匀整特点 自调匀整装置按控制系统可分为开环、闭环和混合环三种系统，其匀整作用各具特点。

如图6-38 （a）所示，开环系统中，检测点靠近系统的输入端，而匀整（变速）点靠近输出端，整个系统的控制回路是非封闭的。其特点是根据喂入纱条的变化进行调节，因而能根据喂入的波动情况及时、有针对性地进行匀整，但匀整的片段长度较短，可改善中、短片段的均匀度，但控制系统的延时与喂入须条从检测点到变速点的时间必须配合得当，否则，将超前或滞后变速。而且，开环式只能按调节方程式调节，无法控制实际调节结果，即无法修正各环节或元件变化引起的偏差和零点漂移，缺乏自检能力。

如图6-38 （b）所示，闭环系统中，检测点靠近输出端，而匀整（变速）点靠近喂入端，即根据输出的结果来进行调节，整个系统的控制回路是封闭的。其特点是根据输出结果进行调节，故有自检能力，能修正各环节元件变化和外界干扰所引起的偏差，比开环系统稳定；但由于输出结果与喂入情况间滞后时差的存在，影响匀整的及时性和针对性，故无法进行中、短片段的匀整。

如图6-38 （c）所示，混合环系统则是开环和闭环两个系统的结合，兼有开环和闭环系统的优点，既能对长、中、短片段的不匀有匀整效果，又能修正各种因素波动所引起的偏差，调节性能较为完善，但系统复杂，成本高。

图6-38　自调匀整系统

一般而言，中、长片段自调匀整装置采用闭环系统，而短片段自调匀整装置采用开环系统。

（四）自调匀整装置在纺纱系统中的应用

1.梳棉机上的自调匀整装置 上述三种控制系统的自调匀整装置在梳棉机上均有应用，根据匀整针对的片段长度又有短片段、中片段和长片段自调匀整系统。

（1）短片段自调匀整系统。短片段自调匀整系统可以是开环或闭环控制系统，制品的匀整长度为0.1～0.12m。

图6-39 （a）是通过在喂入罗拉处检测喂入棉层的重量，来调节喂入罗拉的速度；图6-39 （b）是在圈条前带有罗拉牵伸装置的新型梳棉机上，在棉条输出牵伸装置上方（或下方）的检测喇叭处，可检测喂入棉条的粗细，并将相应的脉冲信号传送到控制器。控制器将产生的控制信号传送至位于牵伸装置下方的匀整装置，或牵伸罗拉本身就是匀整装置，以调整牵伸罗拉的速度与棉条的粗细相适应。

图6-39　梳棉机短片段自调匀整系统

1—给棉罗拉 2，3—给棉板 4—位移传感器 5—控制器 6—变速电动机

（2）中片段自调匀整系统。制品的匀整长度约3m。图6-40 所示为一种中片段自调匀整系统。在锡林的罩板上安装有光电检测装置，用来检测锡林整个宽度上棉层的厚度变化。通过与设定值的比较，将误差信号传递给匀整机构，调整给棉罗拉速度，以保证锡林上棉层厚度为常数。

（3）长片段自调匀整系统。制品的匀整长度在20m 以上，如图6-41 所示。它是通过检测输出棉条的质量再反过来调节喂入的参数，以达到保证输出量恒定的目的。如图6-42 （a）、（b）所示，通常在生条的输岀部位，用气压检测喇叭或一对阶梯压辊（或凹凸罗拉）代替原来的大压辊，以检测输岀棉条粗细，所得到的电信号送入电气控制回路（微机）去改变给棉罗拉速度，以调整给棉量。一般作用时间为10s 左右，棉条能在70～100m 长度内获得均匀效果。

2.并条（针梳）机上的自调匀整装置 棉纺并条、毛纺针梳工序的主要作用之一是通过随机并合来改善前道工序条子的粗细不匀。但仅靠随机并合，其匀整效果是有限的。因此，为了进一步改善输出须条的均匀度，缩短工艺流程，国内外先进的并条（针梳）机均带有自调匀整系统，以积极地实现在线检测和在线控制，以并合和自调匀整相结合来控制熟条的重量不匀和重量偏差。

图6-40　梳棉机中片段自调匀整系统

图6-41　梳棉机长片段自调匀整系统

图6-42　梳棉机自调匀整检测装置

由于并条机的速度很高，如采用闭环式的自调匀整系统，易产生很长的匀整死区，大大降低匀整效果，因此，并条机上一般都是采用开环式的短片段自调匀整系统，如图6-43 所示。为了防止由于各环节参数变化或干扰引起的条子定量偏差，一般先进的系统都在前罗拉之后加装监测装置，如图6-43 中与重量感测器（输出）10 联接的喇叭头，当条子定量偏差超标或CV 值过大，就报警或停车。

该系统由远离后罗拉的喂入部分的凸凹罗拉检测，连续测量喂入条子粗细，凸凹罗拉产生位移时，通过位移传感器变换成电流信号反馈至微机，与标准设计值对比后指令伺服无电刷直流电动机，结合差动轮系装置调节前区牵伸，后区牵伸保持恒定不变。同时，在并条机输出端装有检测喇叭头，在线检测匀整效果，信息再反馈传递至微机，并在显示屏上以数字及图表方式显示条子质量数据（但不起调节作用）。在线检测的喇叭头还能不断核对出条定量和实际条干不匀率。如果超出已设定的警报界限时，并条机自动停车，同时相应的信号灯发出警报信号。

图6-43　并条机自调匀整控制系统

1—凸凹罗拉 2—控制监视盘 3—主控制器 4—伺服驱动器 5—伺服电动机 6—差动齿轮箱 7—重量感测器（喂入） 8—速度感测器（第二罗拉） 9—速度感测器（第一罗拉） 10—重量感测器（输出）

讨论专题四：牵伸经典理论在纺纱技术中的应用