粗纱卷装与成形的方程和机构详解

在传统的环锭纺纱加工过程中，粗纱分为有捻粗纱和无捻粗纱，其卷装均采用圆柱型卷绕形式完成。有捻粗纱机的纤维适纺范围广，对温度、含油、回潮率等适应范围较大，应用更加普遍；无捻粗纱机的适纺纤维范围较窄，通常在毛纺纺纱系统的部分产品上有应用。

（一）卷绕与成形过程

1.有捻粗纱 图8-10 所示为有捻粗纱的卷装形式，为圆柱型平行螺旋线卷绕方式，属于长动程卷绕，需要通过锭翼与筒管的相对回转和相对移动两种运动的合成来实现。

（1）相对回转运动。锭翼与筒管做相对回转运动，利用二者的转速差引导粗纱沿筒管的径向自里向外逐层进行卷绕，管纱的直径也因此逐渐增加。

筒管与锭翼可以同向回转，也可以反向回转，一般多采用前者。当筒管转速大于锭翼转速时，称为管导式；反之，称为翼导式。纺纱中多采用管导式，在生产上有以下优点：

①当粗纱断头时，筒管上的纱尾在回转气流作用下，紧贴于管纱上，不致乱飞；

②随着卷绕直径的增加，管纱重量随之增大。采用管导式，筒管直径越大，其转速越低，动力消耗较均衡，回转亦较稳定；

③传向锭子的轮系中齿轮个数较少，开车启动时锭子总是略先转动，使压掌至筒管间纱段松弛，而翼导式开车瞬间该段张力增加，容易引起伸长或断头。

无论采用管导式还是翼导式，因粗纱捻向一定，故其转向不变，但因压掌位置不同，其绕纱方向相反，如图8-11 所示。

（2）相对移动。通过筒管与锭翼的相对移动，引导粗纱沿筒管轴向上下逐圈排列。为防止在卷绕和运输过程中因两端脱圈或两端崩塌而造成坏纱，卷绕动程应逐层缩短，以使两端形成截头圆锥形的卷装形式，如图8-10 所示。

图8-10　有捻粗纱卷装

图8-11　管导、翼导式卷绕方法

图8-12　无捻粗纱卷绕过程与成形

2.无捻粗纱 图8-12 （a）所示为无捻粗纱的卷装形式，采用卷绕滚筒和筒管边转动边往复横动的卷绕方式，将粗纱卷绕成圆柱形筒子。卷绕滚筒装在往复游车上，游车采用椭圆齿轮及曲柄滑块机构驱动往复运动，如图8-12 （b）所示。主动椭圆齿轮1 传动与其啮合的另一椭圆齿轮2，使伞齿轮4 一起转动，并带动曲柄轴6 转动，装在曲柄轴6 上端的曲柄7 也同时转动。曲柄7 上滑块8 受游车9 上的槽孔的限制，在槽孔上往复运动的同时，带动游车9 左右往复运动，实现交叉卷绕。图中3 为轴，5 为伞齿轮。该卷绕装置粗纱卷绕线速度为：

式中：Vw——粗纱卷绕线速度，m/min；

　　　Vb——卷绕罗拉表面线速度，m/min；

　　　r——滑块旋转半径，m；

　　　N′k——曲柄轴转速，r/min。

（二）卷绕与成形方程

因有捻粗纱机纺制的粗纱其应用更加普遍，重点以有捻粗纱为例，介绍其卷绕与成形方程以及机构。

1.卷绕速度方程 为实现正常卷绕，必须保证任一时间内前罗拉输出的实际长度等于筒管的卷绕长度，即：

式中：Dx——粗纱管卷绕直径，mm；

　　　VF——前罗拉输出的线速度，mm/min。

式（8-19）表示了卷绕速度与卷绕直径的关系，称为卷绕速度方程。

在管导式卷绕时，筒管转速与锭翼转速之差称为卷绕速度，即：

式中：Nw——卷绕速度，r/min；

　　　Nb——筒管转速，r/min；

　　　Ns——锭翼转速，r/min。

将式（8-19）代入式（8-20），得筒管转速方程：

在一落纱过程中，粗纱的捻度是不变的，式（8-21）中的Ns 和VF 不变，但Dx 在一落纱时间内逐层由小变大，所以筒管转速Nb 将随粗纱卷绕直径Dx 的增大而逐层减小。由此可见，筒管转速Nb 是由恒速的锭速Ns 和变速的卷绕速度VF/（πDx）两部分速度合成的，而合成的结果仍是变速。

图8-13 所示为Nb、Ns、Nw 与卷绕直径Dx 之间的关系。可见，在一落纱的时间内，锭子速度不变，筒管转速与卷绕速度随卷绕直径的增加而逐层减小，并且在同一层纱内，筒管转速和卷绕速度也不变，但绕一层纱所需的时间随着层数的增加而有所增加。

图8-13　一落纱过程中Nb、Ns 和Nw 与Dx 的关系

2.升降速度方程 有捻粗纱机上粗纱沿筒管轴向的紧密排列由龙筋的升降运动来完成。为实现正常卷绕，必须保证任一时间内龙筋的升降高度与筒管的轴向卷绕高度相等，即：(www.xing528.com)

式中：VL——下龙筋（筒管）升降速度，mm/min；

　　　h——粗纱轴向卷绕圈距，mm。

式（8-22）表示龙筋升降速度和卷绕直径的关系，称为粗纱机的升降速度方程。图8-14 所示为龙筋升降速度VL 与卷绕直径Dx 的关系。从图中可以看出，在一落纱时间内，龙筋升降速度随卷绕直径的逐层增大而逐层减小，但在同一纱层内，龙筋的升降速度不变。实践表明，龙筋升降一单程所需的时间，随卷绕直径的逐层增加而增加。

图8-14　下龙筋升降速度VL 与卷绕直径Dx 的关系

（三）卷绕与成形机构

1.传统粗纱机 传统粗纱机的卷绕成形是由一个电动机及差动装置、锥轮（俗称铁炮）变速装置、成形装置、摆动装置、换向机构、张力微调机构等共同来完成。图8-15 所示FA401 型粗纱机，主轴由电动机传动，它一方面传向锭子，另一方面经捻度变换齿轮和捻度阶段变换齿轮传向上锥轮和前罗拉。上、下锥轮由小皮带传动，下锥轮经卷绕齿轮传向差动装置和升降齿轮，前者经摆动装置传向筒管，而后者经换向齿轮、升降轴传动下龙筋。锥轮皮带受成形装置的控制，沿锥轮轴向移动。由于锥轮为一圆锥体，各截面的直径不等，当移动锥轮皮带时，便改变了上、下锥轮的传动比，从而改变了筒管的转速和下龙筋的升降速度。图中：齿轮m 的齿数为56T，齿轮n 的齿数为68T；is 为主轴至锭子的传动比，id 为差速装置的传动比，ib 为齿轮n 至筒管的传动比，iz 为捻度齿轮至前罗拉的传动比；y 为锥轮皮带所在位置的上锥轮半径，c 为上下锥轮半径之和。

图8-15　FA401 型粗纱机卷绕传动关系图

传统粗纱机的变速机构包括差动装置和变速装置等，其作用是控制筒管和下龙筋的变速运动。

①差动装置。差动装置利用同一对锥轮同时完成筒管和下龙筋的变速运动，位于粗纱机的主轴上，处于锥轮至筒管间的位置，其结构为一周转轮系，作用是把主轴传入的恒速和锥轮传入的变速合成一种速度，通过摆动装置再传动筒管，以完成卷绕作用。图8-16 所示为FA401 型粗纱机差动装置。

采用差动装置，使主轴承担大部分载荷，锥轮仅负担变速部分的传动，可大大减轻锥轮的负担和锥轮皮带的溜滑；工艺上改变粗纱捻度需要调换捻度牙时，可在前罗拉输出速度变化的同时改变上、下锥轮速度，使卷绕速度相应变化，而不需作其他调节即可保持粗纱的正常卷绕；此外，落纱生头时，只需抬起下锥轮，使卷绕速度等于零，前罗拉输出的须条可作生头时包筒管用，而不需另外的生头机构。

②变速装置。如图8-17 所示，在传统粗纱机卷绕过程中，变速是通过一对上、下锥轮的外形曲线来实现的，其原理是在任意皮带传动位置处，上、下锥轮的半径和为一常数。变速装置由锥轮、皮带和带动皮带在锥轮上移动的皮带叉等部件组成。主动锥轮由主轴传动，速度恒定，并通过皮带传动被动锥轮，移动皮带位置，则被动锥轮变速。当空管卷绕时，锥轮皮带处于起始位置，在主动锥轮的大端，也即被动锥轮的小端，此时，被动锥轮转速最大；以后每卷绕一层粗纱，成形装置控制锥轮皮带向主动锥轮小端移动一小段距离，主动锥轮直径减小，被动锥轮直径增大，转速减慢。

图8-16　FA401 型粗纱机差动装置

图8-17　粗纱上、下锥轮变速装置

2.新型粗纱机 随着计算机、变频电动机和传感器技术的发展和应用，新型粗纱机的卷绕与成形也向着现代化、智能化方向发展。如图8-18 所示，现代新型粗纱机采用工业控制计算机通过控制多个变频电动机，分别传动锭翼、罗拉、筒管、龙筋等机构，实现粗纱机同步牵伸、卷绕成形的要求，简化了传动机构，提高了控制精度，也为粗纱机高速化提供了技术保证。其中，卷绕机构采用电子成形粗纱卷绕，取消了传统粗纱机中的差动装置、锥轮变速装置、成形装置、摆动装置、换向机构、张力微调机构等机械装置。

新型粗纱机主要由以下几部分组成。

图8-18　多电动机粗纱机传动控制示意图

图8-19　四电动机控制系统

1—锭翼电动机 2—筒管电动机 3—龙筋电动机 4—罗拉电动机

（1）电子成形控制系统。以某公司四电动机控制系统粗纱机为例，如图8-19 所示，四个电动机分别独立驱动，其中卷绕部分的锭翼电动机控制锭翼转动，筒管电动机控制筒管转动和龙筋升降。在电动机上安装的速度变换器由微计算机进行同步控制，只要输入平均锭翼转数和粗纱定量等基本条件，计算机便可根据卷绕直径的变化自动改变卷绕转速。

（2）电子成形卷绕方程。由粗纱的卷绕方程式可知，在一落纱中，随着卷绕的进行，纱层的增加导致筒管的卷绕直径逐步增大，而粗纱每层的厚度基本无差异，按照这一规律，可求得：

式中：Dx——卷绕第n 层粗纱时的卷绕直径，mm；

　　　D0——空筒管直径，mm；

　　　n——粗纱卷绕的层数；

　　　δ1——粗纱初始卷绕厚度，mm；

　　　Δ——粗纱每层厚度的增加值，mm。

由此可得，电子成形粗纱机的筒管卷绕方程为：

粗纱初始卷绕厚度主要与粗纱的定量（粗细）有关，按下式而定：

式中：W——粗纱定量（g/10m）；

　　　γ——粗纱密度，不同原料其粗纱密度也不同（g/cm3）。

粗纱每层增加值Δ 的大小与锭翼结构、一落纱中的压掌压力变化等有关，但对同一机型其Δ 的影响规律是一致的。Δ 主要影响纺中纱和大纱时的筒管转速，亦即影响中、大纱的卷绕张力，因此，Δ 应在δ1 设定后再进行相应设定或调整粗纱的张力为宜，Δ 一般为δ1 的0.3%～0.4%。