膠圈控制機構探究

路紅星

（河南省輝紡紡織有限公司，河南新鄉(xiāng)，453600）

20世紀初開始出現(xiàn)膠圈控制方法，發(fā)展到目前為長短雙膠圈控制機構，用了近1個世紀的時間［1］。膠圈控制機構的缺陷有些是固有的，有些是認識錯誤導致的。膠圈控制機構是提升紡紗效率的必然要求。深入探討和研究膠圈控制機構，可規(guī)避誤區(qū)，有利于控制紡紗質量，且進一步提升紡紗效率。

1 膠圈控制機構是牽伸效率發(fā)展的必然要求

1.1 減小移距偏差對握持距的要求

牽伸過程的實質［2］14，是使棉條中的纖維相對位置產(chǎn)生變化，各根纖維分布到較長的長度上去。如果各根纖維都在同一界面變速，且牽伸前棉條的條干是均勻的，則牽伸后的條干也應該是均勻的。事實上，經(jīng)牽伸后輸出棉條的條干較喂入棉條的條干惡化了。這種現(xiàn)象可以用實際牽伸中纖維的頭端不在同一界面變速來解釋。牽伸過程中，當纖維變速位置越分散，牽伸倍數(shù)越大時，則移距偏差值越大，輸出條干越不均勻。因此，使纖維變速位置盡可能向前鉗口集中，這是改善條干的重要條件。對于減小移距偏差而言，為保障牽伸效率，牽伸倍數(shù)會保持在一個較高水平，而減小變速界面間的距離（x），必然減小握持距。

1.2 簡單羅拉牽伸在握持距上的局限性

對于簡單的羅拉牽伸，如果我們怱略不計握持弧，并且不考慮上羅拉沖量，那么握持距等于兩列下羅拉半徑之和加羅拉表面隔距，兩列下羅拉半徑之和對于握持距來說已經(jīng)是個較大數(shù)值，在粗紗或細紗工序一般不小于25 mm。羅拉依靠齒輪傳動，羅拉轉動需要軸承等機件對其固定托持，這些都需要空間，因此較大的羅拉表面隔距是必需的。粗紗機和細紗機的主牽伸區(qū)牽伸效率都很高，而且都需要較小的x值來減小移距偏差。簡單羅拉牽伸機構不能提供較小的握持距，這是簡單羅拉牽伸在握持距上的局限所在。

1.3 膠圈控制機構突破了簡單羅拉牽伸在握持距上的局限

膠圈控制機構中的固定托持元件主體均在兩列羅拉間布設，占用羅拉表面隔距所在的空間。上、下膠圈在對應銷體前緣的包圍角較小，兩個包圍角之和依然是銳角。前鉗口通常在上、下羅拉的切點上，兩段相切的圓孤在雙膠圈控制機構方向上是開放的。故雙膠圈控制機構構成的鉗口可以最大程度抵近前鉗口，細紗前區(qū)浮游區(qū)可以收小到12 mm甚至更?。?］119。這就突破了簡單羅拉牽伸在握持距上的局限。

2 膠圈受力分析及膠圈控制機構設計初衷

膠圈未工作時的受力分析［3］見圖1，其工作狀態(tài)的受力分析見圖2。

圖1 膠圈未工作狀態(tài)

圖2 膠圈工作狀態(tài)

如圖1所示，膠圈不工作時，以適當?shù)膹埦o力F0分別套在上、下銷和羅拉上。如圖2所示，當膠圈開始工作時，由于膠圈和羅拉接觸面上摩擦力的作用，膠圈獲得驅動力，膠圈繞入羅拉的一邊被進一步拉緊，拉力由F0增大到F1，受力的一邊稱為緊邊；另一邊則被放松，拉力由F0降到F2，放松的一邊稱為松邊。設定膠圈做勻速運動，驅動膠圈運動的作用力以F驅表示，即

膠圈的摩擦阻力與驅動膠圈運動的力是一對平衡力，故

設膠圈的總長度不變（近似的），則緊邊的拉力增量應等于松邊拉力的減少量（F0－F2），由力平衡關系式（3）可推導出式（4）。

經(jīng)分析，影響膠圈傳動能力以及平穩(wěn)回轉的因素有F0、包角θ1和當量摩擦因數(shù)f。

膠圈控制機構的設計初衷：采用柔性元件，將牽伸區(qū)內(nèi)的纖維夾持住，按膠圈機構驅動羅拉的線速度向前輸送，一直到接近前羅拉鉗口纖維頭端進入前羅拉鉗口。柔性元件對纖維的控制是柔性的，當纖維前端進入前羅拉鉗口時，鉗口的牽引力使該纖維加速，而膠圈夾持力要足以阻止附近的其他纖維跟隨加速。但膠圈機構在原理上就有缺陷。首先兩個膠圈夾持纖維部分是平行直線，僅靠張力不可能產(chǎn)生有效的垂直壓力；其次，兩個膠圈的原動力是下羅拉的摩擦傳動，其工作區(qū)（夾持纖維）是松邊，它們都處于松弛狀態(tài)。如果不采取措施，膠圈運動狀態(tài)不平穩(wěn)，工作面產(chǎn)生的壓力也不均勻、不穩(wěn)定。

松邊和緊邊有悖設計初衷，之所以在客觀上形成緊邊和松邊是力作用的結果。在緊邊，驅動力和摩擦阻力方向相背，驅動力起“拉動”作用；在松邊，驅動力和摩擦力方向相對，驅動力起“推動”作用。減小緊邊張緊程度，有利于減少松邊松弛程度。減小松邊的松邊效應，雙膠圈控制機構的作用就能趨于理想，接近設計初衷。為達到這一目的，必須對式（4）中各因素進行優(yōu)化，減少膠圈在銷體及包圍角上的摩擦力，弱化緊邊和松邊的分界。

3 膠圈控制機構的優(yōu)化方向和誤區(qū)

3.1 上膠圈機構的優(yōu)化

上膠圈機構通常包括上銷、上銷簧、上膠圈、中上羅拉、膠圈鉗口隔距塊等專件。由于膠圈工作面處于松邊，并非上膠圈工作面所有區(qū)域都能自然地提供方向向下的力夾攜握持須條。上膠圈工作面按照受力不同可以劃分為3個部分，第1部分是中上羅拉加壓區(qū)，由中上羅拉直接提供壓力，摩擦力界強且穩(wěn)定。第2部分位于工作面回轉方向中部，這一部分上銷中空，銷體和上膠圈不直接接觸，運行至這一部位的上膠圈沒有明確的壓力。第3部分位于上銷前緣，上銷簧變形將向下的力施加給上銷，通過上銷前緣傳遞給上膠圈，在這一區(qū)域，如果鉗口配置恰當，上下銷前緣對齊，可以對須條形成良好的夾持。

上膠圈機構的優(yōu)化，主要圍繞上膠圈回轉平穩(wěn)展開。與上膠圈關聯(lián)的摩擦傳動順序是下膠圈→上膠圈→中上羅拉。上膠圈要想回轉平穩(wěn)，上下膠圈之間的摩擦力要充足且穩(wěn)定。對于上下膠圈這對摩擦副來說，實踐證明，硬度差別越小，摩擦力越小。故上下膠圈配置要一軟一硬，通常是上軟下硬。通過在膠圈外層設置花紋來增加摩擦也是可以的，但花紋設計須系統(tǒng)探討。中上羅拉是上膠圈的次一級傳動件，中上羅拉要提供可靠穩(wěn)定的壓力，且不能影響上膠圈穩(wěn)定回轉，故選配光面鐵輥為中上羅拉是合理的。上膠圈與上銷前緣摩擦力的大小決定上膠圈工作面的松弛程度。對于金屬材質的上銷而言，上銷前緣兩側應當平齊，避免兩側差別較大導致鉗口不平齊造成條干錠差，同時避免張力差異影響上膠圈回轉平穩(wěn)性。由于金屬上銷易變形、磨損，故碳纖維等非金屬材質上銷被廣泛應用。碳纖維上銷前緣應當圓滑以降低摩擦阻力，減小松邊效應。當碳纖維上銷前緣設置鋼針時，效果比較理想。為減小摩擦阻力，上膠圈張力F0需要偏小把握，既通常所說的上膠圈要松。上銷在上膠圈緊邊區(qū)設置有豎起的橫擋，用于限定上膠圈左右位置，避免上膠圈在回轉過程中橫向移動，這也是上膠圈可以較松的前提之一。在上羅拉的相對位置設置中，中上羅拉較中下羅拉后移2 mm左右［2］56，以加大膠圈與中羅拉之間的包圍弧，有利于上膠圈回轉，減少因上下膠圈之間速度差而引起的須條分層現(xiàn)象。

3.2 上膠圈機構的誤區(qū)

一些不當措施會導致上膠圈回轉不穩(wěn)。大背弧上銷在上膠圈緊邊位置設置較大的摩擦區(qū)域，會導致緊邊更緊，松邊更松，在此位置加裝張力調(diào)節(jié)裝置也會產(chǎn)生同等效應；上膠圈機構整體前沖可以減小浮游區(qū)，從而改善成紗條干，但此項措施不利于上膠圈穩(wěn)定回轉。確需上膠圈機構前沖的，可以考慮加長上銷，保障中上羅拉位置相對后移而上銷前緣較下銷突出；中上羅拉在膠圈機構中傳動順序最靠后，設置滾花紋或用其他措施增加摩擦因數(shù)不利于上膠圈回轉穩(wěn)定性；上銷彈簧選配應當考慮彈簧的起始壓力、工作中的應變增量以及彈簧的起始應變和抗彎剛度等因素［2］121。上銷彈簧提供的下壓力矩根據(jù)所紡纖維品質長度以及喂入半制品須條定量而定。適度增加下壓力距有利于增強對纖維的控制，從而改善成紗條干。但下壓力矩過大，彈簧在工作中的應變過小，會導致鉗口壓力過大而出“硬頭”。

3.3 下膠圈機構的優(yōu)化

膠圈機構通常成雙出現(xiàn)。上下膠圈均短的雙膠圈機構稱雙短膠圈機構，下膠圈較長的稱長短膠圈機構。雙短下膠圈機構包括下膠圈、下銷棒和中下羅拉，長短膠圈機構中的下膠圈機構增加了張力調(diào)節(jié)裝置。清潔任務較重的工序如粗紗工序通常使用雙短膠圈機構，這是因為雙短膠圈機構配置清潔裝置比較容易。長短膠圈機構克服了雙短膠圈機構各種累計誤差的負面影響，且中凹現(xiàn)象有所改善，但在清潔裝置的設計上比較困難。為減小下膠圈的松邊效應，下銷工作面設置有向上拱起的曲面，配合下膠圈更好地托持須條。

在膠圈機構傳動順序中，中下羅拉是傳動順序最靠前的主動件，中下羅拉工作面的菱形滾花紋設計可以避免下膠圈打滑。下膠圈的內(nèi)花紋設計可以進一步提高下膠圈和中下羅拉運行的同步性，但內(nèi)花紋下膠圈使用壽命通常較短。

膠圈厚度的選擇需要考慮以下幾個因素。一是膠圈機構的曲率，上膠圈機構前緣曲率大于下膠圈機構前緣曲率，曲率越大，膠圈選配就應該越?。欢菍δz圈抗拉伸的要求，下膠圈機構張力設置一般較大，故膠圈選型應當上薄下厚；三是纖維的品質長度越小，選配膠圈應該越??；四是喂入須條的定量越小，選配膠圈應該越薄。

上、下膠圈新舊搭配使用主要是為了避免牽伸力大幅度波動。新膠圈彈性好，紡紗通道無不可恢復的形變，對須條控制能力較強。全新上、下膠圈同時使用可能導致出“硬頭”。當全新膠圈不可回避時（如新建紡紗廠），工藝應適當調(diào)整。有些品種不設置橫動，膠圈紡紗通道在固定位置產(chǎn)生不可恢復的形變，上下對應且閉合。翻改品種需要改變粗紗定量時需要考慮該因素。粗紗定量變小時，膠圈不能很好地控制須條，成紗條干惡化，應考慮更換膠圈；有些紡紗廠賽絡紡紗也不設置橫動，中途單獨將上膠圈或下膠圈更換成整理過的舊膠圈，此時上、下膠圈原有通道位置痕跡很難上下對應，通道位置變多。須條隨機進入某一通道，兩根須條間距變寬，加捻三角區(qū)變大，斷頭的幾率或單根須條紡紗的幾率增加。此種情況應不使用痕跡較深的舊膠圈或摒棄上、下膠圈新舊搭配原則。

3.4 下膠圈機構的誤區(qū)

膠圈張力下緊上松是普遍共識。就下膠圈張力F0而言，F(xiàn)0既是驅動力形成因素正壓力的合力之一，又是形成下膠圈運行阻力的因素。搖架壓力是形成正壓力的主要因素。F0對驅動力的貢獻不大。F0卻是形成下膠圈運行阻力的主要原因。下膠圈限定左右位置，短膠圈通常依靠下銷非工作面凹槽，長膠圈限位裝置設置在張力架上。下膠圈特別是短膠圈張力較小時容易跑出凹槽，左右竄動。下膠圈張力設定滿足下膠圈左右位置限定即可，下膠圈張力過大，反而會引起下膠圈回轉不穩(wěn)。

下銷工作面曲面設計應盡量向驅動力位置靠攏，即向后靠近中下羅拉設置，若遠離驅動力位置，阻力效果就會顯現(xiàn)。例如，下銷曲面設置靠前（在老機型的粗紗機上常見）或者下銷前后位置反裝，膠圈運行不穩(wěn)，上膠圈工作面會向上拱起，下膠圈工作面會出現(xiàn)波狀起伏。若遇喂入須條短片段性較粗、緊捻或長片段捻系數(shù)較大，且下膠圈運行阻力和須條加載在膠圈上阻力的合力大于膠圈驅動力時，過松的下膠圈松邊會越過膠圈后鉗口在中下羅拉上拱起。

4 膠圈控制機構的擴展應用

4.1 羅拉在傳動距離及荷載上的局限性

粗紗機、細紗機的牽伸羅拉導柱一端為螺桿，導孔一端為螺孔，多節(jié)羅拉通過螺紋連接在一起組成一列羅拉。羅拉的螺紋為回轉自動旋緊設計，但該設計只有在車頭傳動扭矩和有效阻力扭矩共同作用于羅拉接口時才有效。兩列羅拉之間的速度差是牽伸的前提?？焖倭_拉通過須條傳遞給慢速羅拉的快轉扭矩與拆卸羅拉的扭距等效。當快轉扭矩大于羅拉所需拆卸扭距時，羅拉接口就會有被打開的趨勢，羅拉接口在打開的瞬間有一個軸向位移的趨勢，羅拉要產(chǎn)生軸向位移則必須突破與其配合膠輥間的最大靜摩擦力。羅拉與膠輥間的軸向摩擦是滑動摩擦，羅拉工作面的斜齒設計與膠輥的“亞嚙合”，則使得這個滑動摩擦力非常大。這個摩擦力通過接口的螺紋轉變成阻力扭矩，和其他阻力扭矩一起作用于羅拉，當阻力扭矩大于快轉扭矩時，阻止羅拉軸向位移，轉動停止。之后車頭傳動扭矩和阻力扭矩會將羅拉接口再次扭緊，羅拉繼續(xù)正常轉動。上述過程反復，就會出現(xiàn)羅拉打頓問題［4］。羅拉打頓高發(fā)于粗紗機、細紗機的后、中羅拉。羅拉打頓是羅拉在傳動距離和荷載上具有局限性的表現(xiàn)之一。無論是常規(guī)牽伸工藝還是高效牽伸工藝，細紗后區(qū)牽伸倍數(shù)設計較小，也是規(guī)避局限性的表現(xiàn)。

4.2 用膠圈機構升級細紗后區(qū)簡單的羅拉牽伸

4.2.1 可以有效規(guī)避羅拉自身的局限性

為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量，細紗長車、賽絡紡等方式被廣泛應用。這就加大了羅拉的荷載，傳動距離也變得更長。細紗后區(qū)牽伸倍數(shù)被迫調(diào)整的更小。這不僅影響細紗后區(qū)的勻伸功能［5］，也直接影響細紗機的整體牽伸效率。

在細紗后區(qū)增加固定摩擦力界可以有效阻滯快轉扭矩，但通過增加壓力棒的方式［6?7］，具有很大的局限性。首先，在壓力棒上形成摩擦力有兩個因素，一是須條在后區(qū)的張力施加在壓力棒上轉變成摩擦力的正壓力，這個力很微弱；二是壓力棒表面光滑，摩擦因數(shù)較小，這就使得這個摩擦力界較弱，難以有效減弱須條傳遞給羅拉的快轉扭矩。其次，勻伸發(fā)生的主體是有捻度的粗紗，細節(jié)部分捻度集中，難以牽伸，粗節(jié)部分捻度較小，易于牽伸。勻伸需要一定的空間，而壓力棒的設置使中、后羅拉間的空間被分割成2個~3個部分?？拷辛_拉鉗口區(qū)的須條易被牽伸，近后羅拉鉗口區(qū)的須條難被牽伸，這就使得粗紗在后區(qū)難以通過勻伸作用被勻整；另外，須條與壓力棒之間的摩擦是滑動摩擦，屬于有害摩擦。

在后羅拉位置設置雙膠圈機構，可以有效減少通過須條傳遞到后羅拉上的快轉扭矩。雙膠圈機構膠圈與銷體之間的摩擦環(huán)境閉合且壓力穩(wěn)定可靠。須條與膠圈之間的摩擦主體上屬于靜摩擦，基本不會因此產(chǎn)生新的雜亂短絨和棉結。對于雙牽伸區(qū)而言［8?9］，前區(qū)仍然是主牽伸區(qū)，后區(qū)承擔的牽伸倍數(shù)較前區(qū)小得多。后區(qū)牽伸倍數(shù)增加不多，纖維從有捻度須條內(nèi)散逸的可能性較小，沒有必要使用長短膠圈機構?？朔罅_拉荷載局限與勻伸功能應統(tǒng)籌規(guī)劃，雙短膠圈機構就能滿足應用，這也是考慮到給粗紗在細紗后區(qū)留足勻伸空間。

4.2.2 可以提高紡紗效率

這里所說的提高紡紗效率，主要是通過提升牽伸效率實現(xiàn)。所有提高牽伸效率的途徑，其實質都是使牽伸力增加幅度大于移距偏差增加幅度，以確保提高牽伸倍數(shù)的同時，成紗條干不惡化。涵蓋牽伸力均值增大的同時，波動幅度和頻率減小的牽伸力增強才具有實用意義［10］。紡制長度較長、整齊度較好的化學纖維，提升其牽伸力較為容易實現(xiàn)。

紡制棉纖維，在細紗工序仍需較多增強牽伸力的措施。一方面可以應用四膠圈機構，通過較大的牽伸倍數(shù)來紡制超細號紗線。目前，環(huán)錠紡是紡制超細號紗線的主要方法，但傳統(tǒng)牽伸方式為三羅拉雙膠圈兩區(qū)牽伸，不適合直接紡制超細號紗線。為了適應超細號紗線的紡制，先后出現(xiàn)了三羅拉四膠圈兩區(qū)超大牽伸、四羅拉四膠圈三區(qū)超大牽伸等，總牽伸可達200多倍。如張洪等［11］在紡制JC 2.9 tex單紗時采用了四羅拉四膠圈三區(qū)牽伸的方式，總牽伸達180倍，其成紗質量相對于三羅拉雙膠圈兩區(qū)牽伸的方式有較大提高。采用多組羅拉膠圈多區(qū)牽伸的方式能夠加強對紗線條干的控制，提高成紗質量。另一方面，應該加強細紗三羅拉四膠圈兩區(qū)牽伸紡紗形式的研究，以期形成改造現(xiàn)有三羅拉細紗機的成熟方案，使其適應大定量粗紗紡制常規(guī)號數(shù)紗線。目前的大定量工藝，由于羅拉在荷載上存在局限性，后區(qū)牽伸應有的效率和作用未能充分表現(xiàn)，且工藝適應性較差。大定量工藝多適用于整齊度好、適紡性能好的化學纖維，如粘膠纖維，且對配棉、梳理及半制品條干要求嚴格，以達到粗紗在牽伸時牽伸力均值較大，波動較小的目的。由于棉纖維長度較短，整齊度差，紡制超細號純棉單紗時，會選用細特長絨棉做原材料，且經(jīng)過精梳或二次精梳工序，去除短絨，長絨更伸展，使棉纖維更加適紡。不同于超細號純棉單紗的紡制，中粗號純棉單紗紡制配棉等級較低，梳理等準備工作流程較短。由于粗紗內(nèi)在品質較差，現(xiàn)階段適用于棉纖維的大定量工藝定量增加有限。細紗三羅拉四膠圈的升級拓展了細紗后區(qū)的牽伸效率，并且使須條進入前區(qū)前得以勻整。這種方案可以成為牽伸大定量工藝適應性增強的突破口。

5 結語

紡紗廠提升產(chǎn)品競爭力的大部分工作都圍繞提升質量和效率展開。膠圈控制機構應用的優(yōu)化和拓展可以直接提升紡紗質量和效率。這就要求我們理解膠圈控制機構的設計初衷，了解膠圈控制機構的演化過程，明晰膠圈控制機構的力學原理，明確紡紗質量和效率提升遇到的局限和瓶頸。加強對膠圈控制機構的探討和研究，是一項重要且必要的工作。