20世纪初开始出现胶圈控制方法，发展到目前为长短双胶圈控制机构，用了近1个世纪的时间［1］。胶圈控制机构的缺陷有些是固有的，有些是认识错误导致的。胶圈控制机构是提升纺纱效率的必然要求。深入探讨和研究胶圈控制机构，可规避误区，有利于控制纺纱质量，且进一步提升纺纱效率。1 胶圈控制机构是牵伸效率发展的必然要求1.1　减小移距偏差对握持距的要求牵伸过程的实质［2］14，是使棉条中的纤维相对位置产生变化，各根纤维分布到较长的长度上去。如果各根纤维都在同一界面变速，且牵伸前棉条的条干是均匀的，则牵伸后的条干也应该是均匀的。事实上，经牵伸后输出棉条的条干较喂入棉条的条干恶化了。这种现象可以用实际牵伸中纤维的头端不在同一界面变速来解释。牵伸过程中，当纤维变速位置越分散，牵伸倍数越大时，则移距偏差值越大，输出条干越不均匀。因此，使纤维变速位置尽可能向前钳口集中，这是改善条干的重要条件。对于减小移距偏差而言，为保障牵伸效率，牵伸倍数会保持在一个较高水平，而减小变速界面间的距离（x），必然减小握持距。1.2　简单罗拉牵伸在握持距上的局限性对于简单的罗拉牵伸，如果我们怱略不计握持弧，并且不考虑上罗拉冲量，那么握持距等于两列下罗拉半径之和加罗拉表面隔距，两列下罗拉半径之和对于握持距来说已经是个较大数值，在粗纱或细纱工序一般不小于25 mm。罗拉依靠齿轮传动，罗拉转动需要轴承等机件对其固定托持，这些都需要空间，因此较大的罗拉表面隔距是必需的。粗纱机和细纱机的主牵伸区牵伸效率都很高，而且都需要较小的x值来减小移距偏差。简单罗拉牵伸机构不能提供较小的握持距，这是简单罗拉牵伸在握持距上的局限所在。1.3　胶圈控制机构突破了简单罗拉牵伸在握持距上的局限胶圈控制机构中的固定托持元件主体均在两列罗拉间布设，占用罗拉表面隔距所在的空间。上、下胶圈在对应销体前缘的包围角较小，两个包围角之和依然是锐角。前钳口通常在上、下罗拉的切点上，两段相切的圆孤在双胶圈控制机构方向上是开放的。故双胶圈控制机构构成的钳口可以最大程度抵近前钳口，细纱前区浮游区可以收小到12 mm甚至更小［2］119。这就突破了简单罗拉牵伸在握持距上的局限。2 胶圈受力分析及胶圈控制机构设计初衷胶圈未工作时的受力分析［3］ 见图1，其工作状态的受力分析见图2。.F001图1胶圈未工作状态1—下销；2—上销；3—上罗拉；4—上胶圈；5—下胶圈；6—下罗拉.F002图2胶圈工作状态如图1所示，胶圈不工作时，以适当的张紧力Ｆ0分别套在上、下销和罗拉上。如图2所示，当胶圈开始工作时，由于胶圈和罗拉接触面上摩擦力的作用，胶圈获得驱动力，胶圈绕入罗拉的一边被进一步拉紧，拉力由F0增大到F1，受力的一边称为紧边；另一边则被放松，拉力由F0降到F2，放松的一边称为松边。设定胶圈做匀速运动，驱动胶圈运动的作用力以F驱表示，即F驱=F1-F2 （1）胶圈的摩擦阻力与驱动胶圈运动的力是一对平衡力，故F摩 =F驱 （2）设胶圈的总长度不变（近似的），则紧边的拉力增量应等于松边拉力的减少量（F0－F2），由力平衡关系式（3）可推导出式（4）。2F0=F1+F2F1F2=exp(fθ) （3）F驱=2F0exp fθ-1/expfθ+1 （4）经分析，影响胶圈传动能力以及平稳回转的因素有F0、包角θ1和当量摩擦因数f。胶圈控制机构的设计初衷：采用柔性元件，将牵伸区内的纤维夹持住，按胶圈机构驱动罗拉的线速度向前输送，一直到接近前罗拉钳口纤维头端进入前罗拉钳口。柔性元件对纤维的控制是柔性的，当纤维前端进入前罗拉钳口时，钳口的牵引力使该纤维加速，而胶圈夹持力要足以阻止附近的其他纤维跟随加速。但胶圈机构在原理上就有缺陷。首先两个胶圈夹持纤维部分是平行直线，仅靠张力不可能产生有效的垂直压力；其次，两个胶圈的原动力是下罗拉的摩擦传动，其工作区（夹持纤维）是松边，它们都处于松弛状态。如果不采取措施，胶圈运动状态不平稳，工作面产生的压力也不均匀、不稳定。松边和紧边有悖设计初衷，之所以在客观上形成紧边和松边是力作用的结果。在紧边，驱动力和摩擦阻力方向相背，驱动力起“拉动”作用；在松边，驱动力和摩擦力方向相对，驱动力起“推动”作用。减小紧边张紧程度，有利于减少松边松弛程度。减小松边的松边效应，双胶圈控制机构的作用就能趋于理想，接近设计初衷。为达到这一目的，必须对式（4）中各因素进行优化，减少胶圈在销体及包围角上的摩擦力，弱化紧边和松边的分界。3 胶圈控制机构的优化方向和误区3.1　上胶圈机构的优化上胶圈机构通常包括上销、上销簧、上胶圈、中上罗拉、胶圈钳口隔距块等专件。由于胶圈工作面处于松边，并非上胶圈工作面所有区域都能自然地提供方向向下的力夹携握持须条。上胶圈工作面按照受力不同可以划分为3个部分，第1部分是中上罗拉加压区，由中上罗拉直接提供压力，摩擦力界强且稳定。第2部分位于工作面回转方向中部，这一部分上销中空，销体和上胶圈不直接接触，运行至这一部位的上胶圈没有明确的压力。第3部分位于上销前缘，上销簧变形将向下的力施加给上销，通过上销前缘传递给上胶圈，在这一区域，如果钳口配置恰当，上下销前缘对齐，可以对须条形成良好的夹持。上胶圈机构的优化，主要围绕上胶圈回转平稳展开。与上胶圈关联的摩擦传动顺序是下胶圈→上胶圈→中上罗拉。上胶圈要想回转平稳，上下胶圈之间的摩擦力要充足且稳定。对于上下胶圈这对摩擦副来说，实践证明，硬度差别越小，摩擦力越小。故上下胶圈配置要一软一硬，通常是上软下硬。通过在胶圈外层设置花纹来增加摩擦也是可以的，但花纹设计须系统探讨。中上罗拉是上胶圈的次一级传动件，中上罗拉要提供可靠稳定的压力，且不能影响上胶圈稳定回转，故选配光面铁辊为中上罗拉是合理的。上胶圈与上销前缘摩擦力的大小决定上胶圈工作面的松弛程度。对于金属材质的上销而言，上销前缘两侧应当平齐，避免两侧差别较大导致钳口不平齐造成条干锭差，同时避免张力差异影响上胶圈回转平稳性。由于金属上销易变形、磨损，故碳纤维等非金属材质上销被广泛应用。碳纤维上销前缘应当圆滑以降低摩擦阻力，减小松边效应。当碳纤维上销前缘设置钢针时，效果比较理想。为减小摩擦阻力，上胶圈张力F0需要偏小把握，既通常所说的上胶圈要松。上销在上胶圈紧边区设置有竖起的横挡，用于限定上胶圈左右位置，避免上胶圈在回转过程中横向移动，这也是上胶圈可以较松的前提之一。在上罗拉的相对位置设置中，中上罗拉较中下罗拉后移2 mm左右［2］56，以加大胶圈与中罗拉之间的包围弧，有利于上胶圈回转，减少因上下胶圈之间速度差而引起的须条分层现象。3.2　上胶圈机构的误区一些不当措施会导致上胶圈回转不稳。大背弧上销在上胶圈紧边位置设置较大的摩擦区域，会导致紧边更紧，松边更松，在此位置加装张力调节装置也会产生同等效应；上胶圈机构整体前冲可以减小浮游区，从而改善成纱条干，但此项措施不利于上胶圈稳定回转。确需上胶圈机构前冲的，可以考虑加长上销，保障中上罗拉位置相对后移而上销前缘较下销突出；中上罗拉在胶圈机构中传动顺序最靠后，设置滚花纹或用其他措施增加摩擦因数不利于上胶圈回转稳定性；上销弹簧选配应当考虑弹簧的起始压力、工作中的应变增量以及弹簧的起始应变和抗弯刚度等因素［2］121。上销弹簧提供的下压力矩根据所纺纤维品质长度以及喂入半制品须条定量而定。适度增加下压力距有利于增强对纤维的控制，从而改善成纱条干。但下压力矩过大，弹簧在工作中的应变过小，会导致钳口压力过大而出“硬头”。3.3　下胶圈机构的优化胶圈机构通常成双出现。上下胶圈均短的双胶圈机构称双短胶圈机构，下胶圈较长的称长短胶圈机构。双短下胶圈机构包括下胶圈、下销棒和中下罗拉，长短胶圈机构中的下胶圈机构增加了张力调节装置。清洁任务较重的工序如粗纱工序通常使用双短胶圈机构，这是因为双短胶圈机构配置清洁装置比较容易。长短胶圈机构克服了双短胶圈机构各种累计误差的负面影响，且中凹现象有所改善，但在清洁装置的设计上比较困难。为减小下胶圈的松边效应，下销工作面设置有向上拱起的曲面，配合下胶圈更好地托持须条。在胶圈机构传动顺序中，中下罗拉是传动顺序最靠前的主动件，中下罗拉工作面的菱形滚花纹设计可以避免下胶圈打滑。下胶圈的内花纹设计可以进一步提高下胶圈和中下罗拉运行的同步性，但内花纹下胶圈使用寿命通常较短。胶圈厚度的选择需要考虑以下几个因素。一是胶圈机构的曲率，上胶圈机构前缘曲率大于下胶圈机构前缘曲率，曲率越大，胶圈选配就应该越薄；二是对胶圈抗拉伸的要求，下胶圈机构张力设置一般较大，故胶圈选型应当上薄下厚；三是纤维的品质长度越小，选配胶圈应该越薄；四是喂入须条的定量越小，选配胶圈应该越薄。上、下胶圈新旧搭配使用主要是为了避免牵伸力大幅度波动。新胶圈弹性好，纺纱通道无不可恢复的形变，对须条控制能力较强。全新上、下胶圈同时使用可能导致出“硬头”。当全新胶圈不可回避时（如新建纺纱厂），工艺应适当调整。有些品种不设置横动，胶圈纺纱通道在固定位置产生不可恢复的形变，上下对应且闭合。翻改品种需要改变粗纱定量时需要考虑该因素。粗纱定量变小时，胶圈不能很好地控制须条，成纱条干恶化，应考虑更换胶圈；有些纺纱厂赛络纺纱也不设置横动，中途单独将上胶圈或下胶圈更换成整理过的旧胶圈，此时上、下胶圈原有通道位置痕迹很难上下对应，通道位置变多。须条随机进入某一通道，两根须条间距变宽，加捻三角区变大，断头的几率或单根须条纺纱的几率增加。此种情况应不使用痕迹较深的旧胶圈或摒弃上、下胶圈新旧搭配原则。3.4　下胶圈机构的误区胶圈张力下紧上松是普遍共识。就下胶圈张力F0而言，F0既是驱动力形成因素正压力的合力之一，又是形成下胶圈运行阻力的因素。摇架压力是形成正压力的主要因素。F0对驱动力的贡献不大。F0却是形成下胶圈运行阻力的主要原因。下胶圈限定左右位置，短胶圈通常依靠下销非工作面凹槽，长胶圈限位装置设置在张力架上。下胶圈特别是短胶圈张力较小时容易跑出凹槽，左右窜动。下胶圈张力设定满足下胶圈左右位置限定即可，下胶圈张力过大，反而会引起下胶圈回转不稳。下销工作面曲面设计应尽量向驱动力位置靠拢，即向后靠近中下罗拉设置，若远离驱动力位置，阻力效果就会显现。例如，下销曲面设置靠前（在老机型的粗纱机上常见）或者下销前后位置反装，胶圈运行不稳，上胶圈工作面会向上拱起，下胶圈工作面会出现波状起伏。若遇喂入须条短片段性较粗、紧捻或长片段捻系数较大，且下胶圈运行阻力和须条加载在胶圈上阻力的合力大于胶圈驱动力时，过松的下胶圈松边会越过胶圈后钳口在中下罗拉上拱起。4 胶圈控制机构的扩展应用4.1　罗拉在传动距离及荷载上的局限性粗纱机、细纱机的牵伸罗拉导柱一端为螺杆，导孔一端为螺孔，多节罗拉通过螺纹连接在一起组成一列罗拉。罗拉的螺纹为回转自动旋紧设计，但该设计只有在车头传动扭矩和有效阻力扭矩共同作用于罗拉接口时才有效。两列罗拉之间的速度差是牵伸的前提。快速罗拉通过须条传递给慢速罗拉的快转扭矩与拆卸罗拉的扭距等效。当快转扭矩大于罗拉所需拆卸扭距时，罗拉接口就会有被打开的趋势，罗拉接口在打开的瞬间有一个轴向位移的趋势，罗拉要产生轴向位移则必须突破与其配合胶辊间的最大静摩擦力。罗拉与胶辊间的轴向摩擦是滑动摩擦，罗拉工作面的斜齿设计与胶辊的“亚啮合”，则使得这个滑动摩擦力非常大。这个摩擦力通过接口的螺纹转变成阻力扭矩，和其他阻力扭矩一起作用于罗拉，当阻力扭矩大于快转扭矩时，阻止罗拉轴向位移，转动停止。之后车头传动扭矩和阻力扭矩会将罗拉接口再次扭紧，罗拉继续正常转动。上述过程反复，就会出现罗拉打顿问题［4］。罗拉打顿高发于粗纱机、细纱机的后、中罗拉。罗拉打顿是罗拉在传动距离和荷载上具有局限性的表现之一。无论是常规牵伸工艺还是高效牵伸工艺，细纱后区牵伸倍数设计较小，也是规避局限性的表现。4.2　用胶圈机构升级细纱后区简单的罗拉牵伸4.2.1　可以有效规避罗拉自身的局限性为提高生产效率和产品质量，细纱长车、赛络纺等方式被广泛应用。这就加大了罗拉的荷载，传动距离也变得更长。细纱后区牵伸倍数被迫调整的更小。这不仅影响细纱后区的匀伸功能［5］，也直接影响细纱机的整体牵伸效率。在细纱后区增加固定摩擦力界可以有效阻滞快转扭矩，但通过增加压力棒的方式［6⁃7］，具有很大的局限性。首先，在压力棒上形成摩擦力有两个因素，一是须条在后区的张力施加在压力棒上转变成摩擦力的正压力，这个力很微弱；二是压力棒表面光滑，摩擦因数较小，这就使得这个摩擦力界较弱，难以有效减弱须条传递给罗拉的快转扭矩。其次，匀伸发生的主体是有捻度的粗纱，细节部分捻度集中，难以牵伸，粗节部分捻度较小，易于牵伸。匀伸需要一定的空间，而压力棒的设置使中、后罗拉间的空间被分割成2个~3个部分。靠近中罗拉钳口区的须条易被牵伸，近后罗拉钳口区的须条难被牵伸，这就使得粗纱在后区难以通过匀伸作用被匀整；另外，须条与压力棒之间的摩擦是滑动摩擦，属于有害摩擦。在后罗拉位置设置双胶圈机构，可以有效减少通过须条传递到后罗拉上的快转扭矩。双胶圈机构胶圈与销体之间的摩擦环境闭合且压力稳定可靠。须条与胶圈之间的摩擦主体上属于静摩擦，基本不会因此产生新的杂乱短绒和棉结。对于双牵伸区而言［8⁃9］，前区仍然是主牵伸区，后区承担的牵伸倍数较前区小得多。后区牵伸倍数增加不多，纤维从有捻度须条内散逸的可能性较小，没有必要使用长短胶圈机构。克服后罗拉荷载局限与匀伸功能应统筹规划，双短胶圈机构就能满足应用，这也是考虑到给粗纱在细纱后区留足匀伸空间。4.2.2　可以提高纺纱效率这里所说的提高纺纱效率，主要是通过提升牵伸效率实现。所有提高牵伸效率的途径，其实质都是使牵伸力增加幅度大于移距偏差增加幅度，以确保提高牵伸倍数的同时，成纱条干不恶化。涵盖牵伸力均值增大的同时，波动幅度和频率减小的牵伸力增强才具有实用意义［10］。纺制长度较长、整齐度较好的化学纤维，提升其牵伸力较为容易实现。纺制棉纤维，在细纱工序仍需较多增强牵伸力的措施。一方面可以应用四胶圈机构，通过较大的牵伸倍数来纺制超细号纱线。目前，环锭纺是纺制超细号纱线的主要方法，但传统牵伸方式为三罗拉双胶圈两区牵伸，不适合直接纺制超细号纱线。为了适应超细号纱线的纺制，先后出现了三罗拉四胶圈两区超大牵伸、四罗拉四胶圈三区超大牵伸等，总牵伸可达200多倍。如张洪等［11］在纺制JC 2.9 tex单纱时采用了四罗拉四胶圈三区牵伸的方式，总牵伸达180倍，其成纱质量相对于三罗拉双胶圈两区牵伸的方式有较大提高。采用多组罗拉胶圈多区牵伸的方式能够加强对纱线条干的控制，提高成纱质量。另一方面，应该加强细纱三罗拉四胶圈两区牵伸纺纱形式的研究，以期形成改造现有三罗拉细纱机的成熟方案，使其适应大定量粗纱纺制常规号数纱线。目前的大定量工艺，由于罗拉在荷载上存在局限性，后区牵伸应有的效率和作用未能充分表现，且工艺适应性较差。大定量工艺多适用于整齐度好、适纺性能好的化学纤维，如粘胶纤维，且对配棉、梳理及半制品条干要求严格，以达到粗纱在牵伸时牵伸力均值较大，波动较小的目的。由于棉纤维长度较短，整齐度差，纺制超细号纯棉单纱时，会选用细特长绒棉做原材料，且经过精梳或二次精梳工序，去除短绒，长绒更伸展，使棉纤维更加适纺。不同于超细号纯棉单纱的纺制，中粗号纯棉单纱纺制配棉等级较低，梳理等准备工作流程较短。由于粗纱内在品质较差，现阶段适用于棉纤维的大定量工艺定量增加有限。细纱三罗拉四胶圈的升级拓展了细纱后区的牵伸效率，并且使须条进入前区前得以匀整。这种方案可以成为牵伸大定量工艺适应性增强的突破口。5 结语纺纱厂提升产品竞争力的大部分工作都围绕提升质量和效率展开。胶圈控制机构应用的优化和拓展可以直接提升纺纱质量和效率。这就要求我们理解胶圈控制机构的设计初衷，了解胶圈控制机构的演化过程，明晰胶圈控制机构的力学原理，明确纺纱质量和效率提升遇到的局限和瓶颈。加强对胶圈控制机构的探讨和研究，是一项重要且必要的工作。