K44型细纱机（滚筒式前罗拉集聚纺）使用若干年后，随着滚筒式前罗拉表面磨损、电子元器件老化、用户纺纱品种变化等原因，经常发生各种故障；由于设备配件采购供应周期较长，维修难度较大，难以满足正常生产需求。我们通过对原电气系统改造，将滚筒式前罗拉集聚纺改为国产四罗拉集聚纺，取得了较好的效果。现将改造方案的设计思路和改造后的设备使用效果做以介绍。1 改造背景1.1　细纱机的结构特点K44型细纱机是国际上较为优秀的细纱长车产品之一，同时也是较早使用电子牵伸的细纱主机，配有可靠的集体落纱装置，整机自动化程度高，工艺操作简单。该设备整体运行稳定，优点明显，尤其是负压式集聚纺装置，吸风滚筒式前罗拉的结构设计巧妙，内部镶嵌可更换的吸风槽插件，方便品种切换。滚筒上方的有导流盖板，优化了集聚气流方向，气流从须条两侧进入集聚槽。侧向气流确保了所有纤维可靠集聚，从而形成强力高、毛羽少的纱线，不但保证了纱线品质，还有效地降低了能耗，提高了集聚效率［1］。滚筒式前罗拉维护保养操作简单方便，没有常规集聚纺易损件网格圈，使用成本低。牵伸胶辊和输出胶辊同时压在吸风滚筒式前罗拉上，线速度不发生变化，有效地保证了集聚过程无意外牵伸，满足了集聚纺集聚不牵伸的设计理念。牵伸系统主要参数。三列罗拉直径配置：吸风滚筒式前罗拉直径59 mm，中罗拉直径27 mm，后罗拉直径27 mm；四列胶辊直径配置：输出胶辊直径30 mm，牵伸前胶辊直径30 mm，中铁辊直径27 mm，后胶辊直径30 mm；各罗拉之间尺寸设计：输出胶辊和牵伸前胶辊中心距46 mm~46.5 mm，牵伸前胶辊后冲0.5 mm，前胶辊和中铁辊中心距54 mm，后胶辊后冲量3.5 mm，中铁辊后冲4 mm，滚筒式前罗拉和中罗拉中心距50.5 mm。加压臂配置：P3⁃1气动加压摇架，长短胶圈结构，上下胶圈规格（直径×宽度×厚度）有43.5 mm×30 mm×1.0 mm、72.5 mm×30 mm×1.1 mm。1.2　使用过程中发现的异常情况国内引进滚筒式前罗拉细纱机的时间比较早，以生产中细特纱为代表的一些国内知名纺织企业率先使用，纺纱品种以精梳纯棉为主。近几年，随着纺纱品种的快速多元化发展和原料成本管理需求，以及纺纱技术日臻完善，要求集聚纺适纺范围不断扩大，棉、毛、麻、纤维素纤维、化纤等原料纯纺、混纺品种与日俱增，纺纱号数从4.92 tex到73.8 tex。随着滚筒式前罗拉细纱机的使用时间增加，运行过程中出现了以下异常情况。一是由于纺纱品种的发展变化，一些细绒棉含量高的产品，由于原料中含有油渍、粉尘，出现了滚筒式前罗拉微孔堵塞现象，造成纱线指标不稳定，微孔内杂物难以清理。二是随着使用时间的增加，滚筒式前罗拉表面出现磨损现象，纱线指标恶化。如果采用表面修复方法维修，成本高，维修质量不稳定。如果更换新滚筒式前罗拉，配件采购周期长，更换成本高。三是由于原设备主要电子元器件，比如变频器采用专用变频器，损坏或老化后无法用市面上通用电子元器件更换，加上软件版本更新快，同样存在电子元器件维修成本高的问题。1.3　国产集聚纺的发展特点国产集聚纺主要采用负压式集聚纺装置，按照装置结构形式分为三罗拉集聚纺装置和四罗拉集聚纺装置两种。三罗拉集聚纺装置是在前罗拉前端增加负压异形管，其上网格圈传动是通过网格圈和输出胶辊的摩擦力被动传动。输出胶辊和前胶辊安装在一个胶辊盒上，胶辊轴承上定制有齿轮，输出胶辊动力源由前胶辊轴承经固定在胶辊盒上的塑料过桥齿轮传递，如图1所示。四罗拉集聚纺同样是在前罗拉下端增加负压异形管装置，与三罗拉集聚纺装置不同的是四罗拉集聚纺装置在负压异形管须条输出端增加了一列集聚罗拉。集聚纺集聚罗拉也就是须条输出罗拉，该罗拉为带齿罗拉，通过过桥齿轮，由带齿前罗拉传动。四罗拉集聚纺网格圈传动由集聚纺集聚罗拉和输出胶辊钳口握持积极传动，如图2所示。三罗拉集聚纺装置源自德国绪森公司，在国内应用较早。随着四罗拉集聚纺装置的国产化发展，国内市场基本以四罗拉集聚纺装置为主。.F001图1三罗拉集聚纺装置.F002图2四罗拉集聚纺装置近20年来，国产集聚纺得到快速发展主要表现在以下四方面。一是国产集聚纺市场总容量快速增长，目前国内市场集聚纺使用总量已接近5 000万锭。二是集聚纺技术快速迭代，产品成熟性、稳定性快速发展。三是集聚纺改造投资成本快速下降。四是易损件，如网格圈质量和适用性都快速提升，且网格圈市场销售价格快速下降。随着新型国产集聚纺细纱机揩车周期延长，使用维护成本快速下降，国产集聚纺装置总体呈现出上述“四快两降”的发展特点。1.4　改造为国产化集聚纺的技术难点滚筒式前罗拉细纱机自动化程度较高，后期维护成本不断上升，亟需利用适用性更广的国产集聚纺装置改造，以降低后续维护成本，提升设备适纺性能，但存在以下难点。难点一：原设备高度自动化，控制系统高度集成化，电气控制系统国产化改造时能否突破技术难关，嵌入原系统。难点二：原滚筒式前罗拉直径为59 mm，更换为常规直径27 mm的前罗拉，前罗拉表面线速度差异大，罗拉中心位置高度不一致，能否将三列下罗拉做到同一牵伸平面上。难点三：原设备牵伸角度不同于常规细纱设备，改造后加捻效果如何，是否影响车速。2 国产集聚纺改造方案分析2.1　电气系统改造方案原机电气系统优点。原细纱机电气控制系统的关键在于通过电气控制系统与机械结构及传动系统、传感系统、气动系统的完美结合，实现了由电气控制系统控制变频器驱动的钢领板成形系统、锭子传动系统，电气控制系统分别控制车头左右面、车尾左右面四个区域的牵伸罗拉传动系统，四区域同步传动。对速度要求有较高的响应性和稳定性。同时，电机对外部负载的正常变化要求有快速而有效的闭环动态调控能力。电气系统改造原则。电机、气缸、传感器等执行元件和监测元件保留原车配置，控制元件PLC、变频器改为通用产品，以便后续维护保养。工艺吸风电机、集聚纺吸风电机要用变频器控制，通过变频器操作面板和主机触摸屏均可调控。电气系统改造后的要求。车头左右面、车尾左右面四个前罗拉电机不同步范围不大于0.5%；罗拉驱动电机与锭子传动电机正常运行速度偏差不大于1%；罗拉驱动电机与锭子传动电机紧急停车速度偏差不大于2.5%；钢领板位置异常时紧急停车，工艺吸风运行异常时罗拉电机停车；主电机、牵伸电机、钢领板电机、风机电机过载时过载保护；集聚纺负压低于设定压力时延时15 s后紧急停车；摇架气压低于设定值时紧急停车；停车时间超过设定时间时摇架自动释压；主机启动时，监测摇架压力并自动加压；主机启动时，监测工艺负压、集聚纺负压，达到设定值后启动；集体落纱工艺参数调整通过触摸屏更改落纱工艺；落纱时气压异常停止落纱，空管不到位时故障提示；满管不到位时，等待到位再启动落纱；落纱时，巡回清洁机停车位置满管信号发出后，巡回清洁机回车尾位置并停车；落纱启动，巡回清洁机停车后启动；工艺室远程监控工艺参数及设备运行状态（锭速、前罗拉转速、牵伸倍数等）。2.2　牵伸系统改造方案2.2.1　前罗拉直径及罗拉座的改造方案将原直径59 mm滚筒式前罗拉改为常规直径27 mm罗拉，中、后罗拉位置不变，前罗拉中心垂直滑座方向面抬高15 mm，平行滑座面方向移动8.5 mm，也就是垂直方向抬高17.24 mm，水平方向前移0.14 mm。由于罗拉座前罗拉位置的变化，改造时罗拉座需要重新设计，调整前罗拉位置，增加集聚纺负压管安装槽、集聚纺传动过桥齿轮孔等。2.2.2　牵伸传动齿轮箱的改造方案前罗拉由原直径59 mm变为27 mm后，输出线速度要维持原滚筒式前罗拉表面线速度，因此要增加前罗拉转速，原前罗拉驱动传动比要重新调整，前罗拉转速增加2.185倍。原设备前罗拉传动采用三级传动，第一级同步带轮减速，第二、第三级采用齿轮减速，中后罗拉采用原设备减速箱，总传动比35.54，改造后传动比要调整为18，确保输出线速度不变。2.2.3　牵伸加压摇架的改造方案原设备摇架为P3⁃1整体气囊杠杆式气动摇架，采用上、下摇架座连接抱住空心六角管座，以上摇架体为基准固定。三点加压，压力分配合理。原设备输出胶辊通过单独增加的固定在摇架架体上的加压装置加压，不改变和影响原摇架结构和压力分配。改为国产四罗拉集聚纺后，由于原增加的加压装置加压点位置变化，需要重新设计加压装置或调换摇架压力分配器，给输出上罗拉加压。本改造实践中，采用附加单独弹簧加压装置给输出胶辊加压。2.3　集聚纺改造方案原主机的下罗拉为8锭/节，为了便于安装和操作维护，集聚纺负压管采用8锭/节。负压管采用最新的双扭簧结构，运行稳定可靠。重新优化负压管吸风槽形状，能耗比传统吸风槽下降15%左右，节能效果好。原设备工艺吸风和集聚纺吸风共用风道，改国产集聚纺后，工艺吸风和集聚纺吸风要求不同。工艺吸风负压要求负压低流量大，集聚纺吸风要求负压高流量小。因此增加集聚纺负压系统，原风道只做工艺吸风用。集聚纺负压异形管吸风槽优化设计。网格圈负压式集聚纺装置一般负压异形管上吸风槽有直线形、折线形、圆弧形、斗形等，集聚钳口处存在纱线运动方向突变［2］。利用须条输送过程中负压气流场给须条施加与须条运动方向一定角度的力，让须条在运动过程中有一定的旋转，这样露在须条外的自由纤维被缠绕在须条外，纱线表面更加光洁，但须条速度不能突变造成集聚张力波动。因此，选择圆弧形和直线形组合的吸风槽，经试验表明集聚效果较好。吸风槽宽度一般设计在0.8 mm~2.0 mm，偏窄槽口易积花，偏宽气流消耗大，能耗高，根据用户纺纱品种合理设计槽口宽度即可，细号纯棉品种优选1.0 mm~1.1 mm。为了降低用户品种切换造成的重复采购，采用可拆卸集聚纺吸风工艺片结构设计，既满足了集聚纺品种切换精细化管理需求，同时又能预防负压吸风异形管表面陶瓷层磨损。2.4　其他位置改造导纱扁铁横动改造。横动装置是环锭纺细纱机上粗纱喂入部件之一，该部件的作用是让粗纱在一定范围内缓慢往复运动，不断变化喂入位置，防止胶辊同一位置磨损产生凹槽，延长胶辊使用寿命。集聚纺导纱动程要偏小掌握，一般要以集聚吸风槽上端开口宽度为参考［3］。集聚纺导纱动程一般控制在2.5 mm~3.5 mm，导纱动程太小胶辊磨损严重，太大纤维束易偏离吸风槽，影响集聚效果。原设备导纱横动装置蜗轮减速箱上安装有凸轮，凸轮带动偏摆装置摆动实现导纱扁铁往复运动。通过更换凸轮，调整其偏心距，减少偏心量，从而达到减少横动往复动程。凸轮基圆半径20 mm，升程15 mm。吸棉支管改造。原断头吸风采用2锭/根支管式结构，使用过程中气流消耗大，易堵塞。改国产集聚纺后改为8锭/节笛管结构，吸棉笛管吸风口设计为椭圆形孔，既可降低工艺吸风能耗，也可减少笛管堵塞现象。原风道上多余的孔用密封塑胶盖板封闭，如图3所示。试纺前将工艺风机频率降低，预防负压过大导致工艺风道变形。图3吸棉支管改吸棉笛管示意图.F3a1（a）改前.F3a2（b）改后细纱导纱杆位置调整。原设备由于牵伸前罗拉中心距大于锭子中心距，导纱角度不同于常规细纱机导纱角。为了确保捻度向上延伸，减少纺纱断头，在输出罗拉和导纱钩之间安装细纱导纱杆，纱线从细纱机输出后以一定角度经过细纱导纱杆，卷绕在细纱筒管上［4］。改造后由于输出钳口位置变化，必须调整细纱导纱杆位置，调整位置要求尽量减少对捻度传递的阻捻作用，预防卷绕张力过大导致的意外断头。集聚纺排风系统改造。增加的集聚纺风机排风量达2 500 m3/h~3 000 m3/h，不但流量大，并且排风粉尘含量高，如果直接排进车间会导致车间环境恶化，细纱纱疵增加。因此，将排风管道接到除尘设备上，经过滤后再送回车间。3 设备改造效果3.1　设备外观通过增加集聚纺负压系统，在原车尾箱体上增加相同宽度的负压风箱、风机箱、电气箱。对牵伸系统前罗拉、罗拉座、集聚纺装置、吸棉笛管等部位进行改造，不破坏主机整体外观。3.2　设备运行状态电气系统改造后整机启动、中途停车、中途落纱、紧急停车、钢领板升降、落纱过程等动作运行正常，工艺设置、集聚纺负压吸风、工艺吸风都可以通过触摸屏简单设置。各传感器、保护装置、警示装置工作正常。远程监控系统运行正常，所有设计达到了预期目标要求。3.3　纺纱质量纺纱品种为JC 7.38 tex纱，采用新疆棉，细绒棉和长绒棉各占一半，原滚筒式前罗拉开车无法正常纺纱，改后捻度137.0捻/10 cm，锭速16 800 r/min，设备运行正常，纱线质量稳定。成纱质量指标：不匀率U值10.80%，条干CVm值13.51%，-50%细节11.8个/km，+50%粗节26.25个/km，+200%棉结40个/km，3 mm毛羽数3.8根/10 m，单纱强力191.7 cN，单纱强力不匀率9.31%。4 结束语我们采用国产四罗拉集聚纺装置对K44型细纱机（滚筒式前罗拉集聚纺）改造后，其适纺范围扩大。原设备无法正常纺JC 7.38 tex纱等细绒棉含量高的品种，改造后设备运转稳定，纱线指标稳定。电气控制系统国产化改造，用通用控制电子元器件替代专用电子元器件，扩展了一些智能化模块，可为后续智能化工厂改造奠定基础。本次改造只进行了JC 7.38 tex纱的试纺，后续将针对其他纱线品种进一步研究。·革新改造·罗拉式分析仪法测试中棉花短纤维率的计算在GB/T 6098—2018《棉纤维长度试验方法罗拉式分析仪法》中，棉花短纤维率指的是棉纤维中短于一定长度界限的短纤维质量（或根数）占纤维总质量（或根数）的百分率。从该标准的试验步骤规定中可看出，分析仪手柄转动指针涡轮刻度数总是比未被握持长度小0.5 mm。8.8条款所说的16刻度实际是16.5 mm以下未被握持。标准方法计算得到的短纤率与其定义不一致。为此，我们在现有公式的分子中减掉长于16 mm的纤维质量后计算短纤维率，并与标准中公式所得短纤维率进行了对比，结果见表1。.T001表1短纤维率测试结果对比试验编号14.5 mm~16.5 mm组质量/mg16 mm组及以下质量/mg实际总质量/mg主体长度/mm现公式计算短纤维率/%修改公式计算短纤维率/%偏差/%A12.4510.9530.0521.9736.4434.402.04A22.6711.5830.3023.1338.2236.012.21A31.928.6929.5525.0729.4127.781.63A42.237.6430.6027.0424.9723.151.82A51.746.2829.8529.0021.0419.581.46A60.752.8230.8531.119.148.530.61注：由于篇幅原因只列出一组即16 mm组，其他数据略从表1看出，随着主体长度降低，两种计算方法得到的短纤维率偏差越大，平均在1.63%左右。解决这个问题有3种办法。（1）2 mm（或1 mm）分组时，可在公式分子中减掉长于16 mm的纤维质量计算短纤维率R。具体见公式（1）。分两组时，只能采取后两种办法。R=(∑j=1imj)-mi2d∑j=1kmj×100%（1）