变频调速技术在细纱机上的应用

变频器作为一项成熟的高新技术在细纱机上的应用日趋加快。现有的国内外细纱机均已配备或可配备变频调速装置，其主要优势在于能够根据一落纱的大、中、小纱张力变化规律实现自动无级变速，优化纺纱条件，以尽可能地保持纺纱各阶段的张力稳定，对进一步降低断头，减少毛羽，实现优质高产，降低能耗和减轻值车工劳动强度都将起到积极作用。此外，变频调速有利于加强纺织厂机电一体化和计算机推广应用，实现在线检测、显示和控制，提高工艺过程的控制精度，保证质量，实现现代企业计算机网络管理。
1 变频调速的调整方式
　　细纱机利用变频器调节锭子速度快慢，无论是进口机型或国产机型通常有两种形式。一种较常见的是定长制方式，即按不同纺纱号数所纺的满纱总长划分为十点，设定长度区间，每个区间根据实际生产中的断头情况来设置相应的锭子速度，达到减少断头的目的。该方式设置较为精细，但在更改品种时则需全部重新设置，工艺调整不简便。另一种则是定位制方式，即根据实际纺纱中钢领板级升在大、中、小纱几个主要位置段设置相应速度来减少断头，从更换品种上讲，调整方便，也较直观。本文介绍的细纱变频装置即为定位制形式。
2 纺纱张力变化特点
　　锭子在恒速运转时，一落纱的断头分布是小纱最多，大纱次之，中纱最少。细纱卷绕高速回转形成气圈，气圈在不同纺纱阶段的波动影响纺纱张力的大小，是造成断头多少的直接因素。弄清一落纱中气圈张力的变化特点对控制纺纱张力平稳变化，减少断头十分关键。
　　（1）纺纱张力与锭子速度的关系：纺纱张力与锭子速度呈抛物线关系，即当锭速增大时，纺纱张力随着增大，且锭子速度愈高，纺纱张力增加幅度更大。
　　（2）一落纱中纺纱张力的变化：在始纺空管时纺纱张力最大，是因为气圈最长而卷绕直径偏小。随着钢领板上升，气圈张力趋小，但在管底成形完成前后出现气圈凸形最大，张力最不稳定，造成钢丝圈运动也不稳定。管底成形完成之后，卷绕直径的变化对纱条张力影响起着主要作用，钢领板位置在上升（小直径处）时纺纱张力大，气圈凸形小。钢领板位置在底部（大直径处）时纺纱张力小，气圈凸形大。中纱阶段是纺纱张力和气圈形状最稳定阶段。大纱满纱前气圈凸形较平直，但高度过小时纺纱张力有急剧回升现象，且失去对张力的调节作用，张力不稳定。纱线卷绕每次作短动程升降，且上升慢，下降快。经用张力仪测定，在钢领板由上转向下的瞬间，张力峰值出现突变，这时气圈形态变化也较大，易引起断头及捻度传递不匀。
3 调速与纺纱张力的匹配
　　根据一落纱中纺纱张力的变化规律，通过调整锭速来对之进行控制。变速位置主要控制三个方面：一是大纱、小纱卷绕小直径时采用较低的锭速；中纱卷绕大直径，张力小，可采用较高的锭速；二是对钢领上升及下降中张力突变部位可进行相应变速；小纱上升时纺纱张力渐小，锭速可适时增快，下降时张力渐大，可减慢锭速；三是空筒管开车生头时，张力波动大，采用适宜接头的低速运行。
　　本系统生头速度选择为工艺速度的84％，如过低反而造成接头困难。管纱成形全过程中降低锭速最好不要超过工艺速度的10％，因锭速过低会影响管纱成形，从而造成退绕不良。如降速幅度较大时，也要适当加重钢丝圈，对平衡全过程纺纱张力、改善成形与减少毛羽均有利。
　　本系统变频调速是通过改变预设频率数值来改变锭子速度。由于频率变化与锭速基本呈线性关系（扣除锭带滑溜率等因素），频率数值增减百分比即视作锭速变化百分比。频率变化基准值为50 Hz。变频装置上有显示窗口及数据输入平台，按不同纺纱段变速要求，依据图1中对应的频率比乘以频率基准值，按顺序（即对应纺纱时间或纺纱位置）输入频率实际值即可。纺纱整个过程每一对应位置的频率及频率变化的速率均可显示，一目了然。大纱、中纱、小纱及钢领板上下位置的转换是通过传感器输入的信号经PLC计算、比较后完成的。

4 变频调速在细纱纺纱过程中的作用
　　4.1 变频调速对纺纱断头的影响
　　细纱断头原因较多，在排除空调、机械、操作及清洁工作不良、筒管不良、粗纱不良等因素后，采用变频调速后细纱断头率可降低30％左右。表1说明，无论与本机台比，还是与相邻机台比断头都降低。对比数据中，小纱断头数尚不明显，其原因是工艺上小纱段降速时间较短，尚未脱离纺纱张力峰值较大的区域，工艺上可进一步调节。
　　4.2 变频调速对成纱毛羽的影响
　　据有关文献报道，广东湛江棉纺厂在纺纱生产中，细纱锭速在小纱时从11 900 r／min增大至13 950 r／min，锭速增加17.22％，毛羽值H由4.10 mm增至4.53 mm，增幅10.50％；中纱锭速增加14.4％，毛羽值H增加17.28％；大纱锭速增加10％，毛羽值H增加17.1％。我厂在同粗纱、同锭条件下也测出毛羽数随锭速呈正比例增加，所得结论与上吻合。
　　细纱机采用变频调速后，纺纱毛羽测试结果见表2。设定小纱、大纱降速10％，中纱增速5％。由表2可知，采用变频装置后，各纱段毛羽都减少，其中小纱毛羽减幅达38.12％。

　　此外，在分组试验中，测试的第三、四、八组中当无变频调速时，大、中、小纱因钢领或钢丝圈因素毛羽数较其他组明显突增，为正常毛羽数的3倍至4倍，而且国产钢领普遍存在着本身表面处理质量离散较大的问题，因此毛羽极差大。然而采用变频调速器后这三组机台小纱段毛羽数均同步下降，说明降速后可明显减缓纺纱张力，缩小锭差。
　　4.3 变频调速与成纱捻度
　　纺纱段纱条捻度在一落纱过程中的变化规律为：(1)卷绕直径相同时，纱条捻度随气圈高度减小而增加，满纱部位的纱条捻度较小纱为多；(2)在钢领板一次动程内，卷绕小直径时的纱条捻度较卷绕大直径时多，且钢领板下降时纱条的捻度比上升时略多。
　　从根本上讲，鉴于环锭纺卷绕成形特点，其存在不同情况，捻度不匀是客观存在的，当然捻度差异相差不会很大。而真正影响捻不匀的因素主要有滚盘、滚筒、锭子状况及锭带盘之间的滑溜差异，锭子与筒管配套不良，筒管本身质量问题造成运行中跳管等情况。
　　变频调速本身是控制锭速的变化，与前罗拉输出是同步的，对捻度的变化也是同步的，但不能纠正因滑溜差异产生的捻不匀。此外，在上述提到的钢领板上升及下降转换瞬间纺纱张力最大，不仅易造成断头，且纺纱段因张力波动大对捻度传递不利。为解决这一矛盾，系统加装了调节钢领板上下转换的缓冲装置，经张力测试仪测定，能较有效地抑制张力峰值，变频后的纺纱张力峰值与无变频时的张力峰值相比减小了60％左右。
　　当然，改善捻度要综合考虑，如纺纱工艺优化，应用新型纺纱器材如高性能橡胶锭带，运用新技术如单锭电机传动等，但变频调速无论从理论上或实践中看均不会恶化捻不匀。
5 用好变频器应注意的事项
　　变频器虽然在纺织设备上应用广泛，但在细纱机上推广应用时间不长，原因主要有：(1)细纱车间要求24h连续生产，必须做到长时间无故障运行；(2)变频器要适应高温高湿，飞花短绒较多的环境(各厂空调状况差异大)；(3)价格因素。
　　通过生产实践，变频器在使用中需注意以下几点：
　　(1)变频器容许的功率与配制的细纱机主机功率要有20％的余地。我厂细纱电机功率为15kW，变频器选用SPF-18.5型。否则，会由于机台间机械传动阻力差异及工艺上压力调整等因素造成变频器负荷过重或过载停车。
　　(2)变频器本身有散热片风道和风扇进行冷却，但在使用中，如直接用于细纱车间会造成风道很快堵塞无法正常工作，甚至会过热停车。较好的解决办法应增加一套简易过滤装置，值车工定时做清洁，非常简便、可靠。
　　(3)细纱车间在高温高湿季节的温度通常在30℃～35℃。该变频器工作允许的环境温度为40℃，能够满足细纱工作环境温度要求。
　　(4)该变频器可根据参数调整报警系统，具有120％、1 min过载能力，可在尚未出现停车前发现问题，并预先处理，对变频器起着可靠的保护作用。
　　(5)细纱锭子速度通常高达15000 r／min左右，变频器变速启动与传统电机启动不同。如启动时间过长或钢领板位置不当，均可能造成开车后断头明显增加，甚至无法开车。通过对变频器模块参数的优选则可达到最少的断头效果。
6 结束语
　　(1)变频调速可在提高产量基础上减少断头，或在保持现有产量情况下较明显减少小纱、大纱的断头。通常，在断头率同等水平上，产量可增加5%。
　　(2)锭子速度调节范围更广，翻改品种快捷方便，无需更换皮带盘。
　　(3)对某些纺纱有一定难度的品种如强捻纱、包芯纱、麻棉纱及高档精梳产品，通过变速选择生产过程最佳点，可最大程度提高单产，减少断头。
　　(4)采用变频器控制主电机可最大潜力挖掘电机的无功功率，充分利用和提高功率因数，从而达到节电的目的。
　　(5)细纱断头的减少为值车工扩大看台、减少万锭用工、节约生产成本提供了可能。
　　(6)通过变频降速对减少小线毛羽效果较好，有利于减小大、中、小纱毛羽值的极差，具有潜在的商业价值。
　　(7)变频器与机上PLC及计算机局域网可连为一体，监视在线生产及质量情况。
　　(8)变频调速装置仅仅给企业提供一个纺纱优化的平台，工厂必须结合自身产品、设备、原料、工艺等特点进行合理配置，才能发挥最佳功能。
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