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現代噴氣織機自動化特性及在高端品種上的應用(上)
發布時間：2011-08-12
現代噴氣織機自動化特性及在高端品種上的應用(上)
1 噴氣織機的技術發展概況
噴氣織機最大特點是車速快、效率高、機物料消耗少、噴氣引緯方式合理，運轉操作簡便安全，勞動生產率高，適用于大批量、中號數、高密度、高品質的織物，在棉織物、牛仔布、防羽布、色織布、中長仿毛、彈性織物、毛巾織物等方面應用較多。由于噴氣織機的入緯率在無梭織機中最高,射流噴射引緯初期在品種上面臨一些局限,涉及到交叉學科多,對配套組件的技術要求高,故20世紀60年代初由捷克開發面世以來,在發展上一直面臨很多瓶頸,與劍桿及片梭織機相比缺乏比較優勢。
1981年后噴氣織機由于射流技術的突破性進步以及相關工業如交流伺服電機、單板機、傳感器、空壓機及變頻調速技術的應用,大大提高了運轉速度,織機的自動監控水平也取得了顯著的進展。經過近10年的不斷改進,尤其是20世紀90年代后期電子電力技術、PCC、數字信號處理技術(DSP)、現場總線管理技術(CANBUS)的迅猛發展,在歐洲噴氣織機上得到有效應用,現代噴氣織機后來居上,已具有速度高、自動監控水平高、產品質量高、品種適應性強等許多優點,機電高度一體化,成為無梭織機中發展最快及最有發展前景的機型。
國際先進的噴氣織機在整體技術水平上，關鍵的主控制系統普遍采用32位計算機及CAN總線控制，對主噴、輔噴、牽伸噴嘴和電磁閥等形成的織機氣流控制系統、電子送經系統、電子卷取系統、開口系統、電子絞邊、電子剪刀等能進行有效控制，能夠采集、監測、設定、調整各種工藝參數，具有故障診斷功能，可以通過英特網、工業以太網、現場總線，實現織機聯網控制、診斷和管理。普遍采用不同形式的電機直接傳動織機的主軸技術；開口系統采用優質的積極式凸輪、電子多臂和電子提花裝置；電子送經機構、電子卷取機構、自動尋緯機構已經成為標準配置；采用電子絞邊裝置、電子剪刀裝置等；不斷優化設計氣流通道各部件的結構，配用高性能的配套件等，達到實現噴氣織機高速、節能、高效的目的。
世界上先后商業化生產過噴氣織機的企業有捷克的因果斯塔特、蘇爾壽、道尼爾、津田駒、日產、豐田、畢加諾、舒美特、斯密特等,由于國際上無梭織機的市場競爭日趨嚴酷,目前國際級的噴氣織機制造商僅有日本的豐田、津田駒和歐洲意達集團的Promatech、蘇爾壽及比利時畢加諾和德國道尼爾。也就是業內都熟知的兩大流：歐洲機型與日本機型。日本機型的優勢在市場,而歐洲機型的優勢在技術,雙方各有所長。而日本機型與歐洲機型本身,雖然制造商不同,但技術特點極為相似。鑒于本人在意達集團內部工作了8年,就以意達集團的三種噴氣織機PROMATECH即舒美特的MYTHOSETEC,SULTEX的L5500,意達上海的L88為基礎,就噴氣織機的幾項熱點技術與國內織造界同仁探討。
2 現代噴氣織機設計的基本思想
主要有：卓越的機械和織造性能；廣泛的適應性；在不降低質量的前提下，減少管理費用和產品消耗；完美的織造質量。
噴氣織機與其他無梭織機的最大區別是其采用氣流噴射引緯技術,相對與劍桿與片梭,由于其采用非強制自由端引緯,比如噴氣飛機與高速火車及汽車, 可以達到更高的速度。如果不考慮原料的適應能力,其在機械入緯率上有先天優勢,這也是其與替代品競爭的最大法寶。而現代噴氣織機的設計就要在可能前提下把這個優勢發揮到極至。而高速必然對織機的機械特性帶來更高要求,織機的機械部分必須適應長時間高負荷的穩定運轉。國際常規噴氣織機的機械入緯率已達到2500 m/min左右,MYTHOS ETEC的工廠條件下的期望轉速為190 cm幅寬織機穩定在1200r/min。目前在國內紹興慶茂，190幅寬織機作純棉品種積極凸輪開口絕大多數機臺實現了1100r/min左右的長期大生產,這也是國內噴氣織機使用速度上達到的最高水平。
噴氣織機相對于劍桿與片梭的弱勢在于其品種適應性,當然相對于噴水只適合疏水性纖維而言,其又有品種適應性優勢。所以噴氣織機要想在市場上占據越來越大的份額,必須不斷提高其品種適應性。目前歐洲的噴氣機型都達到了20g/m2到800 g/m2的織物克重,短纖5.8 tex～194 tex,長絲22 dtex~1210 dtex的紗號范圍,4根/cm～200根/cm的緯密范圍,織造難度系數大于日系機型。
1999年以前，國內引進的噴氣織機大多集中在傳統棉織領域,以消極踏盤開口為主。而1999年后由于紹興輕紡城市場的興起及舒美特、畢加諾等在長絲多臂織造尤其是中長仿毛厚重與彈力仿牛仔等產品上的突破,以及2001年以后豐田、津田駒在吳江市場錦棉、棉錦交織產品的適應,國內噴氣織機的進口有了大幅增加。2000年至今國內引進的近8萬臺噴氣,大致形成了蕭紹、吳江、傳統棉紡織地區三分天下的格局。目前噴氣在棉丕布、床單布、合纖、色織、長絲棉交織、牛仔領域都得到了廣泛應用,在絹紡、毛、真絲領域以及化纖家紡國內也有少量應用的例子。這也意味著由于噴氣織機品種適應性的提高,擠占了原屬劍桿與噴水的市場,所以噴氣織機發展過程中注重品種適應能力,是其最關鍵的要素之一。
織機是長時期運轉的生產資料,生產過程中的消耗和管理及使用的簡便也是它必須面臨的課題;噴氣織機在使用中必須采用壓縮空氣和異形筘,對原紗質量要求高也是其弱點之一。另外，市場競爭又必須要求制造商提供高性價比的產品。噴氣織機車速高、打緯力大、經向斷頭少,但引緯過程中的退捻是難以克服的難題,如何取長補短,達到最完美的布面質量與風格,是技術開發中必須關注的問題。另外，噴氣織機正常運轉與慢車及停止時速度的絕對值差異大,在織造過程中如何有效防止稀密路,也是噴氣織機必須解決的問題。
3 現代噴氣織機的機械結構
噴氣織機的基本機械構造是織機今后一切運動的基礎，道尼爾、舒美特、蘇爾壽在這一點上異曲同工。在織造過程中．噴氣織機采用的是高頻次、小開口、大張力、強打緯工藝,絕對堅實的結構基礎和極端穩定加厚的機架作為影響織造產質量、可織性、壽命與效率的因素極其重要。舒美特采用了兩側120mm厚度墻板的箱式結構摒棄了原CLIPPER天鷹噴氣源于天馬劍桿的墻板結構,而當天馬超優秀劍桿織機進化為ALPHA型號時也采用了MYTHOS噴氣織機相同的箱式結構。而當MYTHOS發展為MYTHOS ETEC時主橫梁又進一步加寬加大,可見織機技術發展體現的基本構造加強的方向。
同時嚴格校準織機的動靜平衡,在設計時盡量考慮織機的負荷平衡,以徹底減少振動。由此歐洲噴氣織機即使在車速1200 r/min時也不需要地腳螺栓或膠水于地面固定。
組成盡量簡單，引導機器設計的另一個附加因素是探索減少組件的數目，采用越少的組件，就會有越少的故障率發生的危險，這樣使機器的可靠性大大提高，并且可降低機器運營成本，也方便今后的維護保養。為徹底消除打緯方向動能與織機墻板支承產生的扭轉力矩,舒美特、蘇爾壽、道尼爾都采用了把打緯凸輪箱集成在主墻板上, 采用厚的墻板可使其內部容納一些組件，從而進一步減少零件的數目，以避免機器表面的復雜組合。這往往是機器不穩定的根源,從而使織機具備了前所未有的穩定性,
織機結構極其堅固和穩定，可以使鋼筘運動更符合織造的要求，而不必損害織機產量與增加能量消耗。同時由于新一代適應低速大扭矩啟動的交流同步電機如開關磁阻、無刷同步電機的采用,織機用于減速和緩沖的皮帶輪與離合器等完全可以取消,織機的傳動鏈得到大幅度優化與簡化，從源頭上大大減少了機械故障發生的可能，也為噴氣織機向更高入緯率發展提供了先決條件。機械結構應該是歐洲噴氣織機最具領先優勢的地方。
4 新的運動學規律
提高噴氣織機性能的一個重要因素是穩定的引緯，這需要增加引緯時間與降低引緯張力。而噴氣織機的速度越來越快,留給每一轉單位運動的時間越來越短。如何在高速前提下保持引緯穩定性是必須解決的問題,而且在每一轉中分配給引緯的度數越大,留給打緯的度數越小。所以歐洲噴氣織機不約而同的采用了共軛打緯系統。引緯時鋼筘處于后止心位置，梭口滿開,機構絕對靜止,這樣可減少所需的壓縮空氣量和減少緯紗引緯過程中的張力。這種新的運動學規律也遇到矛盾，即延長引緯時間將會增加打緯速度可能增加振動并傳遞到織機的基礎結構，當然大的打緯動能會適合厚重織物。因此，只有增強織機結構才可能兩全齊美,達到預定的目標。
通過織機結構的增強，意達集團的舒美特、蘇爾壽作到了改進窄幅和寬幅噴氣織機的運動學規律，170 cm～230cm幅寬多臂和積極凸輪織機,靜止角為70度;260 cm～400 cm幅寬多臂和積極凸輪織機,靜止角為100度; 170 cm～230 cm幅寬大提花織機,靜止角為100度;260 cm～400cm幅寬大提花織機,靜止角為150度。畢加諾和道尼爾也有類似的度數,從而可使織機車速大大提高，同時降低緯紗引緯過程中的張力和減少壓縮空氣消耗,尤其對細號低強緯紗,效果顯著。
5 織機的主傳動系統
近年來在噴氣織機技術發展上最引人注目的是主傳動方式的進步,從而帶來織機主傳動鏈的革命性變化。20世紀80年代后期，數字信號處理技術(DSP)開始應用于電機控制領域，其主要用來直接控制感應電機的磁通量和轉矩，以達到對電機轉矩進行快速、高性能的控制。這就為織機由交流異步電動機向交流同步電動機轉變提供了條件。
織機主電機也經歷了普通超啟動三相異步電動機、三相異步電動機加變頻器、開關磁阻步進電機、無刷永磁同步電機的變化。畢加諾由于對步進電機的研究較為深入(其送經卷取系統歷來采用的即為步進電機),率先采用了SUMO電機;而意達集團由于在無刷電機的應用上有近二十年歷史,自然采用了無刷永磁交流同步電機,即HIDRIVE。目前在三個型號噴氣織機,L5500、MYTHOSETEC、L88上都成為標準配置;而日系機在該項技術應用上反應遲緩。
（1）三相異步電機定速運行，功率因數低，效率低；不可調速、簡單可靠，但啟動對設備沖擊大，啟動沖擊電流大，影響電網正常運行；存在絕緣老化（分布繞組，承受的匝間峰值電壓高達1000 V），相比壽命居中。
（2）三相異步電機+變頻控制變頻調速、單參量線性控制、變速控制，功率因數較低，節約電能20％～50％；自動化程度較好、調速范圍窄，頻率在36 Hz～45 Hz之間最佳，低于36 Hz效率急劇下降；采用軟啟動，對設備無沖擊。但控制電路比較復雜，容易發生擊穿短路現象；存在高次諧波，功率因數低，對電網有污染，長期接觸對人體有危害：高次諧波導致電動機絕緣老化（分布繞組，承受的匝間峰值電壓高達1000多伏，還有高次諧波電壓），電動機壽命較短。
（3）交流同步電機+能調速系統計算機控制+模糊化控制技術、多參量非線性控制、變速控制、功率因數高，可達0.99，效率高，節約電能30％～80％;自動化程度最好、調速范圍寬，調速比可達1∶20以上，在很寬的調速范圍內效率都在90％左右；軟起動對設備無沖擊。控制電路不存在擊穿短路現象，電動機結構簡單，運行安全可靠：啟動電流小，啟動轉矩大，功率因數高，對電網沒有沖擊和污染；電動機結構簡單堅固，不存在絕緣老化（集中繞組，承受的匝間峰值電壓僅幾十伏），電動機壽命最長。
通常我們的織機結構是：主電機通過皮帶傳動飛輪，飛輪通過主離合器帶動織機。另外為了防止停車檔的產生，另加一套慢速離合器與慢速電機，可單獨驅動織機，或只驅動開口機構，使織機在尋緯的同時主軸靜止，鋼筘不接觸織口。織機的調速可通過獨立變頻器，或更換皮帶輪以及雙速電機來實現。這樣的話，我們在機器驅動部分就由：主電機（變頻器）及主電機皮帶、飛輪、主離合器、慢速離合器、慢速電機、多臂（凸輪）機同步皮帶組成。
而現在的HIDRIVER：通過驅動器和軟件控制無刷電機通過齒輪組直接驅動開口機構，而它與主軸之間由類似于以前慢速離合盤的一個雙齒連接器來完成可控制的驅動。當織機正常運轉或開慢車時雙齒連接器咬合，電機同時直接的傳動主軸和開口機構；當織機要尋緯時，雙齒連接器就脫開，電機只驅動開口機構。這樣它也能夠達到防止停車檔的要求。它的主要部件就是驅動器、無刷電機、雙齒連接器和傳動齒輪組。
無刷電機本身帶有定位裝置，并且可以通過編寫的軟件利用不同的電信號來控制其在任何時間或任何位置的運動狀況，它可以在瞬間產生一個很大的扭矩使織機迅速的達到目標轉速，或是在一個很大的反扭矩的作用下迅速的停車。因此與過去的傳動結構相比使用HIDRIVER有以下的幾點優勢：
（1）更簡單的機械結構。
（2）更加的可靠：所有的傳動都是封閉在傳動箱中，而且是油浴齒輪傳動，精度更高，更安全。
（3）更低的日常維護費用：更簡單的結構，皮帶等易耗品的替代，必然降低了維護成本。
（4）更加簡便的操作：使用HIDRIVER之后，所有的功能都有一個電機來完成，減少了過去復雜信號切換以及一系列復雜的機械運動過程，使得織機完成每一次停車尋緯的時間大大縮短，非常有效的提高的生產的效率。
（5）更加的降低了織機的能耗：過去主電機總是在不停的轉動之中，而且大量傳動部件在運轉之中摩擦、發熱，將會消耗掉很多的電能；現在只有當織機在運轉織造的時候，電機才轉動，織機停電機也就停。所以能夠大大降低織機的能耗。
（6）更好的產品穩定性：根據無刷電機的特性，能在瞬間產生很大的扭矩從而迅速的啟動，這樣的話就能夠在第一緯有足夠的打緯力，不至于產生在許多織機存在的有些品種第一緯打緯力不夠而造成開車稀檔的問題,同時布面質量明顯優于三相異步電機系統。
HIDRIVE與SUMO電機的區別:
（1）無刷永磁電機在國際控制電機技術領域公認是優越于開關磁阻電機的技術,在低頻振動,
矩頻特性,過載失步,響應時間上SUMO存在先天劣勢。
（2）無刷電機不需要馬達冷卻而開關磁阻電機必須。
（3）無刷電機對電網無污染而開關磁阻電機有污染。
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