转杯纺纱技术的现状和发展

转杯纺纱技术的现状与发展趋势

姜同学

（青岛大学200 级纺织工程，山东青岛266071）

摘要

本文对转杯纺的机理，分梳辊、假捻盘、阻捻器等器件的发展以及纺杯纺产品的开发进行了分析，对我国的转杯纺发展存在的主要问题进行了总结，并展望了转杯纺纱未来的发展方向。

关键词：转杯纺；原理；转杯纺产品；现状；发展方向

加英文题目

ABSTRACT

The article analyzes principles of rotor spinning, development of spinning component such as opening roll, navel, etc., and development of products of rotor spinning. It also points out main problems of rotor spinning development in China and outlooks the prospect and orientation of rotor spinning in the future.

Keywords: rotor spinning, principle, products, research status, orientation

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作者简介：姜同学(1990.6----)，男，本科在读，青岛大学2009级学生，学习纺织工程专业。

1．转杯纺纱技术的现状

自由端纺纱技术在纺纱机理中不同于环锭纺纱技术，生产出的产品因其独特的纱线结构和用途，越来越被市场所认可。转杯纺技术是新型自由端纺纱技术中最成熟、发展最快的一种。目前，转杯纺无论是从技术上还是设备方面都有了很大的发展和完善，并且仍在不断地进步，从而使转杯纺的生产效率、产品质量均有了迅速提高，同时，也大大拓宽了转杯纺的应用领域。

从1965年捷克制造第一台转杯纺纱机起，国际先进纺纱设备制造商不断创新，提高纺纱性能，目前进一步向高速、高产、大卷装、全自动化方向发展。转杯纺纱机有抽气式和自排风式两种，1967~1995年欧美发达国家抽气式型转杯纺纱机的转杯速度在7万~8万r/min，东欧、俄罗斯等国家自排风式转杯纺纱幻想曲的转杯转速在4.5万~7万r/min，纺纱号数达18.2tex。上世纪70~80年代捷克的BD系列，德国Autocoro系列，瑞士M1/1、R1系列，英国887系列，日本BS、HS系列等先进转杯纺纱机开始出口我国。

目前国外先进的转杯纺纱机大都采用抽气式。抽气式有利于高速，成纱质量优于自排风，转杯速度从3万r/min发展到15万r/min，但在9万r/min时，人工已不能接头，必须靠电子机械手接头才能完成。另外，像德国、瑞士、意大利生产的转杯纺纱机都是大量应用电子计算机技术、传感技术及变频调速技术，使转杯纺纱支数及产品质量得到提高。

德国赐来福（Schlafhorst）公司研制的Autocoro系列（图1.1）以及瑞士立达（Rieter）公司研制的转杯纺纱机占据了世界市场的大部分份额。其中Autocoro 系列纺纱机占全世界转杯纺纱能力的46%，其他自动转杯纺纱机仅占9%，普通转杯纺占45%。

随着全自动转杯纺织机功能的完善，开发纯棉中细号纱和混纺纱是发展方向，国外转杯纺纱企业大部分已生产纯棉中高档和混纺针织、机织纱，转杯纺纱具有紧密纱线结构并且条干均匀、表面光洁、外观疵点少等优点，织成织物后可生产高档次服装。

图1.1 Autocoro480型转杯纺纱机

目前在国际上整个纺纱规模中，转杯纺产品按长度来计，占到总纱量的25%，若按重量来计，转杯纱占到总纱量的40%左右。跨入21世纪后，我国转杯纺纱进入一个新的快速发展时期。2001~2007年期间平均年增转杯纺纱10万~20万头，现已达到190万头以上。我国转杯纺纱设备数量和转杯纱产量都已占据世界首位。

我国转杯纺纱走了一条独立自主发展设备技术与消化吸收国外先进转杯纺纱设备技术相结合的道路。设备规模从无到现在的190万头。其中国产设备占了2/3以上，使用转杯纺纱工厂遍及29个省市的2000多家企业，成为我国纺纱工业的一支生力军，为国民经济的发展做出一定的贡献。

2．转杯纺纱原理及发展

转杯纺纱属自由端纺纱：纱条的一端被握持（引纱罗拉），另一端随加捻器（以同方向、同转速）绕握持点回转而加捻。其核心部件包括转杯、喂给罗拉、分梳机构、假捻器和引纱机构等，它们组装在一个箱体内，称为纺纱器[5]。

转杯纺纱一般采用的工艺路线为：开清棉联合机→梳棉（双联梳棉机或普通梳棉机）→头道并条机→二道路并条机→自排风或抽气式转杯纺纱机[6]。用Autocoro312纺纱机采用的工艺流程路线为：FA002型往复式抓棉机→FA103型双轴流开棉机→FA028型多仓混棉机→ZF109型三辊筒清棉机→TV425A型风机→FA151型除微尘机→ZFA177A型清梳联喂棉机→FA221B型梳棉机→HSD-96型并条机（头并）→DV2-AL型并条机（二并）→Autocoro312型转杯纺纱机[7]。

其纺纱的基本过程是：用高速回转的刺辊，将喂入条子开松成单纤维状，再借高速回转的纺纱杯产生负压，或利用外界抽气作用，把松懈的纤维经输棉花管道吸入纺纱杯，在纺纱杯离心力的作用下，紧贴纺纱杯最大内径处的凝聚槽内，凝聚成自由端的环行须条。

2.1 纺纱器

根据转杯内负压的产生方式不同，纺纱器可分为自排风式和抽气式两种（图

2.1）。自排风式纺纱器，转杯底侧部开有若干排风孔，杯子高速回转时产生的离心效应使气体经这些排风孔排出，形成杯内负压。因杯盖与杯口封闭，气流流动由输送管道补入。为防止输送纤维在到达凝聚槽前直接冲向已被加捻的纱条上而形成过多的包缠纤维，在纤维出口处设置了隔离盘。目前我国的自排风转杯速度在5万r/min 以下，这不仅导致产量低，同时限制了纺织厂可以取得经济效益的适纺线密度[8,9]。自排风式转杯最高转速仅9万r/min~10万r/min 。

抽气式纺纱器转内的气体从杯口吸出，所以输送管道必须有一定长度伸入杯内并接近凝聚槽上的杯壁。在抽气式转杯由于没有排气孔，从而也就没有排气孔短绒、杂技、灰尘的积聚，并由此引起转杯内负压的变化；抽气式转杯顶部的抽气使输纤通道出口纤维流中的部分尘、绒随同抽气带走，从而减少了转杯凝聚槽

内尘、杂、短绒积聚的速率，因此抽气式的凝聚槽会比自排风式清洁（图2.2）。抽气式转杯具有高速、低噪声、适应纺较低线密度纱等优于自排风式转杯的特点。目前，抽气式转杯的转速可达13万r/min~15万r/min ，且其负压的变化可以通过抽气机转速的调节来实现，易于保证满足转纺纱负压的工艺要求[10]。

2.2 分梳辊

分梳辊是将喂入半制品（纤维条）进行开松、梳理、排杂，使连续的纤维条尽量分离成平行伸直的单纤维状态，为后面的自由端纺纱做好前期准备，对成纱质量的优劣起到关键性的作用。现在国内外转杯纺纱机常用的分梳辊结构有锯齿辊和针辊两种。在使用分梳辊时，纤维分离度会随分梳辊转速增加而增加，针辊比锯齿辊好，在低速条件下应用针辊，纤维分离度比锯齿辊好[5]。

使用锯齿辊时，

图2.1 两种转杯

图2.2 转杯时间与转杯积杂量与纺纱质量关系

短绒率也会随速度的增加而增加，但用针辊短绒无显著变化。

在锯齿或针的加工过程中，齿或针的前角的选用原则是，既要分梳作用强，又要使纤维易脱离齿或针。另外，对于锯齿辊，由于转速高速后，锯齿辊转速必相应提高，此时，梳齿对纤维的梳理力增大，适当减小前角可解决梳理与转移的矛盾。针辊钢针的前角的变化较小，由于针辊的分梳作用强而缓和，适当减小前角，符合分梳与转移兼顾的原则[11]。钢针与齿条的机械加工方法不一样，其磨损程度也一样，一般针辊比锯齿辊耐磨。而且钢针磨损后，针尖仍保持一定的锋利度，对分梳能力影响小。而齿条磨损后，往往出现齿尖变秃，严重时齿前面呈现凹痕而易勾挂纤维，影响分梳质量[11,12]。但针辊损伤之后修复的难度很大。

徐惠君等[13]总结了锯齿式分梳辊的缺点设计了CF系列齿片式分梳辊，它具有齿片硬、光洁、重量轻、拆装方便等优点，用它纺纱质量优于传统锯齿式分梳辊，有利于推进自由端新型纺纱的发展。

另外在配置分梳辊速度应注意[14]：（1）分梳辊速度由纤维种类、原料含杂、纱的均匀度、强力、锯齿的新旧等因素决定；（2）增加分梳辊转速有利于分梳、排杂、转移，但容易造成纤维损伤和粉尘增加；（3）增加分梳辊转速有利于改善条干均匀度，减少粗节、细节、棉结，但容易使纱的强力下降，伸长减少。

2.3 加捻

喂入条子被分梳辊分解成单纤维后，由转杯内负压和气流的作用，在凝聚槽中形成环形纱尾，纤维环随转杯回转；当纱条从引纱管引出时，形成了以引纱为握持点、纤维环回转的自由端加捻。捻度在引纱与转杯内的剥离点之间获得。纱条经过假捻盘引入纱管时，在纱条的张力作用下，纱条紧贴在假捻盘表面进行回转。由于假捻盘表面的摩擦力作用，纱条沿假捻盘表面滚动，产生绕自身轴回转而形成的假捻[5]。

影响假捻的主要元件就是假捻盘（图2.3），它对纺纱稳定性、杯内纱条捻度、纱线质量、生产效率等都有重要影响。研究结果表明正常纺纱时假捻盘上纱条与假捻盘表面发生摩擦，这一摩擦使纱条在假捻盘上发生滚动而产生假捻，使杯内自由纱条上捻度增加。假捻盘摩擦系数、直径以及纱条对假捻盘的包围角增加，均有利于增大自由纱条上的假捻捻度[15]。方宁[16]，狄剑锋[17]等通过研究均证明

了以上的结论。

汪军等[18]通过转杯纺杯内纱段捻度分布的研究得出假捻盘和剥离点之间这一区段的纱条捻度，为由转杯回转所加的真捻和由假捻盘所加的假捻之和。并且所纺纱线线密度越大，其假捻捻度越大。张宏伟，王善元等[19]利用手持式视频显微镜可以对转杯纱中的示踪纤维的三维空间位置作较准确的测量，发现了示踪纤维在转杯纱中也存在内外转移现象，得出捻度沿转杯纱径向分布的二次抛物线型分布规律。巴塔等[20]对转杯纺自由纱段形态对其捻度分布的影响进行了研究，得出转杯纺纱杯内自由纱段上捻度自假捻盘入口端向剥离点呈逐渐减少趋势，在靠近剥离点附近时，这种趋势加快。

由于转杯纱用于针织领域已比较普遍，因针织物要求手感柔软，因而可采用阻捻器以进一步降低转杯纱捻度[21]，从而使杯内纱段获得强捻，而输出纱条具有正常捻度，从而提高了剥离点处的纱条强度和纤维间的联系力，使纱条顺利剥离，减少断头。巴塔等[22]通过分析阻捻机理，建立了可衡量转杯纺纱阻捻器阻捻效果大小的任意曲面阻捻器阻捻系数的理论模型，得出纺纱工艺参数以及安装参数对阻捻系数大小均有一定影响的结论。王善元等[23-25]建立了低捻情况下纺纱张力与断头率、阻捻元件和捻度分布的数学模型，同时提出了改善低捻转杯纱强度的措施，得出加装阻捻器，导致转杯纺过程中增加了杯内纱条段的捻度及其紧密度，转杯纱的结构形态、加捻效果和成纱强度都因此得到了改善。

由于转杯对纱条施加的捻度和假捻盘对纱条施加的假捻，使杯内纱段获得强捻，捻度向凝聚槽内传递，使剥离点后方的凝聚须条上产生一段有捻纱段，这段纱的弧长称捻度传递长度（P.T.E ）。捻度传递长度过长会使纱芯和表面的捻度差异过大，从而增加缠绕纤维，对成纱质量不利。汪军等[26]对捻度传递长度进行了实验研究，得出了涤纶纱和纯棉纱的捻度传递长度的计算值，

并与实测结果吻

图2.3 假捻盘

合。他们还得到了影响捻度传递长度的主要因素，以在实际生产中更好控制成纱质量与纺纱稳定性。张芝萍[27]通过研究发现阻捻盘的假捻效应大小与捻度传递长度有关，假捻效应越来，捻度传递长度越长。因而在纺制高捻纱时，应选用假捻效应小的阻捻盘，以减少捻回损失。

2.4 其他器件

施妮娜，孙志宏等[28]等研究了一种纺杯支撑装置的改进方法，该装置支撑方式为间接轴承支撑，得出改进装置中纺杯对支撑轮表面的压力有所减小，纺杯杆与支撑轮表面的接触状况有所改善。

转杯纺纱机安装清纱器后可以提高纱线质量，可以清除纱线上偶发性有害纱疵，但为了减少接头和提高生产效率，应该尽量减少产生有害纱疵[29]。刘红等[30]对转杯纺纱机清纱系统进行了清纱系统电路的改进设计，既可以切除已经产生的纱疵，又可以对纺纱生产过程实施监控，达到减少纱疵产生、提高成纱质量的目的。

纱条断头对棉纱的产量、质量及制成率都有一定的影响，断头率越高其危害越大。颜世强[31]，霍磊[32]等对转杯纺纱机断头的原因及因素进行了研究，并且提出了减少断头的预防措施。汪军等[33~35]等对转杯纺的半自动接头装置进行了分析，指出半自动接头质量接近全自动接头质量，有广阔的发展空间，并通过实验指出用改变纱尾形态和改变喂给速度方式，接头质量较好。

3．转杯纱及产品开发

转杯纺纱的适纺原料及其产品十分广阔，但仍以棉纯纺及棉与化纤混纺为主。目前，转杯纺纯棉纱及棉与化纤混纺纱的纺织品比例为：针织用纱42%、牛仔布17%、外衣类23%、床上用品5%、工业用4%、其他9%[5]。

随着转杯纺的发展，越来越多地使用化学纤维进行纺纱，如粘胶、涤纶、腈纶等，但绝大多数仍然与棉或其他天然纤维进行混纺。目前可采用转杯纺纱机开发生产出一些新产品，如粘胶针织纱[36]、腈纶/棉50/50转杯纱[37]、竹纤维/Lyocell 转杯针织纱[38]等。

转杯纱用于针织有非常广阔的前景，但针织工艺要求转杯纱线密度低、捻度

少。转杯纺纺制针织纱也涉及纤维原料、前纺工艺与喂入条子质量、转杯纺工艺与设备，是一系统工程，要通盘考虑才能纺好转杯针织纱[39,40]。利用各转杯纺纱机的特点，可以加工优势的针织纱，如用Autocoro360型可纺好优质的低捻针织纱[41]，R40型可纺出质量优于环锭纱的转杯纱，得获得了立达公司的Conmforo 论证[42]。

近年，复合纱的应用呈现逐年上升的趋势，用转杯纺纱机纺制的复合纱（图3.1）具有强力高、条干均匀度好、结构稳定和多样化、毛羽少等特别，具有广阔的市场前景[43]。张海霞等[44,45]对转杯纺复合纱的结构与性能的研究得出复合纱表面缠绕纤维包缠紧密，表面相对光洁，直径较小，断裂强力和断裂伸长率较高，条干较为均匀，毛羽有较大程度的改善（图3.2）。此外，还有转杯纺竹节纱等[46]多种新产品的开发，使转杯纺的产品更加多样化。

图3.1 转杯纺纱机纺制复合纱示意图

图3.2 转杯纺复合纱与纯棉转杯纱形态比较

4．我国转杯纺发展存在的问题[3~4,47~48]

目前我国转杯纺还主要局限于粗号纱的加工，其中36.5tex以上的纱占了主要。这主要是由于我国转杯纺设备速度低，纺纱经济号粗，无法纺较细的纱。我国也始终没有一个真正产、学、研相结合，有创新能力的转杯纺纱研究开发中心。高等院校的研究成果还不能很好地体现在主机设备上，主机厂急功近利于现有产品，缺乏远景打算，创新研发力量十分不足。现有的体制、规则还不能使企业具有创新能力、持续不断地研发新型的转杯纺纱机及其产品，也无法保证科研创新队伍的稳定与健康成长。

转杯纺纱机在机电一体化方向的自动化、连续化、高速化、智能化方向的发展水平还很低。转杯纺纱机在新材料、新工艺、新的制造技术方面创新能力不足，严重影响设备的稳定可靠性。在纺纱原料开发、纱号品种、适纺范围系列化开发方向的研究不够，限制了转杯纺纱机的应用范围、经济效益的发挥，不能适应市场的发展需求。与国际先进水平相比，存在不少的差距。

形成上述两方面问题有多方面因素。宏观调控体系不健全，结构调整和改革力度不够，企业的运行机制、分配机制和激励机制不健全，一些企业的领导有短期行为，研制开发新产品的经费很少，无力自主开发，崇尚仿造照抄。对转杯纺纱产品的质量管理重视不够，措施不力。另外，原材料、协作件、配套件、电子元器件的制约也影响到转杯纺纱产品及其技术水平的提高。

5．转杯纺纱的发展前景[1~2,49~50]

从自排风式转杯纺纱机的问世，随着高速化、细支化的发展，抽气式转杯纺纱机也渐渐显示优越性，逐渐取代自排风式转杯纺纱机。转杯纺纱设备发展到今天，但在速度和成纱质量方面再有质的提高可能性已不大，就近几年世界上最新生产推出的几种机型来看，主要都是在传动系统上作了改进，如纺纱器上改为喂给罗拉单独传动，分梳辊改用变频调速，另外扩大了整机头数，提高了监控和显示水平，提高电清检测质量等。

在转杯纺纱机的应用上，应提高适纺支数。国内转杯纺纱的生产量已占粗支纱总量的较大比例，但国内转杯纺纱还有发展空间，关键是要积极开拓20S~30S

这一范围内转杯纱的产品领域。再就是增加毛、麻等方向上的应用，以发展转杯纺的应用空间。

另外，对半自动接头和全自动接头的性价比仍需要做进一步深入对比研究，以确定其发展方向。对于这两种接头机构，应该研究的方面是它们适应的纺纱速度、接头质量、用工、价格等因素。虽然现在各公司对自己的机器及采用的接头技术和机构均有各自的评价，但现在下结论尚早。理论上可以分析，但不科学，缺乏依据。应将此内容作为一个研究课题，意义是十分重大和深远的，这涉及到今后国产机的定位与发展方向。

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