倪 远 孟 进

［1.纺之远（上海）纺织工作室，上海，200063；2.杭州易纱电子商务有限公司，浙江杭州，311203］

1 细纱机气圈控制环应用现状

细纱机气圈控制环在国外细纱机及国内配置有集体落纱的细纱机上普遍采用，是一项有效控制纺纱气圈和纺纱张力的成熟技术。它曾是增大纺纱卷装的有效措施，如今依旧是纺纱增速增产的有效措施。

气圈控制环在国产细纱机上较少采用的主要原因是国产细纱机卷绕部件和工艺技术路线采用“中锭速，中卷装”［1］，现今随着高速化纺纱技术的应用，新装细纱机采用气圈控制环的比例在增大。

气圈控制环可使完全无约束的单气圈纺纱状态成为局部受约束的双气圈纺纱状态，环体可有效降低气圈高速回转时纱线产生的离心力，把原来较大直径和较高高度的单气圈分隔成上下两个较小直径和较小高度的小气圈：一个是位于导纱钩和气圈环之间的上气圈，另一个是位于气圈环和钢丝圈之间的下气圈。这两个小气圈的性质和结构与原来大气圈相似，按照纺纱机理，气圈段最大张力位于气圈顶部，即导纱钩下气圈部位。气圈控制环能有效解决大小纱钢丝圈质量难以选择的矛盾，可相应减轻平衡气圈段张力的钢丝圈质量。由于在纺纱的加捻卷绕部分采用了增加气圈控制环和减轻钢丝圈质量两个工艺手段，使得气圈段最大张力大幅减小，降低了断头发生的几率，其机理如下。

（1）气圈段最大张力基本上与气圈直径呈正比，气圈控制环的应用控制了气圈最大直径，从而降低气圈段最大张力。

（2）气圈段最大张力与气圈段纱条长度正相关，而上气圈段长度比原气圈大幅度缩短，气圈段最大张力减小。

（3）气圈控制环的应用控制了气圈最大直径，因此可减轻钢丝圈质量，从而降低气圈段最大张力。

（4）气圈在法向受离心力的作用，在切向受空气阻力的影响，其合力成为气圈段张力的构成要素。气圈控制环在抑制气圈直径的同时，可以有效降低由法向离心力和切向阻力产生的气圈段张力。

（5）气圈控制环的应用有效阻止了钢丝圈瞬态运动变化产生的下部气圈张力向上部气圈和纺纱段的传递，从而减少断头。

通过加装气圈控制环和减轻钢丝圈质量，从以上5 个方面降低了气圈段平均张力和最大张力，有资料表明，目前应用的气圈控制环可降低纱线张力达30% 及以上。因此气圈控制环的应用是环锭细纱机高速化生产中必不可缺的有效措施。

普通气圈控制环的直径一般比钢领内径大2 mm，棉纺钢领直径大部分为42 mm 左右。气圈控制环的应用可使气圈最大直径从70 mm甚至更大（碰隔纱板状态）压缩到65 mm 以内，至少不碰隔纱板。由于气圈段最大张力及张力波动率的有效降低，使钢丝圈运行稳定、纱线动态最小强力与纺纱张力峰值的差值增加，从而使纺纱生产状态稳定、纱线断头减少，并为锭速和产能的提升创造了条件。

2 几种气圈控制技术方案分析

2.1 钢领附加环形导轨的方案

20 世纪末国际上就有类似减小气圈直径的方案提出来，如图1 是奥地利申请人为改善钢丝圈运行状态而提出的钢领附加环形导轨技术方案［2］，其中国专利申请号为93105612.8，专利名称为环锭纺纱设备。该方案通过在钢领上部加装与钢领同心的附加环形导轨，环形导轨固定在钢领板上。环形导轨使进入钢丝圈的纱线与水平面之间呈夹角α，该角为一个锐角，从而在降低气圈高度和直径的同时，使纱线对钢丝圈的作用合力抵消部分离心力，以减轻钢领钢丝圈的磨损。并以纱线与环形导轨的滑动摩擦阻力替代部分钢丝圈与钢领的摩擦阻力，获得纺纱所需的张力。由图1 可知，由于环形导轨的内径小于管纱最大直径，因此纺纱过程因管纱锥度的存在而可以正常纺纱，但如果没有环形导轨的移除结构，管纱就无法取出，也就无法进行接头和落纱操作了。

图1 钢领附加环形导轨示意图

2.2 小直径气圈控制环的构想与试验

气圈控制环的应用有效控制了气圈最大工作直径，缩短了气圈高度，有利于降低气圈段最大张力，稳定生产，提升产能。但气圈控制环直径的进一步减小却受制于运转操作，如断头时的拔管接头操作和落纱时的钢领板下降。这与钢领附加环形导轨应用情况类似。

如果不考虑这些操作因素的问题，气圈控制环的最小内径可以设定为空纱管的最大直径加上3 mm 左右，这样仍可以正常纺纱。如以目前使用的长度为200 mm、中部直径为20 mm 的纱管为例，气圈控制环内径可以控制为24 mm 左右。基于这些考虑，2007 年笔者构思了小直径气圈控制环纺纱的初始试验方案。 图2 是早期的试验实样，气圈控制环下部以永磁体吸附在钢领板上，接头时等纱头引出后再放置气圈控制环，同时减轻两档钢丝圈质量。

图2 小直径气圈控制环试验实样

上述试样的纺纱试验表明，在相同纺纱条件下，同时应用小直径气圈控制环和减轻两档钢丝圈质量，观察小纱段纺纱，纺纱段手感拎头张力明显变轻，气圈段分隔成上部大、下部小的两个气圈，圈形控制良好，上部最大气圈不碰隔纱板，纺纱段纱条抖动幅度增加，这都说明气圈段和纺纱段张力明显降低。这主要是下部气圈起始段纱条与水平面夹角由负值改变为接近零值，使下部气圈形态大幅度改变，同时也大幅度改变了钢丝圈的运行跑道，随着跑道走熟，纺纱张力应该还会有所下降。

减轻钢丝圈质量，降低纺纱张力，都将明显有利于提高纺纱稳定性，进而降低纺纱断头率和节省纺纱功耗，也能延长钢领使用寿命，或者为提高锭速和产能打开空间。

2.3 多波节气圈超高速纺纱技术

使用气圈控制环和钢领附加环形导轨的技术方案是采用硬件的方法分隔和控制气圈形态，西班牙卓丝特（Twistechnology）公司在ITMA2019上展出的“环锭纺超长气圈段多波节气圈纺纱技术”［3］，是采用工艺技术手段来控制气圈形态，进而实现高速纺纱。据称，该纺纱技术的产能可提高1 倍，能耗降低20%，展示的棉纺细纱机采用三罗拉牵伸加罗卡斯机械集聚纺纱装置。超长气圈段多波节气圈单锭超高速纺纱演示如图3 所示。

图3 超长气圈段多波节气圈单锭超高速纺纱演示

从图3 样机现场运行情况看，纱管顶端到导纱钩的距离约为600 mm，隔纱板也大幅度加长，但隔纱板与导纱钩之间留出一个距离，钢领与导纱钩之间无气圈控制环。演示的纺纱过程中纺纱段和气圈段都呈现多波节自由气圈，纺纱段为4个小气圈，气圈段为8 个小气圈如图3（b）所示，观察其气圈的最大直径不超过管纱外径（38 mm），气圈颈部直径大致在15 mm～20 mm。单锭超高速纺纱演示纺制14.8 tex 纱线时，出条速度37.8 m/min，最高纺纱锭速34 000 r/min，计算钢丝圈线速度67.6 m/s，由于气圈最大直径约等于钢领内径，最大直径处的气圈线速度也为67.6 m/s。

由于钢丝圈线速度过高，纺纱过程存在着钢丝圈飞圈断头、多气圈波节不稳定、断头飞花带断邻锭和接头困难等问题，样机只进行单锭纺纱演示可能与上述问题有关。目前这些问题尚无适宜的解决方案，因而无法进入产业化应用。尽管如此，该技术还是为高速纺纱，或将为环锭纺纱技术的突破带来一些启示。毕竟这是在普通环锭纺的基础上仅增大了气圈段高度和减轻了钢丝圈质量，并使之产生多波节气圈，这种并不复杂的改变就使得纺纱锭速极限产生了大幅突破。

有关多波节气圈有助于超高速纺纱的机理，主要在于纺纱段和气圈段的多波节自由气圈纺纱状态对环锭纺纱锭速制约要素的突破。制约环锭纺纱锭速的首要因素就是纺纱断头，而纺纱断头发生的充要条件是纺纱张力动态峰值大于纱线最小强力。假定我们无法改变纱线的最小强力，那么降低纺纱张力动态峰值就成为突破纺纱锭速制约的第一要素，一要降低纺纱平均张力，二要降低纺纱张力波动。多波节自由气圈超高速纺纱工艺除了大幅度增大气圈段高度外，另一个重要工艺就是大幅度减轻钢丝圈质量，见图4。同样纺制14.8 tex 纱线，在普通纺纱条件下采用图4 中较大钢丝圈，锭速不足17 000 r/min，而在多气圈纺纱条件下选择小的钢丝圈时，锭速可达34 000 r/min，后者锭速整整高出前者1 倍。

图4 多波节气圈超高速纺纱用轻量钢丝圈与普通钢丝圈示意图

从静态分析可知，减轻钢丝圈质量可使卷绕段平均张力大幅度下降，由于该技术应用的气圈段垂直高度很大，气圈膨大的同时产生从上至下的扭转滞后，形成多波节自由气圈。操作时在接头完成后用双手适当干预可以控制波节数量，使整个多波节自由气圈的最大直径和颈部直径都很小且均衡分布。如此，一方面通过大幅度减轻钢丝圈质量来降低卷绕段平均张力；另一方面多波节自由气圈直径显著变小，使气圈段张力大幅度降低，并使卷绕段与气圈段张力得到平衡，同时纺纱段张力也同步降低，使得在纺纱段形成多个波节小气圈，从而大幅度缓解与平抑纺纱张力波动对超高速纺纱的影响。

环锭纺纺纱段的张力是气圈段张力通过导纱钩传递过去的，由于捻陷效应及位于加捻末端，纺纱三角区是强力最弱的位置，也是断头高发区。纺纱段也是我们日常用手指直接感知纺纱张力的位置，即便是目测纺纱段纱条，也能看到普通纺纱过程由于纺纱张力的作用使得纱条基本呈直线或小幅抖动状态。当在多波节自由气圈纺纱状态下，低张力的纺纱段会因抖动而产生多个波节小气圈，抖动源来自于气圈段。由于上述多波节气圈纺纱中前罗拉输出钳口基本垂直于锭子中心，因此换一个角度看，导纱钩也相当于是一个把颈部约束到毫米级别的气圈环，由于纱条张力特别小，从气圈段纱条经过导纱钩到纺纱段，气圈也延续到了纺纱段。纺纱段小气圈的存在，使我们可以直观判断出气圈段和纺纱段的平均张力很小，同时气圈段和纺纱段多波节自由气圈又平抑甚至隔离了由钢领板升降、卷绕直径变化和钢丝圈姿态引起的张力波动，从而实现超高速纺纱。值得关注的是，在其纺纱状态中的多波节气圈之间具有自调均衡效应，从而使气圈之间的高度和直径自动均匀，使纺纱状态较为稳定。

钢领、钢丝圈和自由气圈作为环锭纺加捻卷绕的主要要素，环锭纺多波节气圈超高速纺纱只是将自由气圈改变为具有自约束特征的多波节气圈，因此这种超高速纺纱技术在没有增加硬件的情况下产生纺纱速度的突破，其实质是气圈与张力控制技术的突破。

目前卓丝特公司也还没有找到能持续超高速运行的钢丝圈，只能用现有技术的钢领钢丝圈演示。飞钢丝圈成为纺纱断头、甚至进一步提速的主要障碍。这个情况仍然符合行业现有技术现状，即钢丝圈线速度极限为40 m/s～45 m/s，尚不能大幅度突破。除了钢丝圈寿命，超高速纺纱还存在着锭子、钢领和高速运动部件的寿命、纱线毛羽等问题。卓丝特公司演示环锭纺多波节气圈高速纺纱技术，并不是宣称该技术可以成熟应用，而是要向行业展示该技术具有突破环锭纺纱锭速极限的可能，并期望寻找合作伙伴共同研发该技术。

3 开合式小直径气圈控制环的应用示例与机理分析

小直径气圈控制环的应用必须能够适应整个纺纱过程的各种操作，这就要求每个气圈控制环能够做单个和整机的开合同步运动，即一对开合式小直径气圈控制环，闭合时为精确控制纱条的气圈控制环，打开时不影响整个纺纱过程和维护工作中的各种操作，包括纱线接头生头时的单锭开合操作、整机落纱时的每侧整体开合操作。

开合式小直径气圈控制环坚固地安装在钢领板上，一对半环设计为可同步开合的组件，设有单锭开合操作杆以适于单锭接头操作和单面车联动联接杆以适于落纱，闭合后与钢领、锭子精密同心定位，并保持高圆整度，打开后操作便利，单锭或整机开合过程方便、有效和可靠。开合式小直径气圈控制环的一种典型应用示例见图5。

图5 上下开合式小气圈环各阶段状态

上下开合式小气圈环闭合时内径略大于纱管外径，两个半圆环的纵向轴设置在气圈环支架上，以纵向轴心为中心可以自由旋转向上打开和水平闭合。正常工作时，两个半圆环在重力或弹簧力作用下闭合，约束控制气圈局部直径和最大直径；接头时，合上锭刹，左手操作气圈环上的手柄，打开气圈环，完成拔管等接头操作；落纱时，由整机连杆打开所有气圈环，钢领板开始下降，完成后续落纱操作。

开合式小气圈环配合轻量钢丝圈的应用，在不提速的情况下，由于气圈直径的减小和钢丝圈质量的降低，可以节省驱动锭子的功耗。在提速的情况下，还可进一步减轻钢丝圈质量，同时降低与稳定了纺纱张力，实现了增产。

开合式小气圈环应用，使下部气圈形态处于一个相对稳定且纱条与水平面夹角接近零值的形态，不论是小纱、中纱或大纱，下部气圈形态基本不变，从而降低了钢丝圈在钢领跑道上的变轨范围，也改善了钢丝圈对大小纱气圈的适应性。上部气圈高度的大幅度降低，配合轻量钢丝圈的应用，允许气圈上部形态凸起膨大，对降低导纱钩部位气圈张力最大处的张力峰值非常有利。

开合式小气圈环配合轻量钢丝圈的应用，由于需要使用与纱线线密度不相适应的轻量钢丝圈，有可能需要定制或专门研发钢丝圈，这是一个值得探索的配套项目。配置开合式小气圈控制环可以弃用隔纱板和替代普通气圈控制环。因此，小直径气圈控制环从结构上看是一种开合式气圈控制环，从使用效应上看是一种增效降耗型气圈控制环。其特征可以概括为：尽可能小的工作内径、一对半环的同步开合、便利的单锭开合和可靠的整机开合。作为一种一次性投资的纺纱专件，其投资回报有赖于锭速和运转效率的提升，从而打开提升纺纱产能的空间。

分析小直径气圈控制环纺纱和多波节气圈纺纱的气圈形态，两者都存在着分隔上下气圈直径大致为20 mm～30 mm 的颈部，前者是因小直径气圈控制环硬件约束而成，后者是因超长气圈段工艺使自由气圈滞后扭转而成，存在着分隔气圈的波节颈部。小直径气圈控制环纺纱技术与多波节气圈纺纱技术有着异曲同工之妙。

4 环锭纺气圈控制技术发展展望

4.1 钢领板升降多个小直径气圈控制环应用展望

在普通钢领板升降的细纱机上，可在气圈段同时设置一个及以上的小直径气圈控制环，如两个开合式小直径气圈控制环应用，与单个开合式小直径气圈环应用结构和方式相同，下部气圈环设置在钢领板上，随钢领板的升降而升降，上部气圈环应用结构也与单个开合式小直径气圈环相同，但设置在从机梁侧向下延伸的轨道上，气圈环的最下部位置大致为气圈最大高度的上部三分之一位，是在单气圈环应用的上部气圈中部，把上部气圈再次分隔为两个小气圈，这样整个气圈段分隔为上中下3 个短小气圈。随着钢领板的上升，纺纱到中纱时，上下两个气圈环座开始接触，由于整个气圈段高度特别是中部气圈段的压缩，上气圈环失去气圈控制功能，气圈段为两个小气圈。到大纱时，气圈段高度进一步压缩，成为一个小气圈。从中纱起，下气圈环座推动上气圈环座一同升降，直到满纱为止。

接头操作时，合上锭刹，左手操作气圈环上的手柄，打开气圈环，完成拔管等接头操作；落纱时，由整机连杆打开所有气圈环，钢领板开始下降，完成后续落纱操作。

上下两个小直径气圈控制环的应用，将整个气圈段分隔为上中下3 个短小气圈，与单个小直径气圈控制环将气圈分隔为上下两个小气圈的应用相比，更加能有效控制上部和下部气圈的最大气圈直径和高度，从而进一步降低平均纺纱张力和张力波动。

4.2 锭子升降多个小直径气圈控制环应用展望

类似于瑞士罗特卡夫特公司的NGS 下一代细纱机和浙江金鹰纺机的细纱机［4］，其加捻卷绕部分为锭子升降级升技术结构，与广泛应用的钢领升降级升最大的工艺区别在于，锭子升降与级升的纺纱状态是气圈处于相对恒定的最大形态，即一落纱纺纱过程中气圈形态始终处于高度方向最大状态。由此可见，其最大的优势是纺纱过程卷绕的长短动程中气圈大小形态基本稳定不变，从而使纺纱张力也基本稳定不变。纺纱张力只是随管纱卷绕直径的变化和纱线相对于钢丝圈上下运动方向改变而波动。纺纱气圈相对稳定有利于稳定加捻卷绕的状态，进而可明显降低纺纱张力波动率，减小钢丝圈运行姿态的变化幅度及由此引起的运行不稳定性和断头，能够通过改变钢丝圈型号来减少意外断头，有效控制断头水平，稳定纺纱断头率。

从工艺的角度看，锭子升降与级升的加捻卷绕成形是以最大且不变的气圈替代随卷装大小的长短复合动程变化气圈；以相对稳定的最大纺纱张力，替代大小纱纺纱阶段和大小直径卷绕升降的波动张力。其最大纺纱张力，仍然要比原本钢领升降与级升纺纱状态的中纱、大纱要大。因此这是一种平均纺纱张力大，但张力波动相对小的技术方案。 从纺纱能耗的角度看，现有细纱机70% 左右的能耗用于加捻卷绕，与钢领升降级升纺纱形式比，锭子升降与级升技术的纺纱张力始终处于最大纺纱张力状态，使加捻卷绕部分的能耗也处于较大状态。

如果在锭子升降与级升技术的应用中，运用多气圈环控制技术，如采用典型的两个开合式小直径气圈控制环，将整个气圈段分隔为上中下3个短小气圈，其可以进一步降低和稳定纺纱张力，并具有显著节能的效应。相比钢领板升降与级升，锭子升降与级升细纱机上应用多气圈环控制技术，将更有利于钢丝圈和气圈的稳定运行，技术优势更为显著。

两个开合式小直径气圈控制环都设置在固定的钢领板上，上下部气圈环将最大气圈高度作3段分隔。接头时，合上锭刹，左手操作气圈环上的手柄，打开气圈环，完成拔管等接头操作；落纱时，由整机连杆打开所有气圈环，锭子与管纱开始上升，完成后续落纱操作。

电锭技术的应用，可以为锭子升降与级升技术的应用创造有利条件。

5 结语

（1）环锭细纱机加捻卷绕技术在单锭产能提升方面的进展，主要集中在钢领钢丝圈材质和加工工艺方面，其他进展不大。如环锭纺纱加捻卷绕的气圈控制技术，依然停留在固定式气圈控制环应用上。

（2）环锭纺多波节自由气圈超高速纺纱技术只是在ITMA2019 上演示，距离产业化应用差距甚大，若干制约应用的技术难题目前仍无有效解决方案。但其对环锭纺加捻卷绕技术发展的启示，是值得纺纱工艺技术研究借鉴的。

（3）开合式小直径气圈控制环纺纱技术是一项改进性的环锭纺附加技术，其可能有限度地突破气圈控制技术的障碍，创造性地提出了超极限气圈控制技术方案，为探索纺纱气圈张力控制创造出一个新途经，实现在现有环锭细纱机架构上的安装应用以及在现有钢领、钢丝圈和锭子等高速元件应用寿命许可条件下的提速增产；也可以在下一步钢领钢丝圈加捻卷绕技术产生突破时，提供配套的气圈控制技术方案，从而有效增大现有环锭细纱机的应用性价比，在低投入条件下提升纺纱行业产能和企业经济效益。