细纱是纺纱生产流程的后道工序，设备数量多，能耗比例占到整个纺纱流程的60%以上，细纱机节能降耗也是纺纱企业长期以来探讨的课题。其中，细纱机断头吸棉系统是使吸棉笛管形成负压，纱线断头后能被及时吸入回花箱而不影响相邻锭位生产的装置。通过对细纱机断头吸棉系统的研究，发现该系统存在缺陷，运行中能耗原料浪费大，智能化程度不高。吸棉笛管内的负压大小对纺纱生产具有一定的影响，负压过低会造成断头吸棉笛管口堵塞、罗拉缠花；负压过高时能耗大，车间噪声高，纱线在罗拉输送线面口被强行吸拉，造成纱线毛羽多，同样也会影响纺纱质量。细纱机断头吸棉系统主要包括吸棉风机、回花箱、风管、连接管、吸棉笛管等部件，如果纺纱过程中有断头，吸棉系统能将断头后前罗拉钳口牵伸出的扁平带状须条迅速吸入到前罗拉下面的吸棉笛管小孔内，纤维沿支风管、总风管聚集到车尾的回花箱内，这样可以避免飘头带断邻纱，降低断头，节约原料，净化车间环境。吸棉风机是细纱机断头吸棉系统的动力源泉，吸棉系统的动力主要靠风机运转形成的管道负压来产生。要求细纱机断头吸棉风机不挂花、不堵塞、高效节能、低噪声，风量风压大小以满足细纱断头后能吸走须条纤维为宜。吸棉笛管是细纱机断头吸棉系统的重要组成元件，目前主要有六孔梨形笛管和单嘴吸管两种，其中广泛使用的是六孔梨形笛管。要求吸棉笛管结构形状合理，安装定位正确，有适当的吸棉真空度，只有使吸孔的气流吸入速度分布场有效地笼罩住前罗拉吐出的须条，这样才能立即有效地吸入断头，提高断头吸入率。
2 目前断头吸棉系统存在的问题
细纱机断头吸棉系统是细纱机正常运转不可缺少的组成部分，在纺纱过程中发挥着非常重要的作用，当细纱机的某个单锭发生纱线断头时，断头吸棉系统吸住前罗拉持续输出的须条，防止纤维缠绕胶辊、罗拉。目前该断头吸棉系统主要存在以下不足。
（1）吸棉风机能耗高。现有的环锭纺细纱机所配套的吸棉风机多采用无前盘、无蜗壳结构，这种结构的风机优点是不挂花、不堵塞，但风机的运行效率较低。目前吸棉风机所配套的装机功率绝大部分是2.2 kW，而根据细纱机纺纱工艺的设计要求，理论上吸棉风机的功率只要0.9 kW，这样就出现了“大马拉小车”的现象，造成风机的运行效率低下，能耗浪费较大。
（2）吸棉笛管效率低。吸棉笛管的主要功能是通过吸棉风机产生的负压将纺纱时出现的断头吸入回花箱，以防止须条缠绕在罗拉上。根据纺纱工艺的设计要求，吸棉笛管的负压只要不低于500 Pa即可正常运行，且不会影响纺纱工艺。因此，纺纱企业一般将笛管负压控制在500 Pa~1 200 Pa之间，实际生产中大多数纺纱企业将吸棉笛管的负压控制在1 000 Pa左右，这种生产状况对能源的浪费非常大。 （3）吸棉系统智能化程度低。目前环锭纺细纱机的断头吸棉系统是各自运行，吸棉风机长时间高速满负荷运转，浪费了许多能源。值车工并不能及时发现细纱断头，严重时会造成相邻纱锭断头，回花增多，损耗纺纱原料，降低纱线制成率。由于不能及时监测吸棉风管内负压，过高了浪费电能，过低了会影响纺纱工艺，造成断头后须条吸不干净现象。
3.1 吸棉风机变频控制
无论回花箱滤网是否堵塞，细纱有无断头，吸棉系统始终以充足的负压进行工作，但在回花箱滤网清洁，车间环境良好，细纱没断头或断头少时，并不需要如此高负压的吸力。因此，正常纺纱时吸棉风机长期保持高负压吸力，浪费了许多能源。
3.2 吸棉笛管单管控制
吸棉笛管单管控制是指每个锭位均安装一个吸管，相当于断头吸棉系统中的支风管，只要改变单嘴管橡胶接头的相对轴向位置，就能使单嘴管吸口尽可能地靠近前罗拉钳口。这种吸棉管定位方便，特殊结构的吸嘴能紧紧环绕着上面旋转的前罗拉，不但扩展了加捻三角区下面的吸附空间，同时由于吸棉能力强，使得断头后所有纤维都被吸走，提高了断头吸入率，而且还能有效地清除罗拉表面黏附的纤维，有利于生产出光洁的纱线。 吸棉笛管单管控制要与细纱机单锭监测装置结合起来设计，目前细纱机单锭监测装置有光电式和偏磁式两种监测头。这两种监测头都是通过监测获取钢丝圈运动信息，然后经转换得到钢丝圈运转频率等信号，可以检测出细纱是否有断头，以及断头位置、断头频数、锭速、产量等相关数据。
3.3 吸棉笛管智能控制
根据业内相关研究证明，吸棉笛管内空气的流量在一定范围内随着导流孔倾斜角度增大而提高，吸棉笛管结构优化后与原吸棉管相比，导流孔倾角为26°时对吸风性能提升较大。通过试验，在保持负压不变条件下，增加导流孔结构有助于提升吸棉笛管吸风性能，对吸棉笛管的节能增效和提高产品质量一致性有帮助。根据这个研究结论，可以考虑将现有的笛管改造成斜向单嘴吸管，这样吸管就具备了一定角度的倾角导流孔，可以稳定和提高斜向单嘴吸管吸棉口处的负压值，有利于吸棉风机在低频率、低噪声、高效益的状态下运行。 环锭纺细纱机断头数一般在20根/（千锭·h）以内。只有在细纱断头数多或滤网堵花时，吸棉风机才需要开足吸棉负压空气，以便能及时吸走断头须条。因此，可以考虑在六孔梨形吸棉笛管与总风管连接管上安装电磁感应阀，此阀门与细纱单锭检测、吸棉总风管末端负压检测装置相关联。正常纺纱时，此阀门只需打开约1/4孔径缺口，留出此小缺口的主要原因是对车间的环境有好处，在纺纱时由吸棉笛管吸走纱线上的飞花，一定程度上减少了车间的含尘量，此时变频吸棉风机以较低的转速运行，以满足能吸走纱线上浮游飞花的需求。当某纱锭发生断头时，单锭检测装置将检测到的电信号传送到人机智能界面系统，经分析判断后发出指令，打开该锭所在的笛管电磁感应阀门；与此同时，人机智能界面系统发出信息到智能终端（手机或平板监视器），细纱机值车工可以最快速度前往处理断头，然后细纱机又能恢复到正常的纺纱状态，进而最大限度地节约纺纱原材料。 结合纺纱企业自身生产设备情况，如果细纱机笛管已是或已改造成单嘴吸管的，可在单嘴吸管与风管连接处考虑改造安装电磁感应阀。其工作原理与上面所述的六孔梨形吸管电磁感应阀基本一致，六孔梨形吸管电磁感应阀控制的是一组6锭笛管通风量，而单嘴吸管电磁感应阀真正做到了细纱单锭断头吸棉风量的控制。由于正常生产纺纱时细纱断头数很少，所以绝大部分时间电磁感应阀是处于半闭合状态，仅保留1/4左右的阀门小孔以吸走纱线上浮游飞花，根据纺纱工艺要求，断头吸棉风管末端的负压能达到500 Pa以上即可。吸棉风机能以较低的频率运行有助于节能降噪。 细纱机在运转生产中，要求定期清理回花箱滤网积花，回花箱滤网分3种情况：干净、正常、堵花。干净状态是指回花刚刚被清理后的几小时内，这时候风管气流很通畅，吸棉也很顺利；正常状态是指生产过程中滤网上有部分积花，但并没有堵塞，风管依然顺畅；堵花状态是指滤网上积花非常严重，并且积花厚度大于8 mm，影响风管内气流的通畅。吸棉效果主要是看细纱机在堵花状态下，风管末端的负压能否达到500 Pa，当达不到时，断头吸棉效果差，罗拉和胶辊容易缠花。 根据以上研究分析，细纱机断头吸棉系统经适当技术改造后，即可进行智能联动控制，具体实施方案如图4 所示。细纱机在无断头、回花箱滤网干净的情况下，吸棉风机可以较低的工作频率运行，在正常纺纱过程中这种运行模式占据绝大多数时间，能节省大量电能；当出现个别纱锭断头，单锭检测装置可将检测到的信号传到人机智能界面系统，系统自动操作流程：打开该锭单嘴吸管电磁感应阀→发指令通知细纱值车工→人工处理细纱断头→恢复到正常生产状态。正常纺纱生产一定时间后，回花箱滤网可能会出现积花现象，当吸棉风管车尾端的负压检测表数值小于500 Pa时，人机智能界面系统就会发出警报，通知细纱值车工前往处理回花箱滤网积花。 另外，根据不同的纺纱品种和车间悬浮飞花程度，可按照设定的吸棉风管车尾端的负压值，智能调节吸棉风机的转速。假定按纺纱生产工艺需要吸棉风管车尾端的负压值在600 Pa~800 Pa为最佳，当超过或低于此数值时，人机智能界面系统则发送指令到吸棉风机变频控制器，通过减小或增加工作频率的方式调节吸棉风机的转速，从而达到节能增效的目的。
细纱机的技术改造应根据企业自身的设备条件、经济能力合理分步进行，以达到最佳的投资收益率。最简单直接的技术改造就是将吸棉风机功率由大换小，可能的前提下加装吸棉风管车尾端的负压检测表及吸棉风机变频控制线路，这样基本上就可以智能地控制吸棉风管内的负压值。有经济条件的企业，还可以增加单锭检测装置，将笛管改造成斜向单嘴吸管并加装电磁感应阀，所有这些改造项目与细纱机人机智能界面系统相联结，这样改造后的细纱机断头吸棉系统智能化程度更高。
4.1 吸棉风机改造
以纺纱企业生产规模1万锭为例，传统环锭纺细纱机每万锭大概有20台~24台，如果将细纱机吸棉风机的功率由2.2 kW改为1.5 kW，全天运转22.5 h，全年合计生产按320天计，工业用电按0.8元/（kW·h），可以计算万锭细纱机（24台）全年节约电费大约为（2.2-1.5）×24×22.5×320×0.8÷104=9.676 8（万元）。
4.2 吸棉笛管改造
吸棉笛管的最佳改造方案是同时安装吸管电磁感应阀、吸棉风机变频控制器，只有将单锭吸管或六锭笛管通过电磁感应阀联动智能控制，吸棉风机才具备长时间低频率运行的可能，这样才可大幅度降低细纱机吸棉风机的能耗。当电机的频率、电压下降时，电机的额定功率会随频率呈正比下降。假设正常纺纱情况下吸棉风机以额定频率50 Hz的60%运行，根据电机的额定功率=额定转矩×额定转速，由于吸棉风机工作频率降低了40%，根据公式（1）则风机的转速可降低40%，这样吸棉风机的功率也大致能降40%，万锭细纱机（24台）全年节约电费大约为1.5×0.4×24×22.5×320×0.8÷104=8.294 4（万元）。
4.3 投资与收益分析
纵观以上研究分析，通过调研相关的纺纱企业生产情况，现以江苏常州某纺纱企业1万纱锭改造为案例，分析研究细纱机断头吸棉系统经相关技术改造后的投资与收益情况。 细纱机单锭监测装置改造价格约35元/锭，万锭约需35万元；斜向单嘴吸管价格按20元/锭计算，万锭约需20万元；电磁感应阀价格按10元/锭计算，万锭约需10万元；万锭细纱机约24台，吸棉风机功率由2.2 kW更换成1.5 kW约需2.4万元，人机智能界面系统投资费为30万元，另外通风管道等小项目改造再机动增加10万元，这样万锭细纱断头吸棉智能系统改造费用共计约107.4万元。
由于更换了小功率吸棉风机并增加了变频控制装置，人机智能界面系统能控制吸棉风机长时间在低速状态下运行，根据前面的分析计算结果，万锭细纱机每年约可节省电费9.676 8万元+8.294 4万元=17.971 2（万元）。
细纱机值车工巡回台数改造前按5台/人计算，万锭每班约需值车工5人，由于改造后细纱断头能通过智能终端通知值车工，巡回效率更高，可增加值车工看台量。如果看台量按6台/人计算，万锭每班约只需值车工4人，三班值车工可减少3人，细纱机值车工工资按6 000元/月核算，每年企业可节省人工工资6 000元/人×3人×12个月=21.6（万元）。 另外 ，由于细纱断头后人机智能界面系统能及时通知值车工前去处理，可减少原料浪费。设细纱号数27.8 tex，前罗拉速度250 r/min，前罗拉直径25 mm，细纱值车工巡回处理一个断头时间可由6 min降低到0.5 min，则单个细纱断头可节约原料3.14×25×250×（6-0.5）×27.8÷106≈3（g）。细纱断头平均按15根/（千锭·h）计算，则万锭每年可节约原料3×15×10×22.5×320÷1 000=3 240（kg），细纱价格按18元/kg，回花价格按5元/kg核算，则可节约原材料费用约3 240×（18-5）÷104=4.212（万元）。综合以上投资与收益分析，万锭细纱机断头吸棉智能控制系统改造成本回收期约为107.4÷（17.9712+21.6+4.212）≈2.45（年）。如果技术改造的细纱机台数越多，则投资回收期会更短些。 在纺纱流程中，细纱机能耗比重很高，节能降耗任重道远。本研究针对细纱机断头吸棉系统运行中存在能耗原料浪费大，智能化程度不高等问题，提出可以通过吸棉风机变频控制、吸棉笛管单管控制和吸棉笛管智能控制等技术对细纱机断头吸棉系统进行改造提升。企业可以根据自身的设备条件、经济能力分步分批进行。生产实践证明，在单锭检测的基础上，将吸棉笛管改造成斜向单嘴吸管并加装电磁感应阀，再与细纱机人机智能界面系统相联结，是细纱机断头吸棉系统智能化改造的理想方案。项目的投资与收益分析显示，项目技术方案可行，投资回收期短，且能达到节能降耗、减员增收的效果。
公安备案号：11010502039965???