一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法与流程

本发明属于纺纱，涉及一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法。

背景技术：

1、目前世界上普遍应用的纺纱技术有三种：环锭纺、转杯纺、涡流纺。环锭纺已有250多年历史；转杯纺上世纪60年代开始应用；涡流纺在本世纪初开始应用(2002年由日本村田公司才开始产业化应用)，是目前世界上最先进的纺纱技术。传统的环锭纺和涡流纺属开放式纺纱，转杯纺属封闭式纺纱，因此，环锭纺和涡流纺的纺纱单元受环境温湿度的影响较大，涡流纺牵伸皮辊的转速(5000转/分以上)是环锭纺皮辊转速(160转/分)的30倍以上，传统环锭纺的皮辊基本没有温升，涡流纺的前皮辊温升达到25～30℃；因此，温湿度的波动对涡流纺设备的成纱质量和效率影响非常显著，涡流纺车间必须安装制冷空调(环锭纺纱没有严格要求)以保证环境温湿度的稳定是行业的共识，但要保证涡流纺纱单元温湿度波动小和皮辊散热的问题是行业面临的痛点。

2、例如：文献1(影响no861涡流纺纱机效率浅析.棉纺织技术.2010第12期第12～15页.文章编号:1001-7415(2010)12-0012-04)指出“因温湿度波动引起的效率损失次数约占到整个效率损失发生次数的70％”。文献2(纯棉喷气涡流色纺纱成纱质量的影响因素分析.棉纺织技术.2020第12期第47～50页.文章编号：1000-7415(2020)12-0047-04)试验结果显示，当温度为20℃时，对纱线质量指标影响不显著；当温度为30℃时，随着相对湿度的变化，纱线质量的差异有明显的变化，主要表现为相对湿度58％时纱线断裂强度最高；当温度为40℃时，纺纱质量和生产效率均表现较差。

3、传统纺纱速度较低(小于25米/分)，现代新型纺纱速度高达400米/分以上。高速纺纱状态下，牵伸皮辊高速旋转产生高温，导致橡胶皮辊、皮圈性能发生变化，进而会产生缠花、牵伸不良等有害的行为，需要通过保证车间温湿度和皮辊表面进行化学涂料处理来解决皮辊缠花的问题。因此，现代高速纺纱必须要保证恒温、恒湿的标准工作环境，才能确保设备的正常工作。现有的方案是整个厂房增加大型制冷设备，调节整个厂房的温湿度来保证纺纱单元的温湿度要求。然而，通过控制大环境保证厂房温湿度存在如下缺点：

4、(1)大环境的温湿度均匀性差；受空调出风口位置、设备发热部位、靠门窗附近等因素，都会导致纺纱单元温湿度差异很大；例如，文献3(提高细纱车间温湿度均匀性的方法与实践.棉纺织技术.2023第5期第59～52页.文章编号：1000-7415(2023)05-0059-04)提及“由于细纱在牵伸、加捻、成形过程中温湿度对纱线的强力、毛羽等指标影响较大，使得同一台细纱机生产的纱线质量出现差异，相对湿度过低或过高都会出现断头增加的现象，影响生产效率”。

5、(2)能耗消耗大；因要控制整个厂房的温湿度稳定，但空间大、厂房保温性差等因素，导致制冷量增大。

6、(3)厂房的飞花和粉尘污染纺纱牵伸区；现有纺纱单元都是开放式纺纱，飞花和粉尘容易进入牵伸区，而导致纱线质量问题。

7、(4)车间空气污浊，严重影响工人身心健康；为保持大车间的温湿度稳定，基于节能和中央空调负荷方面考虑，通常空调机组都使用内循环，新鲜空气补充较少。

8、为了解决上述问题，专利cn202410033042.9公开了一种涡流纺的纺纱方法及纱线，公开了对纺纱单元的牵伸区进行单独控温，从而提升成纱质量。然而该专利只是对特殊纤维的纺纱工艺方法，通过纤维降温以减少化学油剂的挥发，其缺点是：冷气吹入容易导致纱线纤维紊乱，影响纤维牵伸质量；且冷气只作用在纤维的纱体上，对整个牵伸系统起不到降温的效果；而且最大的问题是解决不了牵伸系统湿度稳定和皮辊散热的问题；同时吹气会产生更多的飞花，导致纱线质量问题。

9、因此，研究一种系统性的解决方案以解决现有技术中存在的问题，具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，纺纱过程中，通过变截面送风管道将恒温恒湿的气流输送至每个纺纱单元，输送至各纺纱单元中的气流量和气流速度相等；所有纺纱单元各自独立地通过支管与变截面送风管道相连，所有支管的横截面积相等，且等于变截面送风管道输出末端的横截面积，所有支管沿着变截面送风管道的长度方向等间距分布，间距为纺纱单元的锭距l；

4、变截面送风管道的截面为圆形或正方形，变截面送风管道从气流输入端到输出端的横截面积均匀变小，且横截面半径或边长的渐变率为(1/n)1/2，其中n为纺纱单元数量；如图2所示为现有技术的变截面主风管，每一节和每一节尺寸都不一样(一端大、一端小)，制造工艺复杂，不适合批量生产；且外观不整齐，与整机外观不协调。本发明采取统一制造等截面(以进风口截面为最大)风管，用斜板按照统一的斜率(斜率为(1/n)1/2)把等截面进行分割实现变截面。该方式制造方法标准，工艺简单，制造成本低，最适合批量生产；且外观统一、美观。

5、或者，变截面送风管道的截面为长方形，变截面送风管道从气流输入端到输出端的横截面中长度或宽度均匀变小，且该均匀变小的长度或宽度的渐变率为1/n，其中n为纺纱单元数量；

6、通过计算单个微环境要达到温湿度平衡所需气流流量为q1，且气流流动速度不干扰纤维牵伸，气流速度为v(不考虑管道摩擦损失，变截面送风管道和支管流速相等)，每个微环境进气支路截面积为s1(各支管截面积不变)。

7、其中：

8、q1＝ v* s1 (1)；

9、设定有n个纺纱单元(微环境)，变截面送风管道的总流量为q；

10、q＝n* q1＝ n*v* s1 (2)；

11、变截面送风管道的气流输入端的横截面积为s；

12、s＝q/v (3)；

13、如果变截面送风管道是等截面送风管道(s不变)，管道流量q从头端到尾端是逐步减小，从(3)式中可得出气流速度v也是同比例减少，从(1)式中可得出每个微环境气流流量q1也是同比例减少，这样就导致管道头端和尾端的微环境气流流量q1差异很大。

14、如果要保证管道头端和尾端的微环境气流流量q1不变，从(1)式中可得出气流速度v要保持不变，从(3)式中可得出随着管道流量q的减小，主管道截面s也是同比例减少(变截面)，把(2)式代入(3)式，得：

15、s＝ n* s1 (4)；

16、从(4)式中可以看出，变截面送风管道的气流输入端的截面为n*s1，末端最小截面为s1，当变截面送风管道的截面为圆形或正方形，横截面半径或边长的渐变率为(1/n)1/2(s1挪到公式左边，上下同时开平方)；当变截面送风管道的截面为长方形，变截面送风管道从气流输入端到输出端的横截面积中的长度或宽度均匀变小，且该均匀变小的长度或宽度的渐变率为1/n(s1挪到公式左边，上下同时约掉没有变化的宽度或长度)；

17、各纺纱单元上分别安装单元整流罩，单元整流罩由整流罩主体和导流板组成，导流板为沿厚度方向开设有均匀通孔的多孔板，整流罩主体将纺纱单元的牵伸区除底部以外的区域包围，即纺纱单元的牵伸区底部是开放式，气流向下流通，而上部以及前、后、左、右都被整流罩主体包围起来，导流板安装在整流罩主体内部，且导流板覆盖纺纱单元的牵伸区上部，将导入气流通过均布的小孔变得柔和，避免气流扰动牵伸须条；

18、纺纱过程中各纺纱单元中的温度波动范围为设定值±2℃，湿度波动范围为设定值±2.5％。

19、本发明针对现有技术的缺点，利用现代精细化的控制技术，将控制设备大环境的温湿度的方法，改变为精准“点对点”的温湿度控制方法。通过对纺纱流程的分析，环境温湿度变化受影响最大的是纺纱单元的牵伸区，因此针对每个纺纱单元的牵伸区建立温湿度控制的微环境将中央空调的气流均匀地输送到每个纺纱单元，用单元整流罩在牵伸区形成一个稳定的微环境。通过仿真技术计算出每个微环境维持温湿度平衡的气体流量，控制气体流速，再经过导流板让气流均匀、柔和地作用于整个系统。这样从控制大环境的温湿度转变为控制局部温湿度，不仅精确性变高，而且大幅度的节能，同时，由于牵伸区单元整流罩内有恒温恒湿的气流输入，对外部形成微正压，防止了外部的飞花和粉尘进入到牵伸区，提升了成纱质量。车间大环境可以大量补充室外的新鲜空气，而微环境的温湿度不受此影响，极大地改善了车间工作环境。本发明是基于整个牵伸系统皮辊的散热、温湿度的平衡、纤维油剂的挥发、防止外部飞花等影响牵伸质量而提出的系统性的解决方案。

20、作为优选的技术方案：

21、如上所述的一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，变截面送风管道内壁安装有保温层，确保输送的气流不受外部环境的影响。

22、如上所述的一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，所有支管均为软管，软管的管径大于等于100mm。专利cn202410033042.9的冷气出口截面很小，输出流量达不到牵伸系统降温的目的，支路输出口直径(即软管管径)大于等于100mm才能满足纺纱单元的温湿度平衡的需求。另外专利cn202410033042.9只对着牵伸区吹冷气，开放式的环境温湿度无法达到平衡，由于大环境温湿度高，会在牵伸部件上形成冷凝水(而其冷气量越大，冷凝现象越严重)，影响牵伸质量。

23、如上所述的一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，导流板上通孔的孔径为2～3mm，通孔的占比为30～35％。

24、如上所述的一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，采用涡流纺纺纱工艺，工艺流程为纤维→清花→梳棉→并条→涡流纺→纱线，本发明的方法不仅限于涡流纺，对于开放式纺纱工艺也均适用。

25、如上所述的一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，各纺纱单元中的气流量q1为7～8m3/h，气流速度小于等于2m/s。环锭纺和涡流纺均属开放式纺纱，牵伸受温湿度波动影响较大，但环锭纺速度低(牵伸皮辊速度约160转/分左右)，皮辊散热基本和环境温度达到平衡，不存在散热问题，控制车间大环境基本能保证它对环境温湿度的要求。涡流纺牵伸皮辊的转速(5000转/分以上)是环锭纺牵伸皮辊转速(160转/分)的30倍以上，牵伸皮辊是牵伸系统发热最多的部位，正常环境下纺纱过程中传统环锭纺的牵伸皮辊基本没有温升，而涡流纺的牵伸皮辊温升却达到25～30℃。采用本发明的方法，通过多次模拟和验证，在微环境下各纺纱单元中的气流量输出流量达到q1时，气流速度设定小于2m/s，牵伸皮辊温升基本达到平衡(温升5～8℃)。

26、对于微环境空气流速越低越好，这样对纤维的牵伸状态干扰小，但微环境又需要一定的空气流量才能把皮辊产生的热量带走，通过多次模拟和验证，从试验情况来看气流速度小于等于2m/s对纤维的牵伸状态基本没影响。

27、如上所述的一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，当纤维为棉纤维，且纱线线密度为14.8tex时，纺纱过程中各纺纱单元中的温湿度分别设定为26±2℃、52±2.5％，纱线条干均匀度≤15.5％，千米棉结数(+200％)(即条干仪的灵敏度门限在+200％的挡位上的千米棉结)≤60个/km，单纱断裂强度≥19cn/tex，单纱强力变异系数≤9％，十万米纱疵≤5个/100km；

28、当纤维为纤维素纤维且纱线线密度为14.8tex时，纺纱过程中各纺纱单元中的温湿度分别设定为28℃±2℃、55％±2.5％，纱线条干均匀度≤15％，千米棉结数(+200％)≤50个/km，单纱断裂强度≥10.5cn/tex，单纱强力变异系数≤10％，十万米纱疵≤15个/100km；

29、当纤维为涤纶纤维且纱线线密度为14.8tex时，纺纱过程中各纺纱单元中的温湿度分别设定为28±2℃、58±2.5％，纱线条干均匀度≤15％，千米棉结数(+200％)≤30个/km，单纱断裂强度≥22cn/tex，单纱强力变异系数≤10.5％，十万米纱疵≤15个/100km。

30、如上所述的一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，恒温恒湿的气流由空调机组产生并输送到变截面送风管道；空调机与一个系统控制箱电性连接，系统控制箱用于控制空调机产生的恒温恒湿的气流的温度、湿度以及风速。图

31、如上所述的一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，变截面送风管道内设有温湿度传感器和风速传感器，温湿度传感器和风速传感器分别与系统控制箱电性连接，当温湿度传感器和风速传感器的测量值与设定的恒温恒湿的气流的温度、湿度以及风速存在偏差时，系统控制箱控制空调机组，使得温湿度传感器和风速传感器的测量值分别与设定的恒温恒湿的气流的温度、湿度以及风速相同。

32、本发明通过流体仿真计算，将空调机组输出恒温恒湿的空气均匀的送至每个纺纱单元；如图1所示，通过精确的温湿度及流速等参数pid闭环控制算法，保持每个纺纱单元环境温湿度稳定。如图7所示：“工艺热回风”是从车间循环回用空气(提供热量降低能耗)，“共用一个探头”是指使用车间大环境的温湿度传感器，车间回风经箱体新风初效过滤网滤去灰尘和短绒，一部分直接通过二次回风阀调节比例作为平衡气流回用，另一部分通过新风阀混入新鲜空气，进入制冷机组，通过压缩机控制露点(除湿、降温)，达到需要的温湿度空气，与二次回风混合，向各纺纱单元输送空气，在输送传感器监控下进行pid闭环调节，实现纺纱单元的恒温恒湿。其核心：将模拟量控制转化为数字量控制，控制更为精确。pid控制器根据设定的目标值和传感器数值之间的差异，自动调节温度、湿度与风速设备，以达到温湿度和流速的自动控制。

33、如上所述的一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，变截面送风管道的周面通过软管分别与各纺纱单元上的单元整流罩的顶部连接，从而将恒温恒湿的气流输送至整流罩主体内；软管与变截面送风管道的周面的连接处设有节流阀，用于调节输送至单元整流罩的气流量；理论上，变截面送风管道内的v设定为不变值，但实际上变截面送风管道的气流输入端到输出端由于管道的损耗，空气流速还是有差异，通过设置节流阀减少横截面，从而降低流量(降低流量大的支管的流量)，保证所有软管的流量一致。

34、如上所述的一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，当变截面送风管道的截面为圆形或正方形时，变截面送风管道的斜率k＝r1*(n1/2-1)/l*(n-1)；r1为变截面送风管道输出端的横截面的半径或边长；l为相邻两个支管的中轴线的间距，即纺纱单元的锭距；n为支管的数量；

35、具体地推导过程为：

36、k＝△r/l*(n -1) (5)；

37、式中：k——为变截面斜率；

38、△r——△r＝r-r1，为最大值半径与最小半径之差(mm)；

39、l——纺纱单元的锭距(mm)；

40、r＝r1*n1/2；

41、则：

42、△r＝r-r1＝ r1*n1/2- r1 ＝ r1*(n1/2-1) (6)；

43、将(6)式代入(5)式，得：

44、k＝ r1*(n1/2-1)/ l*(n -1) (7)；

45、根据公式(7)可知，当n确定，k就确定；

46、当变截面送风管道的截面为长方形时，斜率k＝b1/l；b1为变截面送风管道输出端的横截面中均匀变小的长度或宽度；l为相邻两个支管的中轴线的间距，即纺纱单元的锭距；n为支管的数量，也即纺纱单元数量；

47、具体推导过程为：

48、s＝a*b (8)；

49、s1＝a*b1 (9)；

50、式中：a——变截面送风管道的宽度(mm)；

51、b——变截面送风管道的输入端的高度(mm)；

52、b1——变截面送风管道的输出端的高度(mm)；

53、(上述推导过程也可以控制高度不变，宽度变)；

54、s＝n* s1＝ n* a*b1 (10)；

55、k ＝( b- b1)/ l*n＝( n* b1- b1)/ l*(n-1)＝ b1 *( n-1)/ l*(n-1)＝ b1/l (11)；

56、根据公式(11)可知，当n确定，k就确定。

57、如上所述的一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，可以将等截面送风管改造为变截面送风管道，具体地，将斜板设置在等截面送风管中，斜板与水平面的斜率为k，斜板水平方向的长度与等截面送风管的长度相同，斜板的宽度与等截面送风管宽度相同；斜板的下表面与等截面送风管围成的结构即为变截面送风管道。

58、本发明后续实施例仅示意一套空调机组供一台设备的技术方案；图6示意用中央空调机组为多台设备供气的技术方案，其中，主送风管道是单机台流量的总和，为保证单机台在主送风管道的前后端流量平衡，主送风管道最多带10个单机台，或者做成环形主送风管道，单机数量就可不限。

59、有益效果：

60、(1)本发明的一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，通过精确控制每个纺纱单元微环境温度、湿度、流速及流量，保证各个纺纱单元温湿度达到一致，确保纺纱单元工作的稳定性，控制大环境和“点对点”控制微环境节能降耗显著，系统节能80％以上。

61、(2)本发明的一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，纺纱单元牵伸区微环境温湿度稳定，防止了牵伸部件的缠花，提升了牵伸器材使用寿命和纺纱效率；同时防止外部的飞花和粉尘进入到牵伸区，提升了成纱质量。

62、(3)本发明的一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，该装置与传统方式比较从吨纱能耗和吨纱耗材下降，纱线质量和生产效率提升，纺纱综合效益提升显著。

63、(4)本发明的一种基于纺纱微环境系统的纺纱方法，纺纱单元牵伸区微环境不受外部大环境影响，车间可以补充大量的新鲜空气，极大改善工作环境。