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Verfahren und Vorrichtung zum Zwirnen von Garnen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zwirnen von Garnen nach dem
Doppeldrall-Zwirnverfahren, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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In der Hauptanmeldung, der Deutschen Patentanmeldung P3239385.7, werden
Wege zur Reduzierung des Energieverbrauchs und zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit
des Etagenzwirnverfahrens aufgezeigt. Erreicht wird dies durch eine optimale Anpassung
der Zwirnspulengröße und der Spindeldrehzahl an die verarbeitete Garnstärke und
Zwirndrehung, durch die Optimierung der Form der Zwirnspule und durch eine Ummantelung
der Spule, die eine laminare Luftschicht um die Spule bewirkt.
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Die bekannten Doppeldrall-Zwirnverfahren zeichnen sich durch hohe
Produktionsgeschwindigkeit auch bei großen Spulenabmessungen aus. Nachteilig ist
dabei der verhältnismäßig hohe Energieverbrauch und die sehr hohen Fadenzugkräfte
infolge des dabei auftretenden großen Garnballons.
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Es wurden eine Reihe von Maßnahmen zur Verringerung dieser Nachteile
vorgeschlagen. So beschreibt die DE-OS 18 13 801 eine Vorlagespule, die an ihrem
oberen Ende konisch ausgebildet ist. Ferner wird in der
DE-OS 19
62 615 vorgeschlagen, den Spindelrotor konisch zu formen und so einen Teil der Spule
im Spindelrotor unterzubringen. Bezogen auf das im Ballon untergebrachte Spulenvolumen
erhält man damit einen stabileren Ballon mit geringerer Fadenspannung.
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Nach einer Veröffentlichung in Melliand Textilberichte 2/1975, Seite
104 ff geht die Ballonlänge linear und der Ballondurchmesser in der 3. Potenz in
den Energieverbrauch ein. Es liegt deshalb nahe, die Vorlagespule mit geringerem
Durchmesser und größerer Länge herzustellen, wie dies auch in der DE-OS 29 15 148
vorgeschlagen wird.
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In Eck, Technische Strömungslehre, 3. Auflage, Seite 151 ff ist die
Reibung von Radscheiben besprochen. Man kann daraus entnehmen, daß durch eine Ummantelung
deren Reibungswiderstand erheblich reduziert werden kann.
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Wird die Umströmung laminar, so geht dieser weiter zurück.
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Es wurde verschiedentlich vorgeschlagen, durch eine Kapselung des
Rotors bzw. der gesamten Spindel Staubablagerungen zu verhindern, die Lärmausbreitung
zu verringern, oder auch die Klimatisierung der Spule zu verbessern. Derartige Kapselungen
wurden bisher aber keinesfalls hinsichtlich des Energieverbrauchs optimal gestaltet.
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Im DE-GM 68 03 993 wird vorgeschlagen, das Garn in einem Führungskanal
um die Spindel herumzuführen und dadurch die Ballonausbildung wesentlich zu verkürzen.
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Mit dieser Maßnahme können zwar die Fadenzugkräfte im Ballon verringert
werden. Gleichzeitig steigt jedoch der Energieverbrauch derart stark an, daß die
Wirtschaftlichkeit dieser Anordnung, besonders auch im Hinblick auf die steigenden
Strompreise, infrage steht.
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Nach der DE-OS 29 52 283 wird der Garnballon von einem mit dem Spindelrotor
umlaufenden Topf aufgenommen, der beidseitig gelagert ist. Auch damit kann die Fadenzugkraft
erheblich verringert werden. Der Energieverbrauch nimmt aber eher noch-stärker zu,
als mit der oben beschriebenen Anordnung. In der Zusatzanmeldung DE-OS 30 23 073
wird versucht, den Luftreibungswiderstand des rotierenden Zylinders durch Ummantelung
mit einem feststehenden Topf und einer Spaltbreite zwischen beiden von weniger als
5, vorzugsweise weniger als 2 mm zu verringern. Der Erfolg dieser Maßnahme wird
mit 10% Einsparung angegeben und reicht deshalb nicht aus, deren Wirtschaftlichkeit
zu sichern.-Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Wirtschaftlichkeit
des Doppeldrallwirnverfahrens bei einwandfreier Zwirnqualitat weiter zu verbessern,
sowie eine energiesparende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung
zu stellen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die gleichzeitige Anwendung von Maßnahmen
zur Optimierung der Abmessungen und der Aufmachung der Vorlagespule, der Optimierung
der Drehzahl des Spindelrotors in Abhängigkeit von Garnstärke und Zwirndrehung und
durch die Reduzierung des Energieverbrauchs des Spindelrotors, sowie durch die Verringerung
der Zugkraft im Garnballon, wie dies in den Patentansprüchen beschrieben ist.
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In Melliand Textilberichte 2/1975 Seite 104 ff werden die Einflüsse
von Rotordurchmesser, Ballondurchmesser, Ballonlänge und Rotordrehzahl auf den Energieverbrauch
von Doppeldrall-Zwirnspindeln untersucht. Ballondurchmesser und Ballonlänge sind
gleichzeitig auch bestimmende Größen für die maximal möglichen Abmessungen der Vorlagespule.
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Die Produktionshöhe ist bei vorgegebenenem Titer und Drehung proportional
zur Rotordrehzahl. Deshalb sind die Kapitalkosten pro kg Produktion proportional
dem Kehrwert der Spindeldrehzahl, Der Arbeitsaufwand pro kg Garn wird mit zunehmendem
Spulengewicht kleiner und verhält sich proportional zum Kehrwert des Spulengewichts.
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Mit diesen Zusammenhängen lassen sich für jeden Wert von Titer und
Drehung und in Abhängigkelt von der Höhe des Stundenlohns, des Energiepreises und
der jährlich zu berücksichtigenden Kapitalkosten, sowie den Spulen- bzw. Rotorabmessungen
und der Rotordrehzahl die Höhe der Lohnkosten, der Energiekosten und der Kapitalkosten
je kg Produkt errechnen.
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Dabei stellt man fest, daß sich für vorgegebene Werte vqn Titer und
Drehung für bestimmte Werte von Spulenvolumen und Rotordrehzahl ein Minimum der
Summe dieser Kosten einstellt. Geringere Garnstärke und zunehmende Garndrehung verschieben
dieses Minimum in Richtung zu geringerem Spulenvolumen und höherer Rotordrehzahl.
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Die Möglichkeiten zur Beeinflussung der Kosten über eine derartige
Optimierung sind beachtlich. Deshalb ist es vorteilhaft, den Maschinenpark für unterschiedliches
Volumen der Vorlagespulen vorzusehen. Gegebenenfalls empfiehlt es sich auch, ganze
Maschinen entsprechend dem jeweils zu verarbeitenden Titer und Drehung umzurüsten.
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Die optimale Drehzahl des Spindelrotors ist lediglich von der gewählten
Spulengröße abhängig. Garntiter und Drehung sind nur von untergeordneter Bedeutung.
Vorteilhafterweise wird deshalb der Durchmesser des Antriebswirtels für den jeweiligen
Spindelrotor so gewählt, daß dessen Umfangsgeschwindigkeit unabhängig
von
der optimalen Drehzahl immer konstant ist. Eine Nachregulierung der Geschwindigkeit
des Spindelantriebs bei der Umrüstung kann dann entfallen.
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Führt man die hier beschriebene Optimierungsrechnung für Vorlagespulen
mit gleichem Spulenvolumen, aber unterschiedlichem Verhältnis von Länge zu Durchmesser
dieser Spulen durch, so beobachtet man, daß es auch für dieses Verhältnis einen
optimalen Wert gibt. Dieser liegt allerdings bei so hohen Werten, daß das Minimum
aus technologischen Gründen nicht erreicht werden kann.
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In jedem Falle empfiehlt es sich jedoch, für das Verhältnis von Länge
zu Durchmesser der Vorlagespule einen Wert von wenigstens 2,5 zu wählen.
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Die Form des Garnballons um die Vorlagespule ist an seinem unteren
Ende durch den Durchmesser des Spindelrotors vorgegeben. An seinem oberen Ende wird
er durch einen Fadenführer auf die Drehachse reduziert. Dabei entspricht der Rotordurchmesser
etwa dem größten Spulendurchmesser. Um ein möglichst hohes Garngewicht in dem Ballonraum
unterbringen zu können, ist es also zweckmäßig, die Form der Vorlagespule möglichst
gut der Ballonform anzupassen. Dies führt zu einer Spulenform, die nach oben etwa
kegelstumpfförmig ausläuft und in ihrem unteren Bereich zylindrisch ist.
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Üblicherweise werden Vorlagespulen mit verkreuztem Wickelaufbau verwendet.
Nachteilig ist dabei die verhältnismäßig geringe Packungsdichte. Bei einem Wickelaufbau
in Parallelwindung ist diese wesentlich höher, sodaß bei gleichem Spulenvolumen
ein deutlich höheres Spulengewicht erzielt werden kann. Zweckmäßigerweise werden
dafür Spulenhülsen mit einseitigem Flansch verwendet. Durch entsprechende Steuerung
der Fadenverlegung kann eine der Ballonform optimal angepaßte Form der vollen Vorlagespule
erreicht werden.
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Zweckmäßig ist es auch, als Vorlagespule eine Fachspule zu verwenden.
Damit kann der Ballonraum ebenfalls besser ausgenutzt werden, als bei Vorlage von
mehreren Spulen mit Einfachgarn.
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Unterschiedliche Fadenzugkräfte in den einzelnen Zwirnkomponenten
beim Ablauf von der Vorlagespule sind der Zwirnqualität nicht zuträglich. Diese
können vermieden werden, wenn beim Fachen mit wenigen Drehungen vorgezwirnt wird.
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Eine feststehende Ummantelung des Spindelrotors kann dessen Energieverbrauch
verringern. Eine Voraussetzung dafür ist, daß der Rotor daran gehindert wird, durch
Zentrifugalwirkung Luft von innen nach außen zu fördern. Die Ummantelung muß deshalb
gegen die Rotorwelle abgedichtet sein. Wegen der hohen Betriebsdrehzahlen erfolgt
diese Abdichtung vorzugsweise berührungsfrei z.B. als Labyrinthdichtung.
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Die gegeneinander bewegten Flächen von Rotor und innerer bzw. äußerer
Ummantelung sind zur Reibungsverminderung möglichst glatt und in ihrer Form so ausgeführt,
daß die dazwischen stattfindende Zirkulation möglichst wenig behindert wird.
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Der der Vorlagespule zugewandte Mantel wird vorzugsweise als Teil
des Stators ausgebildet. Die Ummantelung des äußeren Rotorteils kann in den Topf
des Ballonbegrenzers einbezogen werden.
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Normalerweise wird sich zwischen dem Rotor und dessen Mantel eine
turbulente Strömungsform ausbilden. Verringert man den Abstand zwischen beiden,
so kann auch eine laminare Strömung erzielt werden. Durch diese Strömungsrorm wird
der Reibungswiderstand ganz erheblich reduziert. Allerdings nimmt er mit abnehmender
Spaltbreite wieder zu.
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Es ist deshalb wichtig, für die Spaltbreite nicht den technisch noch
mögliehen Minimalabstand zu wählen.
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Vielmehr muß dieser für den zu erwartenden Bereich der Rotordrehzahlen
durch Versuche so optimiert werden, daß sich mit Sicherheit eine laminare Strömung
einstellt, die dafür benötigte Spaltbreite aber möglichst groß wird.
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Sehr wesentlich ist es, Schwingungen zwischen dem Rotor und dessen
Mantel zu verhindern. Nur so kann eine wirklich lamiffäre Strömung im gesamten Bereich
erzielt werden. Dies erreicht man durch guten Rundlauf des Rot.ors, dessen schwingungsfreie
Lagerung und eine sehr steife Ausführung des Spindelrotors und der Mantelteile.
Dabei kann die Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen nützlich sein.
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Die Neigung zu Schwingungen zwischen dem Spindelrotor und den feststehenden
Mantelteilen können auch dadurch verringert werden, daß der Rotor im feststehenden
äußeren Mantel gelagert wird und dieser mit der Spindelbank über ein Dämpfungsglied
verbunden ist. Schwingungen, die durch eine Unwucht der umlaufenden Teile verursacht
sind, können mit dieser Anordnung wesentlich verringert werden.
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In der Bohrung, durch die das Garn in der Spindel und im Rotor geführt
wird, bildet sich infolge der Zentrifugalkräfte eine nach außen gerichtete Luftströmung
aus. Diese Strömung verbraucht zusätzliche Energie und ist umso höher, je geringer
der Strömungswiderstand in der Bohrung ist. Deshalb ist es zweckmäßig, in diese
Bohrung eine oder mehrere Düsen einzusetzen, deren Durchmesser so gering ist, daß
das Garn eben noch ungestörten Durchlaß hat. Vorzugsweise sollten diese Düsen einzeln
oder gemeinsam entsprechend der Garnstärke ausgewechselt werden können.
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Die durch die Bohrung austretende Strömung kann auch die Ausbildung
einer laminaren strömung zwischen Rotor und Mantel erschweren. Deshalb ist es vorteilhaft,
unterhalb der Speicherscheibe einen weiteren Teller anzubringen, wobei das Garn
zwischen den beiden Tellern nach außen geführt wird. Diese Maßnahme bietet zudem
den Vorteil, daß die Form dieses zweiten Tellers leichter an diejenige des feststehenden
Mantels angepaßt werden kann.
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Bei Durehführug der bisher vorgeschlagenen Optimierungsmaßnahmen kommt
man zu Ballon formen und optimalen Drehzahlen des Spindelrotors, die zu einer viel
zu hohen Balionreibung und deshalb auch zu überhöhten Fadenzugkräften bzw. zum Ballonumschlag
führen. Auch kann das Garn infolge der Reibung am Ballonbegrenzungstopf beschädigt
werden. Deshalb müssen noch Maßnahmen zur Reduzierung der Ballonreibung und zur
Stabilisierung des Ballons getroffen werden.
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Wird der zweite mit dem Rotor verbundene Teller in den Bereich der
Ballonbildung hochgezogen, so wirkt dieser als mitrotierender Ballonbegrenzungstopf.
Die im Garnballon auftretenden Fadenzugkräfte können damit auch bei höchsten Drehzahlen
sehr niedrig sein und der Ballon selbst bleibt stabil.
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Dieser mitrotierende Ballonbegrenzungstopf wird an seiner Innenseite
von einem Teil des Stators und außen von einem feststehenden Mantel umgeben. Wird
dabei darauf geachtet, daß auch in diesem Bereich die laminare Strömung zwischen
dem rotierenden Ballonbegrenzungstopf und dem Stator bzw. dem feststehenden Mantel
erhalten bleibt, so läßt sich der durch diese Ausführung bedingte Energiemehrbedarf
in vertretbaren Grenzen halten.
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Bei dieser Ausführung ist es zweckmäßig, den feststehenden äußeren
Mantel höher zu ziehen, als den mitrotierenden Ballonbegrenzungstopf. Neben Einflüssen
auf die Strömungsform, wird damit auch einer zu starken Ausweitung des Ballons in
diesem Bereich entgegengewirkt.
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Durch die Ummantelung kann die notwendige Garnspeicherung nicht mehr
direkt beobachtet und eingestellt werden. Deshalb ist es vorteilhaft, dafür ein
von der Drehung des Sfiindelrotors gesteuertes Stroboskop zu verwenden. Der Lichtblitz
wird dabei von einer Markierung ausgelöst, die am zugänglichen Teil des Rotorschaftes
auf derselben Mantellinie liegt, wie der Austritt der radialen Bohrung. Die dann
mit dem Stroboskop zu beobachtende Winkelverschiebung zwischen radialer Bohrung
und Garn im Ballon ist ein Maß für die Höhe der Garnspeicherung.
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In den Abbildungen sind zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wiedergegeben.
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Bei der in Fig.1 dargestellten Ausführung wird das gefachte, gegebenenfalls
auch vorgezwirnte Garn(1) von der Vorlagespule(2) abgezogen und über die Fadenbremse(3)
durch die Achse der Vorlagespule der axialen Bohrung im Spindelrotor(4) zugeführt.
Darin ist zur Erhöhung des Stömungswiderstandes eine austauschbare Düse(S) angebracht.
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Durch die radiale Bohrung(41) gelangt das Garn zur Speicherscheibe(42)
und von dort über den Drehteller(43) in den Garnballon(11). Dieser wird an -seinem
oberen Ende durch einen nicht mehr gezeigten Fadenführer zusammengefaßt, das gezwirnte
Garn von einem Lieferwerk abgezogen und auf eine Spule aufge-.
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wunden.
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Der Spindelrotor(4) ist in der Spindelbank(6) drehbar gelagert und
wird über einen nicht gezeigten Wirtel von einem Tangentialriemen angetrieben. Die
Vorlagespule(2) sitzt aui dem Stator(7), der von Magneten(M) am Drehen verhindert
wird und der gegen den Spindelrotor(4) drehbar gelagert ist.
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Gegen den Schaft(44) des Spindelrotors ist der Stator(7) berührungsfrei
abgedichtet. Die Spindel ist von einem feststehenden, topfförmigen Ballonbegrenzer(8)
umgeben, der auch den Drehteller(43) und die Speicherscheibe(42) umschließt. Gegen
den Rotorschaft (44) ist dieser ebenfalls berührungsfrei abgedichtet. Die Räume
zwischen Drehteller und Stator bzw.
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Drehteller, Speicherscheibe und feststehendem Ballonbegrenzer sind
so ausgebildet, daß die jeweils dazwischen entstehenden Luftwirbel möglichst ungehindert
in sich zirkulieren können.
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Das Ausführungsbeispiel in Fig.2 unterscheidet sich von dem in Fig.1
vor allem dadurch, daß der Ballonbegrenzungstopf('45) als Teil des Spindelrotors
ausgeführt ist und mit diesem umläuft. Der Stator(7) ist der Form des Drehtellers(43)
angepaßt und gegen den Schaft(44) des Spindelrotors berührungsfrei abgedichtet.
Er hat einen zylindrischen Aufsatz(71). Dieser und der feststehende Topf(9) umgeben
den Ballonbegrenzungstopf(45) konzentrisch und in geringem Abstand. Der feststehende
Topf(9) ist gegen den Schaft(44) des Spindelrotors ebenfalls berührungsfrei abgedichtet
und etwas länger ausgeführt als der Ballonbegrenzungstopf selbst. Der Spindelrotor(4)
ist in dem feststehenden Topf(9) drehbar gelagert und dieser über das Dämpfungsglied(61)
mit der Spindelbank(6) verbunden.
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Der Ballonbegrenzungstopf(45) und der Drehteller(43) sind aus mit
(;las- und Kohlefaser-Laminaten vertärktem Epoxidharz in einer Wandstärke von 2.5
mm hergestellt.
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Der zylindrische Aufsatz(71) und der feststehende Topf(9) sind aus
mit Glasf'asern verstärktem Epoxidharz. Die bezüglich der Leiztungsaufnahme der
Spindel experimentell, das heißt durch Minimierung der Leistungsaufnahme ermittelte
optimale Spaltbreite zwischen Rotor und Stator bzw. feststehendem Topf betrug 2.2
mm.
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Anhand der bei4en Verarbeitungsbeispiele soll das Verfahren selbst
noch näher erläutert werden.
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Beispiel 1 Ein Wollgarn 21 tex x 2 wurde mit einer DD-Zwirnmaschine
gemäß Fig.1 mit 550 Drehungen/m gezwirnt.
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Als Vorgarnspule diente eine in Parallelwindung bewikkelte Vorzwirnspule
mit einer maximalen Bewicklungslänge von 400mm bei einem maximalen Wickeldurchmesser
von 140mm. Die Hubverlegung erfolgte mit einer einseitigen Differentialwicklung.
Das Spulengewicht betrug dabei 2.5kg, die Vordrehung 18 Drehungen/m.
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Der Rotordurchmesser war 150mm. Dabei betrug die maximal erreichbare
Rotordrehzahl 9500 U/min. Dabei betrug die Leistungsaufnahme pro Spindel 110 W.
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Beispiel 2 Ein Baumwollgarn 12.5 tex x 2 wurde auf einer DD-Zwirnmaschine
entsprechend der Anordnung von Fig.2 mit 800Drehungen/m verzwirnt.
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Als Vorlagespule wurde eine Vorzwirnspule mit einem maximalen Bewicklungsdurchmesser
von 108mm und einem maximalen Bewicklungshub von 360mm verwendet. Die
Spule
war in Parallelwindung mit Hubverkürzung aufgebaut. Das Bewicklungsgewicht betrug
1.6 kg, die Vordrehung 18 Drehungen/m.
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Der Rotordurchmesser war 112 mm und die Rotordrehzahl betrug 17000
U/min. Dabei hatte die Spindel eine Leistungsaufnahme von 140 W.