JP6027998B2 - リング式紡機の液潤滑の無いリング／トラベラ系 - Google Patents

Description

本発明は、リング式紡機の液潤滑の無いリング／トラベラ系に関する。

リング精紡機用のリング／トラベラ系において、摩擦摩耗や焼き付きなどによる性能低下を抑制することによって高速化や寿命延長を達成するため、材質変更、表面処理、形状変更、潤滑液の使用等の種々の技術が提案されている。このうち、潤滑液を使用する方策は、比較的低コストで効果もあるが、オイルによって通過する糸が汚れたり、メンテナンスに手間がかかったりする等の問題があり、毛紡などの比較的限られた用途にのみ用いられている。

液潤滑を用いずに、従来品に比べて摩擦低減効果が向上し、かつ摩擦低減効果を長く持続することができるリング式紡機のリング／トラベラ系が提案されている（特許文献１及び特許文献２参照）。特許文献１に記載のリング式紡機のリング／トラベラ系は、非液潤滑で、トラベラの滑走時におけるトラベラとリングとの摺動面に、０．１〜２０μｍの深さの凹部と、１〜２５０μｍの幅の平面部と、が交互に形成されている。ここで、「リング式紡機」とは、リングレールに支持されて昇降するリング上を摺動するトラベラを介して糸の巻き取りを行うリング精紡機、リング撚糸機等の紡機を意味する。また、「凹部」とは、溝及び周囲が平面で囲まれた窪みを意味する。凹部の存在により、トラベラの摺動時に周囲の空気によるくさび効果が生じて摩擦低減効果が得られるとともに、摺動は平面部で行われるため凹部が摩滅することはないとしている。

また、凹部は円形で直径５〜５０μｍ、深さ１〜１０μｍの窪みであり、隣り合う窪み間の距離が１０〜１００μｍであることが好ましいとしている。凹部が円形の窪みで直径、深さ及び隣り合う窪み間の距離が前記の範囲の場合、くさび効果及びトラベラとリングとの摺動界面から摩耗粉やその他異物を排出する効果により摩擦低減効果が良好に得られるとしている。

特許文献２に記載のリング式紡機のリング／トラベラ系は、非液潤滑で、トラベラの滑走時における前記トラベラとリングとの摺動面に、４００個／ｃｍ以上の凹部を有する。リング／トラベラ系の摺動面に、４００個／ｃｍ以上存在する凹部に繊維薄膜が入り込むことで薄膜の付着力が向上し、繊維薄膜の剥離が防止されて繊維薄膜の潤滑による摩擦低減効果によって、トラベラの滑走抵抗が低減された状態に維持されるとしている。

特開２０１４−２９０４５号公報 特開２０１４−２９０４６号公報

特許文献１では、トラベラの滑走距離が９０００ｋｍまでの滑走距離と滑走抵抗の関係が開示されており、市販品に比べて滑走抵抗が小さく摩擦低減効果が持続されていた。しかし、特許文献１の構成のトラベラを使用して、リング精紡機において滑走距離を１７０００ｋｍまで延ばして紡出を行うと、滑走抵抗は高くなり、交換が必要になった。

また、特許文献２では、４００個／ｃｍ以上の凹部として硬質クロムメッキ層の表面に形成されたマイクロクラックを利用することが開示されているが、マイクロクラックを形成することで硬質クロムメッキ層の耐久性に悪影響を与えるおそれがある。また、４００個／ｃｍ以上の凹部として溝や窪みをリング又はトラベラの表面に加工することも特許文献２に開示されているが、溝又は窪みを４００個／ｃｍ以上とするためには、加工が可能な溝又は窪みの大きさを考慮すると、溝又は窪みが形成されない平面部の面積が極めて狭くなってしまい、溝又は窪みが早期に摩滅して摩擦低減効果を持続させることができない。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、液潤滑を用いずに、従来品に比べて摩擦低減効果を長く持続することができるリング式紡機のリング／トラベラ系を提供することにある。

上記課題を解決するリング式紡機の液潤滑の無いリング／トラベラ系は、トラベラの滑走時における前記トラベラとリングとの摺動面に、深さが０．５〜８μｍで、径が５〜３０μｍの円形の窪みが、面積率が５〜１６％となる範囲で形成されている。ここで、「円形」とは、真円に限らず、楕円率が０．８以上の楕円であってもよい。また、「面積率」とは、トラベラとリングとの摺動面全体の面積に対する窪み全体の面積の割合を百分率で表した値である。

この発明では、トラベラとリングとの摺動面の表面テクスチャにより、トラベラの摺動時に糸成分由来の炭素が摺動面全体に薄く付着物として形成される。そして、摺動面全体に付着物が薄く形成された後は、この付着物が潤滑膜として作用し、リングとトラベラとの金属同士の固体接触が防止され、トラベラの摩耗が低減する。したがって、液潤滑を用いずに、従来品に比べて摩擦低減効果を長く持続することができる。

前記窪みの径は８〜２５μｍであることが好ましい。窪みの径が小さすぎても、大きすぎても、面積率との関係で潤滑膜として作用する付着物が薄く均一に付着し難くなり、摩擦低減効果が長く持続し難くなる。そのため、窪みの径は８〜２５μｍであることが好ましい。

前記窪みは深さが１〜５μｍであることが好ましい。トラベラの摺動によってトラベラとリングとの摺動面に潤滑膜として作用する付着物が初期から付着するために、窪みの深さが１〜５μｍであると摩擦低減効果が良好に得られる。

本発明によれば、液潤滑を用いずに、従来品に比べて摩擦低減効果を長く持続することができる。

（ａ）は実施形態のリングの斜視図、（ｂ）は部分拡大斜視図、（ｃ）は紡出中のトラベラとリングとの関係を示す模式断面図。 （ａ）は凹部を示す模式平面図、（ｂ）は模式断面図。 （ａ）は実施形態の作用を示す模式図、（ｂ）は従来品の作用を示す模式図。 滑走抵抗と滑走距離との関係を示すグラフ。 （ａ）は実施形態におけるリング表面の付着物の付着状態を示す模式図、（ｂ）は窪みのないリング表面の付着物の付着状態を示す模式図。 （ａ）は実施形態におけるリング表面の付着物の付着状態を示す模式断面図、（ｂ）は窪みのないリング表面の付着物の付着状態を示す模式断面図。 面積率と摩耗レベルの関係を示す図。 （ａ）は実施形態のリングを使用した場合のトラベラの摩耗状態を示す模式図、（ｂ）は比較例のリングを使用した場合のトラベラの摩耗状態を示す模式図。

以下、本発明をリング精紡機のリング／トラベラ系に具体化した一実施形態を図１〜図８にしたがって説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、リング／トラベラ系を構成するリング１１は、断面形状がＴ型のフランジ１１ａを有し、トラベラ１２はＣ型断面形状に形成されている。リング１１はベアリング鋼で形成され、図１（ｂ），（ｃ）に示すように、フランジ１１ａの表面にメッキ層１３が形成されている。メッキ層１３はクロムメッキで、厚さが１０〜２０μｍ程度に形成されている。

メッキ層１３には、トラベラ１２の滑走時におけるトラベラ１２とリング１１との摺動面に、この実施形態では図１（ｃ）に示すようにフランジ１１ａの内周面に、周期構造（表面テクスチャ）１４が形成されている。周期構造１４は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、円形の窪み１５が所定間隔で形成されることによって構成されている。窪み１５は、深さが０．５〜８μｍ、好ましくは１〜５μｍ、より好ましくは２〜４μｍで、径が５〜３０μｍ、好ましくは８〜２５μｍ、より好ましくは１０〜２０μｍで、面積率が５〜１６％となるように形成されている。面積率とは、トラベラ１２とリング１１との摺動面全体の面積に対する窪み１５全体の面積の割合を百分率で表した値である。

窪み１５は、例えば、フェムト秒パルスレーザや高出力ナノパルスレーザをリング１１の窪み１５を形成すべき箇所に照射することにより形成される。
次に前記のように構成されたリング／トラベラ系の作用を説明する。図示しないドラフトパートから送出された糸Ｙは、図１（ｃ）に示すように、トラベラ１２を経て高速回転されるボビン（図示せず）に巻き取られる。リング精紡機の通常紡出運転時のスピンドルの最高回転速度は２５０００ｒｐｍ程度であり、トラベラ１２は糸Ｙの巻取り張力によりフランジ１１ａ上を滑走する。トラベラ１２の滑走姿勢は回転速度により若干異なるが、図１（ｃ）に示すように、フランジ１１ａの内側下部に当接した状態で滑走する。

この実施形態のリング／トラベラ系は、トラベラ１２の滑走時におけるリング１１とトラベラ１２との摺動面に、窪み１５が所定の条件を満たす状態で形成された周期構造１４を有する。そのため、トラベラ１２の摺動時に、窪み１５により糸成分の付着物が形成されるためトラベラ１２の滑走抵抗が小さくなる。

また、窪み１５は、面積率が５〜１６％であるという要件を満たして形成されているため、リング１１の表面テクスチャにより、摺動時に糸成分由来の炭素が、図３（ａ）に示すように、摺動面全体に薄く付着物１６として形成される。そして、摺動面全体に付着物１６が薄く形成された後は、この付着物１６が潤滑膜として作用し、リング１１とトラベラ１２の金属同士の固体接触が防止され、トラベラ１２の摩耗が低減する。その結果、摩擦低減効果が長く持続されてトラベラ１２が摩耗し難くなる。なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）では、トラベラ１２のリング１１との摺動面の凹凸を誇張して図示している。

一方、リング１１のトラベラ１２との摺動面に窪み１５が形成されても、窪み１５が、深さが０．５〜８μｍで、径が５〜３０μｍで、面積率が５〜１６％であるという要件を満たしていない場合は、図３（ｂ）に示すように、摺動面の一部にのみ付着物１６が形成され、付着物１６の厚さが厚くなる。付着物が形成されていないところでは、トラベラとの金属接触が生じ摩擦が高くなり、トラベラの摩耗が進む。その結果、糸成分由来の炭素が摺動面全体に薄く付着物１６として形成された場合に比べて、摩擦低減効果は長く持続しない。

ベアリング鋼製でフランジ１１ａの表面にＣｒメッキが被覆されたリング１１のトラベラ１２との摺動面に周期構造（表面テクスチャ）１４を形成した。
リング１１への表面テクスチャの形成には、例えば、高出力ナノパルスレーザ（スペクトラ・フィジックス製ＨＩＰＰＯ 355-5Ｗ、レーザで波長３３５ｎｍ）を用いた。レーザ照射条件としては、パルスエネルギー：８６uJ、パルス時間：１２ｎｓとし、大気中にてリングを治具に固定し、回転速度：５０°/secで２５回周回させた。レーザ照射によって形成された表面テクスチャの穴径は２０μｍ、深さ２μｍで、リング周方向に７０μｍ間隔で、軸方向に６０μｍ間隔で表面テクスチャを形成させた。リング１個の処理時間は約１６０秒であった。これ以外にもレーザ照射条件を変更し、各種テクスチャを形成した条件の一例を表１に示す。なお、１ｃｍ当たりの穴の個数は１１１〜１２５個である。

表１において、試料１が特許文献１の発明品で、本願発明の従来品となる。試料２〜試料４が本願発明品となる。

表面テクスチャを形成したリング１１（以下、表面テクスチャ品と記載する場合もある。）を使用したリング／トラベラ系と、比較例として表面テクスチャを形成しない市販品のリングを使用したリング／トラベラ系とを構成した。そして、滑走距離２５０００ｋｍとなるまで紡出試験を行い、滑走抵抗と滑走距離との関係を調べた。紡出は、トラベラ１２の滑走距離が１４００ｋｍまでは１５０００〜２１０００ｒｐｍで段階的に回転数を上げて慣らし運転で紡出し、滑走距離１６００ｋｍ以降において高速回転（２２０００ｒｐｍ）で紡出を行った。滑走抵抗は、リング１１を回転可能に支持し、トラベラ１２により、リング１１に与えられる連れ回り力をロードセルで計測して求めた。

図４に、滑走抵抗と滑走距離との関係の結果を示す。図４から、慣らし運転後の高速回転の紡出時には、市販品のリングを使用した場合に比べて、表面テクスチャ（周期構造１４）を有するリング１１ではいずれも滑走抵抗が小さくなり、表面テクスチャの効果が確認された。また、表面テクスチャを有するリング１１であっても、面積率が５〜１６％という本発明の構成要件を満たさない試料１（従来品）では、滑走距離が１７０００ｋｍになると滑走抵抗が１８[ ｇｆ] 〜１９[ ｇｆ] まで大きくなった。一方、本発明品の試料２〜試料４では、滑走距離が１７０００ｋｍを越えても、滑走抵抗は殆ど変化しない。即ち、表面テクスチャの要件が従来品と異なる本発明品は、従来品に比べて摩擦低減効果を長く持続することができることが確認された。

紡出をトラベラ１２の滑走距離２５０００ｋｍまで行い、滑走距離２５０００ｋｍ時点で、トラベラ摩耗を評価した。また、紡出後の表面テクスチャ品及び市販品のリングの摺動面の表面と、表面付近の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。また、摺動面の表面の炭素を電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）で分析した。

図５（ａ），（ｂ）にＥＰＭＡの分析結果を模式図として示す。図５（ａ）は、本発明品の表面テクスチャ品の摺動面の分析結果を示し、図５（ｂ）は、表面テクスチャが形成されていないリングの摺動面の分析結果を示す。なお、図５（ａ），（ｂ）において、ドットの存在する部分が付着物１６が付着した箇所を示し、単位面積当たりのドットの数が多い方が付着物１６の厚さが厚いことを示す。

図５（ａ）に示すように、表面テクスチャ品の摺動面では、摺動面全体に炭素の付着物１６が薄い状態で検出され、窪み（穴）１５の部分では厚く（高濃度で）検出された。一方、図５（ｂ）に示すように、表面テクスチャが形成されていないリングの摺動面では、摺動面の一部に付着物１６が付着し、付着物１６の厚さは、本願発明品の付着物１６より厚く付着した部分が多かった。この付着物１６は、トラベラ１２と糸Ｙとの摺動時に生成した糸Ｙの摩耗粉が、トラベラ１２とリング１１との摺動面に入り込むことで形成されたものと考えられる。

糸の主成分は、セルロースであることから、その有機成分由来の蛍光成分がＥＰＭＡで分析されたと考えられる。これらの付着物についてラマン分析した結果、表面テクスチャ品の付着物では、窪み１５よりも光沢面（摺動面）の方にアモルファスカーボン成分由来のスペクトルが検出されていた。前述したセルロース由来成分以外にもこれらも潤滑性に寄与し、摩耗低減していると考えられる。

リングの摺動面の表面付近の断面を模式的に示すと、図６（ａ）に示すように、表面テクスチャ品の摺動面に形成された付着物１６の厚さに比べて、図６（ｂ）に示すように、表面テクスチャが形成されていない摺動面での付着物１６の厚さが厚い。具体的には、表面テクスチャ品の摺動面に形成された付着物１６の厚さが、サブミクロン程度、即ち１μｍ未満であるのに対して、表面テクスチャが形成されていない摺動面での付着物１６の厚さは、例えば、２μｍ程度と厚かった。

表面テクスチャ品上を摺動したトラベラ１２の摩耗を評価した。トラベラの摩耗評価は、紡出試験後に残存する最小の厚みとし、摩耗レベルを以下のように定義した。摩耗レベル１は、トラベラの初期厚みを基準とし、トラベラが摩耗していない場合とした。摩耗レベル２は、トラベラの初期厚みの半分以上の厚みとし、摩耗レベル３は、トラベラの初期厚みの半分未満とした。さらに摩耗が進行している段階で、４〜５と設定し、この段階になると糸の紡出性能が低下し、トラベラ交換が必要となる。

その結果を図７に示す。なお、比較材としては、テクスチャを形成していない未処理品とした。未処理品は、摩耗レベルがほぼ４となるのに対して、表面テクスチャ品上を摺動したトラベラは、最も良い摩耗レベルでは１．５〜２と摩耗の少ない結果が得られた。表面テクスチャが形成されていても、面積率が２％の場合、即ち、面積率が５〜１６％の要件を満たしていない場合は、摩耗レベルは３となった。また、図示しないが、表面テクスチャ品では窪み１５の径が３０μｍを超えると、摩耗レベルは３以上となる。したがって、穴径は８〜３０μｍが好ましい。また、面積率も重要であり、５〜１６％が好ましい。

トラベラ１２の摩耗状態を観察したところ、比較例の試料１のリングを使用した場合は、図８（ａ）に示すように、リングとの摺動面となる部分に摩耗部２０が形成されていた。しかし、図８（ｂ）に示すように、実施例の試料２〜試料４のリング１１を使用した場合は、形成された摩耗部２０’は、試料１のリングを使用した場合の摩耗部２０に比べて減少していた。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）リング式紡機（リング精紡機）のリング／トラベラ系は、トラベラ１２の滑走時におけるトラベラ１２とリング１１との摺動面に、０．５〜８μｍの深さで、径が５〜３０μｍの円形の窪み１５が、面積率が５〜１６％となる範囲で形成されている。そのため、トラベラ１２の摺動時に、窪み１５により糸成分由来の炭素が摺動面全体に薄く付着物１６として形成され、その後は、この付着物１６が潤滑膜として作用し、リング１１とトラベラ１２の金属同士の固体接触が防止され、トラベラ１２の摩耗が低減する。また、上記した径と面積率によれば、窪み１５の間に十分な大きさの平面部分（窪み１５が形成されない部分）を確保することができる。したがって、液潤滑を用いずに、従来品に比べて摩擦低減効果を長く持続することができる。

（２）窪み１５の径は８〜２５μｍであってもよい。窪み１５の径が小さすぎても、大きすぎても、面積率との関係で潤滑膜として作用する付着物１６が薄く均一に付着し難くなり、摩擦低減効果が長く持続し難くなる。しかし、窪み１５の径が８〜２５μｍであれば、潤滑膜として作用する付着物１６が薄く均一に付着し易くなり、摩擦低減効果が長く持続し易くなる。また、窪み１５の径が１０〜２０μｍであれば、摩擦低減効果がより長く持続し易くなる。

（３）窪み１５は深さが１〜５μｍであってもよい。窪み１５の深さが１〜５μｍであると摩擦低減効果が良好に得られる。また、窪み１５の深さが２〜４μｍであれば、摩擦低減効果がより長く持続し易くなる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 窪み１５は、異なる大きさの窪み１５が混在していてもよい。
○ 窪み１５は、異なる深さの窪み１５が混在していてもよい。

○ 窪み１５は、異なる大きさの窪み１５と、異なる深さの窪み１５が混在していてもよい。
○ 周期構造１４は、窪み１５が千鳥状や格子状に一定間隔で摺動面全体に配置された構成に限らず、部分的に異なる配列状態で配置されたり、ランダムに配置されたりしてもよい。

○ フランジ１１ａにメッキ層１３を形成せずに、周期構造１４を形成してもよい。しかし、リング１１の材質が現在、市販品で使用されている材質の場合は、メッキ層１３を形成した方が好ましい。

○ リング／トラベラ系を構成するリング１１は、フランジ１１ａが断面Ｔ型状に限らない。例えば、傾斜型のフランジ１１ａを有するリング１１に適用してもよい。この場合、トラベラ１２も傾斜フランジに対応する形状のものを使用する。

○ 周期構造１４の形成方法は、フェムト秒パルスレーザや高出力ピコ秒パルスレーザ又はナノ秒パルスレーザ等の極短パルスレーザを、周期構造１４を形成すべき位置に照射する方法に限らず、他の周知の周期構造形成方法を適用してもよい。

○ 周期構造１４は、リング／トラベラ系のリング１１に形成される代わりに、トラベラ１２に形成されてもよい。しかし、トラベラ１２に設けた場合は、リング１１に設けた場合に比べて、周期構造１４の面積が大幅に小さくなるため、リング１１に設ける方が好ましい。

○ 紡出する糸は綿に限らず、例えば、麻、シルク、ウール、化学繊維（ニトロセルロース、ナイロン、ビニロン）であってもよく、その中でも、綿や麻が最も摩耗粉を排出し、リングとトラベラとの摺動面に付着物１６を形成することから好ましい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）リング式紡機のリングであって、トラベラの滑走時における前記トラベラとの接触面に、０．５〜８μｍの深さで、径が５〜３０μｍの円形の窪みが、面積率が５〜１６％となる範囲で形成されている周期構造を有するリング。

１１…リング、１２…トラベラ、１５…窪み。

Claims (3)

1. リング式紡機の液潤滑の無いリング／トラベラ系において、トラベラの滑走時における前記トラベラとリングとの摺動面に、０．５〜８μｍの深さで、径が５〜３０μｍの円形の窪みが、面積率が５〜１６％となる範囲で形成されていることを特徴とするリング式紡機の液潤滑の無いリング／トラベラ系。
2. 前記窪みの径は８〜２５μｍである請求項１に記載のリング式紡機の液潤滑の無いリング／トラベラ系。
3. 前記窪みは深さが１〜５μｍである請求項１又は請求項２に記載のリング式紡機の液潤滑の無いリング／トラベラ系。