JP7163632B2

JP7163632B2 - リング式紡機のリング／トラベラ系

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Publication number: JP7163632B2
Application number: JP2018120701A
Authority: JP
Inventors: 直路冨永; 勉中野
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2038-06-26
Also published as: EP3587633B1; EP3587633A1; CN110644084B; JP2020002484A; CN110644084A

Description

本発明は、リング式紡機のリング／トラベラ系に関する。

リング式紡機のリング／トラベラ系においては、ボビンに糸を巻き取るときに、リング上をトラベラが摺動（滑走）する。その際、トラベラとリングの摺動面では、摩擦による摩耗や焼き付きなどが起こりやすい。特に近年では、リング式紡機の生産性を向上させるために、リング上におけるトラベラの移動速度が高速化され、これによってトラベラやリングの摩耗が早く進行する傾向にある。トラベラやリングの摩耗が早く進行すると、リング／トラベラ系の寿命が短くなり、トラベラ等の部品を頻繁に交換する必要がある。また一般に、トラベラやリングの摩耗は、両者の摺動面に生じる摩擦力が大きいほど早く進行する。そこで、トラベラやリングの摩耗を抑える方法として、たとえば、オイルなどの潤滑液を使用する方法がある。ただし、この方法では、潤滑液の付着によって糸が汚れてしまう。

そこで、特許文献１には、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４００個／ｃｍ以上の凹部を有する、非液潤滑環境下で摺動するリング式紡機のリング／トラベラ系に関する発明が記載されている。また、同文献には、上記凹部が、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である旨が記載されている。同文献に記載の発明によれば、トラベラとリングとの摺動面に複数のマイクロクラックを形成することにより、紡出中に糸から脱落する繊維がマイクロクラックに保持されて薄膜を形成し、この薄膜の潤滑機能によって摩擦低減効果が得られる。このため、リング／トラベラ系の長寿命化を図ることができる。

特開２０１４－２９０４６号公報

しかしながら、本願の発明者らが、特許文献１に記載の発明について鋭意検討したところ、次のような新たな課題があることが分かった。
すなわち、同文献に記載の発明では、トラベラとリングとの摺動面に４００本／ｃｍ以上のマイクロクラックを形成するため、マイクロクラックの存在によって摺動面の面粗度が増大する。そうすると、リング上をトラベラが滑走するときの初期の滑走抵抗が高くなり、所望の摩擦低減効果が得られるまでの時間、すなわち慣らし運転時間が長くなってしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、リング／トラベラ系の長寿命化と慣らし運転時間の短縮化を同時に実現することができる、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。

本発明は、非液潤滑環境下で摺動するリング式紡機のリング／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長さや方向がランダムな複数のマイクロクラックを有するとともに、前記複数のマイクロクラックにおけるクラック幅の平均値が０．６μｍ以上１．５μｍ以下であり、かつ、前記複数のマイクロクラックにおけるクラック本数の平均値が４００本／ｃｍ未満である、リング式紡機のリング／トラベラ系である。

本発明のリング式紡機のリング／トラベラ系において、前記複数のマイクロクラックにおけるクラック幅の平均値は０．７μｍ以上であってもよい。

本発明のリング式紡機のリング／トラベラ系において、前記複数のマイクロクラックにおけるクラック本数の平均値は３８０本／ｃｍ以下であってもよい。
本発明のリング式紡機のリング／トラベラ系において、複数のマイクロクラックにおけるクラック幅の平均値の上限値は１μｍ未満であってもよい。

本発明によれば、リング／トラベラ系の長寿命化と慣らし運転時間の短縮化を同時に実現することができる。

リング式紡機のリング／トラベラ系の構成例を示すもので、（ａ）はリングの斜視図、（ｂ）はリングの部分拡大斜視図、（ｃ）は紡出中のトラベラとリングの関係を模式的に示す斜視図である。摩擦低減部の模式図である。従来例、実施例および比較例の評価結果を示す図である。滑走抵抗と滑走距離との関係を示す図である。従来例に相当するリングのメッキ表面を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。実施例に相当するリングのメッキ表面を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。リング上のトラベラ摩耗粉を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、リング式紡機のリング／トラベラ系の構成例を示すもので、（ａ）はリングの斜視図、（ｂ）はリングの部分拡大斜視図、（ｃ）は紡出中のトラベラとリングの関係を模式的に示す斜視図である。「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滑走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。

図１（ａ）～（ｃ）において、リング１１およびトラベラ１２は、リング／トラベラ系を構成するものである。リング１１は、たとえば、軸受鋼によって構成されている。リング１１には、フランジ１１ａが形成されている。フランジ１１ａは、リング１１と一体構造をなして断面Ｔ字形に形成されている。
一方、トラベラ１２は、たとえば、酸化処理したばね鋼によって構成されている。トラベラ１２は、Ｃ字形に形成されている。トラベラ１２は、リング１１のフランジ１１ａに取り付けられている。

リング１１のフランジ１１ａの表面にはクロムメッキ層１３が形成されている。クロムメッキ層１３は、好ましくは硬質クロムメッキ層であって、たとえば厚さが１０～２０μｍ程度に形成されている。硬質クロムメッキ層とは、ＪＩＳＨ８６１５工業用クロムめっきにおいて規定されるメッキ層をいう。フランジ１１ａを被覆するクロムメッキ層１３のうち、少なくとも、フランジ１１ａの内周面を被覆するクロムメッキ層１３の表層部分には、摩擦低減部１４が形成されている。摩擦低減部１４は、クロムメッキ層１３の一部であって、リング１１上をトラベラ１２が摺動するときに生じる摩擦力を低減する部分である。摩擦低減部１４による摩擦低減のメカニズムについては後段で説明する。

リング式紡機でボビンに糸を巻き取る場合は、図１（ｃ）に示すように、トラベラ１２に糸Ｙが通される。糸Ｙは、図示しないドラフト装置から送り出され、トラベラ１２を経由してボビン（不図示）に巻き取られる。その際、トラベラ１２に通される糸Ｙには所定の張力が付与される。このため、トラベラ１２は、糸Ｙに引っ張られてリング１１のフランジ１１ａに接触し、その接触状態を維持しながらフランジ１１ａに沿って周回移動する。このため、ボビンに糸Ｙを巻き取っている間、すなわち紡出中は、トラベラ１２上をリング１１が摺動（滑走）する。

ここで、トラベラ１２の滑走時におけるトラベラ１２とリング１１との摺動面は、リング１１とトラベラ１２が互いに接触する面となる。このため、トラベラ１２とリング１１との摺動面は、リング１１とトラベラ１２の両方に存在する。本実施形態においては、一例として、トラベラ１２に対するリング１１の摺動面を摩擦低減部１４としている。具体的には、リング１１のフランジ１１ａの内周面をクロムメッキ層１３で被覆し、そのクロムメッキ層１３の表面に摩擦低減部１４を形成した構成を採用している。このため、本実施形態では、フランジ１１ａの内周面を被覆するクロムメッキ層１３の摩擦低減部１４が、トラベラ１２とリング１１との摺動面に相当する。

クロムメッキ層１３の摩擦低減部１４には、図２に示すように複数のクラック１５が形成されている。複数のクラック１５の長さや方向はランダムである。クラック１５はＪＩＳＨ８６１５工業用クロムめっきにおいて規定されている、２５０本／ｃｍ以上のクラック、すなわちマイクロクラックであることが好ましい。

本実施形態においては、摩擦低減部１４に形成される複数のクラック１５が、以下の２つの条件を同時に満たす。
（条件１）複数のクラック１５におけるクラック幅の平均値が０．５μｍ以上、１．５μｍ以下であること。
（条件２）複数のクラック１５におけるクラック本数の平均値が４００本／ｃｍ未満であること。

クラック幅は、たとえば、クロムメッキ層１３の摩擦低減部１４の表面を顕微鏡で撮影し、これによって得られた顕微鏡写真に写っているクラック１５の幅を顕微鏡のスケールバー等を利用して測定することにより特定可能である。
クラック本数は、たとえば、クロムメッキ層１３の摩擦低減部１４の表面を顕微鏡で撮影し、これによって得られた顕微鏡写真に直線を引いて、１ｃｍの長さの部分の直線と交差するクラック１５の本数を数えることにより特定可能である。その際、クラック１５の長さや方向はランダムであるため、顕微鏡写真のどの位置に直線を引くかは特に条件を付ける必要はない。
クロムメッキ層１３の摩擦低減部１４において、複数のクラック１５におけるクラック幅およびクラック本数は、いずれも、正規分布またはそれに近い分布でばらつく。

ところで、リング１１にクロムメッキ処理によってクロムメッキ層１３を形成する場合、クロムメッキ処理だけでは上記２つの条件を同時に満たすクラック１５を形成することはできない。このため、本実施形態においては、クロムメッキ処理によってリング１１にクロムメッキ層１３を形成した後、電解エッチングを行うことにより、上記２つの条件を同時に満たすクラック１５を形成することとした。

その際、複数のクラック１５におけるクラック幅の平均値が０．５μｍ以上１．５μｍ以下となり、かつ、クラック本数の平均値が４００本／ｃｍ未満となるように、電解エッチングのエッチング条件を決定した。エッチング条件としては、たとえば、電流密度とエッチング時間を挙げることができる。

ここで、クラック幅の平均値が０．５μｍ未満であると、リング１１とトラベラ１２の摺動面に発生する摩耗粉の粒径に対してクラック１５の幅が過度に小さくなる。このため、摺動面に発生する摩耗粉をスムーズにクラック１５に逃がすことができなくなる。また、比較的粒径の小さい摩耗粉であればクラック１５に逃がすことができるものの、幅狭のクラック１５では受け入れ可能な摩耗粉の量が少ないため、クラック１５が短期間で摩耗粉によって埋められてしまう。これに対し、クラック幅の平均値を大きくすれば、摺動面に発生する摩耗粉をスムーズにクラック１５に逃がすことができるとともに、マイクロクラックが摩耗粉によって埋められるまでの期間を長く確保することができる。ただし、クラック幅の平均値が１．５μｍを超えると、幅広のクラック１５の存在によって摩擦低減部１４の表面の凹凸が顕在化し、リング１１とトラベラ１２の摺動面で摩耗が起こりやすくなる。したがって、クラック幅の平均値は、０．５μｍ以上１．５μｍ以下が好ましいものとなる。また、摩耗粉をクラック１５に素早く逃がすためには、クラック幅の平均値は０．６μｍ以上であることがより好ましく、０．７μｍ以上であることが更に好ましい。また、摺動面で摩耗の発生を抑えるためには、クラック幅の平均値は１．３μｍ以下であることがより好ましく、１．２μｍ以下であることが更に好ましい。

一方、クラック本数に関しては、クラック本数の平均値が４００本／ｃｍ以上であると、摩擦低減部１４の面粗度が高くなり、これにともなってリング式紡機の慣らし運転時間が長くなる。面粗度は、物体表面の性状を表す用語であり、物体表面における単位長さあたりの凹凸の数で評価される。すなわち、物体表面における単位面積あたりの凹凸の数が多いほど面粗度は高くなり、該凹凸の数が少ないほど面粗度は低くなる。このため、クラック本数の平均値を４００本／ｃｍ以上に増やすと、それだけ摩擦低減部１４の面粗度が高くなる。

これに対し、慣らし運転時間とは、それぞれ新品のリング１１とトラベラ１２を使用してボビンに糸を巻き取る場合に、摩擦低減部１４が所望の摩擦低減効果を発揮するまでに要する時間をいう。この慣らし運転時間を短くするには、初期の滑走抵抗が小さくなるよう、摩擦低減部１４の面粗度を低くしたほうが有利である。初期の滑走抵抗は、新品のリング１１上をトラベラ１２が滑走するときに生じる滑走抵抗であって、特に、滑走距離が０ｋｍ超５００ｋｍ以下の範囲における滑走抵抗を意味する。摩擦低減部１４の表面に多数の凹凸が存在すると、初期の滑走抵抗が高くなるとともに、後述する摩擦低減のメカニズムで述べる、セルロースの繊維が摩擦低減部１４の表面全体に行き渡るまでの時間、すなわち所望の摩擦低減効果が得られるまでの時間が長くなる。このため、クラック本数の平均値は４００本／ｃｍ未満であることが好ましい。また、クラック１５による面粗度の増大を抑えるためには、クラック本数の平均値は３８０本／ｃｍ以下であることがより好ましく、３７０本／ｃｍ以下であることが更に好ましい。ただし、クラック本数の平均値が過度に小さくなると、セルロースの繊維を保持するクラック１５の本数が不足して、摩擦低減部１４による摩擦低減効果が充分に得られないおそれがある。このため、クラック本数の平均値は２５０本／ｃｍ以上であることが好ましく、３００本／ｃｍ以上であることがより好ましい。

ここで、摩擦低減部１４による摩擦低減のメカニズムについて説明する。
まず、本実施形態においては、リング１１とトラベラ１２との摺動面が、非液潤滑環境下で摺動する下で摺動する面となっている。非液潤滑とは、液状の潤滑剤が存在しない状態をいう。一般に、非液潤滑の下で金属同士を摺動させると、摺動面で激しい摩耗が起こる。特に、リング／トラベラ系では、リング１１上をトラベラ１２が高速で周回移動するため、両者の摺動面で摩耗が急速に進行し、数分から数時間で焼き付きが起こると予想される。しかし、現実のリング／トラベラ系では、予想に反して摩耗の進行が遅い。たとえば、綿糸紡績では通常、１週間から２週間ほど交換なしでトラベラ１２を使用できることが多い。このため、リング１１とトラベラ１２との摺動面は、トライボロジー的には無潤滑ではなく、境界潤滑状態にあると考えられる。本発明者らが行った分析では、リング１１上でトラベラ１２が滑走する滑走表面にセルロースの被膜が形成され、この被膜が潤滑機能を果たすことによって摩擦低減効果が得られることが分かっている。セルロースは、糸Ｙの原料となる綿花などに含まれるものである。このため、紡出中にトラベラ１２を通過する糸Ｙからセルロースの繊維が離脱し、この繊維がリング１１とトラベラ１２との接触界面、すなわち摺動面に入り込んで被膜を形成したものと推測される。

本実施形態のリング／トラベラ系においては、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、複数のクラック１５が形成されている。このため、糸Ｙから離脱したセルロースの繊維が、リング１１とトラベラ１２との摺動面に入り込むと、その摺動面に形成されている各々のクラック１５に繊維が付着保持され、その繊維に含まれる潤滑成分（主に炭素）が薄く膜状に広がる。その結果、リング１１とトラベラ１２との摺動面に、セルロースの繊維による被膜が形成され、この被膜の潤滑機能によって摩擦低減効果が得られる。したがって、非液潤滑の下でも、リング１１とトラベラ１２との摺動面に生じる摩擦力を低減し、リング１１やトラベラ１２の摩耗を抑えることができる。

本発明らは、摩擦低減部１４による摩擦低減効果を確認するため、クラック１５の形成条件が異なる４つのリング１１を用いて部品の寿命を評価した。その結果を図３および図４に示す。
図３においては、評価の対象品を、従来例、実施例、比較例１、比較例２に分けて記載している。従来例は、リング１１の表面をクロムメッキ処理しただけのものである。実施例は、リング１１の表面をクロムメッキ処理した後、電流＝２Ａ、エッチング時間＝１２０ｓｅｃの条件で電解エッチング処理したものである。比較例１は、リング１１の表面をクロムメッキ処理した後、電流＝４Ａ、エッチング時間＝１２０ｓｅｃの条件で電解エッチング処理したものである。比較例２は、リング１１の表面をクロムメッキ処理した後、電流＝４Ａ、エッチング時間＝２４０ｓｅｃの条件で電解エッチング処理したものである。

図５は、従来例に相当するリングのメッキ表面を電子顕微鏡で観察した結果を示す図であり、図６は、実施例に相当するリングのメッキ表面を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。また、図７は、リング上のトラベラ摩耗粉を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。図５および図６を対比すると分かるように、従来例ではメッキ表面のクラックがはっきり見えないが、実施例ではメッキ表面のクラックがはっきりと見える。その理由は、クロムメッキ処理によってクロムメッキ層１３の表面に生じた微細なクラックの寸法が、電解エッチングによって幅方向と深さ方向に拡大したためと考えられる。一方、リング１１とトラベラ１２の摺動面に生じる摩耗粉は、図７に示すように、摩耗粉の粒径に若干のバラツキがあるものの、全体的には粒径が揃う傾向が見られる。

上述した処理条件の違いにより、クラック幅の平均値に関しては、従来例が０．５μｍ未満、実施例が０．７４μｍ、比較例１が１．０７μｍ、比較例２が２．０１μｍとなっている。また、クラック幅の標準偏差に関しては、実施例が０．２６μｍ、比較例１が０．４２μｍ、比較例２が０．８３μｍとなっている。一方、クラック本数の平均値に関しては、従来例が１５１．５本／ｃｍ、実施例が３５６．５本／ｃｍ、比較例１が５７３．８本／ｃｍ、比較例２が８９６．９本／ｃｍとなっている。また、クラック本数の標準偏差に関しては、従来例が５１．０本／ｃｍ、実施例が５６．０本／ｃｍ、比較例１が１３９．０本／ｃｍ、比較例２が１２７．２本／ｃｍとなっている。

一方、部品の寿命は、ボビンの回転速度を決めるスピンドルの回転数を２００００ｒｐｍに設定し、リング１１上を摺動しながら周回するトラベラ１２が摩耗によってフランジ１１ａから外れるまでのトラベラの滑走距離で評価した。その結果、部品の寿命に関しては、従来例が１８９０ｋｍ、実施例が７０９１ｋｍ以上、比較例１が７０９１ｋｍ以上、比較例２が３０７２ｋｍであった。なお、実施例と比較例１は、いずれも寿命が７０９１ｋｍ以上となっているが、これはトラベラの滑走距離が７０９１ｋｍとなった時点で評価試験を打ち切ったためである。

上記評価結果から分かるように、実施例および比較例１では、従来例に比べて部品の寿命が３倍超も延びている。ただし、比較例１の場合は、クラック本数の平均値が５７３．８本／ｃｍと大きな値になっている。このため、比較例１では、摩擦低減部１４の面粗度が増大し、慣らし運転時間が長くなってしまう。

図４においては、縦軸にトラベラの滑走抵抗（ｇｆ）、横軸にトラベラの滑走距離（ｋｍ）をとり、従来例、実施例、比較例１、比較例２の各々につき、滑走距離が長くなるに従って滑走抵抗がどのように変化するかを示している。滑走抵抗は、リングを回転可能に支持し、その状態でトラベラによりリング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。その結果、従来例では滑走距離が１０００ｋｍを超えた段階で滑走抵抗が急激に上昇し始めて部品が寿命に達し、比較例２でも滑走距離が２０００ｋｍを超えた段階で滑走抵抗が急激に上昇し始めて部品が寿命に達した。

これに対して、実施例では、滑走距離が２０００ｋｍを超えても滑走抵抗の急激な上昇は認められず、この傾向は滑走距離が７０００ｋｍを超えた段階でも維持された。また、比較例１では、実施例に比べると滑走抵抗のバラツキが大きいものの、寿命に関しては実施例と同様の評価結果となった。ただし、初期の滑走抵抗を比較すると、実施例のほうが比較例１に比べて滑走抵抗が小さく抑えられていた。その理由としては、実施例の場合は、比較例１に比べてクラック本数の平均値が小さく、これによって摩擦低減部１４の面粗度の増大が抑えられたためと推測される。

＜実施形態の効果＞
本発明の実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
本実施形態においては、リング１１とトラベラ１２との摺動面に形成される複数のクラック１５におけるクラック幅の平均値を０．５μｍ以上１．５μｍ以下としている。これにより、リング１１とトラベラ１２の摺動面に発生する摩耗粉をスムーズにクラック１５内に逃がすことができるとともに、クラック１５が摩耗粉によって埋められない状態を長く維持することができる。したがって、摩擦低減部１４による摩擦低減効果を高めることができるとともに、高い摩擦低減効果を長く維持することができる。また、本実施形態においては、複数のクラック１５におけるクラック本数の平均値を４００本／ｃｍ未満としている。このため、摩擦低減部１４の面粗度の増大を抑えて初期の滑走抵抗を低減し、セルロースの繊維が摩擦低減部１４の表面全体に行き渡るまでの時間を短くすることができる。その結果、本実施形態によれば、リング／トラベラ系の長寿命化と慣らし運転時間の短縮化を同時に実現することが可能となる。

＜変形例等＞
本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。

たとえば、上記実施形態においては、リング１１のフランジ１１ａをクロムメッキ層１３で被覆しているが、これに限らず、フランジ１１ａを含むリング１１全面をクロムメッキ層１３で被覆した構成を採用してもよい。

また、上記実施形態においては、リング１１にクロムメッキ処理によってクロムメッキ層１３を形成した後、電解エッチングを施すこととしたが、これに限らず、たとえば、電解エッチングに代えて化学エッチングを適用してもよい。

また、上記実施形態においては、リング１１およびトラベラ１２のうち、リング１１側に摩擦低減部１４を形成したが、これに限らず、トラベラ１２側に摩擦低減部１４を形成してもよいし、リング１１とトラベラ１２の両方に摩擦低減部１４を形成してもよい。

また、紡出する糸は綿に限らず、たとえば、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）であってもよい。

また、リング／トラベラ系を構成するリング１１は、断面Ｔ字形のフランジ１１ａを有するものに限らず、たとえば、傾斜型のフランジを有するものであってもよい。その場合は、傾斜型のフランジに適合する形状のトラベラを使用することになる。

１１リング、１２トラベラ、１４摩擦低減部（摺動面）、１５クラック。

Claims

非液潤滑環境下で摺動するリング式紡機のリング／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長さや方向がランダムな複数のマイクロクラックを有するとともに、前記複数のマイクロクラックにおけるクラック幅の平均値が０．６μｍ以上１．５μｍ以下であり、かつ、前記複数のマイクロクラックにおけるクラック本数の平均値が４００本／ｃｍ未満であることを特徴とするリング式紡機のリング／トラベラ系。
前記複数のマイクロクラックにおけるクラック幅の平均値が０．７μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のリング式紡機のリング／トラベラ系。
前記複数のマイクロクラックにおけるクラック本数の平均値が３８０本／ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のリング式紡機のリング／トラベラ系。
前記複数のマイクロクラックにおけるクラック幅の平均値の上限値は１μｍ未満であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のリング式紡機のリング／トラベラ系。