JP5910569B2 - リング式紡機のリング／トラベラ系 - Google Patents

Description

本発明は、リング式紡機のリング／トラベラ系に係り、詳しく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。

リング精紡機やリング撚糸機のリングに、摩耗低減効果を改良した表面処理として、表面構造を付与した硬質クロムめっきを施すことが提案されている（特許文献１参照）。表面構造としては、硬質クロム被膜の厚さが１μｍ〜６０μｍであり、粗さＲａが特に最大０．３μｍであることが好ましいとしている。

また、リング式紡機には直接関係ないが、材料表面の摩擦抵抗を低減する微細な周期構造の作成方法が提案されている（特許文献２参照）。具体的には、フェムト秒パルスレーザーを材料表面に照射し、その照射部をオーバーラップさせながら走査して、入射光とその材料表面に沿った散乱光の干渉部分のアブレーションによって周期構造を作製する。周期構造は、サブミクロンの間隔と溝深さを持つ。

特表２００２−５１０７５５号公報 国際公開２００４／０３５２５５号公報

ところが、特許文献１の構成では、トラベラの滑走時における摩擦抵抗の低減効果が不充分で、トラベラが摩耗によりリングから飛散してしまうことがあった。一方、特許文献２で提案されている構成、即ち摺動面に微細周期構造を付与する構成は、液潤滑条件での摺動を前提としている。そのため、液潤滑の無い条件下で摺動されるリング／トラベラ系にそのまま適用した場合、早期に周期構造が摩滅し、摩擦抵抗低減効果が失われてしまう。

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、０．１〜２０μｍの深さの凹部と、１〜２５０μｍの幅の平面部とからなる周期構造が形成されており、前記凹部により前記トラベラ及び前記リングの摺動時に周囲の空気によるくさび効果を生じさせる。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。

この発明では、凹部により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。凹部及び平面部は、リングに形成されても、トラベラに形成されても良い。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。

前記平面部の幅は１０〜５０μｍであることが好ましい。平面部の幅が狭いと平面部の摩耗の点で不利になり、平面部の幅が広いと凹部の合計面積が小さくなってくさび効果の寄与が少なくなる。そのため、平面部の幅は１０〜５０μｍが好ましい。

前記凹部の深さは５μｍ以下であることが好ましい。この場合、凹部による負荷能力を得易い。
前記凹部は溝であることが好ましい。凹部が溝の場合、凹部が窪みの場合に比べて、摩耗粉排出による摩擦低減効果が発揮され易い。

前記凹部は円形で直径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。凹部が溝でなくても、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。

前記凹部及び前記平面部のうちの少なくとも前記凹部には固体潤滑性コーティング層が形成されていることが好ましい。この構成によれば、凹部には固体潤滑性コーティング層が形成されているため、固体潤滑性コーティング層が形成されていない場合に比べて、凹部に繊維、摩耗粉、その他異物が侵入してもその排出性が高くなり、凹部によるくさび効果及びトラベラとリングとの摺動界面からの摩耗粉やその他異物の排出効果が低減することを抑制することができる。

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／トラベラ系を提供することができる。

（ａ）は第１の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），（ｂ），（ｃ）は溝と平面部との関係を示す模式断面図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は溝の延びる方向を示す模式図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は斜めに延びる溝と平面部との関係を示す模式図。 滑走抵抗と滑走距離との関係を示すグラフ。 （ａ）は実施形態のリングを使用した場合、（ｂ）は市販品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。 第２の実施形態の凹部を示す模式図。 滑走抵抗と滑走距離との関係を示すグラフ。 （ａ）は実施形態のリングを使用した場合、（ｂ）は市販品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。 凹部壁面に固体潤滑性コーティングが形成された実施形態の模式断面図。 （ａ）は別の実施形態の溝の形状を示す模式断面図、（ｂ）は別の実施形態の溝の配置を示す模式図、（ｃ）は別の実施形態のリングとトラベラの形状を示す部分断面図。 別の実施形態の凹部を示す模式図。

（第１の実施形態）
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第１の実施形態を図１〜図６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（テクスチャ）１４が形成されている。周期構造１４は、図２、図３及び図４に示すように、凹部としての溝１５と、平面部１６とが交互に形成された状態に構成されている。溝１５は、深さが０．１〜２０μｍ、好ましくは５μｍ以下に形成されている。平面部１６は、幅が１〜２５０μｍ、好ましくは１０〜５０μｍに形成されている。

溝１５は一定幅で形成され、図２（ａ）に示すように、溝幅Ｗ１が平面部１６の幅としてのリッジ幅Ｗ２と同じでも、図２（ｂ）に示すように、溝幅Ｗ１がリッジ幅Ｗ２より広くても、図２（ｃ）に示すように、溝幅Ｗ１がリッジ幅Ｗ２より狭くてもよい。また、溝１５は、その延びる方向が、図３（ａ）に示すように、リング１１の周方向と直交する方向であっても、図３（ｂ）に示すように、周方向と平行であっても、図３（ｃ）に示すように、周方向と斜めに交差する方向であってもよい。なお、図３（ａ）〜（ｃ）では、図の左右方向がリング１１の周方向になる。

周期構造１４は、例えば、フェムト秒パルスレーザーをリング１１の周期構造１４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、溝１５と平面部１６とが交互に形成された周期構造１４を有する。そのため、溝１５の存在により、摺動時に周囲の空気によるくさび効果及びトラベラとリングとの摺動界面からの摩耗粉やその他異物を排出する効果により、液潤滑を用いずに、摩擦低減効果が得られる。そして、摺動は平面部１６で行われるため、溝１５が摩滅することが無い。その結果、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。また、従来では、寿命的に老化したリングであっても、周期構造１４を形成することにより、再生できる可能性もある。

周期構造１４の効果を確認するため、先ず平面部がない周期構造を有するリング１１を、フェムト秒パルスレーザーをリング１１の周期構造１４を形成すべき箇所に照射することにより形成した。周期的な凹凸の方向が、リング１１の周方向と直交、周方向と平行及び周方向と斜め方向の３種類の周期構造を有するリング１１を形成して、リング／トラベラ系を構成した。比較例として周期構造の無い市販品のリングを使用したリング／トラベラ系を構成した。そして、慣らし運転なしで紡出試験を行った。トラベラ１２の滑走距離が６６００ｋｍ（紡出開始からドッフィングまでのトラベラ１２の滑走距離２００ｋｍ×ドッフィング回数３３回）に達するまで試験を行い、滑走抵抗と滑走距離との関係を調べた。滑走抵抗は、リングを回転可能に支持し、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、滑走距離２２００ｋｍまでは、周期構造１４を有するリング／トラベラ系は、いずれも市販品に比べて滑走抵抗が低かった。そして、滑走距離２６００ｋｍ〜４２００ｋｍまでは、周期的な凹凸の方向が、リング１１の周方向と平行及び周方向と斜め方向の周期構造１４において、滑走抵抗が市販品に比べて約３０％低下した。しかし、周期的な凹凸の方向が、リング１１の周方向と直交する周期構造１４の場合は、ドッフ数１３回以上では市販品に対する優位性がなくなった。

そこで、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、周期的な凹凸の方向が、リング１１の周方向（図の左右方向に相当）に対して斜め方向の周期構造１４を有するリング１１について、溝幅Ｗ１と平面部１６のリッジ幅Ｗ２を種々変えたものを形成して、滑走抵抗とドッフ数との関係を調べた。なお、図４（ａ）〜（ｃ）においては、ドットの部分が溝１５を表し、ドットのない部分が平面部１６を表している。

リング１１の周方向に対する角度が４５°の溝１５を有する周期構造１４の、溝幅Ｗ１と、リッジ幅Ｗ２と、溝深さＤとの値が、表の組み合わせのものを形成して試験を行った。なお、滑走距離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。

結果を図５に示す。図５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、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、周期構造１４の効果が確認された。

溝幅Ｗ１及びリッジ幅Ｗ２の関係が同じで、溝深さＤが異なる場合を見ると、溝幅Ｗ１が２０μｍでリッジ幅Ｗ２が２０μｍの例（試料１及び試料５）と、溝幅Ｗ１が４０μｍでリッジ幅Ｗ２が２０μｍの例（試料３及び試料６）のいずれの場合も、溝深さが浅い（１μｍ）方が、溝深さＤが深い（５μｍ）場合に比べて滑走抵抗が小さくなった。溝深さは１μｍの方が５μｍより好ましいと考えられる。

また、トラベラ１２の摩耗状態を観察したところ、市販品のリングを使用した場合は、図６（ｂ）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、周期構造１４を有するリング１１を使用した場合は、図６（ａ）に示すように、摩耗部２０’は摩耗部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、０．１〜２０μｍの深さの凹部と、１〜２５０μｍの幅の平面部１６と、が交互に形成された周期構造１４を有する。そのため、摺動時に周囲の空気によるくさび効果により、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。

（２）凹部として溝１５が形成されているため、凹部が窪みの場合に比べて、摩耗粉排出による摩擦低減効果が発揮され易い。
（３）平面部１６の幅を１０〜５０μｍにした場合は、この範囲を逸脱した場合に比べて、平面部１６の摩耗の観点と、周期構造１４のくさび効果の寄与との観点から摩耗低減効果が向上する。

（４）凹部（溝１５）の深さを５μｍ以下にした場合は、凹部による負荷能力を得易い。
（５）周期構造１４は、溝１５と平面部１６との周期的な凹凸の方向が、リング１１の周方向と傾斜するように構成されている。したがって、周期的な凹凸の方向が、周方向と直交方向の場合に比べて、摩擦低減効果が向上する。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を図７〜図９にしたがって説明する。この実施形態では、凹部が溝１５ではなく窪み（ディンプル）１７で構成されている点が第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図７に示すように、窪み１７は、開口部の形状が円形に形成されている。窪み１７は、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。即ち、窪み１７は、リング式紡機のリング／トラベラ系において、非液潤滑で、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という条件を満たしている。窪み１７は、例えば、リング１１の周期構造を形成すべき箇所にビーズショットを行うことにより形成される。

リング１１の周期構造を形成すべき箇所に、直径１０μｍ、深さ２μｍ、隣り合う窪み間距離７０μｍで窪み１７を形成して、リング／トラベラ系を構成した。比較例として窪み１７の無い市販品のリングを使用したリング／トラベラ系を構成した。そして、それぞれ紡出試験を行った。なお、滑走距離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。

結果を図８に示す。図８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、窪み１７を有するリング１１では滑走抵抗が小さくなり、窪み１７の効果が確認された。

また、トラベラ１２の摩耗状態を観察したところ、市販品のリングを使用した場合は、図９（ｂ）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、窪み１７を有するリング１１を使用した場合は、図９（ａ）に示すように、摩耗部２０’の大きさが摩耗部２０に比べて小さくなっていた。

したがって、この実施形態においても、第１の実施形態の（１）と同様の効果を得ることができる他に次の効果を得ることができる。
（６）凹部として円形の窪み１７が形成されているため、溝１５を形成する場合に比べて、凹部を形成するために必要なエネルギー消費が少なくなる。

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。
○ 図１０に示すように、凹部としての溝１５又は窪み１７の壁面に固体潤滑性コーティング層１８が形成されていてもよい。固体潤滑性コーティング層１８は、例えば、フッ素樹脂により形成される。但し、固体潤滑性コーティング層１８によって溝１５や窪み１７が埋まらないように、溝幅Ｗ１、溝深さＤ及び窪み１７の直径や深さは、数μｍ以上あることが好ましい。溝１５又は窪み１７に固体潤滑性コーティング層１８が形成されている場合は、固体潤滑性コーティング層１８が形成されていない場合に比べて、溝１５又は窪み１７に繊維、摩耗粉、その他異物が侵入してもその排出性が高くなる。その結果、凹部によるくさび効果及びトラベラ１２とリング１１との摺動界面からの摩耗粉やその他異物の排出効果が低減することを抑制することができる。

○ 固体潤滑性コーティング層１８は、凹部及び平面部１６のうちの少なくとも凹部に形成されていればよく、溝１５又は窪み１７の壁面だけでなく、平面部１６にも固体潤滑性コーティング層１８を形成してもよい。平面部１６に固体潤滑性コーティング層１８を形成した場合は、トラベラ交換後におけるトラベラ１２とリング１１とのなじみ性が向上する。

○ 溝１５は幅方向の中心に対して対称な形状に限らない。例えば、図１１（ａ）に示すように、溝１５の最深部が、溝１５を挟んで存在する一方の平面部１６側に片寄った位置に存在し、最深部から一方の平面部１６に至る面は円弧面で形成され、他方の平面部１６に至る面は平面からなる斜面で形成されていてもよい。

○ 周期構造１４を溝１５で構成する場合、溝１５は一方向に延びる溝１５だけに限られない。例えば、図１１（ｂ）に示すように、リング１１の周方向と平行に延びる溝１５と、周方向と斜めに交差する方向に延びる溝１５との両方が存在した構造としてもよい。また、周方向と斜めに交差する方向に延びる溝１５として、周方向と成す角度が逆の対称性を持つ２種類の溝１５が存在する構造としてもよい。

○ リング１１の周方向と斜めに交差する方向に延びる溝１５が周方向と成す角度は、４５°に限らず任意の角度でよい。
○ 窪み１７は、開口部の形状が円形のものに限らず、例えば、楕円形、長円形、矩形あるいは多角形であってもよい。開口部の形状が円形以外の窪み１７は、ビーズショットに代えて、例えば、フェムト秒パルスレーザー等の極短パルスレーザーを、窪み１７を形成すべき位置に照射する方法により形成される。また、窪み１７は同じ形状あるいは大きさのものだけで形成された構成に限らず、図１２に示すように異なる形状や大きさのものが混在していてもよい。即ち、窪み１７は周期構造を有していなくてもよい。

○ 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、図１１（ｃ）に示すように、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ー等の極短パルスレーザーを、周期構造１４を形成すべき位置に照射する方法に限らない。例えば、マイクロエッチングや、種々の化学的、物理的な手法を用いてもよい。

○ 潤滑液を使用するリング／トラベラ系では、リング／トラベラ系を通過する糸Ｙが汚れるため適用しないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等の固体潤滑を用いた潤滑が行われるリング／トラベラ系に適用してもよい。

○ 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。

○ リング精紡機に限らず、リングを有する紡機、例えば、リング撚糸機に適用してもよい。
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、０．１〜２０μｍの深さの凹部と、１〜２５０μｍの幅の平面部と、が交互に形成された周期構造を有するリング。

（２）リング式紡機のトラベラであって、トラベラの滑走時におけるリングとの接触面に、０．１〜２０μｍの深さの凹部と、１〜２５０μｍの幅の平面部と、が交互に形成された周期構造を有するトラベラ。

１１…リング、１２…トラベラ、１５…凹部としての溝、１６…平面部、１７…凹部としての窪み、１８…固体潤滑性コーティング層。

Claims (6)

1. リング式紡機のリング／トラベラ系において、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、０．１〜２０μｍの深さの凹部と、１〜２５０μｍの幅の平面部とからなる周期構造が形成されており、前記凹部により前記トラベラ及び前記リングの摺動時に周囲の空気によるくさび効果を生じさせることを特徴とするリング式紡機のリング／トラベラ系。
2. 前記平面部の幅は１０〜５０μｍである請求項１に記載のリング式紡機のリング／トラベラ系。
3. 前記凹部の深さは５μｍ以下である請求項１又は請求項２に記載のリング式紡機のリング／トラベラ系。
4. 前記凹部は溝である請求項１〜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。
5. 前記凹部は円形で直径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である請求項１に記載のリング式紡機のリング／トラベラ系。
6. 前記凹部及び前記平面部のうちの少なくとも前記凹部には固体潤滑性コーティング層が形成されている請求項１〜請求項５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。