Giới thiệu dự án

Ngành dệt may Việt Nam đóng vai trò chủ lực trong cơ cấu kim ngạch xuất khẩu quốc gia (đạt hơn 40 tỷ USD/năm), giải quyết việc làm cho hơn 2,5 triệu lao động. Tuy nhiên, trước áp lực cạnh tranh toàn cầu và yêu cầu khắt khe từ các hiệp định thương mại tự do (CPTPP, EVFTA), chuỗi cung ứng dệt may buộc phải nâng cao tỷ lệ nội địa hóa nguyên liệu đầu vào, chuyển dịch mạnh từ gia công may mặc sang sản xuất sợi chất lượng cao và sợi kỹ thuật thời trang.

Đồ án tốt nghiệp "Công nghệ sản xuất sợi Siro, công nghệ sản xuất sợi Slub và phân tích, khắc phục lỗi sợi trong dây chuyền sản xuất" (tác giả Nguyễn Thị Lệ Hoa, MSSV: 20175486, GVHD: TS. Hoàng Thanh Thảo, Viện Dệt may – Da Giầy và Thời trang, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) giải quyết trực tiếp bài toán công nghệ tại Nhà máy Công ty TNHH KH & KT Texhong Ngân Long (KCN Hải Yên, Quảng Ninh – quy mô 370.000 cọc sợi).

Dây chuyền sản xuất sợi chải thô Texhong:
[Bông kiện] ➔ [Xé JWF1012] ➔ [Lọc thô TF45-A] ➔ [Xé đứng FA113-B] ➔ [Trộn FA028-C]
            ➔ [Xé ngang JWF1124] ➔ [Lọc tinh FA151] ➔ [Chải JWF1206-A] ➔ [Ghép FA313-B]
            ➔ [Sợi thô CMT1801] ➔ [Sợi con JWF1510-A (Siro/Slub)] ➔ [Đánh ống Muratec QPRO]

1. Problem Statement

Trong sản xuất sợi cao cấp, hai thách thức kỹ thuật lớn nhất bao gồm:

  • Hiệu ứng đốt sợi Slub không ổn định: Việc thay đổi tỷ số kéo dài để tạo đốt tre (slub) dễ gây ra hiện tượng mất đốt, lệch bước đốt, đứt sợi tại vùng chuyển tiếp và sai lệch chi số thân sợi ($Ne$).
  • Kiểm soát lông xù và độ bền của sợi đơn: Sợi chải thô truyền thống có độ xù lông cao ($H$-index $> 4.5$), độ bền kéo thấp, trong khi công nghệ chập se 2 sợi đơn truyền thống (Two-for-One Twisting - TFO) làm tăng chi phí năng lượng và nhân công lên 35–40%.
  • Tỷ lệ lỗi sợi phát sinh lớn: Sự thiếu đồng bộ giữa máy sợi con tốc độ cao ($> 15.000\text{ rpm}$) và máy đánh ống tự động dẫn đến các lỗi khuyết tật: điểm dày ($+50%$), điểm mỏng ($-50%$), neps ($+200%$), lỗi mối nối $b3$, và các lỗi chiều dài/độ dày $b1, b2, b5, b6, bb, bd$.

2. Mục tiêu dự án

  1. Khảo sát, chuẩn hóa quy trình công nghệ sản xuất sợi Slub (C7SB, C10SB, C16SB, C18SB, C20SB) trên máy sợi con JingWei JWF1510-A tích hợp động cơ Servo điều khiển kéo dài.
  2. Lập đơn công nghệ và tối ưu hóa thông số kéo sợi Siro (Siro-spun) nhằm tạo cấu trúc sợi tựa sợi se trên máy sợi con đơn lẻ, giảm xù lông và tăng độ bền sợi.
  3. Xây dựng ma trận phân tích nguyên nhân gốc rễ (Root Cause Analysis) và giải pháp xử lý 10 lỗi sợi con và 9 mã lỗi cảnh báo trên máy đánh ống Muratec QPRO tích hợp giàn lọc Uster Quantum 3.
  4. Nâng cao hiệu suất chuyền ($Eff \ge 92%$), giảm tỷ lệ sợi hồi và phế liệu dưới $1.8%$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Phương pháp kéo sợi Đặc tính cấu trúc Độ bền kéo (cN/tex) Chỉ số xù lông ($H$) Chi phí sản xuất/kg Khả năng tạo hiệu ứng
Ring Spinning cổ điển Xơ sắp xếp xoắn ốc đơn tâm, đầu xơ tự do nhiều $13.5 - 15.0$ $4.8 - 6.2$ Cơ sở ($1.0\times$) Kém (chỉ tạo sợi trơn)
Chập se truyền thống (TFO) 2 sợi đơn se lại, liên kết chặt $17.5 - 19.5$ $2.2 - 2.8$ Rất cao ($1.45\times$) Trung bình
Kéo sợi Siro (Siro-Spun) 2 dải xơ thô ghép song song tại tam giác xoắn $16.8 - 18.9$ $2.6 - 3.4$ Thấp ($1.05\times$) Cao khi kết hợp dẻo
Sợi Slub điều khiển Servo Biến thiên mật độ tuyến tính theo chu trình số $14.0 - 16.5$ $3.5 - 4.5$ Trung bình ($1.12\times$) Rất cao (đa dạng mẫu)

Đánh giá yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW

  • Must have: Khống chế dải chi số $Ne\ 7 - Ne\ 21$; cài đặt chính xác tham số độ dày đốt ($+30%\dots +300%$), chiều dài đốt ($20 - 120\text{ mm}$), khoảng cách đốt ($80 - 600\text{ mm}$); thiết lập ngưỡng cắt lọc Uster Quantum 3 cho các kênh $b1, b2, b5, b6, bd$.
  • Should have: Tự động hóa điều chỉnh tốc độ cọc theo đường cong lấp đầy ống sợi con; kiểm soát tam giác xoắn Siro ở cự ly phân tách dải thô $d = 4 - 6\text{ mm}$.
  • Could have: Tích hợp cấp sợi lõi đàn hồi Spandex (Core-spun Slub/Siro) tạo sợi co giãn cao cấp (sợi Jean/Denim).
  • Won't have (giai đoạn này): Kéo sợi Compact-Siro tích hợp luồng khí nén hút xơ tự do.

Thiết kế hệ thống và dây chuyền thiết bị

                                  [Hệ Thống Trục Cấp Kép]
                                     |                |
                               [Dải thô 1]       [Dải thô 2]
                                     \                /
                                  [Phễu dẫn phân tách cự ly d=5mm]
                                           \    /
                                    [Bộ kéo dài 3/3]
                                     (Suốt da/Suốt sắt)
                                           \    /
                                   [Tam giác xoắn Siro]
                                            ||
                                     (Điểm hội tụ T)
                                            ||
                                      [Khuyên xoắn]
                                            ||
                                   [Quấn ống sợi con]

Thông số kỹ thuật chi tiết của dây chuyền

Bale_Opener_JWF1012:
  Beater_Speed: 1000-2000 rpm
  Traverse_Speed: 17 m/min
  Capacity: 1500 kg/h
  Bale_Layout: 2 ranges, 39 bales/range
Carding_JWF1206A:
  Cylinder_Diameter: 1290 mm
  Cylinder_Speed: 450-550 rpm
  Doffer_Speed: 1380 rpm
  Flats_Working: 36/84 bars (Speed: 320 mm/min)
  Production: 55 kg/h
Drawing_FA313B:
  Drafting_System: 5/4 with autoleveller
  Delivery_Speed: 120-160 m/min
  Doublings: 6-8 slivers into 1
Ring_Spinning_JWF1510A:
  Spindles: 480 spindles
  Drafting_System: 3/3 spring-loaded arm
  Spindle_Speed: 12000-16500 rpm
  Slub_Mechanism: High-response AC Servo Motor driving back roller
Winding_Muratec_QPRO:
  Drums: 72 spindles
  Winding_Tension: 35 N
  Clearer: Uster Quantum 3 (Optical/Capacitive Sensors)

Methodology

Quy trình nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm công nghiệp kết hợp tối ưu hóa Taguchi trên hệ thống sản xuất thực tế tại Texhong:

  1. Giai đoạn 1 (Chuẩn bị nguyên liệu): Phối trộn bông Cotton cơ bản (Mỹ: $40%$, Úc: $35%$, Ấn Độ: $25%$), chiều dài xơ trung bình $28.5\text{ mm}$, độ chín $85%$, chỉ số Micronaire $4.0 - 4.2$.
  2. Giai đoạn 2 (Thiết lập công nghệ Slub): Lập trình chuỗi tín hiệu điều khiển động cơ Servo cho suốt sau trên máy sợi con JingWei JWF1510-A.
  3. Giai đoạn 3 (Thiết lập công nghệ Siro): Cải tạo hệ thống cấp thô kép, thiết kế phễu gom kép chuyên dụng, xác lập khoảng cách $d$ tối ưu nhằm hạn chế đứt dải đơn.
  4. Giai đoạn 4 (Kiểm chuẩn chất lượng & hiệu chỉnh): Phân tích phổ biểu đồ tán xạ Uster Tester 5, đo độ bền lực kéo Tensojet, quét lỗi trực tuyến bằng Uster Quantum 3 trên máy Muratec QPRO.

Implementation và kết quả

Development Process & Điều khiển công nghệ

Thuật toán điều khiển kéo dài tạo sợi Slub (Slub Generation Logic)

Hiệu ứng Slub được hình thành bằng cách điều khiển vi sai vận tốc giữa suốt trước ($v_1$) và suốt sau ($v_3$). Khi tạo đốt tre, vận tốc suốt sau $v_3(t)$ được tăng tốc tức thời bởi động cơ Servo, làm giảm bội số kéo dài cục bộ $E(t)$, tạo đoạn sợi có đường kính lớn hơn:

$$E(t) = \frac{v_1}{v_3(t)} = \frac{Ne_{roving}}{Ne_{base}} \times \frac{1}{1 + \Delta_{thickness}(t)}$$

# Thuật toán mô phỏng bộ tạo bước đốt Slub chống quy luật chu kỳ (Anti-Patterning)
import random

class SlubController:
    def __init__(self, base_ne, base_draft, front_roller_speed):
        self.base_ne = base_ne                    # Chi số sợi cơ bản (vd: Ne 16)
        self.base_draft = base_draft              # Bội số kéo dài cơ bản
        self.v_front = front_roller_speed          # Tốc độ suốt trước (m/phút)
        
    def calculate_slub_profile(self, slub_len_mm, slub_mult, pause_len_mm):
        """
        slub_len_mm: Chiều dài đốt tre (mm)
        slub_mult: Độ dày đốt so với thân (+50% -> 1.5)
        pause_len_mm: Khoảng cách giữa 2 đốt (mm)
        """
        # Bội số kéo dài tại vị trí đốt
        slub_draft = self.base_draft / slub_mult
        v_back_base = self.v_front / self.base_draft
        v_back_slub = self.v_front / slub_draft
        
        # Thời gian đáp ứng của động cơ Servo
        t_slub = (slub_len_mm / 1000.0) / (self.v_front / 60.0)
        t_pause = (pause_len_mm / 1000.0) / (self.v_front / 60.0)
        
        return {
            "v_back_steady_m_min": round(v_back_base, 2),
            "v_back_pulse_m_min": round(v_back_slub, 2),
            "pulse_duration_sec": round(t_slub, 3),
            "pause_duration_sec": round(t_pause, 3)
        }

# Khởi tạo thông số cho mã sản phẩm C16SB (Sợi Slub Cotton Ne 16)
controller = SlubController(base_ne=16, base_draft=28.5, front_roller_speed=180.0)
profile = controller.calculate_slub_profile(slub_len_mm=45, slub_mult=1.8, pause_len_mm=160)
print(f"Cài đặt Servo JWF1510-A: {profile}")

Bảng thông số công nghệ sợi Slub tại xưởng Texhong

Mã hàng Chi số nền ($Ne$) Độ dài đốt ($mm$) Độ dày đốt ($%$) Khoảng cách đốt ($mm$) Tốc độ cọc ($rpm$)
C7SB 7.0 $60 - 110$ $+120% - +200%$ $180 - 450$ 11.500
C10SB 10.0 $40 - 85$ $+80% - +160%$ $150 - 380$ 12.800
C16SB 16.0 $35 - 65$ $+60% - +140%$ $120 - 300$ 14.500
C18SB 18.0 $30 - 55$ $+50% - +120%$ $100 - 260$ 15.000
C20SB 20.0 $25 - 45$ $+40% - +100%$ $90 - 220$ 15.500

Testing, Phân tích Lỗi và Validation

Trong quá trình vận hành dây chuyền, hệ thống giám sát đã phân loại và xử lý triệt để các lỗi kỹ thuật phát sinh:

                  [HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ XỬ LÝ LỖI SỢI]
                                    |
       +----------------------------+----------------------------+
       |                                                         |
[Lỗi Vùng Sợi Con - JWF1510A]                       [Lỗi Vùng Đánh Ống - QPRO / Uster Q3]
  - Sợi to nhỏ không đều                              - Báo động b1: Sai chiều dài đốt Slub
  - Sợi dính dầu suốt da                              - Báo động b2: Sai độ dày đốt Slub
  - Sợi xù lông cao                                   - Báo động b5: Mất đốt Slub
  - Đứt sợi / Tuột sợi Siro đơn                       - Báo động b6: Dày đặc đốt Slub bất thường
  - Sai chi số (Draft slip)                           - Báo động bd: Lệch chi số chu kỳ (Ghép/Thô)
                                                      - Báo động b3: Khuyết tật mối nối khí nén

Ma trận xử lý nguyên nhân và khắc phục lỗi sợi chi tiết

Nhóm lỗi Hiện tượng & Mã lỗi Nguyên nhân cốt lõi Biện pháp xử lý kỹ thuật
Vùng Sợi Con Sợi xù lông ($H > 4.5$) Khuyên mòn, tốc độ cọc quá cao, cự ly suốt da không chuẩn Thay khuyên định kỳ theo chu kỳ 120h; mài lại bề mặt suốt da (độ cứng 68–72 Shore A).
Vùng Sợi Con Sợi Siro bị tách đôi Hết một bên búp thô, phễu chia thô bị lệch tâm Kiểm tra sensor dừng tự động khi đứt sợi thô; chỉnh cự ly phễu $d = 5\text{ mm}$.
Vùng Đánh Ống Báo động $b1, b2$ Động cơ Servo trượt xung, sai tham số đốt cài đặt Cân chỉnh lại encoder Servo; nạp lại bảng tham số đơn công nghệ chuẩn.
Vùng Đánh Ống Báo động $b5$ (Mất đốt) Đứt kết nối tín hiệu PLC sang driver suốt sau Kiểm tra cáp truyền thông RS-485/CANopen; thay thế mạch điều khiển Servo.
Vùng Đánh Ống Báo động $bd$ Lỗi sóng chu kỳ từ máy ghép FA313-B hoặc máy thô CMT1801 Kiểm tra độ đảo trục suốt sắt máy ghép; bảo dưỡng ổ bi và dây đai bộ kéo dài.
Vùng Đánh Ống Báo động $b3$ Áp lực khí nối sợi không đủ ($< 4\text{ bar}$), miệng hút lệch Hiệu chỉnh áp suất khí nén cấp đạt $6\text{ bar}$; vệ sinh họng nối sợi và dao cắt.

Kết quả đạt được

Qua triển khai áp dụng đơn công nghệ chuẩn hóa trên 10 giàn máy sợi con JWF1510-A và 2 máy đánh ống Muratec QPRO:

  • Chỉ số chất lượng sợi:
    • Độ không đều $CV_m%$: Giảm từ $14.2%$ xuống $11.8%$.
    • Độ bền kéo đứt: Đạt $17.6\text{ cN/tex}$ (tăng $18.5%$ so với sợi đơn thông thường).
    • Chỉ số lông xù Uster ($H$): Giảm từ $4.8$ xuống $2.75$ (giảm $42.7%$).
  • Năng lực vận hành:
    • Tỷ lệ đứt sợi trên 1.000 cọc/giờ: Giảm từ 32 mối xuống $< 15\text{ mối}$.
    • Hiệu suất máy đánh ống Muratec QPRO tăng từ $84%$ lên $93.5%$.
    • Phế liệu sợi cắt lọc giảm $38.2%$.

Đổi mới và đóng góp

  1. Tối ưu hóa hình học tam giác xoắn Siro: Nghiên cứu đã xác lập cự ly phân tách dải xơ thô tối ưu ($d = 5\text{ mm}$) trên máy JWF1510-A. Thiết lập này giúp góc kẹp sợi $\alpha$ đạt trạng thái cân bằng lực căng động, cho phép các xơ mép ngoài được cuộn sâu vào lõi sợi trước khi ra khỏi vùng kẹp, triệt tiêu xơ tự do.
  2. Thuật toán biến thiên đốt Slub phân bố giả ngẫu nhiên (Pseudo-Random Slub Pattern): Loại bỏ hoàn toàn hiệu ứng tạo vân sọc không mong muốn (Moireing effect) trên mặt vải dệt thoi/dệt kim bằng cách tích hợp thuật toán phân tán bước đốt.
  3. Tích hợp hệ thống quản lý lỗi khép kín: Kết nối dữ liệu cảnh báo thời gian thực từ Uster Quantum 3 trên máy QPRO ngược về công đoạn trước (Carding $\rightarrow$ Drawing $\rightarrow$ Roving) để cách ly tức thời các cọc sợi và thùng cúi bị lỗi cơ khí.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng sản phẩm

  • Vải Denim/Jean cao cấp: Ứng dụng sợi C7SB, C10SB, C16SB kết hợp sợi Spandex lõi 70D tạo hiệu ứng đốt gồ ghề tự nhiên, co giãn $25 - 30%$, chịu mài mòn giặt tẩy wash axit/stone wash.
  • Vải dệt kim thời trang (Single Jersey/Interlock): Ứng dụng sợi Siro C20/C30 cotton tạo mặt vải mịn, không đổ lông, giữ form dáng sau nhiều chu kỳ giặt.

Hiệu quả kinh tế & ROI (Quy mô xưởng 50.000 cọc sợi)

[Tổng đầu tư cải tạo Servo & Siro: $120.000]
                  |
         (Lợi ích hàng năm)
  + Tiết kiệm điện năng (Bỏ TFO): $145.000/năm
  + Giảm phế liệu và sợi hồi:    $68.000/năm
  + Giá trị gia tăng sợi Slub/Siro: $210.000/năm
                  |
    ===> [Thời gian hoàn vốn ROI: 3.4 tháng]

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Động cơ Servo điều khiển suốt sau chịu tải nhiệt lớn khi chạy các đơn hàng Slub mật độ cao liên tục ($> 20\text{ đốt/m}$), đòi hỏi hệ thống làm mát cưỡng bức.
  • Hao mòn suốt da cục bộ tại 2 rãnh chạy của dải thô Siro diễn ra nhanh hơn gấp 1.8 lần so với kéo sợi thường.

Hướng phát triển

  • Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Compact-Siro (ghép tụ khí từ tính) để hạ chỉ số xù lông $H < 2.0$.
  • Tích hợp hệ thống thị giác máy tính AI tại dàn cọc sợi con để phát hiện đứt mối và dừng cấp sợi thô tự động (Individual Spindle Monitoring).

Đối tượng hưởng lợi

Đối tượng Giá trị chuyển giao & Lợi ích định lượng
Sinh viên & Học viên ngành Dệt Cung cấp tài liệu thực chiến về sơ đồ công nghệ, thông số máy kéo sợi hiện đại (JingWei, Muratec, HiCorp) và bản vẽ mặt cắt chi tiết.
Kỹ sư công nghệ Sợi Bộ đơn công nghệ chuẩn (C7SB - C20SB), công thức tính toán kéo dài Servo và cẩm nang xử lý mã lỗi Uster Quantum 3 ($b1 - b6, bd$).
Doanh nghiệp dệt may Giải pháp nâng cao giá trị gia tăng sản phẩm sợi thêm $15 - 25%/tấn$, rút ngắn thời gian setup đơn hàng mới từ 3 ngày xuống 4 giờ.
Nhà nghiên cứu dệt may Dữ liệu thực nghiệm về động học tam giác xoắn Siro và ảnh hưởng của cự ly phân tách dải thô tới độ bền kéo.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu phần cứng để chuyển đổi máy sợi con truyền thống sang chạy sợi Siro và Slub là gì?

Cần trang bị: (1) Cụm giá treo thô đôi và phễu cấp kép có cự ly cố định $4 - 6\text{ mm}$ cho công nghệ Siro; (2) Động cơ AC Servo biến thiên tốc độ cao độc lập kết nối với suốt sau, kèm bộ điều khiển PLC chuyên dụng và màn hình cảm ứng HMI cho công nghệ Slub.

2. Giới hạn mật độ đốt và độ dày tối đa của sợi Slub là bao nhiêu?

Độ dày đốt thông thường khống chế từ $+30%$ đến $+300%$ so với đường kính thân sợi. Chiều dài đốt tối thiểu $\ge 20\text{ mm}$ (bị giới hạn bởi quán tính cơ học của suốt kéo dài và cự ly bấm suốt). Mật độ đốt tối đa khuyến nghị $\le 25\text{ đốt/mét}$ để đảm bảo độ bền khi dệt.

3. Làm thế nào để phân biệt lỗi $bd$ do máy ghép hay do máy sợi thô gây ra?

Kiểm tra bước sóng chu kỳ ($\lambda$) trên phổ đồ biểu đồ Uster (Spectrogram): Nếu bước sóng lỗi $\lambda$ ngắn ($5 - 15\text{ cm}$) thì nguyên nhân nằm ở bộ kéo dài máy thô CMT1801; nếu bước sóng lỗi dài ($\lambda = 1 - 4\text{ m}$) thì nguồn phát sinh lỗi nằm ở trục suốt hoặc cảm biến tự động làm đều cúi máy ghép FA313-B.

4. Tại sao chi phí sản xuất sợi Siro lại thấp hơn đáng kể so với sợi chập se TFO?

Sợi Siro hoàn thành việc ghép đôi và tạo săn trực tiếp ngay tại vùng kéo dài của máy sợi con trong một công đoạn duy nhất, loại bỏ hoàn toàn 2 công đoạn trung gian tiêu tốn nhiều điện năng và mặt bằng là: máy chập sợi (Doubling winder) và máy se sợi hai bước (Two-For-One Twister).

5. Chu kỳ bảo trì tối ưu cho hệ thống suốt da và khuyên sợi khi chạy sợi Slub/Siro?

Đối với sợi Slub và Siro: Chu kỳ thay thế khuyên sợi (Ring traveller) rút ngắn từ 168 giờ xuống $96 - 120\text{ giờ}$; chu kỳ mài lại và xử lý bề mặt suốt da cao su rút ngắn xuống $45 - 60\text{ ngày}$ để tránh tạo rãnh mòn làm trượt dải xơ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Lệ Hoa dưới sự hướng dẫn của TS. Hoàng Thanh Thảo đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết và quy trình công nghệ kéo sợi chải thô hiện đại tại Nhà máy Texhong Ngân Long. Nghiên cứu giải quyết xuất sắc các bài toán kỹ thuật phức tạp trong việc thiết lập tham số kéo sợi Slub điều khiển Servo điện tử, tối ưu hóa cấu trúc cơ lý sợi Siro, đồng thời xây dựng quy trình chẩn đoán – khắc phục các nhóm lỗi khuyết tật sợi trên máy sợi con và máy đánh ống tự động Muratec QPRO. Đây là tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao cho công tác đào tạo kỹ thuật dệt may và chuyển giao công nghệ tại các nhà máy sợi hiện đại trên cả nước.