王 姜，傅 婷，楊建平，汪 軍，2

(1.東華大學紡織學院，上海 201620;2.東華大學紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620)

假捻盤是轉(zhuǎn)杯紡紗過程中不可或缺的重要元件，假捻盤的存在不僅賦予了紗條一定的假捻［1－3］，不同類型的假捻盤也會帶來不同的假捻效果［4－6］，同時對加捻區(qū)域紗條的捻度傳遞有著一定影響，捻陷便是其中可能存在的一種現(xiàn)象。有關(guān)轉(zhuǎn)杯紡假捻盤的假捻作用，研究者的觀點達成一致，但是對于其是否存在捻陷或者阻捻，并未達成統(tǒng)一［7－8］。同時，同樣認同捻陷作用的研究人員，對捻陷作用的作用效果也有著不同的看法［9－11］。本文系統(tǒng)研究了與假捻盤相互作用的紗條區(qū)域的捻度分布情況，并設(shè)計了模擬實驗來分析其捻陷作用。

1 假捻盤兩端紗條的運動分析

轉(zhuǎn)杯紡紗正常進行的過程中，假捻盤兩端的紗條(此處僅指凝聚槽與導紗羅拉之間的紗條)會呈現(xiàn)2種回轉(zhuǎn)運動，如圖1所示。圖中PQ段連接轉(zhuǎn)杯的凝聚槽，A端被導紗羅拉握持，圖中條紋狀圖形代表紗條，而黑色填充區(qū)域為假捻盤截面形狀，其與紗條的接觸區(qū)域為GBO段，是一段1/4圓弧(在轉(zhuǎn)杯工作過程中，OA段并不與假捻盤接觸)，B點為此圓弧上任意一點，G點與O點為此圓弧的2個端點。當轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)動時，首先會帶動杯內(nèi)的紗條(即PG段紗條)繞著假捻盤軸線轉(zhuǎn)動;其次，因為紗條與假捻盤相接觸，接觸產(chǎn)生的摩擦力會作用于紗條使得整個紗條繞自身軸線轉(zhuǎn)動。

圖1 假捻盤作用下的紗條形態(tài)Fig.1 Form of yarn under effect of navel

在本文中，將紗條繞假捻盤軸線的運動稱之為公轉(zhuǎn)運動，將紗條繞自身軸線的轉(zhuǎn)動稱之為自轉(zhuǎn)運動。公轉(zhuǎn)運動必然會使得紗條的各個區(qū)域獲得一定捻度，而捻度在紗條不同區(qū)域之間傳遞，就有可能出現(xiàn)捻陷或者阻捻現(xiàn)象。

2 加捻區(qū)紗條捻度變化模型建立

在研究加捻區(qū)(與凝聚槽和導紗羅拉之間的紗條有相互作用的區(qū)域)紗條的捻度情況時，本文首先討論公轉(zhuǎn)運動的影響，而后結(jié)合自轉(zhuǎn)運動統(tǒng)一分析紗條的捻度分布。

2.1 公轉(zhuǎn)運動對加捻區(qū)紗條捻度影響

紗條的公轉(zhuǎn)運動會對整個加捻區(qū)的紗條產(chǎn)生作用，而其對不同區(qū)域紗條的捻度影響會存在一定差異，如圖2所示。

圖2 公轉(zhuǎn)運動下的紗條受力示意圖Fig.2 Yarn stress during revolution motion

圖中C點為假想的假捻盤與紗條相互作用的圓弧區(qū)域的圓心，此作用區(qū)域的半徑為r0。過點B作圓弧GBO的切線，過P點作此切線的垂線，交于B'點。同時，過P點作線段BC的垂線，交線段BC的延長線于D點。過G點分別作線段PD和線段BC的垂線，交線段PD于E'點，交線段BC于E點。此外，線段AO長度為S，線段PG的長度為L。

現(xiàn)令∠OCB=θ，可知∠E'GP與∠EGC同為θ，而四邊形DEGE'為矩形，故線段DE的長度等于線段E'G的長度。

為使紗臂公轉(zhuǎn)，P端加一作用力F(垂直于紙面向里)，F(xiàn)對斷面B施加的扭矩為

而

式中:LPB'為線段PB'的長度;LCD為線段CD的長度;LCE為線段CE的長度;LDE為線段DE的長度。故可得:

當 θ=0時，M0=F× (r0+L);當 θ=π/2時，Mπ/2=0。

故整個AO端紗條承受的扭矩為M0，而施加在PG段紗條的扭矩為Mπ/2，恒等于0。紗條的捻度獲得是與被施加的扭矩呈正相關(guān)的，即 Tw∝M，可得到:

由此可知，紗條的公轉(zhuǎn)運動不會使得PG端紗條產(chǎn)生任何捻度，而AO段紗條捻度的變化最大，與假捻盤1/4圓弧相接觸的紗條的捻度情況符合式(4)的計算。

綜上所述，PG段紗條不會存在任何真捻，也必然不存在捻度傳向OA段的情況，故假捻盤沒有阻捻作用。而OA段會隨著公轉(zhuǎn)圈數(shù)的不同獲得不同程度的真捻，當其捻度達到一定范圍時，必然會傳向PG段，假捻盤的捻陷現(xiàn)象會隨之出現(xiàn)。

2.2 加捻區(qū)紗條的捻度分布

上節(jié)提到紗條有2種運動，都會對紗條的捻度產(chǎn)生影響，所以加捻區(qū)紗條的最終捻度分布情況是2種運動作用效果的疊加。

當紗條做公轉(zhuǎn)運動時(如圖1所示)，轉(zhuǎn)動方向順著OA方向看是逆時針，則OA端會獲得Z向捻度。而PG端在轉(zhuǎn)動的過程中又受到假捻盤摩擦力的作用，摩擦力矩的方向順著OA方向看便是順時針，沿OP的方向看，摩擦力矩的方向是逆時針，PG段紗條同樣會獲得Z向捻度。而假捻盤摩擦力矩的作用使得紗條做自轉(zhuǎn)運動，產(chǎn)生的是假捻，所以O(shè)A端出現(xiàn)的假捻捻向為S捻。

由此可知，在不考慮OA段紗條的真捻向PG段傳遞時，OA段與GBO段紗條的最終捻度是公轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的真捻與自轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的假捻的疊加，而PG段的捻度完全是因假捻作用產(chǎn)生的。

綜上所述，當紗條進行公轉(zhuǎn)運動時，其不同區(qū)域會隨著公轉(zhuǎn)圈數(shù)的增加出現(xiàn)不同情況的捻度變化，而紗條不同區(qū)域的捻度的變化情況以及假捻盤的捻陷作用對紗條的捻度情況產(chǎn)生的影響，則在實驗部分進行驗證。

3 模擬實驗與結(jié)果分析

在轉(zhuǎn)杯紡紗機正常工作時，轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速每分鐘在數(shù)萬至十數(shù)萬之間，在運行的轉(zhuǎn)杯上進行實驗顯然不切實際，所以本文采用的是模擬實驗的方法。

3.1 實驗裝置

進行實驗之前，首先制作可近似模擬紗條公轉(zhuǎn)運動的特定實驗裝置，如圖3所示。

圖3 實驗裝置示意圖Fig.3 Experimental facility

把中軸固定于支架上，假捻盤連接在中軸底部，皮帶盤與中軸同軸心且可繞軸心線轉(zhuǎn)動，同時導紗圈固定于皮帶盤上，而紗線經(jīng)由中軸穿過假捻盤，再穿過導紗圈后連接重錘。假捻盤右側(cè)紗條長度L=10 cm(紗條離開假捻盤位置至金屬圈的長度)，上部紗條長度S=30 cm(紗條離開假捻盤位置至頂部握持端的長度)。

本文實驗采用的紗條為并列的黑白2色紗線，當紗條有捻度時，黑白2色紗線扭轉(zhuǎn)成1股，通過肉眼便可清晰地觀測出紗條的捻回數(shù)，同時也可方便地計算出紗條的捻度大小。

實驗開始時，外接電動機帶動皮帶盤及導紗圈勻速轉(zhuǎn)動，假捻盤右端紗條隨之發(fā)生繞假捻盤軸心線的公轉(zhuǎn)運動，給予假捻盤上端紗條一定捻度，捻度增加到一定程度，會向下傳遞至假捻盤右側(cè)紗條。但因為紗條是固定的(即無導紗運動)，所以此類捻度傳遞過程并非真正意義上的捻陷現(xiàn)象，但紗條捻度的傳遞過程與捻陷現(xiàn)象發(fā)生時的捻度傳遞情況是相同的，所以本文實驗可在一定程度上研究假捻盤所造成的捻陷現(xiàn)象。

本文采用了3種質(zhì)量的重錘，控制皮帶盤勻速緩慢地轉(zhuǎn)動不同的圈數(shù)，此時重錘的質(zhì)量近似等于紗條所受的張力。然后再分別觀測整根紗條上的捻度分布情況，找出假捻盤捻陷作用的一般規(guī)律。

3.2 結(jié)果分析

首先，實驗采用的重錘質(zhì)量為5 g，所得到的紗條不同區(qū)域的捻度情況如表1所示。

表1 5 g重錘下的紗條捻度分布Tab.1 Distribution of yarn twist under 5 g weight

表中N為公轉(zhuǎn)圈數(shù)，T1為PG段紗條捻度，T2為OA段紗條捻度，yT為捻陷百分率，其數(shù)值為(1－T1/T2)×100%。紗條各區(qū)域的捻度大小分布情況以及公轉(zhuǎn)不同圈數(shù)的捻陷百分率如圖4所示。

圖4 5 g重錘下的紗條捻度分布Fig.4 Distribution of yarn twist under 5 g weight

通過圖4可看出，無論PG段還是OA段，紗條的捻度都呈上升趨勢。PG段捻度剛開始增大緩慢，當公轉(zhuǎn)圈數(shù)達到27轉(zhuǎn)時，捻度突增，而此時OA段的捻度并未增加，所以可肯定OA段的捻回在此時大幅度地傳向PG段。此外，捻陷百分率曲線剛開始呈現(xiàn)負值，也就是說OA段捻度小于PG段，所以此時PG段紗條的捻度并非來自O(shè)A段紗條的傳遞，而是因假捻盤的假捻作用產(chǎn)生的。

隨后，采用的重錘質(zhì)量分別升至10 g與15 g，所得的紗條不同區(qū)域的捻度情況及捻陷百分率如圖5所示。

圖5 10 g和15 g重錘下的紗條捻度分布Fig.5 Distribution of yarn twist under 10 g and 15 g weight

從圖5中可看出，紗條捻度的變化趨勢與圖4折線類似，不同的是當紗條的公轉(zhuǎn)圈數(shù)均達到了36轉(zhuǎn)左右時，PG段捻度才發(fā)生突增。這是由于過大的張力使得紗條與假捻盤的摩擦力變得更大，捻度的傳遞更加困難。

4 結(jié)論

1)紗條的公轉(zhuǎn)運動對紗條的不同區(qū)域所加的捻度不相同，其不會給予PG段真捻，所以假捻盤不存在阻捻作用。同時，紗條與假捻盤相接觸區(qū)域獲得的真捻分布符合式(4)所示，而假捻盤施加在OA段紗條的扭矩是最大的。

2)在給予紗條一定張力的情況下，當公轉(zhuǎn)圈數(shù)達到一定時，便會發(fā)生捻陷現(xiàn)象，在不同張力下，假捻盤的捻陷作用程度是不同，紗條處于大張力下時，捻陷現(xiàn)象更不易出現(xiàn)。

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