余 豪， 張建建， 劉可帥， 陳 軍， 夏治剛，3

(1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430073； 2. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006； 3. 襄陽(yáng)際華三五四二紡織有限公司 博士后工作站， 湖北 襄陽(yáng) 441002)

導(dǎo)紗鉤運(yùn)動(dòng)引起的紡紗三角區(qū)變化對(duì)成紗性能的影響

余 豪1， 張建建1， 劉可帥2， 陳 軍1， 夏治剛1，3

(1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430073； 2. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006； 3. 襄陽(yáng)際華三五四二紡織有限公司 博士后工作站， 湖北 襄陽(yáng) 441002)

為探索導(dǎo)紗鉤運(yùn)動(dòng)特征與環(huán)錠紡紗品質(zhì)之間的關(guān)系，建立了整管紗線環(huán)錠紡制過(guò)程中的導(dǎo)紗鉤運(yùn)動(dòng)模型，基于此運(yùn)動(dòng)模型，分析環(huán)錠紡紗成紗區(qū)內(nèi)須條與前羅拉包圍弧長(zhǎng)度變化的特征，探索紡紗三角區(qū)幾何面積變化規(guī)律，推測(cè)紡紗三角區(qū)變化對(duì)成紗性能的影響。理論分析結(jié)果表明：導(dǎo)紗鉤周期性的升降運(yùn)動(dòng)使得紡紗三角區(qū)面積產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的減增變化，直接影響成紗毛羽。結(jié)果顯示：同一卷裝位置對(duì)應(yīng)的紡紗三角區(qū)面積減小時(shí)，纖維受到的控制力更大，成紗毛羽相應(yīng)降低；整管紗線的毛羽性能受三角區(qū)面積變化與氣圈大小等多種因素共同影響。

數(shù)學(xué)模擬； 包圍弧； 紡紗加捻三角區(qū)； 毛羽； 條干不勻

細(xì)紗工序是整個(gè)紡紗過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，成紗環(huán)節(jié)所生產(chǎn)紗線的質(zhì)量直接影響后續(xù)織造的效率和成品質(zhì)量[1-2]。我國(guó)現(xiàn)階段的紡織行業(yè)中，普通環(huán)錠紡仍占有重要地位[3]，大部分天然纖維和合成短纖的紡紗均由普通環(huán)錠紡紗技術(shù)完成。普通環(huán)錠紡是一種由羅拉和皮輥對(duì)須條握持牽伸，鋼領(lǐng)、鋼絲圈和錠子進(jìn)而對(duì)其加捻的機(jī)械式紡紗方法[4-5]。加捻過(guò)程中，捻度從鋼絲圈自下而上向前鉗口傳遞，使得前鉗口處的須條圍繞自身軸線回轉(zhuǎn)，須條寬度逐漸收窄，在紡紗段形成紡紗加捻三角區(qū)[6-7]。在加捻三角區(qū)內(nèi)，加捻須條內(nèi)各纖維的應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻,纖維發(fā)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移, 纖維頭端轉(zhuǎn)移至紗體外，并且不再移入紗體內(nèi)部時(shí)，就形成毛羽[8-10]。毛羽過(guò)多，紗線受力拉伸時(shí)纖維的利用率降低，強(qiáng)力下降，因此減小或消除加捻三角區(qū)是提高成紗質(zhì)量的一個(gè)重要方向，研究紡紗加捻三角區(qū)形狀動(dòng)態(tài)變化對(duì)控制紡紗品質(zhì)具有深遠(yuǎn)意義。

在細(xì)紗的成紗和卷繞過(guò)程中，導(dǎo)紗鉤不僅具有控制氣圈大小，穩(wěn)定紗線卷繞張力[11]的作用，而且導(dǎo)紗鉤的位置變化直接影響紡紗三角區(qū)形態(tài)。相關(guān)研究表明，增加紗線與導(dǎo)紗鉤的接觸時(shí)間，使捻度傳遞滯后，能夠起到搓捻毛羽的作用[12]；穩(wěn)定紡紗三角區(qū)能夠減少斷頭，提高成紗質(zhì)量[13]。為更好發(fā)揮導(dǎo)紗鉤的作用，對(duì)導(dǎo)紗鉤進(jìn)行特定形態(tài)和材料的改進(jìn)，研制出陶瓷導(dǎo)紗鉤、鍍層導(dǎo)紗鉤和集聚導(dǎo)紗鉤等新型導(dǎo)紗鉤[14-15]。雖然導(dǎo)紗鉤特定形態(tài)和材料的改進(jìn)研究能一定程度提高環(huán)錠紡紗品質(zhì)，但不能揭示所有導(dǎo)紗鉤運(yùn)動(dòng)對(duì)成紗品質(zhì)影響的普遍規(guī)律。導(dǎo)紗鉤運(yùn)動(dòng)影響環(huán)錠紡紗品質(zhì)的普遍規(guī)律對(duì)掌握紡紗加捻三角區(qū)形態(tài)變化、控制成紗品質(zhì)差異等具有指導(dǎo)意義，但缺乏深入研究。本文基于導(dǎo)紗鉤位置變化，深入研究加捻三角區(qū)及其對(duì)成紗性能的影響。不同于以往導(dǎo)紗鉤直接與紗條接觸、摩擦影響紡紗捻度、張力、搓捻的研究，通過(guò)從導(dǎo)紗鉤運(yùn)動(dòng)影響紡紗加捻三角區(qū)形態(tài)變化的角度，研究導(dǎo)紗鉤位置對(duì)紡紗性能的影響，其結(jié)果將對(duì)控制紗線性能差異、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級(jí)具有重要的普遍性指導(dǎo)意義。

1 理論模型分析

1.1 導(dǎo)紗鉤的運(yùn)動(dòng)模型

在細(xì)紗加工過(guò)程中，管紗卷繞依靠鋼領(lǐng)板的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)和逐級(jí)上升運(yùn)動(dòng)同時(shí)作用而實(shí)現(xiàn)。為保證紗線在卷繞過(guò)程中的氣圈大小一致和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，導(dǎo)紗鉤的運(yùn)動(dòng)方式與鋼領(lǐng)板保持一致，同時(shí)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)和逐級(jí)上升運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：L0表示導(dǎo)紗鉤每次上升的距離；V1表示導(dǎo)紗鉤每次上升的速度；T1為導(dǎo)紗鉤每次上升的時(shí)間；△L為導(dǎo)紗鉤每次逐級(jí)上升的距離；V2為導(dǎo)紗鉤每次下降的速度；T2表示導(dǎo)紗鉤每次下降的時(shí)間；L1為導(dǎo)紗鉤在某一時(shí)刻相對(duì)于其起始點(diǎn)的距離；T為紡紗時(shí)間；[]表示取整。

分析式(1)、(2)可知，隨著紡紗時(shí)間的變化，導(dǎo)紗鉤在豎直方向的位置總體是不斷上升的，同時(shí)導(dǎo)紗鉤在一個(gè)完整的級(jí)升運(yùn)動(dòng)單元中先上升后下降，上升距離略大于下降距離，這樣完成一次完整的極升運(yùn)動(dòng)。式(3)表示導(dǎo)紗鉤在某個(gè)級(jí)升運(yùn)動(dòng)單元中處于上升階段的位置；式(4)則表示導(dǎo)紗鉤在同一級(jí)升運(yùn)動(dòng)單元中處于下降階段的位置。其完整的運(yùn)動(dòng)單元如圖1所示。

1.2 包圍弧變化的模型分析

圖2示出導(dǎo)紗鉤在不同位置時(shí)對(duì)應(yīng)的包圍弧。由圖可看出，在導(dǎo)紗鉤1個(gè)完整的級(jí)升運(yùn)動(dòng)中，導(dǎo)紗鉤首先做上升運(yùn)動(dòng)，此時(shí)紗線與水平方向的夾角(導(dǎo)紗角)θ開(kāi)始減小，須條在前羅拉上的包圍弧AC也逐漸減小，直至導(dǎo)紗角達(dá)到最小值時(shí)，須條與羅拉的包圍弧長(zhǎng)度也減小到最短，即為弧AB；然后導(dǎo)紗鉤做下降運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)紗角不斷增大，紗線與羅拉包圍弧開(kāi)始由最小逐漸變大，直至導(dǎo)紗鉤降到最低點(diǎn)，此時(shí)導(dǎo)紗角達(dá)到最大值，包圍弧長(zhǎng)度也最長(zhǎng)，但均小于初始級(jí)升運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)紗角度和包圍弧長(zhǎng)。

通過(guò)分析得到導(dǎo)紗鉤的位置與包圍弧存在數(shù)學(xué)相關(guān)性，建立模型見(jiàn)圖3所示。

在實(shí)際生產(chǎn)中，皮輥的前沖量是一定的，則α+β為常數(shù)，根據(jù)上圖分析可得

(5)

(6)

再根據(jù)三角形定理推導(dǎo)可得式(7):

(7)

(8)

式中：θ表示成紗段紗線與水平方向的夾角；α表示須條包圍弧AB所對(duì)應(yīng)的圓心角；β表示羅拉中心和包圍弧AB頂端B點(diǎn)的連線與水平方向的夾角；L表示圓弧AB的長(zhǎng)度；R表示羅拉半徑；L1表示導(dǎo)紗鉤上升的距離；L2表示前羅拉中心到導(dǎo)紗鉤起始位置的豎直距離；L3表示前羅拉中心到導(dǎo)紗鉤與紗線接觸點(diǎn)的距離。由式(3)、(4)有

(9)

再由式 (5)(6)推導(dǎo)可得：

(10)

(11)

式(11)中：x表示導(dǎo)紗鉤上升不同距離的變量；f(x)表示關(guān)于變量x的函數(shù)。由式(11)可求出:

(12)

1.3 包圍弧對(duì)三角區(qū)和紗線質(zhì)量的影響

加捻三角區(qū)是指從前鉗口輸出須條的寬度與紗線加捻點(diǎn)形成的三角形區(qū)域，其幾何面積由須條寬度和三角區(qū)高度共同決定。在前鉗口處，三角區(qū)的底邊寬是由主牽伸區(qū)的須條寬度決定，其在成紗階段保持不變，而紗線與前羅拉包圍弧的長(zhǎng)度，即三角區(qū)的實(shí)際高度隨著包圍弧的變化而改變，所以在成紗階段影響紡紗加捻三角區(qū)大小的主要原因是須條與前羅拉包圍弧的長(zhǎng)度。圖4示出導(dǎo)紗鉤不同位置對(duì)應(yīng)紡紗加捻三角區(qū)大小的影響。

圖4中A和B分別表示導(dǎo)紗鉤不同位置對(duì)應(yīng)的紡紗加捻三角區(qū)纖維須條捻合點(diǎn)。隨著導(dǎo)紗鉤位置上移，紡紗加捻三角區(qū)的捻合點(diǎn)上移(即圖4中B點(diǎn))，捻合點(diǎn)B與前羅拉鉗口線的距離縮短，須條與羅拉的包圍弧長(zhǎng)度減小，因此導(dǎo)紗鉤的位置越高，須

條與前羅拉包圍弧的長(zhǎng)度越短，進(jìn)而紡紗加捻三角區(qū)也越小。

傳統(tǒng)的紡紗理論認(rèn)為，纖維在須條被加捻的過(guò)程中發(fā)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移，加捻三角區(qū)兩端被握持的大多數(shù)纖維以及中間的部分纖維經(jīng)過(guò)內(nèi)外轉(zhuǎn)移后彼此發(fā)生抱合，纖維頭端被加捻卷入紗體[16]。而沒(méi)有發(fā)生完全內(nèi)外轉(zhuǎn)移的纖維所受到的控制力較小，頭端易伸出紗體形成毛羽。而減小加捻三角區(qū)以后，兩端纖維所受的控制力進(jìn)一步加強(qiáng)，內(nèi)外轉(zhuǎn)移更加順暢，而中間部分的纖維就會(huì)受到兩端纖維更強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)力的作用，從而發(fā)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移，纖維頭端更多的就會(huì)被捻入紗體，毛羽就會(huì)減少。同時(shí)由于纖維受到的控制力加強(qiáng)，纖維之間的作用合力增加，產(chǎn)生纖維之間滑移的機(jī)會(huì)減小，紗線的條干會(huì)得到一定改善[17]。而紗線強(qiáng)力主要受原棉質(zhì)量、紗線結(jié)構(gòu)和捻度的影響[18-20]，所以包圍弧的變化對(duì)強(qiáng)力影響不大。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

紡紗加捻三角區(qū)的大小直接影響毛羽和條干的效果，據(jù)此采用馬佐里DTM129-SM細(xì)紗機(jī)分別紡制線密度為7.3、9.7 tex的普梳棉滿管紗線(記為C7.3 tex、C9.7 tex)和14.6 tex的精梳棉滿管紗線(記為JC14.6 tex)，紡紗工藝參數(shù)如表1所示。整個(gè)紡紗過(guò)程均按照工廠的實(shí)際環(huán)境和工藝參數(shù)嚴(yán)格執(zhí)行。

表1 實(shí)際紡紗工藝參數(shù)Tab.1 Technological parameters of practical spinning

2.2 測(cè)試方法

首先將滿管紗搖紗200 mm,然后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試，按照毛羽→強(qiáng)力→條干的順序進(jìn)行多組反復(fù)測(cè)試：采用YG173A型毛羽測(cè)試儀測(cè)試紗線的3 mm毛羽指標(biāo)，測(cè)試速度為30 m/min,每段測(cè)試長(zhǎng)度為10 m，每組測(cè)試共有5段；用YG173A型條干均勻度測(cè)試分析儀測(cè)試紗線的條干CV值，測(cè)試速度為400 m/min，測(cè)試時(shí)間1 min，每組測(cè)試1次；采用YG173A全自動(dòng)單紗強(qiáng)力測(cè)試儀測(cè)試紗線的強(qiáng)力，試樣夾持長(zhǎng)度為500 mm，拉伸速度為500 mm/s，每組測(cè)試10次。各項(xiàng)紗線質(zhì)量指標(biāo)測(cè)試5管滿紗。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)3種線密度的棉紗毛羽、條干、強(qiáng)力等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知：C7.3 tex棉紗的3 mm毛羽根數(shù)在測(cè)試過(guò)程中先減小后增加；條干CV值也呈現(xiàn)類(lèi)似的變化規(guī)律；強(qiáng)力方面則沒(méi)有明顯變化規(guī)律。

表2 紗線質(zhì)量的測(cè)試結(jié)果Tab.2 Result of CV yarn qualities

為便于比較C7.3 tex、C9.7 tex、JC14.6 tex 3種紗線的毛羽、條干和強(qiáng)力的變化情況，采用數(shù)學(xué)曲線擬合方法得到各項(xiàng)指標(biāo)比較曲線圖，如圖5、6、7所示。

由圖5可知，紗線測(cè)試順序與紡紗順序相反，曲線從右至左表示3種紗線從小紗測(cè)試到滿紗，而對(duì)應(yīng)的3 mm毛羽具有相似的變化規(guī)律：紗線從小紗到滿紗時(shí)，3 mm毛羽的根數(shù)是先降低，后來(lái)略有上升，但滿紗時(shí)的毛羽根數(shù)仍然少于小紗時(shí)的毛羽根數(shù)。原因是小紗時(shí)，導(dǎo)紗鉤在最低點(diǎn)進(jìn)行上升下降的級(jí)升運(yùn)動(dòng)，此時(shí)須條與前羅拉的包圍弧最長(zhǎng)，紡紗加捻三角區(qū)的幾何面積最大，纖維所受控制力最小，影響了纖維自身的內(nèi)外轉(zhuǎn)移，毛羽就會(huì)較多。隨著導(dǎo)紗鉤位置不斷升高，須條與前羅拉的包圍弧也越來(lái)越小，紡紗加捻三角區(qū)的幾何面積隨之逐漸減小，相應(yīng)的毛羽減小，而到了大紗時(shí)，由于紡紗段氣圈變得很小，紗線受到的摩擦力越來(lái)越大，一部分纖維由于刮擦而形成毛羽，所以影響毛羽降低的趨勢(shì)，但整體3 mm毛羽根數(shù)要小于導(dǎo)紗鉤在最低點(diǎn)的時(shí)候。同時(shí)條干的變化也受紡紗加捻三角幾何面積大小的影響，如圖6所示。

3種紗線的條干變化規(guī)律不像毛羽明顯，這可能與粗紗的質(zhì)量有關(guān)系，粗紗的不勻直接影響細(xì)紗的條干均勻度。但從3種紗線條干的整體變化情況來(lái)看，出現(xiàn)比較一致的現(xiàn)象，小紗時(shí)條干CV值最大，中大紗的條干最優(yōu)，滿紗時(shí)出現(xiàn)一定的升高，但總體來(lái)說(shuō)中大紗的條干要優(yōu)于小紗時(shí)的干，原因也是由于導(dǎo)紗鉤的位置越高，須條與前羅拉的包圍弧越小，紡紗加捻三角區(qū)也越小，纖維受到的控制力越強(qiáng)越均勻，意外牽伸也減少，條干就會(huì)相應(yīng)變好，同時(shí)也因?yàn)榇蠹啎r(shí)的氣圈太小，張力大，對(duì)條干起反作用，所以大紗條干差于中紗。

由圖7可看出，紗線強(qiáng)力與導(dǎo)紗鉤運(yùn)動(dòng)引起的紡紗加捻三角區(qū)形態(tài)變化沒(méi)有相關(guān)性，3種紗線強(qiáng)力的變化曲線相互之間也沒(méi)有明顯的相關(guān)性，說(shuō)明三角區(qū)的大小對(duì)強(qiáng)力幾乎沒(méi)有影響。原因是紗線強(qiáng)力主要受原料、纖維結(jié)構(gòu)和捻系數(shù)影響，原料越好，纖維排列越緊密，捻系數(shù)越大，則強(qiáng)力越高。

4 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)學(xué)模擬的方法得到須條與前羅拉的包圍弧和導(dǎo)紗鉤位置的關(guān)系并得出具體表達(dá)式。通過(guò)對(duì)表達(dá)式的分析可知，導(dǎo)紗鉤的位置越高，包圍弧越小。而包圍弧的長(zhǎng)度與加捻三角區(qū)的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)，所以導(dǎo)紗鉤的位置越高，三角區(qū)的幾何面積也越小。加捻三角區(qū)的大小直接影響紗線的質(zhì)量。

1)導(dǎo)紗鉤的位置越高，紡紗加捻三角區(qū)越小，三角區(qū)內(nèi)的纖維所受控制力越大，形成的摩擦力界也越大，使得三角區(qū)中間的纖維也能夠順利地進(jìn)行內(nèi)外轉(zhuǎn)移，纖維頭端被捻入紗體，毛羽呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。大紗時(shí)，導(dǎo)紗鉤位置最高，三角區(qū)最小，理論上毛羽效果最好，但同時(shí)由于此時(shí)的氣圈最小，紗線受到鋼絲圈等的摩擦增大，被磨損纖維頭端露出紗體，毛羽數(shù)量呈現(xiàn)一定的上升趨勢(shì)，但總體少于導(dǎo)紗鉤在最低位置時(shí)的毛羽根數(shù)。

2) 加捻三角區(qū)越小，加捻扭轉(zhuǎn)作用力越大，纖維受控增強(qiáng)，紡紗張力對(duì)紗線的結(jié)構(gòu)影響越小，不易產(chǎn)生紗線的意外牽伸，對(duì)條干有利。所以隨著導(dǎo)紗鉤的位置不斷上升，條干呈現(xiàn)改善的趨勢(shì)。而氣圈不斷減小、張力增加也使得改善效果減弱。

3)導(dǎo)紗鉤的位置對(duì)強(qiáng)力沒(méi)有明顯影響，這是因?yàn)閺?qiáng)力主要取決于原料、紗線緊度和捻系數(shù)等。

導(dǎo)紗鉤的位置直接引起紡紗加捻三角區(qū)形狀變化，從而影響環(huán)錠紡紗品質(zhì)，尤其是紗線毛羽、條干指標(biāo)。保持環(huán)錠紡紗段紗條始終受最高位置處導(dǎo)紗鉤引導(dǎo)，有利于降低毛羽、改善條干。這為我們探索縮小加捻三角區(qū)形狀差異、穩(wěn)定紡紗品質(zhì)奠定基礎(chǔ)。

FZXB

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Influence of spinning triangle zone change with yarn guidermovement on yarn properties

YU Hao1, ZHANG Jianjian1, LIU Keshuai2, CHEN Jun1, XIA Zhigang1,3

(1.CollegeofTextileScienceandEngineering,WuhanTextileUniversity,Wuhan,Hubei430073,China; 2.CollegeofTextileandClothingEngineering,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215006,China; 3.PostdoctoralWorkstationXiangyangJihua3542TextileCo.,Ltd.,Xiangyang,Hubei441002,China)

To explore the relationship between the feature of spinning guider′s movement and the qualities of ring spun yarn, a yarn guider movement model was developed during the whole ring bobbin yarn package formation process, and arc length changes were analyzed for the staple strand wrapping on the front roller within yarn formation zone on the basis of the yarn guider movement model. Then, the spinning triangle geometric square variations were investigated with the aforementioned arc length change, and the influence of above variations on spun yarn properties were also predicted theoretically. Theoretical analysis indicated that spinning guide going up and down periodically led to the corresponding changes of decreasing and increasing geometric square of spinning triangle zone, influencing yarn hairiness directly. Experiments were also carried out to confirm above theory. Experimental results showed that yarn hairiness decreased because fibers were controlled more intensively as the responding geometric square of spinning triangle zone reduced in the same position of packaging; and the properties of whole bobbin yarn′s hairiness was influenced by spinning triangle zone changes, the size of yarn loop and so on.

mathematic simulation; wrapping arc ; spinning triangle zone; hairiness; irregularity

2015-09-24

2016-06-13

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51403161)；國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目(51325306)；湖北省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(2014CFB755)

余豪(1990—),男，碩士生。主要研究方向?yàn)樾滦图徏喖庸づc應(yīng)用技術(shù)。夏治剛，通信作者，E-mail: zhigang_xia1983@hotmail.com。

10.13475/j.fzxb.20150905707

TS 101.2

A