高志娟， 郁崇文,2

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

并條機(jī)后區(qū)牽伸倍數(shù)的模擬設(shè)計

高志娟1， 郁崇文1,2

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

為快速確定不同條子并條工藝的后區(qū)牽伸倍數(shù)，采用拉伸的方法模擬并條機(jī)后牽伸區(qū)的牽伸，進(jìn)行后區(qū)牽伸倍數(shù)的設(shè)計，并以棉、滌綸和粘膠為原料進(jìn)行實驗。結(jié)果表明，拉伸曲線和牽伸力-牽伸倍數(shù)曲線有很大的相似性。由拉伸曲線中最大拉伸力所對應(yīng)的伸長轉(zhuǎn)化而來的牽伸倍數(shù)和并條牽伸力測試的實驗數(shù)據(jù)擬合的三次方程得出的最大牽伸力所對應(yīng)的牽伸倍數(shù)非常接近，此牽伸倍數(shù)下牽伸力不勻和并條牽伸后輸出須條的條干不勻都小，故根據(jù)拉伸曲線的結(jié)果來設(shè)計并條機(jī)的后區(qū)牽伸倍數(shù)是可行的，為并條機(jī)后區(qū)牽伸倍數(shù)的快速離線設(shè)計提供了參考。

并條機(jī)； 拉伸； 牽伸； 后區(qū)牽伸倍數(shù)； 條子

并條機(jī)的牽伸是紡紗過程中的重要步驟，與成紗質(zhì)量有著極其密切的關(guān)系，尤其后區(qū)牽伸倍數(shù)的合理確定對輸出產(chǎn)品質(zhì)量的影響非常關(guān)鍵。牽伸倍數(shù)與牽伸力有著對應(yīng)的關(guān)系，但在不同的原料性能(如纖維長度、細(xì)度[1]和種類等)和工藝(如牽伸隔距等)下，牽伸倍數(shù)與牽伸力的關(guān)系也會有所不同。而不同的后區(qū)牽伸倍數(shù)對輸出條子的條干均勻度有直接的影響，因此，加工中應(yīng)合理選擇后區(qū)牽伸倍數(shù)，以使輸出的條子獲得最優(yōu)的均勻度。一般認(rèn)為，牽伸力最大(此時的牽伸力不勻最小)時所對應(yīng)的牽伸倍數(shù)是最佳的，即此時加工出的條子均勻度最好(條干不勻率最小)[2-3]，牽伸力不勻率對紗條不勻率的影響比牽伸力本身的大小更為重要[4]。工廠一般根據(jù)長期的生產(chǎn)經(jīng)驗設(shè)計合理的牽伸倍數(shù)，但實際上，因環(huán)境(溫濕度和回潮率)變化對牽伸有影響，尤其是在加工新原料時，沒有經(jīng)驗數(shù)據(jù)可循，必須通過實驗來確定合理的牽伸倍數(shù)，造成人力、物力的消耗，故這種方法也存在著一定的不完善性。

德國特呂茨勒(Trützschler)公司生產(chǎn)的最新TD03型并條機(jī)配備可選購的Auto-Draft預(yù)牽伸自我優(yōu)化模塊，具有感應(yīng)與加速的作用。在并條生產(chǎn)時，傳動中羅拉的伺服電動機(jī)自動變速。由于中羅拉速度的不斷變化，后牽伸區(qū)的牽伸倍數(shù)也相應(yīng)變化，則后區(qū)的牽伸力也隨之變化。Auto-Draft模塊根據(jù)在持續(xù)的1 min測試中捕捉到的牽伸力最大值，將其所對應(yīng)的后區(qū)牽伸倍數(shù)設(shè)定為優(yōu)選值[5]，但是，該裝置仍需利用原料在并條機(jī)上進(jìn)行實驗后才能確定最優(yōu)的后區(qū)牽伸倍數(shù)。

牽伸力及其不勻是牽伸過程中的重要參數(shù)，前期許多學(xué)者采用傳感器以及不同的牽伸力測量系統(tǒng)對牽伸區(qū)中的牽伸力及其不勻進(jìn)行了測試[6]，得出了牽伸力與牽伸倍數(shù)、羅拉隔距、羅拉速度等的關(guān)系[7]。文獻(xiàn)[8-9]研究表明，在牽伸力不勻最小時，牽伸力最大，此時所對應(yīng)的牽伸倍數(shù)為臨界牽伸倍數(shù)，在此牽伸倍數(shù)下，輸出紗條的不勻最小。因此，為使紡出的須條更加均勻，牽伸力不勻越小越好。

本文主要借助拉伸儀對須條進(jìn)行拉伸來模擬須條的牽伸，并根據(jù)拉伸曲線的臨界伸長轉(zhuǎn)化的牽伸倍數(shù)來研究并條機(jī)后區(qū)牽伸倍數(shù)的設(shè)計方法。這種方法可簡單、快速有效地確定后區(qū)牽伸倍數(shù)，且節(jié)省原料。

1 拉伸伸長與牽伸倍數(shù)關(guān)系的建立

牽伸是將須條中的纖維抽長拉細(xì)的過程，其實質(zhì)是纖維沿須條軸向作相對位移，分布在更長的片段上[10]。牽伸時，前后羅拉因存在速度差而使須條抽長拉細(xì)。圖1為簡單的兩羅拉單區(qū)牽伸示意圖。其中：L為牽伸隔距；V1、V2分別為前羅拉和后羅拉的表面線速度；P1、P2分別為前后羅拉上施加的壓力；T1(N1)、T2(N2)分別為輸出條子、喂入條子的線密度(定量)。在拉伸中，上、下夾頭夾持須條，下夾頭的下降使須條被拉長拉細(xì)，如圖2所示。其中，拉伸儀上的上、下夾頭相當(dāng)于并條機(jī)后牽伸區(qū)的中、后羅拉，因而，拉伸可類似模擬為簡單的兩羅拉單區(qū)牽伸，夾持隔距相當(dāng)于牽伸隔距。

圖1 兩羅拉單區(qū)牽伸示意圖Fig.1 Single drafting zone formed by two pairs of rollers

圖2 拉伸模擬牽伸示意圖Fig.2 Simulation of drafting by stretching

圖3示出拉伸過程中須條變細(xì)示意圖。假設(shè)須條結(jié)構(gòu)均勻，則當(dāng)須條兩端被上、下夾頭夾持并逐漸拉伸時，沿上、下夾頭至須條中部，須條是均勻、對稱、逐漸變細(xì)的。

上下夾持頭間的纖維須條隨著拉伸的進(jìn)行，不斷被抽長、拉細(xì)直至須條中部完全分離，在這個過程中須條中的纖維只是做了豎直方向上的移動，并未缺失，故可采用平面幾何圖形的面積來模擬須條拉伸前后的狀態(tài)，則總定量不變相當(dāng)于圖形中拉伸前后的面積不變，則有

可推導(dǎo)出拉伸時的伸長L與牽伸時的牽伸倍數(shù)E的關(guān)系[11]：

圖3 拉伸過程中須條變細(xì)示意圖Fig.3 Atlenuation of sliver during drawing

式中：R為須條定量；L為夾持隔距；Lx為拉伸伸長；Rx為對應(yīng)于拉伸伸長Lx時須條最細(xì)處定量，對于結(jié)構(gòu)均勻的須條，最細(xì)處應(yīng)出現(xiàn)在須條的中部。將R(即須條拉伸前的寬度)看作牽伸時的喂入定量，R/Rx則表示當(dāng)須條的拉伸伸長為Lx時，須條被抽長拉細(xì)的程度，相當(dāng)于羅拉牽伸中的牽伸倍數(shù)E。上式為牽伸倍數(shù)E與拉伸伸長Lx間的關(guān)系，因此，定量為R的須條在夾持隔距為L時進(jìn)行拉伸，可根據(jù)其伸長Lx推算出所對應(yīng)的牽伸倍數(shù)。

2 牽伸力在線測量裝置

本文采用的在線測量裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。該裝置由稱重傳感器、測量五位顯示儀、計算機(jī)和通信軟件等組成。用上海天沐自動化儀表有限公司生產(chǎn)的NS-TH5型電阻應(yīng)變片式稱重傳感器采集并條機(jī)工作時條子的瞬時牽伸力，利用5位顯示儀將牽伸力的瞬時值顯示于讀數(shù)板上，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)儲存以作進(jìn)一步分析用[12]。

注：1—電腦； 2—顯示儀； 3—稱重傳感器； 4—支撐桿； 5—中羅拉； 6—后羅拉； 7—條子。圖4 并條機(jī)牽伸力在線測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Drafting force measurement apparatus on drafting frame

當(dāng)并條機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，開始進(jìn)行測試，每個牽伸倍數(shù)下測試1 min，每個后區(qū)牽伸倍數(shù)測試3次。測試時，顯示儀對數(shù)據(jù)進(jìn)行間隔采集，在面板上實時顯示數(shù)據(jù)值。在數(shù)據(jù)圖形區(qū)域中，實時繪制質(zhì)量與時間的關(guān)系曲線，并將質(zhì)量與時間的數(shù)據(jù)儲存在電腦中，曲線的橫軸為時間，單位是s(1 min能實時顯示225個力的數(shù)值)。曲線的縱軸為質(zhì)量，單位是kg，可轉(zhuǎn)化為力。

3 實驗部分

本文以采用棉(1.64 dtex×25.7 mm)，滌綸(1.33 dtex×38 mm)和粘膠(1.33 dtex×38 mm)3種纖維制成的生條為原料，分別在微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)和裝有牽伸力在線測量系統(tǒng)的DHU A301型并條機(jī)進(jìn)行生條的拉伸實驗和并條牽伸實驗。

3.1 拉伸實驗

對總定量為136.5 g/5 m的6根普梳棉條(單根定量為22.75 g/5 m)，設(shè)置夾持隔距為46 mm，總定量為123 g/5 m的6根滌綸生條(單根定量為20.5 g/5 m)和總定量為120 g/5 m的6根粘膠生條(單根定量為20 g/5 m)，設(shè)置夾持隔距為50 mm，用微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)(上海華龍測試儀器有限公司)進(jìn)行牽伸的模擬實驗，根據(jù)拉伸時的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系來模擬牽伸力及牽伸倍數(shù)的關(guān)系。

3.2 并條牽伸實驗

與拉伸實驗對應(yīng)，分別對上述總定量為136.5 g/5 m的6根普梳棉條，總定量為123 g/5 m的6根滌綸生條和總定量為120 g/5 m的6根粘膠生條進(jìn)行牽伸實驗及牽伸力的測試。實驗中，棉條的后牽伸區(qū)的羅拉中心距設(shè)置為46 mm，滌綸和粘膠生條的后牽伸區(qū)的羅拉中心距設(shè)置為50 mm，總牽伸倍數(shù)均為6倍，實驗設(shè)置的6個后區(qū)牽伸倍數(shù)分別為1.407、1.462、1.52、1.583、1.652、1.727。

3.3 條干測試

經(jīng)恒溫恒濕環(huán)境下調(diào)濕24 h后，將經(jīng)牽伸后的須條在CT3000型條干均勻度測試分析儀(陜西長嶺紡織機(jī)電科技有限公司)上以25 m/min的速度進(jìn)行1 min的條干測試。

4 結(jié)果與討論

4.1 棉條實驗結(jié)果

普梳棉條的拉伸曲線如圖5所示。其最大拉伸力及所對應(yīng)的伸長(臨界伸長)可根據(jù)拉伸結(jié)果得出(每個樣品測試4次)。

圖5 普梳棉條拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖Fig.5 Tensile stress-strain curve of carded cotton slivers

將伸長轉(zhuǎn)化為牽伸倍數(shù)，得到拉伸力與牽伸倍數(shù)的關(guān)系曲線，如圖6所示。并且通過最大拉伸力所對應(yīng)的伸長，求出其所對應(yīng)的臨界牽伸倍數(shù)E為1.517。

圖6 拉伸力與牽伸倍數(shù)的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between drafting ratio and pulling force

利用實驗所得不同牽伸倍數(shù)下牽伸力及其不勻和輸出須條條干不勻的數(shù)據(jù)，用Origin軟件繪制不同牽伸倍數(shù)下的牽伸力以及不同牽伸倍數(shù)下的牽伸力不勻與條干不勻的關(guān)系，如圖7、8所示。

圖7 后區(qū)牽伸倍數(shù)與牽伸力的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between back drafting ratio and drafting force

圖8 不同牽伸倍數(shù)下牽伸力不勻和輸出須條的條干不勻Fig.8 Effect of draft ratio of back drafting zone on coefficient of variation of drafting force and output slivers unevenness.

對圖7中普梳棉條在6個不同牽伸倍數(shù)下的牽伸力數(shù)據(jù)用MatLab軟件進(jìn)行擬合，得到牽伸力(T)與牽伸倍數(shù)(E)的關(guān)系方程式：

T=11 310E3-54 410E2+86 950E-45 960

對該方程進(jìn)行檢驗得，R2=0.976 2，F(xiàn)=14.36，大于F0.90(3,2)=9.16，因此可知該方程擬合效果顯著。通過求導(dǎo)可知，在后區(qū)牽伸倍數(shù)為1.509時，牽伸力最大，為214.04 cN，即此時的臨界牽伸倍數(shù)為1.509。從圖8還可看出，在臨界牽伸倍數(shù)下，牽伸后輸出須條的條干不勻和牽伸力不勻值均小。

4.2 滌綸生條實驗結(jié)果

滌綸生條的拉伸曲線如圖9所示，其最大拉伸力及所對應(yīng)的伸長(臨界伸長)可根據(jù)拉伸結(jié)果得出(每個樣品測試4次)。

圖9 滌綸生條拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖Fig.9 Tensile stress-strain curve of carded polyester slivers

圖10 拉伸力與牽伸倍數(shù)的關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between drafting ratio and pulling force

將伸長轉(zhuǎn)化為牽伸倍數(shù)，得到拉伸力與牽伸倍數(shù)的關(guān)系曲線，如圖10所示。并且通過最大拉伸力所對應(yīng)的伸長，求出其所對應(yīng)的臨界牽伸倍數(shù)E為1.534。

利用實驗所得不同牽伸倍數(shù)下牽伸力及其不勻和輸出須條條干不勻的數(shù)據(jù)，用Origin軟件繪出不同牽伸倍數(shù)下的牽伸力和不同牽伸倍數(shù)下的牽伸力不勻與條干不勻的關(guān)系圖，如圖11、12所示。

圖11 后區(qū)牽伸倍數(shù)與牽伸力的關(guān)系曲線Fig.11 Effect of draft ratio of back drafting zone on drafting force

圖12 不同牽伸倍數(shù)下牽伸力不勻和輸出須條的條干不勻Fig.12 Effect of draft ratio of back drafting zone on coefficient of variation of drafting force and output slivers unevenness

對圖11中滌綸生條在6個不同牽伸倍數(shù)下的牽伸力數(shù)據(jù)用MatLab軟件進(jìn)行擬合，得到牽伸力T與牽伸倍數(shù)E的關(guān)系方程式：

T=9 623E3-46 550E2+74 780E-39 610

對該方程進(jìn)行檢驗得，R2=0.959 2，F(xiàn)=14.61，大于F0.90(3,2)=9.16，由此可知該方程擬合的效果顯著。通過求導(dǎo)可知，在后區(qū)牽伸倍數(shù)為1.524時，牽伸力最大，為300.4 cN，即此時的臨界牽伸倍數(shù)為1.524。從圖12還可看出，在臨界牽伸倍數(shù)下，牽伸力不勻和牽伸后輸出須條的條干不勻較小。

4.3 粘膠生條實驗結(jié)果

粘膠生條的拉伸曲線如圖13所示。從圖中可得出其最大拉伸力及所對應(yīng)的伸長(臨界伸長)(每個樣品測試4次)。

圖13 粘膠生條拉伸時的的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖Fig.13 Tensile stress-strain curve of carded rayon slivers

將伸長轉(zhuǎn)化為牽伸倍數(shù)，得到拉伸力與牽伸倍數(shù)的關(guān)系曲線，如圖14所示。通過最大拉伸力所對應(yīng)的伸長，求出其所對應(yīng)的臨界牽伸倍數(shù)E為1.491。

圖14 拉伸力與牽伸倍數(shù)的關(guān)系曲線Fig.14 Relationship between drafting ratio and pulling force

利用實驗所得粘膠不同牽伸倍數(shù)下牽伸力及其不勻和牽伸后輸出須條條干不勻的實驗數(shù)據(jù)，用Origin軟件繪出不同牽伸倍數(shù)下的牽伸力以及不同牽伸倍數(shù)下牽伸力不勻與條干不勻的關(guān)系圖，如圖15、16所示。

圖15 后區(qū)牽伸倍數(shù)與牽伸力的關(guān)系曲線Fig.15 Effect of draft ratio of back drafting zone on drafting force

圖16 不同牽伸倍數(shù)下牽伸力不勻和輸出須條的條干不勻率Fig.16 Effect of draft ratio of back drafting zone on coefficient of variation of drafting force and output slivers unevenness

對粘膠生條牽伸力測試，所得到的后區(qū)牽伸倍數(shù)與對應(yīng)牽伸力的6組數(shù)據(jù)(6個不同的后區(qū)牽伸倍數(shù)及牽伸力)用MatLab軟件進(jìn)行三次方程擬合，得到的牽伸力T與牽伸倍數(shù)E的關(guān)系方程式為

T=7 636E3-36 760E2+58 780E-31 040

對方程的顯著性進(jìn)行檢驗得，R2=0.995，F(xiàn)=123.3>F0.90(3,2)=9.16。由此可知該方程擬合效果顯著。通過對擬合方程求導(dǎo)的方法得出，在牽伸倍數(shù)為1.510時，牽伸力最大，為191.70cN，即1.510為臨界牽伸倍數(shù)。從圖16還可看出，在該臨界牽伸倍數(shù)下，牽伸力不勻和牽伸后須條的條干不勻都較低。

4.4 結(jié)果分析

由圖6、7可看出，普梳棉條的拉伸和牽伸曲線有很大的相似性，均存在臨界牽伸倍數(shù)，分別為1.517和1.509，二者僅相差0.5%；由圖10、11可得出，滌綸生條的拉伸力和牽伸力隨著牽伸倍數(shù)的增加，均存在臨界牽伸，根據(jù)滌綸生條拉伸實驗臨界伸長推算的臨界牽伸倍數(shù)為1.534，而相同定量的滌綸生條在并條機(jī)上測試出來的實際最大牽伸力所對應(yīng)的臨界牽伸倍數(shù)為1.524，二者僅相差0.65%；從圖14、15可得出，粘膠生條拉伸力與牽伸力最大時所對應(yīng)臨界牽伸倍數(shù)分別為1.491和1.510，二者差異也很小，僅為1.3%。3種原料的實驗結(jié)果都說明拉伸和牽伸有很大的相似性，可采用拉伸儀器拉伸的方法來預(yù)測并條機(jī)羅拉牽伸的臨界牽伸倍數(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)并條機(jī)后區(qū)牽伸倍數(shù)的快速離線設(shè)計。

由圖8、12、16可知，隨著后區(qū)中牽伸倍數(shù)的增大，牽伸力不勻和輸出須條的條干先減小而后增大，在牽伸力最大值所對應(yīng)的牽伸倍數(shù)下，牽伸力不勻和輸出須條的條干不勻都小。牽伸力的波動越小，纖維變速點分布相對集中，輸出須條的條干就越均勻，說明了牽伸區(qū)中，牽伸力最大值所對應(yīng)的牽伸倍數(shù)可認(rèn)為是并條機(jī)的最優(yōu)后區(qū)牽伸倍數(shù)。

5 結(jié) 論

1)拉伸實驗和并條牽伸力測試所得出的臨界牽伸倍數(shù)非常接近，可采用拉伸來模擬并條牽伸，進(jìn)行并條機(jī)后區(qū)牽伸倍數(shù)的設(shè)計。

2)無論是棉、滌綸還是粘膠，當(dāng)牽伸倍數(shù)小于臨界牽伸倍數(shù)時，牽伸力逐漸增大而牽伸力不勻和條干不勻逐漸減小，臨界牽伸倍數(shù)對應(yīng)牽伸力的最大值，牽伸力不勻和牽伸后輸出須條條干不勻的最小值。

3)不同纖維須條的后區(qū)臨界牽伸倍數(shù)是不同的，滌綸生條的臨界牽伸倍數(shù)略大于粘膠生條和普梳棉條。

FZXB

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Simulating design for draft ratio of back drafting zone on drawing frame

GAO Zhijuan1, YU Chongwen1,2

(1. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2. Key Laboratory of Textile Science and Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China)

In order to determine the draft ratio of back drafting zone of different slivers during drawing process efficiently, the tensile method was used to simulate drafting of the back drafting zone on a drawing frame. Cotton, polyester and rayon slivers were used in the experiments, respectively. The results show that tensile curves and drafting force-drawing multiple curves are very similar. The draft ratio translated from the critical elongation in tensile stress-strain curve is very close to the one calculated from the fitting cubic equation of the experimental data in the drafting force test when the maximum drafting force occurs, and the coefficient of the variation of the drafting force and output slivers unevenness are both low at the critical draft ratio. The draft ratio of back drafting zone, therefore, can be designed according to the tensile curves. The result provides a certain reference for the rapid offline design on the draft ratio of the back drafting zone on drawing frame.

drawing frame; tensile; drafting; draft ratio of back drafting zone; sliver

10.13475/j.fzxb.20160505507

2016-05-23

2016-12-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(51173023)

高志娟(1990—)，女，碩士生。研究方向為紡紗基礎(chǔ)理論。郁崇文，通信作者，E-mail:yucw@dhu.edu.cn。

TS 104.1

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