文/薛元 魏曉婷 劉曰興 張國清

1 引言

竹節(jié)紗是指粗細、混紡（色）比、捻度等紗線結(jié)構(gòu)參數(shù)沿其長度方向變化和隨機分布的紗線，也稱為粗細紗?；谶@種結(jié)構(gòu)及形貌隨機變化而生產(chǎn)的竹節(jié)紗織物，會帶來一些出其不意的美感和豐富的布面紋理，將竹節(jié)紗應用于牛仔布、高檔襯衣、時裝及裝飾用紡織品的生產(chǎn)，提升了紡織品的附加值和技術(shù)內(nèi)涵，受到廣大消費者的青睞。

2 竹節(jié)紗及其特征參數(shù)

2.1 竹節(jié)紗發(fā)展歷程

傳統(tǒng)的竹節(jié)紗是在紗線長度方向上隨機或規(guī)律性排列著粗節(jié)或細節(jié)的紗線，最早生產(chǎn)竹節(jié)紗的方法是采用不完全齒輪的機械式變牽伸機構(gòu)紡制竹節(jié)紗，一般是用缺齒齒輪傳動中后羅拉，或直接改造牽伸機構(gòu)的皮輥實現(xiàn)竹節(jié)紗的紡制，此方法結(jié)構(gòu)簡單便于安裝，但此裝置紡制品種單一，變換工藝復雜，且裝置壽命短不易維護。后來采用離合器的電子式牽伸機構(gòu)紡制竹節(jié)紗，大多用單片機或PLC控制變速電機或電磁離合器控制中后羅拉變速實現(xiàn)竹節(jié)紗的紡制，裝置運行比較穩(wěn)定，控制方便、費用較低，但壽命短、維護費用大，調(diào)整和改變工藝參數(shù)較復雜，循環(huán)周期有限，且竹節(jié)紗參數(shù)控制精度差，品種變化少，很難滿足高質(zhì)量的需求。隨著科技的不斷進步，采用數(shù)字控制的電腦式執(zhí)行機構(gòu)紡制竹節(jié)紗。利用微電腦在線智能控制中后羅拉變速，實現(xiàn)有規(guī)律或隨機變化的竹節(jié)紗的紡制。裝置結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強，自動化程度高，可生產(chǎn)出各種規(guī)格的竹節(jié)紗，開發(fā)出風格各異的竹節(jié)紗織物，控制精度與生產(chǎn)效率大大提高。但此方法生產(chǎn)的竹節(jié)紗顏色和組分變換具有局限性，最多只能實現(xiàn)兩色變化。

本課題組原創(chuàng)發(fā)明并研制了三通道數(shù)碼環(huán)錠細紗機，可通過伺服控制三通道數(shù)碼牽伸系統(tǒng)，可調(diào)控紗線橫向粗細、縱向長度、多組分混紡比和紗線混色比等結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用該設備生產(chǎn)的竹節(jié)紗，不僅能控制竹節(jié)粗細和長度的變化，而且能控制原料組分（或色纖維混色比）呈現(xiàn)分段及周期性變化，生產(chǎn)原有竹節(jié)紡紗技術(shù)不能生產(chǎn)的竹節(jié)紗，實現(xiàn)竹節(jié)紗的數(shù)碼生產(chǎn)。

2.2 竹節(jié)紗特征參數(shù)

竹節(jié)紗具有粗細變化和色彩變化等特征，為了定量描述表達竹節(jié)紗結(jié)構(gòu)、外觀形貌及色彩分布規(guī)律，定義如下特征參數(shù)：竹節(jié)紗的基準線密度，有時以平均線密度或最小線密度表示；竹節(jié)線密度或粗節(jié)線密度；細節(jié)線密度，有時也稱基紗線密度；平均線密度：在公定回潮率下，一個或若干個竹節(jié)周期長度內(nèi)，紗線所具有的重量除以此時紗線的長度；基紗長度（L1）、竹節(jié)長度（L= L2+L3+L4）、竹節(jié)頭段長度（L2）、竹節(jié)主干長度（L3）、竹節(jié)尾端長度（L4）和竹節(jié)紗周期長度（T）、粗節(jié)混色比、細節(jié)混色比、竹節(jié)倍率（粗節(jié)線密度與細節(jié)線密度的比值）等。

圖1 竹節(jié)紗結(jié)構(gòu)示意圖

3 不同喂入方式紡制竹節(jié)紗的原理

三通道數(shù)碼環(huán)錠細紗機的牽伸機構(gòu)如圖2所示，3個平行的后羅拉分別由不同的伺服電機控制，因此可以實現(xiàn)同軸不同步控制，令3個后羅拉的表面線速度分別是Vh1、Vh2、Vh3，3根不同的紗線分別經(jīng)3個后羅拉同步喂入、異步牽伸之后，經(jīng)中羅拉、前羅拉牽伸之后，在前羅拉處形成加捻三角區(qū)，最終形成紗線。

圖2 數(shù)碼紡紗機三羅拉牽伸機構(gòu)示意圖

設三通道各根粗紗的線密度分別是ρ1、ρ2、ρ3，后羅拉的表面線速度分別為 Vh1、 Vh2、Vh3，前羅拉的表面線速度為Vq，則成紗線密度

竹節(jié)紗的基準線密度可用平均線密度或最小線密度表示，為了方便選擇前者，以ρyo表示，同時設紗線粗節(jié)線密度為ρyc，細節(jié)線密度為ρyxo，則竹節(jié)紗線密度的變化可以理解為在基準線密度ρyo的基礎(chǔ)上疊加波動線密度 Δρy形成竹節(jié)。設與基準線密度對應的3個后羅拉的表面線速度為 Vh1、 Vh2、Vh3，3個后羅拉的表面線速度的增量為ΔVh1、ΔVh2、ΔVh3，竹節(jié)段對應的3個后羅拉的表面線速度為 Vh1+ ΔVh1、Vh2+ ΔVh2、Vh3+ ΔVh3，令后羅拉的表面線速度之和Vohi、ΔVohi，且則竹節(jié)紗的基準紗的線密度：

竹節(jié)紗的波動線密度為：

因此，最終紡制的竹節(jié)紗的線密度可以表示為：

當或，紗線上分別會出現(xiàn)基準線密度、粗節(jié)線密度和細節(jié)線密度。

竹節(jié)紗基紗部分的混紡比：

竹節(jié)紗基紗部分的混紡比：

3.1 單通道變速喂入粗紗紡制竹節(jié)紗

在三通道數(shù)碼紡紗機中，設Vh1=Vh3=0；ΔVh1=ΔVh3=0。在后羅拉2處喂入一根粗紗，改變后羅拉2的喂入速度即可達到產(chǎn)生竹節(jié)紗的目的。此時式（1）可表達為：

式（7）中，某時刻當ΔVh2=0，則紗線的線密度為基準線密度；當ΔVh2＞0，則在紗線上出現(xiàn)粗節(jié)，其線密度大于基準線密度；當ΔVh2＜0，且｜ΔVh2｜＜Vh2，則紗線上出現(xiàn)細節(jié)。由此，則單粗紗紡制竹節(jié)紗可以有以下幾種形式：①粗紗喂入量波動式增加，可紡制以粗節(jié)為斑的竹節(jié)紗；②粗紗喂入量波動式遞減，可紡制以細節(jié)為斑的竹節(jié)紗；③粗紗喂入量忽增忽減式波動，可紡制以粗、細節(jié)為斑的竹節(jié)紗。

圖3 單通道喂入紡制純色粗竹節(jié)紗的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 雙通道變速喂入粗紗紡制竹節(jié)紗

三通道數(shù)碼紡紗機中設在后羅拉1、后羅拉3處各喂入一根粗紗，通過改變后羅拉1、3的喂入時間與速度紡制竹節(jié)紗，此時式（1）為：

設置紡制基紗的時間段為t1，紡制竹節(jié)的時間段為t2，在t1時間段內(nèi)，若Voh1=0，Voh2≠0 ，即后羅拉1保持靜止狀態(tài)，后羅拉2以恒定的速度運動，在t2時間段內(nèi)，Voh1=Voh2≠0，ΔVoh1≠0，ΔVoh2=0 后羅拉1由靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài)，后中羅拉保持運動狀態(tài)不變，則可形成兩種顏色復合的竹節(jié)部分，如圖4所示。

圖4 雙通道喂入粗紗紡制彩節(jié)竹節(jié)紗的結(jié)構(gòu)示意圖

以此類推，假定雙通道分別喂入粗紗1、3的纖維種類分別為a和b，通過以下幾種形式實現(xiàn)雙組分竹節(jié)紗的紡制：

①勻速喂入粗紗a、斷續(xù)喂入粗紗b，可紡制以a為基紗、以b為粗節(jié)的竹節(jié)紗；勻速喂入粗紗b、斷續(xù)喂入粗紗a，可紡制以b為基紗、以a為粗節(jié)的竹節(jié)紗。以此類推，在連續(xù)紡紗時，某時段勻速喂入粗紗a、斷續(xù)喂入粗紗b，在下一時段切換成勻速喂入粗紗b、斷續(xù)喂入粗紗a，由此可紡制一段以a為基紗、以b為粗節(jié)，另一段以b為基紗、a為粗節(jié)的竹節(jié)紗。

②以指定且不變的比例喂入粗紗a、b，根據(jù)基紗線密度確定喂入粗紗a、b速度之和，當喂入的a、b粗紗速度之和等于該常量、大于該常量、小于該常量時，可分別紡制竹節(jié)紗的基紗、粗節(jié)及細節(jié)。以此類推，在連續(xù)紡紗時，某時段喂入的粗紗a、b速度之和大于該常量，下一時段喂入的粗紗a、b速度之和等于該常量，再下一時段喂入的粗紗a、b速度之和小于該常量，由此可紡制雙組分比例不變條件下的包含了粗節(jié)、細節(jié)隨機分布的竹節(jié)紗。

③以任意變化的比例喂入粗紗a、b，同樣也根據(jù)基紗線密度確定喂入粗紗a、b速度之和。同樣可類推得出，在連續(xù)紡紗時，當某時段喂入的粗紗a、b速度之和大于該常量，下一時段喂入的粗紗a、b速度之和等于該常量，再下一時段喂入的粗紗a、b速度之和小于該常量，由此可紡制雙組分比例變化且粗節(jié)、細節(jié)隨機分布的竹節(jié)紗。

3.3 三通道變速喂入粗紗紡制竹節(jié)紗

在后羅拉1、后羅拉2、后羅拉3處各喂入一根粗紗，改變后羅拉1、2、3的喂入時間與速度，達到產(chǎn)生竹節(jié)紗的目的，則細紗線密度的公式表達為：

設置紡制基紗的時間段為t1，紡制竹節(jié)的時間段為t2；在t1時間段，若后羅拉1、3保持靜止狀態(tài)，后羅2以恒定的速度運動，即Vh1= Vh3=0，Vh2≠0 ，則基紗部分有一種顏色，在t2時間段， ΔVh1≠0 且 ΔVh2= ΔVh3=0 ，后羅拉1由靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài)，后羅拉2仍以恒定的速度運動，后羅拉3仍處以靜止狀態(tài)，在下一個t2時間段，后羅拉1處以靜止狀態(tài)，后羅拉2仍以恒定的速度運動，后羅拉3由靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài)，則可形成3種顏色交替變換的復合竹節(jié)部分，如圖5所示。

圖5 三通道喂入粗紗紡制三色竹節(jié)紗的結(jié)構(gòu)示意圖

假定三通道分別喂入粗紗1、2、3的纖維種類分別為a、b和c，通過以下幾種形式實現(xiàn)三組分竹節(jié)紗的紡制：①勻速喂入粗紗b，同步且斷續(xù)喂入粗紗a、c，可紡制以b組分為基紗，以（a+c）組分為粗節(jié)的竹節(jié)紗；勻速喂入粗紗b，斷續(xù)且交替喂入粗紗a、c，可紡制以b組分為基紗，交替以a組分或c組分為粗節(jié)的竹節(jié)紗。②勻速喂入粗紗a、c，斷續(xù)喂入粗紗b，可紡制以(a+c)組分為基紗，以b組分為粗節(jié)的竹節(jié)紗。③以指定且不變的比例喂入粗紗a、b、c，根據(jù)基紗線密度確定喂入粗紗a、b、c速度之和，當喂入粗紗a、b、c的速度之和等于該常量、大于該常量或小于該常量時，可分別紡制竹節(jié)紗的基紗、粗節(jié)及細節(jié)。以此類推，在連續(xù)紡紗時，某時段喂入的粗紗a、b速度之和大于該常量，下一時段喂入的粗紗a、b速度之和等于該常量，再下一時段喂入的粗紗a、b速度之和小于該常量，由此可紡制三組分比例不變條件下的包含了粗節(jié)、細節(jié)隨機分布的竹節(jié)紗。④以任意變化的比例喂入粗紗a、b、c，同樣也根據(jù)基紗線密度確定喂入粗紗a、b、c速度之和，當喂入粗紗a、b、c的速度之和等于該常量、大于該常量或小于該常量時，可分別紡制竹節(jié)紗的基紗、粗節(jié)及細節(jié)。以此類推，在連續(xù)紡紗時，某時段喂入的粗紗a、b速度之和大于該常量，下一時段喂入的粗紗a、b速度之和等于該常量，再下一時段喂入粗紗a、b速度之和小于該常量，由此可紡制三組分比例變化且粗節(jié)、細節(jié)隨機分布的竹節(jié)紗。

4 竹節(jié)紗工藝優(yōu)化分析

4.1 試驗原料及設備

試驗選用的原料：棉纖維（27×1.75dtex）制備的白色純棉粗紗，粗紗定量為5.0g/10m；經(jīng)活性黑染料制備黑棉粗紗，粗紗定量為5.0g/10m。

紡紗設備：使用江南大學與經(jīng)緯股份榆次分公司聯(lián)合研制的FA1551三通道環(huán)錠數(shù)碼細紗機。

4.2 紡紗工藝參數(shù)設定

為了分析三通道數(shù)碼環(huán)錠細紗機紡制的竹節(jié)紗的竹節(jié)長度和基紗長度與理論設計的是否一致，試驗以雙通道變速喂入紡制竹節(jié)紗為例設計試驗方案，設定試驗以基紗長度和竹節(jié)長度為變量，竹節(jié)長度為5.14cm、7.19cm、9.25cm。設定彩節(jié)竹節(jié)紗基準線密度為30s（19.4tex），捻度為648捻/10m，錠子轉(zhuǎn)速為7500r/min，前羅拉轉(zhuǎn)速為9.48m/min。

經(jīng)過一系列的試驗發(fā)現(xiàn)：實際所紡制的竹節(jié)長度總是大于理論設計的竹節(jié)長度，而且竹節(jié)部分存在分布不勻的現(xiàn)象；其中，竹節(jié)頭端會出現(xiàn)一小段少量黑色纖維纏繞在紗線上，然后黑色纖維逐漸增多并均勻纏繞在紗線上，以穩(wěn)定比例出現(xiàn)在竹節(jié)主干部分；在達到設定的竹節(jié)長度后，黑色纖維還會出現(xiàn)一定的拖尾現(xiàn)象，黑色纖維在紗線上逐漸減少，在竹節(jié)末端有一定長度的延伸。

圖6 雙通道數(shù)碼環(huán)錠紡紡制竹節(jié)紗外觀圖

理論上粗紗在經(jīng)過后羅拉喂入進入后牽伸區(qū)的長度l0與后羅拉點動時間t有關(guān)， l0=Vh2×t；在后牽伸區(qū)經(jīng)中羅拉與后羅拉的共同牽伸作用，黑色纖維的長度 l1=l0×e1=Vh2×t ×e1；黑色纖維經(jīng)過中羅拉進入前區(qū)牽伸，經(jīng)前羅拉和中羅拉的共同牽伸作用使紗條抽長拉細，黑色纖維在紗線中被進一步伸直平行排列，輸送到前羅拉出口的長度為

在牽伸過程中產(chǎn)生拖尾的原因：在后羅拉點動喂入黑色纖維的過程中，后羅拉由運動狀態(tài)變?yōu)殪o止狀態(tài)時，末端的黑色纖維會有一個抽拔過程，那些沒有被后羅拉握持，或浮游在后羅拉與中羅拉之間的纖維會隨著中羅拉的運動進入前牽伸區(qū)，即當后羅拉停止喂入時，中羅拉仍以穩(wěn)定速度轉(zhuǎn)動，此時須條內(nèi)纖維的運動情況如下：因后區(qū)牽伸隔距大于須條內(nèi)纖維的主體長度，①被中羅拉鉗口握持，但未被后羅拉鉗口握持的纖維仍以中羅拉的速度前進。②被后羅拉鉗口握持，但未被中羅拉鉗口握持的纖維則停止運動。③未被后羅拉握持，也未被中羅拉握持的纖維會浮游在后牽伸區(qū)，經(jīng)過牽伸、拉扯作用須條最終被拉斷。因此進入前區(qū)牽伸的竹節(jié)長度為l1= Vh2×t×e1+ δ。

表1 雙通道變速喂入紡制竹節(jié)紗試驗參數(shù)設定

表2 雙通道變速喂入紡制竹節(jié)紗長度參數(shù)對比

4.3 竹節(jié)紗竹節(jié)長度的修正方法

由上述分析可知，無論改變竹節(jié)紗的竹節(jié)長度還是竹節(jié)段混紡比，目前出現(xiàn)的主要問題都是竹節(jié)存在一定拖尾現(xiàn)象，經(jīng)試驗驗證得出，利用雙通道或三通道數(shù)碼環(huán)錠細紗機紡制竹節(jié)紗時，在竹節(jié)段部分出現(xiàn)一定程度拖尾現(xiàn)象是必然存在的。本課題針對該現(xiàn)象，對竹節(jié)段纖維在牽伸區(qū)的縱向移動建立模型進行分析，對紡制竹節(jié)紗的工藝參數(shù)進行重新修正，具體計算方法如下。

竹節(jié)紗中竹節(jié)長度的計算方法：由于竹節(jié)長度是通過控制后羅拉的點動時間確定的，為了得到理論竹節(jié)長度與實際理論長度一致的段彩紗，因此對后羅拉的點動時間進行修正，由上述公式 l2= l1×e2=(Vh2×t×e1+ δ)×e2=Vh2×t×e1×e2+ δ×e2知，竹節(jié)段的主體長度l0和拖尾的竹節(jié)部分l0'即 l2'= l0+ l0'。已知目標竹節(jié)長度，對后羅拉點動修正后的后羅拉點動時間t'其中l(wèi)2'是目標設定的竹節(jié)長度，也就是客戶所要求的竹節(jié)長度，l0'= δ ×e2，產(chǎn)生拖尾的拖尾長度。

表3 雙通道變速喂入紡制竹節(jié)紗長度參數(shù)對比

利用上述修正方法，針對本試驗重新設定后羅拉的點動時間，并對試驗結(jié)果進行測試，測試結(jié)果如表3所示。從試驗結(jié)果中可以看出，該修正方法對解決竹節(jié)紗拖尾現(xiàn)象有明顯改善，達到理論設定的工藝參數(shù)與實際紡制得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)一致，能滿足客戶的要求。

5 結(jié)束語

竹節(jié)紗在具體開發(fā)利用上往往存在多元化和系列化，在設計竹節(jié)紗時不僅可以從纖維種類、紗線橫向和縱向結(jié)構(gòu)入手，新型竹節(jié)紗還可以變換其混紡比和顏色變化，從而可以提高產(chǎn)品的附加值。目前竹節(jié)紗面臨的最大挑戰(zhàn)是對竹節(jié)紗的結(jié)構(gòu)參數(shù)精準控制。