常永和, 薛 元, 韓晨晨, 楊瑞華, 高衛(wèi)東， 張 毅

(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122；2. 浙江省常山紡織有限責(zé)任公司， 浙江 衢州 324200)

環(huán)錠紡紗是對粗紗進(jìn)行牽伸、加捻、卷繞工藝形成紗線的過程。由前羅拉輸出的須條受到導(dǎo)紗鉤和綱領(lǐng)鋼絲圈的約束，在高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)錠作用下，須條先被加捻然后被卷繞在紗管上完成加捻和卷繞過程。此時，一方面紗條沿紡紗通道移動；另一方面，由錠子高速旋轉(zhuǎn)所形成的捻回沿紗條逆向傳遞形成了從前羅拉鉗口到導(dǎo)紗鉤的加捻段；錠子高速旋轉(zhuǎn)帶動鋼絲圈沿綱領(lǐng)回轉(zhuǎn)迫使從鋼絲圈到導(dǎo)紗鉤的這段須條高速旋轉(zhuǎn)并在離心力作用下形成了弧形氣圈段；錠子高速旋轉(zhuǎn)紗條被綱領(lǐng)鋼絲圈握持卷繞在紗管上并形成了從鋼絲圈到管紗卷繞點(diǎn)的卷繞段。解析環(huán)錠紡紗加捻段、氣圈段、卷繞段紗條張力的動態(tài)變化及其影響因素，對紡紗張力及其波動進(jìn)行有效調(diào)控，是控制紡紗斷頭、提高紡紗速度的關(guān)鍵。

以理論模型為基礎(chǔ)解析紡紗過程中氣圈形態(tài)變化，構(gòu)建加捻段、氣圈段、卷繞段紗條張力相互關(guān)系理論，對認(rèn)識紡紗張力變化規(guī)律具有重要意義。陳人哲[1]以平面氣圈為主，系統(tǒng)地研究和討論了有關(guān)紗線的動力學(xué)問題，并用簡便的數(shù)學(xué)式表示氣圈方程。詹葵華等[2-4]在紗線氣圈模型基礎(chǔ)上建立了氣圈紗曲線的雙氣圈模型，研究了雙氣圈模型下氣圈紗曲線的各段張力。Batra等[5-6]將環(huán)錠紡過程建模和求解給出了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)氣圈方程的數(shù)值解；Fraser[7-8]等將紗線通過鋼絲圈的區(qū)域作為自由氣圈的一個邊界條件求解，并詳細(xì)分析了鋼絲圈質(zhì)量與紗條在導(dǎo)紗鉤處的張力之間的關(guān)系。

同時，如何運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段在線采集紡紗過程加捻段、氣圈段、卷繞段的紗條張力并加以調(diào)控，已成為提升紡紗產(chǎn)量、質(zhì)量、效率，推動紡紗技術(shù)進(jìn)步的重要方向。目前紡紗張力的測試普遍采用接觸式測量法和非接式測量[9-11]。接觸式測量法是在紗線張力作用下，由張力傳感器檢測到張力變化產(chǎn)生電信號，并對此電信號進(jìn)行初步放大，通過A/D轉(zhuǎn)換器將信號輸入計(jì)算機(jī)處理，最后通過打印機(jī)打印出檢測結(jié)果。非接式測量紗條張力時，通過光學(xué)系統(tǒng)將紗線的陰影投射到圖像傳感器并輸出相對應(yīng)的電信號，放大處理后輸入計(jì)算機(jī)再經(jīng)軟件轉(zhuǎn)換得到即時變化的紗線張力。現(xiàn)階段的2種紡紗張力測試方法存在檢測裝置難固定，操作不便，不能實(shí)現(xiàn)張力的在線檢測和調(diào)控。

本文構(gòu)建了環(huán)錠紡紗張力在線檢測裝置，將力傳感器和位移傳感器分別嵌入導(dǎo)紗板和鋼領(lǐng)板中，檢測按時序排列的導(dǎo)紗板受力信號及按時序排列的導(dǎo)紗板、鋼領(lǐng)板的位移信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再根據(jù)經(jīng)典理論計(jì)算加捻段紗條張力、氣圈頂部和底部張力和卷繞張力。

1 導(dǎo)紗板受力信號檢測系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 信號檢測系統(tǒng)的組成

通過在環(huán)錠紡導(dǎo)紗板上嵌入OXYZ雙向力傳感器和位移傳感器，檢測紗條作用在導(dǎo)紗板上的力在XYZ軸上的分力及導(dǎo)紗板、鋼領(lǐng)板的位移。紡紗張力檢測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 紡紗張力檢測系統(tǒng)Fig.1 Spinning tension detection system

從前羅拉鉗口A到導(dǎo)紗鉤O之間的區(qū)域?yàn)榧幽韰^(qū)，無捻須條被加捻成紗線，所受張力稱為紡紗張力Tf；從導(dǎo)紗鉤O到鋼絲圈C之間的高速回轉(zhuǎn)弧線段區(qū)域?yàn)闅馊^(qū)，紗條所受張力為氣圈張力，在氣圈頂部和氣圈底部紗條所受張力分別稱為氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2；從鋼絲圈C到高速旋轉(zhuǎn)紗管D處卷繞點(diǎn)之間的區(qū)域?yàn)榫砝@區(qū)，紗條所受張力稱為卷繞張力Tw。B為雙向力傳感器和導(dǎo)紗板位移傳感器，E為鋼領(lǐng)板位移傳感器。

1.2 信號采集系統(tǒng)的組成

信號采集系統(tǒng)由應(yīng)力傳感器、位移傳感器、A/D信號轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)顯示器組成，如圖2所示。紡紗時導(dǎo)紗鉤處的力傳感器和位移傳感器產(chǎn)生信號經(jīng)放大器放大，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量再送入可編程邏輯控制器(PLC)控制系統(tǒng)并通過觸摸屏顯示出來，觸摸屏作為用戶界面，可顯示所有參數(shù)和讀取存儲數(shù)據(jù)[12]。

圖2 信號采集系統(tǒng)Fig.2 Signal acquisition system

2 加捻卷繞過程須條受力分析

被牽伸的須條在環(huán)錠加捻及卷繞的過程中依次通過加捻段、氣圈段及卷繞段，這3個階段的受力情況各不相同，需要分解計(jì)算。

2.1 導(dǎo)紗板受力分析

圖3示出導(dǎo)紗鉤的受力情況。以導(dǎo)紗鉤中心為原點(diǎn)O，取X軸為過O點(diǎn)且平行于導(dǎo)紗鉤安裝面的水平直線；取Y軸為過O點(diǎn)且垂直于導(dǎo)紗鉤安裝面的水平直線；取Z軸為過O點(diǎn)且垂直于XOY平面的鉛垂線；由此構(gòu)建以導(dǎo)紗鉤中心為原點(diǎn)的OXYZ三維坐標(biāo)系。設(shè)綱領(lǐng)中心為O′，取過綱領(lǐng)中心且與X軸平行的直線為X′軸，取過綱領(lǐng)中心且與Y軸平行的直線為Y′軸，由此構(gòu)建O′X′Y′Z三維坐標(biāo)系。紡紗開始時，設(shè)某時刻，錠子旋轉(zhuǎn)時通過紗線帶動鋼絲圈旋轉(zhuǎn)，加捻段和氣圈段的紗條會作用于導(dǎo)紗鉤O點(diǎn)處，導(dǎo)紗板上會產(chǎn)生力信號，對導(dǎo)紗鉤O進(jìn)行受力分析，可以將此力信號分解在X軸、Y軸、Z軸上，可以通過安裝的雙向力傳感器測得Y軸上的力Qy、Z軸上的力Qz。通過導(dǎo)紗板上的位移傳感器可以測得導(dǎo)紗板升降位移x。

由圖3可得：

Qx=Tq1sinβcosα

(1)

Qy=Tq1sinβsinα+Tfcosγ

(2)

Qz=Tq1cosβ-Tfsinγ

(3)

式中：γ為導(dǎo)紗角，(°)；β為氣圈頂角，(°)；α為過鋼領(lǐng)中心與機(jī)身平行的線和紗條經(jīng)過綱領(lǐng)鋼絲圈的點(diǎn)到鋼領(lǐng)中心的線的夾角，(°)。

2.2 加捻段紗條張力計(jì)算與分析

由歐拉公式[13]可得：

Tf=Tq1e-μδ

(4)

將此代入式(3)可得紡紗張力Tf為

(5)

式中：μ表示紗線與導(dǎo)紗鉤的動摩擦因數(shù)，Barr和Catling[14]基于以往研究的資料，認(rèn)為在棉紡生產(chǎn)中，μ=0.1～0.35，取μ=0.25；δ表示紗線與導(dǎo)紗鉤的包圍角，(°)，與導(dǎo)紗角和氣圈頂角有關(guān)。

2.3 氣圈頂部及底部紗條張力計(jì)算與分析

將式(4)代入式(3)可得氣圈頂部張力Tq1為

(6)

又由氣圈基礎(chǔ)理論知，氣圈頂部張力Tq1與氣圈底部張力Tq2的關(guān)系[15]為

(7)

式中：Rg表示鋼領(lǐng)半徑，mm；d表示氣圈紗條的線密度，tex；ω表示氣圈回轉(zhuǎn)角速度，r/min(一般可用錠子回轉(zhuǎn)角速度近似表達(dá))。

將式(6)代入式(7)，可得氣圈底部張力為

(8)

2.4 卷繞段紗條張力計(jì)算與分析

卷繞張力合適是保證卷裝質(zhì)量的基礎(chǔ)。氣圈底部張力Tq2是由卷繞張力Tw克服紗條與鋼絲圈的摩擦阻力后向上傳遞到氣圈底端的，二者的關(guān)系一般表示為

Tw=KTq2

(9)

將式(8)代入式(9)，可得卷繞張力為

(10)

式中：K為卷繞張力與氣圈底端張力比，一般隨鋼絲圈線材的截面形狀而變，截面形狀為矩形，取值1.7[15]。

在式(1)～(3)中，Qy、Qz可由傳感器測得，為了求解紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2和卷繞張力Tw，需要進(jìn)一步求解幾何參數(shù)導(dǎo)紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ。

3 加捻卷繞過程幾何參數(shù)變化分析

紡紗過程中，幾何參數(shù)導(dǎo)紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ的變化都與鋼領(lǐng)板的位置和導(dǎo)紗鉤的位置有關(guān)系，所以通過數(shù)學(xué)幾何關(guān)系推導(dǎo)幾何參數(shù)與導(dǎo)紗板的關(guān)系。

紡紗時，鋼絲圈帶動紗線沿鋼領(lǐng)圓周運(yùn)動。文中假設(shè)每秒采集的1個數(shù)據(jù)是在這個時刻鋼絲圈沿鋼領(lǐng)做圓周運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)面上。假設(shè)該點(diǎn)在鋼絲圈沿鋼領(lǐng)做圓周運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)面上，導(dǎo)紗角γ在這1個平面內(nèi)沒有升降，所以導(dǎo)紗角γ在鋼絲圈旋轉(zhuǎn)1周時導(dǎo)紗角的大小不變，方向時刻改變，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)紗鉤上升動態(tài)模擬圖Fig.4 Dynamic simulation diagram of rising yarn hook

幾何推導(dǎo)可得導(dǎo)紗角

(11)

式中：a為導(dǎo)紗鉤接觸到與前羅拉中心處的垂直距離上交點(diǎn)位置的距離，mm；h導(dǎo)紗板傳感器到前羅拉中心的距離，mm；Rq為前羅拉下羅拉的半徑，mm；Rd為導(dǎo)紗鉤的半徑，mm；x為導(dǎo)紗板位移傳感器的顯示高度，mm；

當(dāng)紡紗開始時，從導(dǎo)紗鉤加捻的紗線帶動鋼絲圈做葫蘆狀的空間曲線。紗條在某時刻所形成的曲線弧，沿導(dǎo)紗鉤做曲線弧的切線，該時刻的切線方向?yàn)闅馊敳繌埩q1的方向。該時刻紗線在導(dǎo)紗鉤處受到氣圈頂部張力Tq1和紡紗張力Tf共同作用，使得帶有傳感器的導(dǎo)紗板接受到信號采集數(shù)據(jù)Qy、Qz。假設(shè)該點(diǎn)在鋼絲圈沿鋼領(lǐng)做圓周運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)面上的最里端時，基于式(2)、(3)，此時刻α的角度大小為90°，推導(dǎo)出此時刻的氣圈頂角為：

(12)

(13)

鋼絲圈帶動紗條在鋼領(lǐng)的回轉(zhuǎn)過程中，紗條與導(dǎo)紗鉤的接觸的圓心角為導(dǎo)紗包圍角。紗線沿鋼領(lǐng)旋轉(zhuǎn)一周，包圍角機(jī)身外端時最小，在機(jī)身最里端時，包圍角最大。假設(shè)該點(diǎn)在鋼絲圈沿鋼領(lǐng)做圓周運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)面上的最里端時，如圖5所示。

圖5 導(dǎo)紗鉤橫截面形狀Fig.5 Cross section shape of yarn guide hook

幾何推導(dǎo)可得包圍角為

δ=90°-γ+β

(14)

在紡紗時通過傳感器所測力Qz、Qy，位移傳感器所測得位移x，通過以上公式可計(jì)算出該時刻的導(dǎo)紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ、紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2、卷繞張力Tw的大小變化；通過計(jì)算出的數(shù)據(jù)，了解所測得數(shù)據(jù)與所求參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)勻張力紡紗，減少紡紗斷頭。

4 實(shí) 驗(yàn)

設(shè)定紗管的卷繞長度，則從空管到滿管的紡紗過程中可按照短周期、中周期和長周期分析各段紗條張力的變化規(guī)律。短周期即錠子1個回轉(zhuǎn)的過程，中周期即以導(dǎo)紗板的1個升降過程并使管紗完成1個層級卷繞的過程，長周期即1次落紗的紡紗過程。1次落紗過程可分為3個階段：小紗階段、中紗階段大紗階段，此處測量取3個紡紗階段導(dǎo)紗板的1次升降過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.1 紡紗工藝參數(shù)

紗線原料為滌棉混紡粗紗；紡紗紗線線密度為19.4 tex；紗線捻度為77.1捻/(10 cm)；紡紗設(shè)備為JWF1551型數(shù)碼紡紗機(jī)，導(dǎo)紗鉤接觸到與前羅拉中心處的垂直距離上交點(diǎn)位置的距離為57 mm；導(dǎo)紗板傳感器到前羅拉中心的距離為168 mm；前羅拉下羅拉的半徑為13.1 mm；導(dǎo)紗鉤半徑1.5 mm；鋼領(lǐng)半徑21 mm；錠子轉(zhuǎn)速: 設(shè)定錠速10 000 r/min；對紡紗過程小紗階段、中紗階段、大紗階段紗條張力變化進(jìn)行比較。

4.2 結(jié)果與討論

4.2.1幾何參數(shù)分析

由嵌入導(dǎo)紗板內(nèi)部的OXYZ雙向應(yīng)力應(yīng)變傳感器測得紡紗過程中導(dǎo)紗板一次升降卷繞層級中Qz、Qy的變化規(guī)律如圖6；導(dǎo)紗板位移規(guī)律x，記錄導(dǎo)紗鉤升降如圖7所示。

圖6 應(yīng)力Qz和 Qy的變化曲線Fig.6 Induction force Qzand Qy changes

圖7 導(dǎo)紗鉤位移xFig.7 Guide hook displacement x

結(jié)合計(jì)算式(4)～(7)，基于測得水平垂直于導(dǎo)紗鉤安裝面的作用力分量Qy、豎直垂直于導(dǎo)紗鉤安裝面的作用力分量Qz與計(jì)算的導(dǎo)紗角γ，以及導(dǎo)紗角γ和計(jì)算的氣圈頂角β，可得導(dǎo)紗角、氣圈頂角和導(dǎo)紗鉤包圍角變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 導(dǎo)紗角γ、氣圈頂角β和導(dǎo)紗鉤包圍角δ的變化曲線Fig.8 Guide angle γ(a)，apex angle β(b)and variation of angle δ (c) of yarn guide hook

由圖8可看出，幾何參數(shù)導(dǎo)紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ都與導(dǎo)紗板的位置相關(guān)，在導(dǎo)紗板位于最低位置時導(dǎo)紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ較大；在導(dǎo)紗板位于最高位置時導(dǎo)紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ較小。在導(dǎo)紗鉤每次升降過程中，導(dǎo)紗角γ、氣圈頂角β和包圍角δ均呈現(xiàn)周期性變化。

4.2.2紡紗張力分析

基于測得的豎直垂直于導(dǎo)紗鉤安裝面的作用力分量Qz與計(jì)算的導(dǎo)紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ，結(jié)合式(9)～(14)可得紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2和卷繞張力Tw的變化規(guī)律，如圖9所示。

圖9 Tf、Tq1、Tq2、Tw值變化曲線Fig.9 Change of Tf、Tq1、Tq2、Tw value

由圖9可看出紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2、卷繞張力Tw均與導(dǎo)紗板的位置呈現(xiàn)周期性的變化，在導(dǎo)紗板最低位置時，紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2、卷繞張力Tw較小，在導(dǎo)紗板最高位置時，紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2、卷繞張力Tw較大。在導(dǎo)紗板的升降過程中，紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2、卷繞張力Tw在小紗階段的張力最大值大于中紗階段和大紗階段過程中的所有值；在1次落紗的紡紗過程中，紡紗張力Tf從大到小為小紗、大紗、中紗，氣圈頂部張力Tq1從大到小為大紗、小紗、中紗，氣圈底部張力Tq2從大到小為大紗、小紗、中紗，卷繞張力Tw從大到小為大紗、小紗、中紗；在導(dǎo)紗板每次升降過程和整個紡紗過程中，紡紗張力Tf<氣圈底部張力Tq2<氣圈頂部張力Tq1<卷繞張力Tw。

4.3 可行性分析

為了驗(yàn)證本文裝置的有效性，對紗線張力進(jìn)行MatLab圖像處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。紗線原料為滌棉混紡粗紗，紡紗紗線特?cái)?shù)為19.4 tex，紗線捻度為77.1捻/(10 cm)；錠速為10 000 r/min。

表1 2種方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較Tab.1 Comparison of test results of two methods

實(shí)驗(yàn)中所得紡紗張力略小于圖像處理的紡紗張力，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中忽略空氣阻力和環(huán)境條件等影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在正常的誤差范圍內(nèi)。導(dǎo)紗鉤的一次卷繞層級中時，導(dǎo)紗鉤在底部時，底部卷繞直徑大，卷繞角大，與鋼絲圈的包圍弧小，所以張力小，在頂部時，卷繞直徑小，卷繞角小，與鋼絲圈的包弧大，所以張力大[16]。通過表1可得出小紗張力最大值比中紗張力最大值增加12.6%，大紗張力最大值比中紗增加10.6%。

5 結(jié)束語

通過安裝的紡紗張力裝置與使用，計(jì)算出即時的紡紗張力、氣圈頂部張力、氣圈底部張力、卷繞張力的變化遵循紡紗過程的一般規(guī)律，大小在合理的誤差范圍內(nèi)?？烧J(rèn)為整個紡紗過程中加捻段紗條的動態(tài)強(qiáng)力弱節(jié)處與小紗階段發(fā)出接觸斷頭機(jī)會大，大紗次之，中紗最小，即斷頭發(fā)生在小紗、大紗階段。通過紡紗張力與葉子板位置的關(guān)系，通過葉子板的位置在小紗階段、大紗階段采用智能變頻技術(shù)，中紗階段不采取變頻技術(shù)，能夠在減少紗線斷頭的同時，使得紡紗效率得到較大的提高，從而使紡紗工廠經(jīng)濟(jì)效益提高。