焉瑞安崔后祥王新厚

［1.立達(dá)（中國(guó)）紡織儀器有限公司，江蘇常州，213022；2.克虜伯潤(rùn)滑劑（上海）有限公司，上海，201700；3.東華大學(xué)，上海，201620］

因成紗工序的設(shè)備投入、用工以及對(duì)最終產(chǎn)量和質(zhì)量的決定性影響等，使其始終占據(jù)著整個(gè)紡紗過程最重要的位置。而幾乎所有的成紗方法都可以簡(jiǎn)單分為牽伸、加捻（或包纏）兩個(gè)過程，最終形成相對(duì)固定的形態(tài)——紗線。

成紗的牽伸過程主要有兩種形式：環(huán)錠紡紗和噴氣渦流紡紗均采用羅拉牽伸，轉(zhuǎn)杯紡紗采用分梳輥牽伸。與羅拉牽伸相比，分梳輥鋸齒在開松、分梳、抓取過程中會(huì)損傷纖維，出現(xiàn)打斷纖維和損傷纖維表皮的情況；有研究表明：這也是轉(zhuǎn)杯紡強(qiáng)力較環(huán)錠紡強(qiáng)力低的原因之一［1］，但目前尚沒有關(guān)于不同紡紗方法纖維損傷的研究報(bào)道。本研究基于AFIS測(cè)試的纖維長(zhǎng)度分布為基礎(chǔ)，引入頻率差異的分析方法，對(duì)環(huán)錠紡紗、轉(zhuǎn)杯紡紗和噴氣渦流紡紗在成紗的牽伸過程中纖維損傷情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，以期為轉(zhuǎn)杯紡紗體結(jié)構(gòu)研究、羅拉牽伸理論以及分梳輥的開發(fā)等提供借鑒和指導(dǎo)。

1 AFIS測(cè)試的纖維長(zhǎng)度分析

1.1 AFIS簡(jiǎn)介

AFIS測(cè)試儀是USTER公司研發(fā)的纖維測(cè)試儀器，誕生于20世紀(jì)90年代初期。在此之前，原棉及半制品的長(zhǎng)度、棉結(jié)、雜質(zhì)數(shù)量等指標(biāo)的檢測(cè)大多依賴于人的手工和目光，工作效率較低，檢測(cè)結(jié)果主觀性較大，可靠性較差，給質(zhì)量管理帶來諸多不便。AFIS測(cè)試儀的出現(xiàn)使儀器客觀化地檢測(cè)棉纖維各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)成為可能［2］。其中，在棉纖維長(zhǎng)度方面的測(cè)量，AFIS測(cè)試儀受到了國(guó)際紡織聯(lián)盟的推薦，這是非常難得的［3］。AFIS測(cè)試儀也是目前廣大紡紗廠公認(rèn)的工藝評(píng)價(jià)以及優(yōu)化的可靠工具。

1.2 AFIS測(cè)試?yán)w維長(zhǎng)度可靠性驗(yàn)證

AFIS測(cè)試原理是將喂入的棉條通過圖1所示的纖維分離設(shè)備分離成單纖維，并測(cè)量棉樣中的每一根單纖維，每組試樣中要計(jì)算3 000根纖維，然后得出一個(gè)真正的纖維根數(shù)長(zhǎng)度分布。雖然其測(cè)試的纖維量遠(yuǎn)超過手工方法，但由于其采用刺輥來分離纖維，其在分離纖維時(shí)對(duì)棉纖維的長(zhǎng)度有一定的損傷，很難做到準(zhǔn)確測(cè)量。有報(bào)道表明USTER公司可能采用某種算法對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)償，因此在開始階段有必要對(duì)AFIS測(cè)試?yán)w維長(zhǎng)度的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 AFIS纖維分離設(shè)備

1.2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取新疆二級(jí)棉制備的熟條（記為正常樣品）進(jìn)行測(cè)試，收集AFIS廢棉箱內(nèi)的纖維再次制備AFIS樣品（記為廢棉箱樣品）進(jìn)行測(cè)試。因廢棉箱樣品內(nèi)的纖維較正常測(cè)試樣品多經(jīng)過一次AFIS刺輥的分梳，理論上纖維的損傷會(huì)更嚴(yán)重，長(zhǎng)度會(huì)更短。對(duì)前后兩次的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，以綜合評(píng)判其測(cè)試的可靠性。

1.2.2 AFIS測(cè)試?yán)w維長(zhǎng)度結(jié)果

AFIS測(cè)試報(bào)告中關(guān)于纖維長(zhǎng)度的指標(biāo)包括重量法長(zhǎng)度和根數(shù)法長(zhǎng)度。其中，重量法長(zhǎng)度包括重量平均長(zhǎng)度L（w）（mm）、重量平均長(zhǎng)度CV（%）、重量短絨含量SFC（w）（%）、上四分位長(zhǎng)度UQL（w）（mm）；根數(shù)法長(zhǎng)度包括根數(shù)平均長(zhǎng)度L（n）（mm）、根數(shù)平均長(zhǎng)度CV（%）、根數(shù)短絨含量SFC（n）（%）、5%根數(shù)法長(zhǎng)度L（n）5%（mm）。

由于AFIS重量法長(zhǎng)度是基于根數(shù)法長(zhǎng)度用平均纖維重量計(jì)算所得的結(jié)果，因此按“根數(shù)”分布通常會(huì)得到更精確的結(jié)果。最終測(cè)得的根數(shù)法纖維長(zhǎng)度結(jié)果如下。

可以看出，與正常樣品相比，廢棉箱樣品僅L（n）和L（n）5%兩項(xiàng)指標(biāo)略有降低，但以此作為評(píng)判纖維損傷的依據(jù)尚顯單薄。

1.2.3 AFIS纖維長(zhǎng)度分布

在AFIS的實(shí)際應(yīng)用中，紡紗領(lǐng)域較關(guān)注上述的幾個(gè)指標(biāo)，而許多分布的信息卻被擱置或丟棄，尤其是纖維長(zhǎng)度的根數(shù)分布。需要根數(shù)分布與長(zhǎng)度分布是因?yàn)槔w維的運(yùn)動(dòng)、斷裂、折鉤都是以“根”為單位的，所以它是表達(dá)斷裂纖維量、折鉤纖維量最為直接和準(zhǔn)確的分布［4］。

AFIS測(cè)得上述樣品的纖維長(zhǎng)度根數(shù)分布對(duì)比直方圖如圖2所示。

圖2 AFIS纖維長(zhǎng)度L（n）分布直方圖

從圖2可以看出，與正常樣品相比，廢棉箱樣品在22 mm、24 mm、26 mm以及28 mm長(zhǎng)度內(nèi)的纖維分布顯著增加，而對(duì)應(yīng)的在34 mm、36 mm、38 mm以及40 mm長(zhǎng)度內(nèi)顯著減少。

為了更直觀地對(duì)比分析，在此引入頻率差異的評(píng)價(jià)方法，此前該方法多用于判斷精梳工序的纖維損傷情況。頻率差異的具體計(jì)算方法如下。

圖3纖維損傷差異頻率曲線

從圖3可以看出，相對(duì)于AFIS纖維長(zhǎng)度根數(shù)分布直方圖，纖維損傷差異頻率曲線能夠更加清晰地反應(yīng)不同長(zhǎng)度纖維損傷情況。正常樣品的34 mm、36 mm、38 mm以及40 mm長(zhǎng)度內(nèi)的部分纖維（圖中紅色區(qū)域）經(jīng)過AFIS刺輥的再次分梳之后很可能轉(zhuǎn)移成（損傷作用）廢棉箱樣品中22 mm、24 mm、26 mm以及28 mm長(zhǎng)度內(nèi)纖維（圖中黃色區(qū)域），其占整體的6.2%。但同時(shí)與正常樣品相比，未見廢棉箱樣品曲線的整體位移（差異呈高低起伏，無顯著拐點(diǎn)），再加上廢棉箱樣品中用于測(cè)試的纖維與正常樣品中用于測(cè)試的纖維并不完全重疊，即AFIS能夠檢測(cè)到棉纖維根數(shù)只有總量的9%～33%，可見在現(xiàn)有條件下AFIS的纖維長(zhǎng)度測(cè)試結(jié)果還是比較可信的。

2 不同紡紗方法的成紗牽伸過程

2.1 轉(zhuǎn)杯紡成紗牽伸過程

轉(zhuǎn)杯紡采用刺輥分梳-轉(zhuǎn)杯凝聚的超大牽伸。其中分梳輥鋸齒在插入棉層時(shí)產(chǎn)生鋸齒與纖維間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于棉層密集，使得鋸齒對(duì)纖維的摩擦力明顯增加，會(huì)損傷纖維表面，損傷程度與每根纖維所受作用齒數(shù)和摩擦力大小有關(guān)?？山柚w維損傷頻率差異曲線對(duì)其進(jìn)行分析。

試驗(yàn)選取國(guó)產(chǎn)二級(jí)棉制備的4 000 tex熟條進(jìn)行AFIS測(cè)試，之后將該熟條喂入R36型轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)，牽伸后的纖維流會(huì)進(jìn)入轉(zhuǎn)杯凝聚成纖維環(huán)，打開紡紗箱小心地取出該纖維環(huán)制備成AFIS樣品（記為纖維環(huán)）進(jìn)行測(cè)試［5］。其中轉(zhuǎn)杯紡主要工藝參數(shù)：紗線號(hào)數(shù)28 tex，使用S533/Tr-D型轉(zhuǎn)杯，其運(yùn)轉(zhuǎn)速度95 000 r/min，捻度設(shè)定為740捻/m，選用S40-DN-64型分梳輥，其運(yùn)行速度8 000 r/min，工藝和排雜負(fù)壓分別為7 000 Pa和350 Pa。另外，為了最大程度模擬正常紡紗過程中纖維的損傷情況，每次盡量精確控制喂入棉條的時(shí)間，用于形成纖維環(huán)。轉(zhuǎn)杯紡纖維損傷差異頻率曲線如圖4所示。

圖4轉(zhuǎn)杯紡纖維損傷差異頻率曲線

從圖4可以看出，相對(duì)于喂入的熟條，轉(zhuǎn)杯中纖維環(huán)的長(zhǎng)度曲線出現(xiàn)整體位移，且有明顯拐點(diǎn)，說明經(jīng)過分梳輥分梳后纖維整體損傷，但其損傷部分僅占到整體的4.9%左右，可見分梳輥的分梳作用并未造成想象中那么大的纖維損傷。由于輸纖通道里氣流的加速作用，纖維可以快速脫離分梳輥針齒的握持而轉(zhuǎn)移至輸纖通道，開啟其第二段加速過程。同時(shí)上述的纖維損傷還包括纖維離開輸纖通道到達(dá)轉(zhuǎn)杯滑移面時(shí)最開始巨大的沖擊損傷。

2.2 噴氣渦流紡成紗牽伸過程

噴氣渦流紡采用四羅拉雙膠圈的三區(qū)超大牽伸結(jié)構(gòu)。由于其引紗速度快，對(duì)牽伸區(qū)內(nèi)纖維的控制有更高的要求，相應(yīng)主牽伸區(qū)的上下銷構(gòu)造以及膠圈等都進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)。但相對(duì)于使用同樣羅拉牽伸的環(huán)錠紡細(xì)紗而言，其損傷程度可借用纖維損傷頻率差異曲線對(duì)其進(jìn)行具體分析。

使用與上述轉(zhuǎn)杯紡?fù)瑯拥? 000 tex熟條進(jìn)行AFIS測(cè)試，之后將該熟條喂入J26型噴氣紡紗機(jī)牽伸后在上鉗口輸出的纖維須條制備成AFIS樣品（記為上鉗口須條）進(jìn)行測(cè)試。噴氣渦流紡纖維損傷差異頻率曲線如圖5所示。其中噴氣渦流紡主要工藝參數(shù)：紡紗號(hào)數(shù)28 tex，輸出速度380 m/min，鉗口隔距3.0 mm（紅色塊），喂入牽伸×中間牽伸×主牽伸為1.52倍×1.44倍×60.79倍，對(duì)應(yīng)的下羅拉隔距為38 mm×37 mm×47 mm，上膠輥隔距38 mm×37 mm×49 mm。

圖5噴氣渦流紡纖維損傷差異頻率曲線

從圖5可以看出，相對(duì)于熟條樣品，上鉗口須條的曲線出現(xiàn)整體位移，且有明顯拐點(diǎn)，說明經(jīng)過牽伸后纖維整體損傷，而且其損傷部分占到整體的約11.9%?？梢娷浤z輥膠圈大牽伸對(duì)棉條所施加的握持力和纖維變速過程中快速纖維所承受的牽伸力較大地?fù)p傷了纖維本身。

2.3 環(huán)錠紡紗成紗牽伸過程

當(dāng)前國(guó)際上通用的彈簧加壓、氣動(dòng)加壓三羅拉長(zhǎng)短膠圈等牽伸裝置成為細(xì)紗牽伸主流［6］。目前的研究多集中在如何形成穩(wěn)定均勻、分布良好的摩擦力界上，而借助纖維損傷頻率差異曲線可直觀量化纖維長(zhǎng)度的損傷情況。

試驗(yàn)選取進(jìn)口二級(jí)棉制備成的720 tex粗紗進(jìn)行AFIS測(cè)試，之后收集該粗紗經(jīng)過G32型細(xì)紗機(jī)牽伸后在前鉗口輸出的纖維須條制備成AFIS樣品（記為前鉗口須條）進(jìn)行測(cè)試。其中細(xì)紗主要工藝參數(shù)：紗線號(hào)數(shù)18.4 tex，錠速175 000 r/min，羅拉隔距55.5 mm×65 mm，后區(qū)牽伸1.143倍，總牽伸39.5倍，鉗口隔距3.25 mm。環(huán)錠紡纖維損傷頻率差異曲線如圖6所示。從圖6可看出，相對(duì)于粗紗樣品，前鉗口須條的曲線出現(xiàn)整體位移，且有明顯拐點(diǎn)，說明經(jīng)過牽伸后纖維整體損傷，且其損傷部分占到整體的約19.2%。可見為達(dá)到需要的纖維量以及纖維狀態(tài)，軟膠輥膠圈對(duì)牽伸棉條所施加的握持力和纖維變速過程中快速纖維所承受的牽伸力較大地?fù)p傷纖維。

圖6環(huán)錠紡纖維損傷頻率差異曲線

3 結(jié)論

（1）利用頻率差異分析，通過重復(fù)性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AFIS測(cè)試確實(shí)對(duì)纖維有一定損傷，但未出現(xiàn)整體性損傷，且損傷比僅占整體的6.2%，可見在現(xiàn)有條件下AFIS的纖維長(zhǎng)度測(cè)試結(jié)果是比較可信的。

（2）轉(zhuǎn)杯紡分梳輥分梳牽伸后纖維也出現(xiàn)整體損傷，但其損傷部分僅占到整體的4.9%左右，可見分梳輥的分梳作用并未造成想象中那么大的纖維損傷。

（3）噴氣渦流紡牽伸后上鉗口須條內(nèi)纖維也出現(xiàn)纖維整體損傷，而且其損傷部分占到整體的約11.9%。

（4）環(huán)錠細(xì)紗牽伸后前鉗口須條內(nèi)纖維出現(xiàn)整體損傷，且其損傷部分占到整體的約19.2%，可見羅拉膠輥對(duì)牽伸須叢所施加的握持力和纖維變速過程中快速纖維所承受的牽伸力較大地?fù)p傷了纖維本身。