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        紗線打結(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究

        2021-08-17 07:23:26趙文銳賀秋森張婧怡劉建立
        棉紡織技術(shù) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:股線強(qiáng)力紗線

        趙文銳 賀秋森 張婧怡 馬 雪 劉建立

        (江南大學(xué),江蘇無(wú)錫,214122)

        “打結(jié)”是人類最古老的技術(shù)之一,是紡織生產(chǎn)中最常見的操作,結(jié)頭的形式影響其相對(duì)穩(wěn)定性。盡管人們已經(jīng)對(duì)打結(jié)技術(shù)研究了多個(gè)世紀(jì),形成不同形式的結(jié)頭,在眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但是,對(duì)于紗線結(jié)頭形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和力學(xué)之間的相互作用仍然知之甚少。為此,本研究以紗線結(jié)頭為研究對(duì)象,從理論上研究結(jié)頭拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與其相對(duì)穩(wěn)定性的關(guān)系,通過(guò)試驗(yàn)方法驗(yàn)證結(jié)頭形式與其牢度的關(guān)系,為紡織生產(chǎn)提出更加科學(xué)的打結(jié)方式[1]。

        紡織生產(chǎn)中,在高速絡(luò)筒機(jī)上自動(dòng)結(jié)頭技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電子清紗器的廣泛應(yīng)用,紗線上的疵點(diǎn)即可被切除,使得產(chǎn)品質(zhì)量得到了大幅度提高[2]。但同時(shí)這樣的技術(shù)也帶來(lái)了新的問(wèn)題,結(jié)頭的質(zhì)量對(duì)后道工序的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都有很大影響,紗線上增加了大量結(jié)頭,例如傳統(tǒng)的自緊結(jié)和織布結(jié)因結(jié)頭結(jié)構(gòu)及結(jié)頭尾部長(zhǎng)度等因素的影響,對(duì)后道工序的生產(chǎn)及質(zhì)量也帶來(lái)了較多的問(wèn)題。目前,國(guó)內(nèi)已有基于剛?cè)峤佑|動(dòng)力學(xué)的打結(jié)器虛擬打結(jié)方法,利用ADAMS的Bushing連接建立動(dòng)力學(xué)模型用于評(píng)價(jià)優(yōu)劣、保證打結(jié)器一次性制造成功[3]。國(guó)外已經(jīng)有學(xué)者通過(guò)變色光子纖維研究結(jié)的力學(xué)性質(zhì)[4]。

        在現(xiàn)代紡織技術(shù)的發(fā)展過(guò)程當(dāng)中,不同工藝流程下的不同結(jié)頭及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響著紡織品的質(zhì)量,我們可以利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論系統(tǒng)來(lái)研究紡織生產(chǎn)中結(jié)頭形式的穩(wěn)定性差異[5],指導(dǎo)紡紗、整經(jīng)、漿紗和織造等工序合理選擇結(jié)頭形式[6]。因此,本研究對(duì)紡織過(guò)程中常用的4種結(jié)頭形式進(jìn)行了針對(duì)性試驗(yàn),對(duì)其斷裂伸長(zhǎng)、斷裂強(qiáng)力、強(qiáng)力有效率、伸長(zhǎng)有效率進(jìn)行了分析,并利用ANSYS中的workbench模塊對(duì)不同結(jié)頭的受力情況進(jìn)行模擬仿真,以驗(yàn)證最終結(jié)論的正確性。

        1 結(jié)頭的三維建模

        在進(jìn)行實(shí)際的試驗(yàn)操作前,首先建立編織結(jié)、盤頭結(jié)、反手結(jié)1、反手結(jié)2的三維模型,并利用ANSYS中的workbench模塊對(duì)其進(jìn)行仿真受力分析,可以在一定程度上判斷出各個(gè)結(jié)頭的結(jié)構(gòu)及受力差異[7]。由于結(jié)頭的分析屬于高度非線性模型,操作難度較大,因此,將結(jié)頭在一定程度上進(jìn)行了簡(jiǎn)化,將多股紗線簡(jiǎn)化為單股圓柱形紗線,方便虛擬仿真試驗(yàn)的進(jìn)行,結(jié)頭的三維模型如圖1所示。

        圖1 結(jié)頭的三維模型

        2 虛擬仿真測(cè)試

        在workbench模塊中對(duì)試驗(yàn)所用材料——棉進(jìn)行參數(shù)填寫,若將模型具體至股線加捻纏結(jié)的受力分析[8],該分析過(guò)程將會(huì)異常復(fù)雜,各股線間的關(guān)系也嚴(yán)重影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此將多股線加捻模型簡(jiǎn)化為單根紗線的受力分析模型。簡(jiǎn)化后的編織結(jié)三維模型如圖2所示。

        圖2 簡(jiǎn)化后的編織結(jié)三維模型

        在model模塊中,在打結(jié)紗線的CD端施加Fixed support將其固定,AB端施加隨時(shí)間增長(zhǎng)而恒速率增加的拉伸力,直至模型達(dá)到應(yīng)力極限并斷裂。通過(guò)1 mm的網(wǎng)格化處理后,得出紗線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)受力的最大值、最小值點(diǎn)并作出標(biāo)記,如圖3所示。

        圖3 紗線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)受力的最大最小應(yīng)力點(diǎn)

        不同結(jié)頭形式的紗線在相同軸向受力情況下,應(yīng)力變化各不相同[9],其應(yīng)力極值點(diǎn)的分布隨繩結(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化而變化,根據(jù)各極值點(diǎn)的位置可以初步得出:編織結(jié)、盤頭結(jié)的最大應(yīng)力點(diǎn)處于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中部,反手結(jié)1、反手結(jié)2的最大應(yīng)力點(diǎn)處于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的尾部。將各結(jié)頭模型仿真得出的極值應(yīng)力點(diǎn)在后續(xù)力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)頭試樣上進(jìn)行標(biāo)記。

        3 紗線結(jié)頭的力學(xué)試驗(yàn)

        對(duì)前期收集到的不同結(jié)頭形式的穩(wěn)定性進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)[10],采用C 14.8 tex集聚紗進(jìn)行打結(jié)試驗(yàn),通過(guò)島津AGS?X型材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行打結(jié)紗線的拉力試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,需要充分觀察結(jié)頭的斷裂位置,確保每種結(jié)頭的20組數(shù)據(jù)都在結(jié)頭最大應(yīng)力點(diǎn)標(biāo)記處斷開,以便后續(xù)對(duì)張力進(jìn)行對(duì)比分析,紗線結(jié)頭的力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

        表1 紗線結(jié)頭的力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        在表1中引入拓?fù)浼m纏數(shù)、強(qiáng)力有效率和伸長(zhǎng)有效率的概念。拓?fù)浼m纏數(shù)即結(jié)頭的抽象拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所包含的糾纏個(gè)數(shù),在一定程度上反映了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和力學(xué)性能。強(qiáng)力有效率即結(jié)頭后的紗線斷裂強(qiáng)力與未結(jié)頭的紗線斷裂強(qiáng)力的百分比,用此來(lái)表示結(jié)頭的斷裂強(qiáng)力特性,見式(1)。伸長(zhǎng)有效率即結(jié)頭后的紗線斷裂伸長(zhǎng)與未結(jié)頭的紗線斷裂伸長(zhǎng)的百分比,用此來(lái)表示結(jié)頭的斷裂長(zhǎng)度特性,見式(2)。

        式中:ηF為強(qiáng)力有效率,F(xiàn) i為結(jié)頭的斷裂強(qiáng)力,F(xiàn)0為紗線的正常斷裂強(qiáng)力。

        式中:ηL為伸長(zhǎng)有效率,L i為結(jié)頭的斷裂伸長(zhǎng),L0為紗線的正常斷裂伸長(zhǎng)。

        由表1可以得出,編織結(jié)雖斷裂伸長(zhǎng)達(dá)到原紗線的93.19%,但斷裂強(qiáng)力僅達(dá)原紗線的82.78%,結(jié)頭易斷裂;反手結(jié)1的斷裂伸長(zhǎng)及斷裂強(qiáng)力均降低,僅達(dá)原紗線的84%,總體性能較差;盤頭結(jié)的斷裂強(qiáng)力達(dá)原紗線的96.69%,斷裂伸長(zhǎng)超過(guò)原紗線,該結(jié)頭不易斷裂且斷裂伸長(zhǎng)較長(zhǎng),適宜使用;反手結(jié)2與編織結(jié)的性能類似,雖斷裂伸長(zhǎng)達(dá)原紗的93.51%,但斷裂強(qiáng)力僅達(dá)原紗的82.61%。綜上所述,盤頭結(jié)的斷裂伸長(zhǎng)及斷裂強(qiáng)力較高,適宜在生產(chǎn)流程中使用[11]。

        4 結(jié)論

        通過(guò)ANSYS進(jìn)行紗線結(jié)頭斷裂的仿真試驗(yàn),得出初步結(jié)論后,利用島津AGS?X型材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定純棉紗正常拉斷時(shí)的斷裂強(qiáng)力并與4種不同結(jié)頭形式的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證仿真試驗(yàn)的結(jié)果,最終可以得出以下結(jié)論。

        (1)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論及ANSYS的仿真結(jié)果,盤頭結(jié)的力學(xué)性能最佳,盤頭結(jié)的斷裂強(qiáng)力達(dá)原紗線的96.69%,斷裂伸長(zhǎng)超過(guò)原紗線,根據(jù)AN?SYS的力學(xué)受力圖不難得出,產(chǎn)生這種情況的原因是盤頭結(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比其他結(jié)頭形式更加穩(wěn)定,其拓?fù)鋽?shù)、股線交叉次數(shù)、股線扭曲的方向以及收緊扭結(jié)時(shí)相鄰股線的滑動(dòng)方向都優(yōu)于其他3種結(jié)頭。

        (2)盤頭結(jié)作為紡織日常生產(chǎn)流程中常用到的結(jié)頭之一,有著優(yōu)異的斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng),為斷頭后重結(jié)紗線的后續(xù)工藝流程提供了較高的保障,減少了結(jié)頭后續(xù)再斷的風(fēng)險(xiǎn),推薦各企業(yè)在紡紗、整經(jīng)、漿紗和織造等工序使用該種結(jié)頭。

        (3)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)頭的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的影響,盤頭結(jié)的性能優(yōu)異主要是由于其纏結(jié)數(shù)多于其他3種結(jié)頭形式,所受拉力在主軸方向得到分散,從而減輕了結(jié)頭處的受力。

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