張玉澤 張 靜 倪 遠 江 慧 汪 軍

［1.東華大學，上海，201620；2.紡之遠（上海）紡織工作室，上海，200063］

隨著紡紗技術(shù)的發(fā)展以及人們對紡紗效率要求的日益提高，對細紗工藝提出了更高的要求，“重定量，大牽伸”成為高效紡紗工藝的熱點［1］。細紗大牽伸的發(fā)展經(jīng)歷了兩類工藝的選擇，一類是保持后區(qū)預備牽伸作用而挖掘前區(qū)膠圈牽伸的潛力；另一類是保持前區(qū)主牽伸能力不變挖掘后區(qū)牽伸潛力［2］3。由于進一步提升前區(qū)膠圈牽伸倍數(shù)的空間不大，實現(xiàn)超大牽伸能力主要通過增強對后區(qū)纖維的控制來實現(xiàn)。加強后區(qū)纖維運動控制主要有兩種方法，一種是改變后羅拉、膠輥的安裝位置，把直線牽伸變?yōu)榍€牽伸，如V 型牽伸［3］、VC 型牽伸［4］；另一種是在細紗后區(qū)加裝附加摩擦力界裝置，如四膠圈牽伸［5-6］、壓力棒牽伸［7］。這兩種方法都可以提高后區(qū)牽伸能力且相比于簡單羅拉直線牽伸在一定程度上改善了成紗條干不勻率。目前，行業(yè)內(nèi)已有的四羅拉和五羅拉超大牽伸裝置都是采用正向延伸的膠圈同向串聯(lián)組合配置，存在各牽伸區(qū)產(chǎn)生的牽伸波同向相互疊加［2］3以及前區(qū)羅拉鉗口處打滑現(xiàn)象加重的問題［8］。本研究探討雙向延伸膠圈超大牽伸裝置機理并分析其紡紗質(zhì)量。

1 雙向延伸膠圈超大牽伸裝置

1.1 牽伸裝置設計

傳統(tǒng)牽伸裝置見圖1，本研究所設計的環(huán)錠紡雙向延伸膠圈超大牽伸裝置（以下簡稱超大牽伸裝置）見圖2［9］，是在傳統(tǒng)的雙膠圈三羅拉雙區(qū)環(huán)錠紡細紗機（以下簡稱普通牽伸裝置）基礎(chǔ)上，經(jīng)過延長羅拉底座，增加一列羅拉等一系列機械加工改進而成的四羅拉四膠圈三區(qū)牽伸裝置。其中，前牽伸區(qū)設置了向前（須條運動方向）延伸的雙膠圈鉗口，發(fā)揮主牽伸能力；中牽伸區(qū)簡單的羅拉牽伸對須條進行集聚；后區(qū)內(nèi)設置了向后延伸的雙膠圈鉗口，增大后區(qū)牽伸倍數(shù)，最終可提升總牽伸能力，進而實現(xiàn)超大牽伸。

圖1 傳統(tǒng)環(huán)錠紡細紗牽伸裝置圖

圖2 雙向延伸膠圈超大牽伸裝置圖

1.2 牽伸裝置配置及機理

1.2.1 牽伸裝置配置選擇

超大牽伸裝置采用四列羅拉牽伸，實現(xiàn)超大牽伸的同時減小裝置復雜程度。膠圈形式采用長短膠圈，其中主牽伸前區(qū)分擔的牽伸倍數(shù)較大，為了穩(wěn)定纖維運動狀態(tài)而采用正向延伸膠圈，后區(qū)為反向延伸膠圈以加強對后區(qū)浮游纖維的控制。

1.2.2 超大牽伸裝置的機理分析

（1）超大牽伸裝置在后區(qū)采用膠圈反向延伸設置，纖維在離開后羅拉鉗口不遠的距離就受到上、下膠圈的握持和摩擦控制，反向延伸膠圈加強了后牽伸區(qū)中前部的摩擦力界，同時控制面大，摩擦力界分布較為均勻。纖維受到反向延伸膠圈鉗口的提前控制，加強了快速纖維的引導力，使得纖維尾端脫離后鉗口就有變速的可能。牽伸裝置前區(qū)采用正向延伸膠圈設置，纖維變速點集中分布在前鉗口。這種纖維變速點集中后移和集中前移的兩種不同纖維變速點控制方法，避免了纖維變速點單一控制方法導致牽伸波疊加惡化的現(xiàn)象。

（2）當細紗工藝采用重定量大牽伸時，后區(qū)纖維數(shù)量增多，配置正向延伸膠圈時，上下膠圈間夾持的須條較厚，由下羅拉通過膠圈傳遞速度給須條時，纖維層之間容易摩擦打滑而產(chǎn)生分層現(xiàn)象影響紗線質(zhì)量。但是，當膠圈反向延伸控制時，上下膠圈夾持的快速纖維數(shù)量少，須條薄，可以避免分層現(xiàn)象。

（3）膠圈未工作時以適當?shù)膹埦o力套在上、下銷和羅拉上。當膠圈開始工作時，由于膠圈和羅拉接觸面上摩擦力的作用，膠圈在羅拉與上、下銷的作用下，被拉緊的一邊稱為緊邊，另一邊則被放松稱為松邊［10］。因此，當膠圈正向放置時，如果上、下銷之間的壓力不夠大，快速纖維對膠圈的摩擦力不足以拖動膠圈，羅拉帶動膠圈向前運動，牽伸工作面膠圈是松邊，必然使上膠圈向上起拱，而膠圈反向放置時，膠圈的牽伸工作面是緊邊，改善了上膠圈起拱內(nèi)凹現(xiàn)象，加強了對后區(qū)浮游纖維的控制。圖3、圖4 分別為膠圈正向放置和反向放置松緊邊示意圖。

圖3 正向延伸膠圈松邊示意圖

圖4 反向延伸膠圈緊邊示意圖

2 牽伸區(qū)離散系統(tǒng)模擬

2.1 仿真過程

選用GPSS 語言對牽伸模型進行編程和仿真。在離散事件仿真中，離散纖維實體流被視為橫截面模型的輸入，而在該橫截面中纖維的聚集特性就是模型的輸出。將牽伸區(qū)中纖維的空間流動轉(zhuǎn)化為模擬中按時間分布的實體流，將其作為離散模型的虛擬輸入［11］。以1 根纖維（1 個活動實體）為例，模擬活動實體從產(chǎn)生到消亡的過程內(nèi)依次經(jīng)歷的5 次離散隨機事件、4 種狀態(tài)的改變過程。牽伸模型的可行性已有文獻進行驗證［12］。

狀態(tài)改變過程：首先，纖維按照一定的頭端隔距進入后羅拉鉗口，纖維先被后羅拉握持為后纖維；其次，當纖維尾端脫離后鉗口后以后羅拉表面速度運動到變速點位置變?yōu)槁俑∮卫w維；然后，纖維頭端經(jīng)過變速點后變?yōu)榭焖俑∮卫w維，按前羅拉表面速度運動到前羅拉鉗口；最終變?yōu)榍袄w維輸出牽伸區(qū)。

2.2 變速點統(tǒng)計

以兩對羅拉組成的后牽伸區(qū)為例，模型輸入?yún)?shù)為纖維長度33 mm，纖維細度1.7 dtex，須條線密度1.68 g/m，羅拉中心距60 mm，前羅拉速度10 m/min，牽伸2.4 倍。假設牽伸區(qū)中纖維變速點服從對數(shù)正態(tài)分布，分別統(tǒng)計簡單羅拉牽伸和膠圈反向延伸情況的纖維變速點分布情況，見圖5。

圖5 膠圈反向延伸牽伸區(qū)與簡單羅拉牽伸區(qū)變速點分布

由圖5 的模擬結(jié)果可以看出，簡單羅拉牽伸中纖維變速點分布范圍比較寬，在距離前鉗口15 mm～25 mm 的范圍內(nèi)。而在膠圈反向延伸的牽伸區(qū)內(nèi)，纖維變速點集中于距前鉗口32 mm附近，且分布范圍狹窄。因此，可以認為膠圈反向延伸能使牽伸區(qū)內(nèi)纖維變速點向后鉗口處移動且分布集中，這有利于對纖維運動的有效控制。

3 試驗方案

課題組已經(jīng)做了相關(guān)試驗，確認采用雙向延伸膠圈超大牽伸裝置能夠提高后區(qū)牽伸倍數(shù)至原來 的2 倍～3 倍［13］。

本研究采用相同定量的粘膠粗紗分別在普通牽伸裝置與超大牽伸裝置上紡制16.8 tex 紗線，在保證總牽伸倍數(shù)不變的同時，增加后區(qū)牽伸倍數(shù)，比較兩者成紗質(zhì)量，分析后區(qū)牽伸倍數(shù)對紗線質(zhì)量的影響。

3.1 工藝參數(shù)

限于條件，所述試驗原料粘膠粗紗定量為6.1 g/10 m，為進行超大牽伸試驗，采用兩根粗紗并行同時喂入，因此粗紗定量相當于12.2 g/10 m。細紗錠速7 000 r/min，捻度800 捻/m。采用兩種裝置紡粘膠16.8 tex 紗的總牽伸均為72.61 倍，其他工藝參數(shù)見表1。其中方案A1～A8 采用四羅拉雙向延伸膠圈超大牽伸裝置，方案B1～B8 采用三羅拉雙膠圈牽伸裝置。

表1 不同裝置紡紗試驗方案

3.2 試驗指標與測試方法

所紡紗線在溫度（23±2）℃、相對濕度（65±3）%、紗線平衡24 h 條件下測試條干CV、毛羽數(shù)、斷裂強度3 項指標。采用YG061 型電子單紗強力儀測試強伸性能，預加張力0.5 cN/tex，拉伸速度500 mm/min，測試長度50 mm；采用YG135G 型條干均勻度儀測試條干均勻度指標，測試速度200 m/min，測試時間1 min；采用YG172A 型紗線毛羽測試儀測試毛羽指標，測試速度30 m/min。

4 試驗結(jié)果及分析

按照設計方案在超大牽伸裝置與普通牽伸裝置上紡制粘膠16.8 tex 紗，紗線性能指標測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同牽伸裝置紗線性能指標測試結(jié)果

由表2 中方案A 和方案B 試驗數(shù)據(jù)分析可得出以下結(jié)論。

（1）采用相同原料紡制16.8 tex 紗，超大牽伸裝置與普通牽伸裝置相比，隨著后區(qū)牽伸倍數(shù)的增加，3 項質(zhì)量指標中成紗條干不勻率較優(yōu)、3 mm毛羽數(shù)略差、斷裂強度差異較小。超大牽伸裝置在總牽伸72.61 倍條件下的成紗質(zhì)量較普通牽伸有明顯優(yōu)勢。這說明四羅拉雙向延伸膠圈超大牽伸裝置對牽伸區(qū)內(nèi)纖維的控制優(yōu)于普通牽伸裝置，對超大牽伸有較好的適應性。

（2）隨著后區(qū)牽伸從1.20 倍增加到3.60 倍，兩種牽伸裝置所紡紗線條干不勻率都呈先減小后增加的趨勢。超大牽伸裝置的成紗條干不勻率值明顯低于普通牽伸，且在2.4 倍時成紗條干不勻率最小。分析原因主要是普通牽伸裝置受牽伸能力限制，后區(qū)的簡單羅拉牽伸所承受的牽伸倍數(shù)有限，根據(jù)牽伸理論，牽伸倍數(shù)增加時，纖維之間的移距增加，羅拉對纖維的控制力有限，特別在浮游區(qū)中部時對纖維的控制大大減小，造成纖維間不勻增加使成紗質(zhì)量下降。而在超大牽伸裝置中，由于后區(qū)設置了向后延伸的雙膠圈且膠圈鉗口靠近后羅拉鉗口，纖維在靠近后羅拉鉗口處即受到上、下膠圈的握持和摩擦控制，纖維在后區(qū)的變速點集中后移至后羅拉鉗口附近，整個后區(qū)的摩擦力界作用長度增加，纖維能夠受到反向延伸膠圈鉗口的提前控制，且在后區(qū)的變速點也相對集中，從而減小了纖維后端的移距偏差，減少了纖維運動控制不良造成的紗線不勻的現(xiàn)象，并有利于后區(qū)牽伸倍數(shù)的提高。

（3）隨著后區(qū)牽伸倍數(shù)的增加，成紗3 mm 毛羽數(shù)先減小后增加，超大牽伸裝置的成紗毛羽數(shù)大于普通牽伸裝置。究其原因，在超大牽伸裝置中，牽伸區(qū)內(nèi)須條存在多個擴散區(qū)域，由于捻回重分布和羅拉回轉(zhuǎn)氣流的作用，須條沿著運動方向逐步擴散，最終導致須條以較松散的狀態(tài)進入前鉗口，邊緣纖維在加捻三角區(qū)未能捻入紗線主體而呈現(xiàn)毛羽狀，使成紗毛羽增加。

（4）隨著后區(qū)牽伸倍數(shù)的增加，兩種牽伸裝置下的斷裂強度都先增加后減小，兩者成紗強力差異并不明顯，說明增加后區(qū)牽伸倍數(shù)對紗線強力的影響不顯著。

5 結(jié)論

在超大牽伸裝置與普通牽伸裝置上紡制粘膠16.8 tex 紗，對比分析了兩種裝置的成紗質(zhì)量。超大牽伸裝置所紡成紗質(zhì)量指標隨著后區(qū)牽伸倍數(shù)的增加，條干不勻率呈先減小后增大的趨勢，在2.4 倍時達到最好；3 mm 毛羽數(shù)呈現(xiàn)先減小后增加趨勢；紗線斷裂強度呈現(xiàn)先增加后減小趨勢。相比于普通牽伸裝置，超大牽伸裝置的成紗條干不勻率得到明顯改善，紗線強力浮動較小，3 mm毛羽數(shù)增加。

試驗表明，雙向延伸膠圈超大牽伸裝置的紡紗性能明顯優(yōu)于普通牽伸裝置，對于細紗超大牽伸有較好的適應性，同時可以實現(xiàn)重定量紡紗，質(zhì)量穩(wěn)定，可提高生產(chǎn)效益。后區(qū)牽伸倍數(shù)可以擴展到2 倍～4 倍，總牽伸能力可達到100 倍～250倍。超大牽伸裝置存在邊部纖維分散現(xiàn)象影響毛羽的問題，可以通過集聚紡等技術(shù)控制加捻三角區(qū)以彌補不足，從而進一步改善超大牽伸裝置的成紗質(zhì)量。