馮清國 任家智 陳宇恒 葉 靜

（中原工學(xué)院，河南鄭州，450007）

近些年來花式紗線以廣泛的原料適用性、豐富的色彩、變化的外觀效果極大程度地豐富了產(chǎn)品的花色品種［1］。而平行紗作為花式紗的一小分支，因其獨特的包纏結(jié)構(gòu)，紡制的紗線具有表面毛羽少、紗體柔軟、蓬松性好、條干好、強(qiáng)力高等優(yōu)點，受到了越來越多學(xué)者及研究人員的關(guān)注［2-3］。

文獻(xiàn)［4-5］根據(jù)不同的外包紗和芯紗組合對平行紡的形式及特點進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［6-7］豐富了平行紡的適紡原料組成，彌補了各自纖維成紗的缺陷。文獻(xiàn)［8-9］對長絲包纏數(shù)和紗線強(qiáng)力的關(guān)系進(jìn)行了研究，認(rèn)為紗線強(qiáng)力隨長絲號數(shù)的增加而增加，但成本會大幅度增加。文獻(xiàn)［10］認(rèn)為包纏張力的大小會影響平行紗的強(qiáng)力與斷裂伸長率。包纏張力增大，紗線強(qiáng)力增加，伸長率下降；包纏張力增加到一定程度，強(qiáng)力不再增加或增加很少，伸長率也趨于平穩(wěn)。文獻(xiàn)［11］通過對包纏紡結(jié)構(gòu)及性能的分析，提出了對平行紡的工藝創(chuàng)新優(yōu)化。

對平行紡來說［12］，包纏捻度和包纏張力是影響平行紗紡制的重要工藝參數(shù)［13］，直接影響紗線的外觀質(zhì)量及內(nèi)在結(jié)構(gòu)。本研究利用響應(yīng)曲面法對平行紡紗工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以期獲得最佳工藝并對生產(chǎn)實踐具有一定的指導(dǎo)作用。

1 試驗方案

1.1 試驗原料及紗線規(guī)格

以棉/錦綸88/12 粗紗（定量5.34 g/10 m）為芯紗，滌綸長絲5.56 tex 為外包紗，紡制線密度為26 tex+5.56 tex 的平行紗。

1.2 試驗工藝參數(shù)設(shè)置

采用HFX-07 型花式捻線機(jī)，主要工藝參數(shù)：空心錠轉(zhuǎn)速5 000 r/min ，輸出羅拉線速度2 m/min，總牽伸20.56 倍，后區(qū)牽伸1.5 倍，包纏張 力0.9 倍～1.0 倍，包 纏 捻 度500 捻/m～800 捻/m，牽伸羅拉直徑25 mm×25 mm×25 mm，羅拉中心距52 mm×46 mm ，輸出羅拉直徑42 mm，引紗羅拉直徑82 mm，鉗口隔距3 mm，搖架壓力140 N/雙錠。

1.3 性能測試指標(biāo)及測試條件

采用YG061 型單紗強(qiáng)力儀測試紗線斷裂強(qiáng)力。測試長度250 mm，拉伸速度250 mm/min，測試10 次并取平均值。采用USTER ME100 型條干均勻度儀測試條干CV。測試速度200 m/min，測試時間1 min，測試10 次并取平均值。測試環(huán)境相對濕度（65±5）%，溫度（20±2）℃。

1.4 試驗方案及結(jié)果

由于包纏捻度和包纏張力是平行紡的重要工藝參數(shù)，直接影響紗線的外觀質(zhì)量及內(nèi)在結(jié)構(gòu)，因此利用Design Expert 軟件，采用Central Composite Design（CCD）設(shè)計響應(yīng)曲面，對包纏捻度和包纏張力進(jìn)行優(yōu)化，以期獲得最優(yōu)紡紗工藝。 在CCD 設(shè)計時，只要給出各個試驗因子試驗條件取值的上下限范圍，軟件將自動對處理水平進(jìn)行編碼，即Zj=（xj-xj0）/Δj，式中：Zj為規(guī)范變量，xj為自變量，xj0分別為自變量的零水平，Δj為變化區(qū)間［14］。因子水平編碼表如表1 所示，試驗設(shè)計方案及指標(biāo)測試結(jié)果如表2 所示。

表1 因子水平編碼表

表2 試驗方案及結(jié)果

2 成紗質(zhì)量指標(biāo)回歸模型的建立

2.1 斷裂強(qiáng)力的回歸模型

利用Design Expert 軟件采用響應(yīng)曲面法選取包纏捻度和包纏張力兩因素進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計，其響應(yīng)值分別為斷裂強(qiáng)力及條干CV。由于進(jìn)行多指標(biāo)試驗結(jié)果測試，所以從綜合各指標(biāo)最優(yōu)值的角度出發(fā)，利用方差分析以及回歸方程對試驗實際值分析得出方程預(yù)測值，最后進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化得出最優(yōu)試驗方案。

2.1.1 方差分析及系數(shù)顯著性檢測

二次模型方差分析通過較少的模型得到二次多項式擬合模型方差和回歸方程系數(shù)分析結(jié)果，如表3 所示。若表中所有模型的p值小于0.05，表示該項對斷裂強(qiáng)力顯著性高；p值小于0.01，表示顯著性極高；p值大于0.05，表示顯著性不好，需要去掉該項。失擬項越小，其對應(yīng)的p值越大，表示方程的擬合度越好，p值大于0.05 表明響應(yīng)值與模型回歸方程的關(guān)系是好的。

表3 二次多項式擬合模型方差和回歸方程系數(shù)分析

由表3 可知，模型的p值大于0.05，認(rèn)為擬合的方程無統(tǒng)計學(xué)意義，需對模型進(jìn)行簡化，選擇將最不顯著項Z2、Z1Z2、Z12、Z22去除，簡化模型結(jié)果如表4 所示［15］。由二次多項式擬合模型分析結(jié)果（p值=0.036 1＜0.05，失擬項p值=0.364 4＞0.05）表明，該模型具有較高的顯著性。同時系數(shù)Z1在α=0.05 水平上高度顯著，因此，可以認(rèn)為包纏張力對斷裂強(qiáng)力影響較大。

表4 簡化模型的方差及回歸方程系數(shù)分析結(jié)果

2.1.2 回歸方程的建立

響應(yīng)面分析過程中數(shù)據(jù)處理是以已編碼數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，即輸入的未編碼試驗因素水平值，軟件會將其轉(zhuǎn)化為編碼值后，再進(jìn)行各項統(tǒng)計分析與方程擬合。編碼因子表示的系數(shù)表如表5 所示。當(dāng)各因子正交時，VIF為1；VIF大于1，表示多共線性，VIF越高，各因素的相關(guān)性越強(qiáng)。

由表5 可得，編碼后的方程為斷裂強(qiáng)力=280.22+14.28×Z1。 根據(jù)編碼公式Z1= (x1-x10)/Δ1= (x1-0.95)/0.05，將線性方程y=280.22+14.28×Z1回代得y=280.22+14.28×(x1-0.95)/0.05，則斷裂強(qiáng)力的實際擬合方程y=8.9+285.6×x1，可以使用該方程直接進(jìn)行求解，獲得試驗最優(yōu)值與相應(yīng)的試驗條件。

表5 以編碼因子表示的系數(shù)表

2.1.3 模型的驗證

為了驗證模型預(yù)測的有效性，根據(jù)二次多項式擬合方程分析結(jié)果可以得到模型對于響應(yīng)值的擬合度，殘差的正態(tài)概率分布圖越靠近直線越好；殘差與方程預(yù)測值的對應(yīng)關(guān)系圖中分布越分散越無規(guī)律越好；預(yù)測值與試驗實際值的對應(yīng)關(guān)系圖越靠近同一條直線越好［16］。對于斷裂強(qiáng)力，其殘差的正態(tài)概率分布靠近直線，如圖1 所示。殘差與方程預(yù)測值的對應(yīng)分布無規(guī)律，如圖2 所示。預(yù)測值與試驗實際值對應(yīng)靠近同一條直線，如圖3 所示。因此試驗值與回歸方程得到的預(yù)測值滿足上述規(guī)律，擬合度較好，從而可以預(yù)測出最佳試驗方案。

圖1 斷裂強(qiáng)力殘差的正態(tài)概率分布圖

圖2 斷裂強(qiáng)力殘差與方程預(yù)測值的對應(yīng)關(guān)系

圖3 斷裂強(qiáng)力預(yù)測值與試驗實際值的對應(yīng)關(guān)系

2.1.4 響應(yīng)面分析

響應(yīng)面圖能夠非常清楚直觀地表現(xiàn)包纏捻度和包纏張力發(fā)生變化時對斷裂強(qiáng)力的影響，如圖4 所示。 可以看出包纏張力對斷裂強(qiáng)力作用顯著，且呈較強(qiáng)的線性關(guān)系。隨著包纏張力的增大，斷裂強(qiáng)力也隨之增大，這說明平行紗的強(qiáng)力主要靠起固紗作用的長絲對芯纖維須條的包纏來獲得，當(dāng)長絲包纏張力較小時，長絲對紗中須條的正壓力較小，短纖須條比較松散；當(dāng)包纏張力逐漸增加時，正壓力增加，短纖須條滑脫現(xiàn)象減少，從而使斷裂強(qiáng)力增加。而包纏捻度對斷裂強(qiáng)度幾乎沒有影響。

圖4 包纏捻度和包纏張力交互影響斷裂強(qiáng)力的響應(yīng)曲面

2.2 條干CV 值的回歸模型的建立

2.2.1 方差分析及系數(shù)顯著性檢測

對于響應(yīng)值條干CV同樣經(jīng)過二次模型的方差分析，如表6 所示。

由表6 可知，回歸方程模型的p值=0.032 2＜0.05，認(rèn)為該模型可用于預(yù)測。由于系數(shù)Z1、Z1Z2、Z12的p值＞0.05，表明需要對該響應(yīng)面方程進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，去掉不顯著項Z1、Z1Z2、Z12，簡化后模型如表7 所示。由二次多項式擬合模型分析結(jié)果（p值=0.005 2＜0.05，失擬項p值=0.054 5＞0.05）表明，簡化后的模型具有很高的顯著性。系數(shù)顯著性結(jié)果表明在α=0.05 水平上Z2線性效果十分顯著，Z22對條干非線性效果十分顯著，因此認(rèn)為包纏捻度對條干影響較大。

表6 二次多項式模型的方差及回歸方程系數(shù)分析

表7 簡化模型方差分析結(jié)果及回歸方程系數(shù)

2.2.2 回歸方程的建立

編碼因子表示的系數(shù)表如表8 所示。

表8 以編碼因子表示的系數(shù)表

由表8 可得，編碼后的方程為條干CV=16.90-2.12×Z2+2.24×Z22。根據(jù)編碼公式Z2=(x2-x20)/Δ2= (x2-650)/150，將方程y=16.90-2.12×Z2+2.24×Z22回代得到y(tǒng)=16.90-2.12×[(x2-650)/150] +2.24× [(x2-650)/150]2。 則 成紗條干的實際擬合方程就是y=68.148 5-0.143 5×x2+0.000 1×x22。

2.2.3 模型的驗證

根據(jù)二次多項式擬合方程分析結(jié)果來驗證模型預(yù)測的有效性，可以得到響應(yīng)值條干CV值殘差的正態(tài)概率分布較好，如圖5 所示。殘差與方程預(yù)測值的對應(yīng)無規(guī)律，如圖6 所示。預(yù)測值與試驗實際值的對應(yīng)靠近同一條直線，如圖7 所示，因此可以預(yù)測出最佳試驗方案。

圖5 條干CV 殘差的正態(tài)概率分布圖

圖6 條干CV 殘差與方程預(yù)測值的對應(yīng)關(guān)系

圖7 條干CV 預(yù)測值與試驗實際值的對應(yīng)關(guān)系

2.2.4 響應(yīng)面分析

包纏捻度和包纏張力交互影響條干響應(yīng)曲面圖如圖8 所示。包纏捻度對條干CV作用顯著，且呈較強(qiáng)的非線性關(guān)系。當(dāng)包纏捻度較小時，條干CV隨著包纏捻度的增大顯著降低，這主要是因為包纏捻度增加，長絲螺旋線螺旋角增大，對無捻芯纖維的束縛、覆蓋作用增大，使芯纖維結(jié)構(gòu)更緊密，從而使條干改善；當(dāng)包纏捻度增大到一定程度后，紗線光澤變差，手感變硬，條干CV改善效果趨于平緩；而包纏張力增加，條干CV處于平穩(wěn)狀態(tài)。

圖8 包纏捻度和包纏張力交互影響條干的響應(yīng)曲面

2.3 成紗質(zhì)量指標(biāo)的最優(yōu)化求解

為減少生產(chǎn)中紗線斷頭情況，達(dá)到與環(huán)錠紡相同的斷裂功，應(yīng)根據(jù)實際情況合理調(diào)整?？梢栽O(shè)置試驗條件的最低值及最高值，軟件預(yù)測出最優(yōu)值，并且提供最優(yōu)值條件之外的一種或幾種方案。 設(shè)置好的參數(shù)要求如表9 所示。 在設(shè)定好優(yōu)化的約束和目標(biāo)之后，Design Expert 軟件會以列表的形式自動給出優(yōu)化求解結(jié)果，如表10所示。

表9 平行紗工藝參數(shù)優(yōu)化限制條件

表10 平行紗工藝參數(shù)優(yōu)化方案表

從表10 中得出方案1 為最優(yōu)，即當(dāng)包纏張力為1 倍，包纏捻度為800 捻/m，此時平行紡紗線最優(yōu)斷裂強(qiáng)力為309.884 cN、條干CV為17.641%。

3 結(jié)論

（1）通過研究平行紡包纏張力和包纏捻度對于平行紗的斷裂強(qiáng)力及條干CV值的影響，并利用響應(yīng)曲面法對其進(jìn)行二次分析及回歸預(yù)測，求得斷裂強(qiáng)力=8.9+285.6×x1，條干CV=68.148 5-0.143 5×x2+0.000 1×x22，并在此基礎(chǔ)上對成紗質(zhì)量指標(biāo)多目標(biāo)求解得到最佳工藝方案：當(dāng)包纏張力為1 倍，包纏捻度為800 捻/m時，平行紡紗線的斷裂強(qiáng)力為309.884 cN、條干CV為17.641%，質(zhì)量指標(biāo)較優(yōu)。

（2）通過分析得到，平行紡紗線的斷裂強(qiáng)力與長絲的包纏張力呈線性關(guān)系，而與包纏捻度關(guān)系不大；紗線的條干CV與包纏捻度呈二次曲線關(guān)系，而與長絲包纏張力關(guān)系不大。

（3）平行紡紗線由于具有強(qiáng)力高、條干好等特點，在花式紗生產(chǎn)上擁有很大的研究發(fā)展?jié)摿Α１驹囼炿m然對其紡制中的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，但是受試驗條件和環(huán)境的限制，平行紡的紗線強(qiáng)力及條干還需要進(jìn)一步優(yōu)化來提高。