陸宗源

（天問（上海）紡織新技術(shù)研發(fā)中心，上海 200092）

·技術(shù)專論

集聚紡氣流集束原理和紗線結(jié)構(gòu)
——纖維集束運動學(xué)初探

陸宗源

（天問（上海）紡織新技術(shù)研發(fā)中心，上海 200092）

為了探討集聚紡緊密紗條干均勻度提高的原因，進(jìn)一步探索緊密紗的集束原理及集聚紡的本質(zhì)，詳細(xì)分析了紡紗三角理論，用運動學(xué)的基本方法重點從紗路傾斜的作用、集聚區(qū)上纖維的運動以及纖維翻滾的“填谷效應(yīng)”闡述了纖維的集聚過程，對比了緊密紗的特點及集聚賽絡(luò)紡的優(yōu)勢，展望了其發(fā)展前景。指出：集聚過程中集束氣流場內(nèi)的纖維束經(jīng)過傾斜的集聚槽時，外層纖維的翻滾、內(nèi)部纖維的整體滾動形成了緊密紗獨特的雙層結(jié)構(gòu)；機(jī)械式集聚紡研究僅著眼于消除紡紗三角即減少毛羽，在紗線結(jié)構(gòu)變化方面，目前還不具備氣流式集聚紡紗雙層的特點。

開端紡；紡紗三角；緊密紗；包覆層；芯層；纖維運動；填谷效應(yīng)；條干均勻度

圖1 紡紗三角

眾所周知，緊密紗的三大優(yōu)點是：毛羽少，強(qiáng)度高，均勻度好。紡紗三角理論比較好地揭示了前兩個優(yōu)點的原因，但是第三個優(yōu)點——“均勻性（條干）好”的原因，紡紗三角理論卻無法解釋，這說明紡紗三角理論還不夠全面，需要進(jìn)一步進(jìn)行探索。

實際上，消除紡紗三角是集聚過程的最終結(jié)果（在阻捻羅拉之后），而不是集聚過程。集聚過程發(fā)生在阻捻羅拉之前（集聚區(qū)），我們需要研究集聚區(qū)內(nèi)的集聚運動是如何發(fā)生的。只有研究纖維“被集聚”的過程，才能更多地揭示集聚紡的本質(zhì)。

2 集聚過程研究

集聚過程重點研究的是絮條纖維在集束區(qū)（前羅拉鉗口到阻捻羅拉鉗口）的纖維集聚運動形態(tài)。氣流集束過程在集束區(qū)上完成，纖維被集束的原理是基于空氣動力學(xué)中的一個“側(cè)壓原理”。這個原理是指在靜止的大氣場中，每一個點上各個方向的壓強(qiáng)是相等的；一束運動著的氣流，在垂直于運動方向的壓強(qiáng)（稱為側(cè)壓）減小，氣流速度愈快，側(cè)壓強(qiáng)減小愈多。在集聚槽“上空”，由于負(fù)壓在槽中心線上的氣流速度最快，周圍的空氣就會向運動氣流集中，形成一個“集束流場”（見圖2），迫使纖維向集聚槽中心靠攏。

圖2 氣流集束

單純的這種氣流集束作用還不足以讓纖維集束到成紗直徑相當(dāng)?shù)膶挾?，從而完全消除紡紗三角。因為集聚槽（羅拉內(nèi)的吸氣組件上的集聚槽或網(wǎng)格圈下面負(fù)壓管上集聚槽）寬度大約為1mm～2mm，相對于紗線直徑來講非常大。纖維被氣流推動，集中到斜槽寬度的網(wǎng)格圈表面上以后，受到負(fù)壓氣流的直接控制（真空度的吸引），便緊貼在網(wǎng)格圈表面相當(dāng)于集聚槽寬度上。網(wǎng)格圈表面相對于纖維來說，粗糙不平，摩擦阻力很大，被吸附在網(wǎng)格圈表面的纖維不能再進(jìn)一步向中心作橫向移動。所以，僅靠氣流集束只能將纖維集束到與斜槽相當(dāng)?shù)膶挾?，而不能進(jìn)一步集束到紗線直徑數(shù)量級的程度（見圖3）。

圖3 纖維集束運動

2.1 紗路傾斜的作用

不論是空心羅拉式或網(wǎng)格圈式的集聚紡系統(tǒng)，吸風(fēng)槽形成的“紗路”都是有一定傾斜的（見圖4）。紗路傾斜有兩個重要作用。

圖4 紗路傾斜運動

2.1.1 傾斜紗路上的絮條線速度比前羅拉垂直方向輸出線速度vh增加一個水平速度的分量vs，沿著斜槽軸線的合成速度v略高于前羅拉輸出線速度vh，使絮條受到一定的張力，保證絮條貼緊羅拉（或網(wǎng)格圈）表面，不會產(chǎn)生“弓起”現(xiàn)象。

2.1.2 紗路傾斜促使纖維產(chǎn)生橫向運動，將纖維進(jìn)一步集束，這是重要的纖維集束運動，也是筆者要重點分析的。

2.2 集聚區(qū)上的纖維運動分析

在網(wǎng)格圈的紗路上取一個截面A－A（圖4），它隨著網(wǎng)格圈（或羅拉表面）前進(jìn)，下面的斜槽（虛線）是固定不動的；當(dāng)截面（網(wǎng)格圈帶著纖維）移動到后一個（虛線）位置時，相對于絮條而言等于是斜槽向左移動了一個距離。這時絮條左邊的空隙變大了，主氣流偏到絮條左側(cè)，右側(cè)橫向集聚氣流加強(qiáng)。當(dāng)絮條最右邊的本來緊貼在網(wǎng)格圈上的纖維離開了斜槽（見圖5a）左），脫離了負(fù)壓控制而“自由”時，在右面的集束氣流的推動下向左移動；但是左側(cè)相鄰的底層纖維受到負(fù)壓的直接控制，以及網(wǎng)格圈（或羅拉）粗糙不平的表面的阻礙，無法產(chǎn)生橫向滑動（見圖5a）右），右側(cè)離開氣流槽控制的自由纖維會被迫隨著氣流向左上方向翻動（見圖5b）），導(dǎo)致底層纖維成了上層纖維，而中層纖維受到負(fù)壓的控制力較小，因而橫向移動的阻力也?。ǖ讓永w維的阻力來自網(wǎng)格圈表面，而中層纖維的阻力來自下層纖維），因此也會產(chǎn)生一定的橫向移動趨向，愈是上層的纖維移動的趨向愈大，以致整個絮條產(chǎn)生滾動移位。

圖5 絮條纖維滾動移位

內(nèi)外層纖維的這種運動形式，有本質(zhì)區(qū)別。外層纖維（從底層翻滾上來的纖維段）除了受氣流引導(dǎo)以外，不受約束，自由度大。一般總是處于底層最右端的纖維的頭端首先脫離斜槽負(fù)壓控制，產(chǎn)生向左上方向的翻滾運動，隨著纖維前進(jìn)，這根纖維的后續(xù)部分也逐漸獲得“自由”，跟著頭端向左上翻滾，使本來處于底層的纖維，翻滾到上層。連續(xù)的翻滾使它翻到左邊又成為底層（見圖6），而在絮條表面形成一條螺旋線的形態(tài)。外層纖維不斷發(fā)生同一方向的翻滾交換，使絮條的外層纖維形成一個有一定捻度（如果斜槽方向是右上斜向的話，纖維形成Z捻）的包覆層。這種纖維在“翻滾”的時候，頭端是自由的（見圖5b）左），符合“開端紡”的加捻條件，因而形成的捻度是“真捻”。內(nèi)層纖維受到外層纖維的約束，纖維頭端沒有“自由”翻滾的機(jī)會，因此不會像外層纖維那樣離開絮條主體“自由行動”，只能在外層纖維的約束下，隨著絮條整體滾動。這種運動纖維的兩端是“不自由”的，所以即使有一定的“整體滾動”，也只能得到“假捻”。

圖6 絮條外層纖維捻度的形成

因此，絮條在集聚區(qū)結(jié)束時，已經(jīng)形成一種雙層結(jié)構(gòu)：有一定捻度的包覆層和一個基本無捻的、比較緊密（由于受外層的約束）的芯層。

包覆層對內(nèi)層纖維產(chǎn)生一定的約束力，將內(nèi)層纖維的端部“網(wǎng)”住，減少外露，通過阻捻羅拉鉗口，到加捻區(qū)受到加捻時，紡紗三角沒有了，毛羽減少了；芯層內(nèi)的纖維相對平行、排列比較緊密，也隨著向左滾動，因為纖維沒有自由移位（只能隨著整體作滾動），所以不會產(chǎn)生捻度。這樣的絮條在加捻時，纖維取向一致，加捻張力均勻，纖維強(qiáng)度利用率高，成紗強(qiáng)度提高。

2.3 條干均勻度提高的原因——纖維翻滾的“填谷效應(yīng)”

表層纖維在氣流推動下翻滾時，還會出現(xiàn)一種非常重要的現(xiàn)象即“填谷效應(yīng)”。因為斜槽部位的絮條在集束氣流的控制之下，纖維的翻滾只能緊貼在絮條表面進(jìn)行，最后的落腳點必然是在絮條有空缺的低谷處，才能達(dá)到穩(wěn)定，稱之為“填谷效應(yīng)”。這種“填谷效應(yīng)”的宏觀結(jié)果是表層纖維重新排列，落腳到細(xì)節(jié)處纖維較多，粗節(jié)處纖維發(fā)生滑脫，使絮條變得均勻，表面變得圓整，這就是集聚紡紗條干均勻度提高的原因。紗號越細(xì)，絮條纖維越少，“填谷效應(yīng)”越是明顯。

3 集聚紡緊密紗的結(jié)構(gòu)特點

目前集聚紡機(jī)構(gòu)斜槽是Z向，包覆層是Z捻。在接下來的加捻過程中，如果也是Z捻，那么捻度疊加，成紗的結(jié)構(gòu)捻度增大，毛羽較少，紗線結(jié)構(gòu)比較緊密。表層纖維捻度大，紗線更耐磨，不易起毛起球；芯層纖維取向度高（平行性好），捻度相對較小，張力（應(yīng)力）均勻，具有較高的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長。如果加捻是S捻，那么一開始先有一個退捻過程，當(dāng)包覆層捻度為零時，可能導(dǎo)致成紗毛羽增加。但是，因為紡紗三角已消除，不會產(chǎn)生長毛羽；而且相對于成紗捻度來講，包覆捻度很小，而且只是表層纖維，所以對成紗主體捻度不會有明顯影響，只是紗線表層捻度較小，比較“松散”，手感會比較柔軟。

4 普通環(huán)錠紗與緊密紗的比較

非集聚紡的環(huán)錠紗，由于紡紗三角存在，內(nèi)外層纖維不斷交換，一根長纖維在紗線中發(fā)生多次內(nèi)、外交換。有研究者測試分析表明，纖維還存在多個“屈曲”，紗線結(jié)構(gòu)有松散趨向，這種“屈曲”的纖維好似彈簧，紗線彈性較好，直徑較大。

而集聚紡緊密紗沒有纖維的內(nèi)、外交換，表面又會形成一個纖維的包覆層，芯層纖維沒有交叉換位，不會形成明顯的“屈曲”，平行性比較好，在包覆層作用下，容易收縮，因而紗線結(jié)構(gòu)比較緊密。相同線密度的紗線，緊密紗的直徑將比環(huán)錠紗直徑略小，在加捻過程中，纖維張力均勻，所以理論強(qiáng)度較高。

5 集聚賽絡(luò)紡的優(yōu)勢

集聚賽絡(luò)紡紗是兩根斜槽方向相反的緊密紗合捻而成的，其紗線結(jié)構(gòu)既有股線的形態(tài)，又與股線不同。

普通股線中兩根組份紗的捻向是相同的，合捻方向和單紗捻向相反，所以合捻時兩根組份單紗都是退捻的，但不會退到零捻度，成紗股線的兩根組份紗是明顯分離的。集聚賽絡(luò)紡的兩根絮條在合捻前，包覆捻度是相反的，芯層纖維捻度很小，但是被包覆層隔離。合捻時，捻向相同的一根的捻度增加，包覆作用更強(qiáng)，被包覆的芯層纖維在包覆層中被加捻，形成了合捻紗的一個真正的芯層，是紗線強(qiáng)度的主體。另一根由于包覆層在加捻初期被退捻，包覆功能消失，因此該絮條在加捻初期比較松散，容易分布在成紗的外層，形成捻度較小的表層。這樣，成紗內(nèi)的兩根組份沒有明顯的邊界，而是形成了內(nèi)緊外松的一個整體，既有強(qiáng)度較高的芯層，又有手感柔軟的表層。在加捻初期，即使一根絮條的包覆層作用消失，但是因為已經(jīng)沒有紡紗三角，所以成紗的毛羽還是很少的。

同時，在最后成紗號數(shù)相同的情況下，賽絡(luò)紡在牽伸和集聚階段絮條的線密度都是集聚紡的50%。一方面兩根絮條的最后合并使均勻度提高（相當(dāng)于并條）；另一方面在集聚區(qū)的“填谷效應(yīng)”（隨著線密度）更強(qiáng)，因此集聚賽絡(luò)紡的條干均勻度比集聚紡和普通賽絡(luò)紡都有明顯提高。

6 前景展望

集聚紡以其毛羽少、強(qiáng)度高、均勻度好而受到普遍青睞，氣流式集聚紡卻以其能耗高和維護(hù)成本大而倍受詬病。在此背景下，各種新機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生，例如磁性機(jī)械集束器（羅卡斯）、聚槽式無網(wǎng)格圈集聚紡（東華大學(xué)）和正交羅拉集束型等。這些研究和實踐各有特色，能夠部分解決氣流網(wǎng)格圈式集聚紡目前使人感到頭痛的某些問題。然而這些研究的著眼點都只集中在消除紡紗三角這一點上，在減少毛羽方面也都有一定（也許是明顯的）效果，但是它們都無法實現(xiàn)氣流式集聚紡成紗結(jié)構(gòu)的上述特點，而這些特點正是緊密紗之所以成為紗線市場上一個耀眼新品的原因所在。

［1］楊麗麗，謝春萍，王蘭蘭，等.緊密賽絡(luò)紡紗技術(shù)在棉紡中的應(yīng)用探討［J］.紡織器材，2007，34（3增）：32－35.

［2］謝春萍.緊密紡網(wǎng)格圈性能研究報告.PPS［Z］.

［3］蘇旭中，謝春萍，楊麗麗.集聚紡紗用網(wǎng)格圈的性能測試與分析［J］.紡織器材，2006，33（3）：17－19.

［4］陸宗源.集聚紡氣流集束原理和紗線結(jié)構(gòu)［J］.紡織器材，2011，38（1）：11－14.

［5］蘇旭中，楊世奎，謝春萍，等.集聚槽傾角對緊密紗質(zhì)量的影響［J］.棉紡織技術(shù)，2010，38（1）：15－17.

［6］周獻(xiàn)珠，熊偉，王少明，等.賽絡(luò)集聚紡在紡紗過程中的分析探討［J］.紡織器材，2011，38（3增）：40－42.

［7］馬順彬，吳佩云.集聚紡與傳統(tǒng)紡紗線性能對比研究［J］.紡織器材，2010，37（3增）：40－43.

［8］王嬋娟.細(xì)絨棉生產(chǎn)普梳賽絡(luò)集聚紡紗的生產(chǎn)實踐［J］.紡織器材，2011，38（3）：38－40.

The Air Clustering Elements in Compact Spinning Process and the Yarn Structure——Probing into Fiber Clustering Kinematics

LU Zong－yuan
（Tianwen Shanghai R＆D Center of New Textile Technology，Shanghai 200092，China）

In order to know the increasing cause of the evenness of the yarn produced in compact spinning process，and to further probe into the air clustering elements of the compact spun yarn and the essence of compact spinning process，details analysis is done to the theory of the spinning trangle.Highlight is given to the compact spinning process with the help of kinematics from the inclining yarn path，the yarn motion in the compact spinning area and the fiber rolling“filling effect”.Contrast analysis is done to the feature of the compact spun yarn and the compact－siro spun yarn regarding the advantages and the prospect in the future.Conclusion is made that the special double－layered structure of the compact spun yarn is formed through the fiber cluster in the air clustering area in the declining compact trough，in which the outside of the fiber cluster rolls while the inside of the fiber moves monolithically.Mechanically，the compact spinning research is restricted in how to reduce the spinning trangle，say，reduction of hairiness.As to the yarn structure，the double－layered structure formed with the air clustering process is not available with the mechanical compact spinning process.

open－end spinning；spinning trangle；compact yarn；covering layer；core layer；fiber motion；filling effect；evenness

TS103.27

A

1001－9634（2012）05－0001－04

1 紡紗三角

氣流式集聚紡是當(dāng)前集聚紡的主流，其結(jié)構(gòu)有空心羅拉式、三羅拉式和四羅拉式等，原理相同。氣流式集聚紡機(jī)構(gòu)之所以能使紗體緊密、毛羽減少，目前權(quán)威的理論解釋是消除了“紡紗三角”，即絮條在進(jìn)入加捻區(qū)前，纖維已經(jīng)處于集束基本的“平行”狀態(tài)，從而減少了“有害毛羽”，增加了紗線的強(qiáng)度，這種原理是直觀而正確的。

所謂紡紗三角是指前羅拉鉗口處的絮條寬度（底邊）和因纖維加捻而收縮的會合點形成的一個倒三角形（見圖1）。此三角區(qū)內(nèi)的纖維是控制薄弱的“自由區(qū)”，前羅拉鉗口處（三角形底邊）的纖維，只要離開鉗口控制就比較自由，特別是纖維的頭端，在加捻回轉(zhuǎn)運動離心力作用下，很容易向外甩出形成長毛羽。又由于三角形斜邊L比中高h(yuǎn)大，邊纖維前進(jìn)過程中的張力比中間纖維大，有向中心轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，造成內(nèi)、外纖維不斷的交換位置，結(jié)果是成紗內(nèi)纖維屈曲，平行性差，纖維強(qiáng)度利用率降低，導(dǎo)致成紗強(qiáng)度降低。

2012－02－27

陸宗源（1936—），男，上海人，高級工程師，主要從事集聚紡紗等新技術(shù)的研究。

時間：2012－03－15 11∶00

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／61.1131.TS.20120315.1100.001.html