汪 軍

(東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620)

環(huán)錠紡是一種傳統(tǒng)的紡紗生產(chǎn)工藝，至今已有近2個世紀(jì)的歷史。盡管新型紡紗的問世豐富了成紗結(jié)構(gòu)和紗線品種，但迄今為止還沒有一種新型紡紗能像環(huán)錠紡那樣具有良好的原料適應(yīng)性和產(chǎn)品廣泛性，據(jù)國際紡織制造商聯(lián)合會(ITMF)統(tǒng)計［1］，2002—2011年全球環(huán)錠紡發(fā)貨量累計為9 930萬錠，同期轉(zhuǎn)杯紡紗機的發(fā)貨量僅為378萬頭，環(huán)錠紡仍占據(jù)紡紗市場的主導(dǎo)地位。

環(huán)錠紡紗技術(shù)也在持續(xù)進(jìn)步中，集聚紡［2］、低扭矩紡紗［3－4］和復(fù)合紡紗［5］技術(shù)的問世，紡紗器材的進(jìn)步［6］以及紡紗設(shè)備自動化程度［7］的提高等，都提升了環(huán)錠紡紗的質(zhì)量。與此同時，隨著消費者對紡織品的要求越來越高，行業(yè)對紗線質(zhì)量品質(zhì)的要求也日趨嚴(yán)格，特別是在紗線質(zhì)量穩(wěn)定性、細(xì)小紗疵等方面的要求明顯提高。

紗線及半制品的質(zhì)量一般可分外觀質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量。外觀質(zhì)量主要有黑板條干均勻度、棉結(jié)、雜質(zhì)、粗細(xì)節(jié)、毛羽和色澤等。內(nèi)在質(zhì)量又分為結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能2部分，線密度、捻度、電容條干均勻度及混紡成分等屬于結(jié)構(gòu)范疇，強力、伸長、斷裂功、彈性和耐磨性等屬于力學(xué)性能。傳統(tǒng)紡紗過程的質(zhì)量檢測均采用離線檢測的方式，隨著紗線生產(chǎn)朝自動化、連續(xù)化、優(yōu)質(zhì)化和智能化方向的發(fā)展［8］，對紗線質(zhì)量控制要求不斷提高，在線檢測與控制技術(shù)在現(xiàn)代紡紗生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣。本文將介紹離線檢測與在線檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析相關(guān)檢測技術(shù)的進(jìn)步與不足，探討紗線質(zhì)量檢測技術(shù)的發(fā)展方向。

1 紗線質(zhì)量檢測的現(xiàn)狀與分析

1.1 離線檢測技術(shù)

紡紗是將纖維原料經(jīng)過若干工序制成符合后道工序要求的紗線，傳統(tǒng)上運用測試儀器對包括原料、半制品和成紗質(zhì)量的離線檢測是保證紗線質(zhì)量的重要手段。

1.1.1 棉纖維質(zhì)量的檢測

棉花的品質(zhì)對成紗質(zhì)量的影響比較大。我國是產(chǎn)棉大國和棉纖維加工大國，同時也是棉花進(jìn)口大國，對棉纖維質(zhì)量的檢測非常重視。我國的棉檢工作以感官檢驗人工評級為主，輔助于儀器檢測棉花長度、馬克隆值和斷裂強度等指標(biāo)。國外先進(jìn)的棉花檢驗技術(shù)以美國最具代表性，是以烏斯特公司生產(chǎn)的HVI大容量棉花纖維測試儀為主，輔助于感官檢驗。我國較早的棉檢工作是依據(jù)棉花的各個物性指標(biāo)分開進(jìn)行測試。近年隨著我國棉花儀器化公證檢驗體系的建設(shè)，僅纖檢系統(tǒng)就引進(jìn)了400臺HVI檢測儀器，基本實現(xiàn)了棉花的儀器化檢驗。

集光學(xué)、電子、機械技術(shù)于一體的 HVI儀器憑借其一次性取樣完成所有指標(biāo)測試的高效性，在我國部分紡織廠已開始使用。此外，印度普瑞美公司的ART2全自動棉花測試儀、蘇州長風(fēng)紡織機電科技有限公司與印度MAG聯(lián)合開發(fā)的HVT EXPERT 1201和陜西長嶺公司研發(fā)的XJ128快速棉纖維性能測試儀也取得了進(jìn)展，但是烏斯特公司的HVI無疑是技術(shù)領(lǐng)先者。目前HVI在我國的應(yīng)用存在2個主要問題:一是我國棉花種植的品種較多，棉花色征圖的準(zhǔn)確性尚存較大問題;二是不同HVI儀器之間的測試差異，這與儀器、環(huán)境和操作等都有關(guān)系，需要通過加強實驗室比對等方法進(jìn)行完善［9］。

1.1.2 半制品質(zhì)量檢測

由于對成紗質(zhì)量要求的提高，企業(yè)對前紡半制品質(zhì)量的檢測與控制也越來越重視。環(huán)錠紡紗系統(tǒng)常規(guī)的質(zhì)量檢測項目有單位質(zhì)量、質(zhì)量變異系數(shù)、條干均勻度、棉結(jié)、雜質(zhì)、粗紗捻度、落棉率和短纖維含量等等。電容式條干儀技術(shù)的廣泛使用，使條子和粗紗的條干均勻度檢驗成為日常工作，從而能夠分析診斷和控制生產(chǎn)中產(chǎn)生的機械波、牽伸波等質(zhì)量問題。

半制品質(zhì)量檢測中近年最大的亮點是以烏斯特公司推出的AFIS單纖維測試儀為代表的測試儀器的推廣應(yīng)用，它能夠檢測從原棉到粗紗各工序半制品的棉結(jié)、雜質(zhì)、纖維長度和短纖維含量等多項指標(biāo)，與傳統(tǒng)的方法相比，具有準(zhǔn)確和快速的優(yōu)點。這些指標(biāo)為生產(chǎn)管理、工藝參數(shù)的合理配置，控制和改善產(chǎn)品質(zhì)量提供了有力的工具。國內(nèi)一些紡紗企業(yè)的實踐表明，利用AFIS纖維測試儀檢測前紡紡紗各工序半制品的質(zhì)量，可以優(yōu)化工藝，提高成紗質(zhì)量，或在保證正常質(zhì)量的前提下提高工作效率，節(jié)約原料成本［10］。

普瑞美公司推出的aQura棉結(jié)和短纖維測試儀也屬同類產(chǎn)品，可以用來測試半制品的棉結(jié)與纖維長度。有研究者對aQura與AFIS測試的結(jié)果進(jìn)行對比分析，認(rèn)為aQura儀器的測試結(jié)果可能穩(wěn)定一些［11－12］。本文認(rèn)為，這二者的最大區(qū)別是 AFIS測試的是單纖維狀態(tài)，aQura測試的是束纖維狀態(tài)，2種測試設(shè)備都能為半制品質(zhì)量的離線檢測提供強有力的工具，均有進(jìn)一步發(fā)展的空間。

德國特呂茨勒公司開發(fā)了 LCT(length control)［13］測試系統(tǒng)，采用纖維成像原理的雙向掃描纖維須條，能夠測試?yán)w維長度，特別是纖維前后彎鉤情況，這對半制品質(zhì)量的控制無疑是重要的，因為AFIS和aQura無法測試半制品的彎鉤纖維狀態(tài)。

由于半制品只是成紗工序的中間階段，我國目前還沒有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，缺少統(tǒng)一測試方法和規(guī)范，且關(guān)于測試數(shù)據(jù)的分析缺乏參考標(biāo)準(zhǔn)，目前僅有烏斯特統(tǒng)計公報有相關(guān)統(tǒng)計值。

1.1.3 成紗質(zhì)量的檢測

成紗質(zhì)量的檢測主要涉及條干均勻度儀、紗線強力儀、紗疵分級儀和毛羽測試儀等。

1.1.3.1 條干均勻度儀 紗線條干的測試有電容式與光電式2種模式。以烏斯特USTER TESTER 5為代表的電容式條干儀測試速度已達(dá)到800 m/min，除了檢測條干 CV值、錠間條干差異CVb以外，還配備特殊傳感器能夠測試紗線中的毛羽、直徑截面形狀、異纖檢測、分級以及微塵等項目。電容式條干均勻度儀的生產(chǎn)商較多，中國和印度均有多款產(chǎn)品可供客戶選擇。光電式條干儀以美國勞森公司的EIB為代表，通過采用CCD持續(xù)掃描紗線直徑獲得數(shù)據(jù)。陜西長嶺紡織機電科技有限公司也開發(fā)過類似產(chǎn)品。

關(guān)于電容式條干儀與光電式條干儀優(yōu)缺點以及二者相關(guān)性的問題，一直是許多學(xué)者的研究熱點［14－15］。二者各有特點，目前在市場上是共存狀態(tài)，只是電容式條干儀的市場份額較大。電容式條干儀的主要問題在于某些紗線的條干CV值和制成織物后的實際效果不相關(guān)，主要原因是電容式條干儀測試的是紗線的線密度，但是如果紗線的體積密度不均勻，就可能出現(xiàn)電容式條干CV值雖好，但是紗線的實際直徑呈現(xiàn)不勻的現(xiàn)象。光電式條干儀測試的是紗線直徑，但由于紗線的截面基本上不是非常圓整，其測試值的準(zhǔn)確性也得不到保證。有學(xué)者對采用電容式和光電式的紗線條干數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，結(jié)果表明二者數(shù)據(jù)的相關(guān)性不強。有些儀器制造公司嘗試將電容式和光電式結(jié)合在一起。總之，關(guān)于2種形式條干儀的研究和爭論已有很多年，也值得深入研究。目前關(guān)于條干測試的國家標(biāo)準(zhǔn)也有2個，分別是GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗線條干不勻試驗方法 第 1部分:電容法》和GB/T 3292.2—2009《紡織品 紗線條干不勻試驗方法 第2部分:光電法》。還有很多學(xué)者正在采用圖像處理等方法進(jìn)一步研究。

1.1.3.2 紗線強力儀 紗線的強伸性能是其最重要指標(biāo)之一。紗線強力儀經(jīng)過等速牽引型(CRT)和等加負(fù)荷型(CRL)的發(fā)展，目前進(jìn)入等速伸長型(CRE)的階段。以USTER TENSOJET高速單紗強力儀為代表的新一代儀器，最大檢測速度達(dá)400 m/min，是GB/T 3916—1997《紡織品 卷裝紗 單根紗斷裂強力和斷裂伸長率的測定》規(guī)定的拉伸速率0.5 m/m in的800倍。該儀器不僅能夠模擬紗線在高速織造過程中的實際受力情況，更重要的是擴大了測試樣本量，可發(fā)現(xiàn)一些偶發(fā)性的強力及伸長率弱環(huán)，這是小樣本量抽樣實驗及數(shù)理統(tǒng)計方法所不能得到的數(shù)據(jù)，而這些偶發(fā)性的強力牽伸率弱環(huán)卻往往成為影響后道工序提高生產(chǎn)效率的重要問題，國內(nèi)一些企業(yè)的實際應(yīng)用也證實其效果［16］。高速化是紗線強力儀發(fā)展的重要方向。

1.1.3.3 紗疵分級儀 紗疵是紡紗過程中由原料、機械、工藝、環(huán)境和操作等方面造成紗線上有一定長度粗細(xì)節(jié)或污染，對紗線的外觀和力學(xué)性能都會產(chǎn)生不利影響。環(huán)錠紗根據(jù)紗疵出現(xiàn)的概率分為頻發(fā)性紗疵和偶發(fā)性紗疵2大類。頻發(fā)性紗疵可以采用條干儀檢測，分為粗節(jié)、細(xì)節(jié)和棉結(jié)。偶發(fā)性紗疵則是非經(jīng)常出現(xiàn)但危害比較大的紗疵，需要用紗疵分級儀進(jìn)行檢驗和分級。目前紗疵分級儀主要生廠商有烏斯特公司、普瑞美公司、KEISOKKI公司、LOEPFE公司和陜西長嶺紡織機電科技有限公司等公司。烏斯特公司的USTER CLASSIMAT紗疵分級儀曾經(jīng)提出了23級紗疵分級方法，隨著電子清紗器技術(shù)的發(fā)展，烏斯特公司開發(fā)的USTER CLASSIMAT QUANTUN紗疵儀在原來23級分級的基礎(chǔ)上，將紗疵分為粗節(jié)23級、細(xì)節(jié)4級，將異纖分為27級。這樣的分級改進(jìn)將疵點更加細(xì)分化，能夠檢測出細(xì)小疵點，可以控制織物的外觀效果。

1.2 在線檢測與控制

紡紗過程的在線檢測是指在紡紗生產(chǎn)流程的機臺上安裝特定的檢測傳感器，對在線的半制品進(jìn)行自動檢測，根據(jù)檢測的信息，通過機電一體化技術(shù)對工藝進(jìn)行自動比較、分析、控制與調(diào)整。紡紗過程的在線檢測目前一般涉及自調(diào)勻整、異纖檢測、電子清紗等方面。

1.2.1 自調(diào)勻整技術(shù)

自調(diào)勻整是根據(jù)棉卷或條子的粗細(xì)(厚度)變化，自動地調(diào)整牽伸倍數(shù)，從而使輸出紗條粗細(xì)均勻，自調(diào)勻整技術(shù)在紡紗上是一個經(jīng)典的在線控制問題，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)從純機械式控制發(fā)展到機電一體化控制，從單工序控制發(fā)展到全流程控制［17－18］。自調(diào)勻整為紡紗質(zhì)量的提高作出了很大的貢獻(xiàn)，有關(guān)理論研究和設(shè)備開發(fā)也有不少文獻(xiàn)報道，在自調(diào)勻整裝置、控制方式等方面有較大進(jìn)展［19－22］，但是由于纖維集合體在牽伸區(qū)的運動和變速問題十分復(fù)雜，自調(diào)勻整的效果尚未達(dá)到較理想的狀態(tài)，有關(guān)自調(diào)勻整的理論研究，特別是關(guān)于牽伸區(qū)纖維變速、纖維性能對勻整效果［24－25］的影響等課題還有待繼續(xù)深入研究。

1.2.2 異纖檢測技術(shù)

異纖的混入會形成織物外觀的疵點，反映在印染加工和成品中往往是嚴(yán)重的質(zhì)量問題，因此倍受重視。目前，投入市場的異纖檢測設(shè)備很多，從基本原理看可分為2大類:一類是以CCD為主的光學(xué)檢測，另一類則通過傳感器進(jìn)行檢測。通過開清棉系統(tǒng)的異纖檢測清除裝置和帶有清除異纖的電子清紗器，基本能夠滿足國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的需要，近年來對丙綸絲和白色塑料的檢出率有明顯提高。

1.2.3 電子清紗技術(shù)

絡(luò)筒工序廣泛使用的電子清紗技術(shù)是紗線質(zhì)量得以保證的一個重要措施，電子清紗器實際上是一個在線質(zhì)量檢測和清除紗疵的裝置。市場占有份額比較大的電子清紗器來自烏斯特公司和洛菲公司，在絡(luò)筒機市場占據(jù)前2位。電子清紗器同樣也有電容式和光電式2種，與條干儀一樣，2種不同型式的電子清紗器也存在各自的優(yōu)缺點。

2 紗線質(zhì)量檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢

紗線質(zhì)量檢測的總體發(fā)展趨勢是在線檢測與控制會進(jìn)一步拓展，在紡紗檢測中形成主流，離線檢測項目會逐步減少，但仍然是不可或缺的。在線檢測與控制和離線檢測相結(jié)合，形成完整的體系，保障成紗質(zhì)量符合下游工序的要求。

2.1 離線檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢

通過分析認(rèn)為，紗線質(zhì)量的離線測試技術(shù)朝著儀器化、自動化、高速化和差異化方向發(fā)展。

2.1.1 儀器化

儀器化是指紡紗過程測試項目全部由儀器來客觀評定，且測試儀器由單一功能轉(zhuǎn)向多功能化。目前的離線測試以儀器為主，輔助人工檢測。比如目測黑板條干、人工檢測棉結(jié)和半制品纖維伸直度等項目仍然依靠人工。隨著傳感器技術(shù)、圖像處理技術(shù)和計算機技術(shù)的進(jìn)步［23－24］，這些檢測項目將全部實現(xiàn)儀器客觀檢測。同時，測試儀器具有多功能，能夠?qū)y試對象多個屬性進(jìn)行檢測。比如，原來測試棉纖維長度、線密度、馬克隆值、纖維斷裂比強度和色澤指標(biāo)需要不同的儀器，現(xiàn)在用1臺HVI就可全部測試。烏斯特公司AFIS、條干儀以及電子清紗器等產(chǎn)品也體現(xiàn)了這種趨勢。

2.1.2 自動化

自動化是指檢測儀器更加智能，無需操作人員過多干預(yù)，可以盡可能排除人工操作對檢測結(jié)果的影響。從影響測試結(jié)果的角度看，無非是測試人員、測試設(shè)備、測試物質(zhì)、測試方法和測試環(huán)境這些因素，相對人員因素，其他因素比較容易控制，因此測試儀器的自動化和智能化是可以預(yù)計的。

2.1.3 高速化

高速化是指測試速度大幅提升，單個樣品的測試時間大幅減少，這樣的目的除了提高效率，還可提高測試樣品的數(shù)量。離線測試只能是抽樣檢測，而且紡紗過程中測試的樣本量與總樣本量相比，其比例還是很低。測試高速化將增加測試數(shù)據(jù)，從而提高測試效果。當(dāng)然儀器的自動化程度提高也為高速化奠定了基礎(chǔ)。烏斯特公司的高速強力儀每小時可進(jìn)行3萬次的紗線測試，大幅提高了檢測的有效性和準(zhǔn)確性。

2.1.4 差異化

紗線是中間商品，其最終的用途決定了對紗線質(zhì)量的要求。差異化是指測試方法、測試條件和技術(shù)指標(biāo)需要根據(jù)最終用途的要求來調(diào)整與確定，凡是能夠滿足下游工序要求的紗線就是質(zhì)量好的紗線。目前我國紗線測試標(biāo)準(zhǔn)的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更新滯后，一些標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測試方法和測試條件不符合現(xiàn)階段國情，而且方法標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)混雜。本文認(rèn)為，紗線標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該以方法標(biāo)準(zhǔn)為主，規(guī)定測試方法、測試條件等，便于測試數(shù)據(jù)的可比性，至于測試數(shù)據(jù)本身是否合格應(yīng)該讓貿(mào)易雙方確定。

2.2 在線檢測與控制技術(shù)的發(fā)展趨勢

在線檢測技術(shù)的發(fā)展方向為全程化、信息化和系統(tǒng)化

2.2.1 全程化

環(huán)錠紡紗流程相對較長，目前在線檢測幾乎涉及了整個紡紗流程，但還不完整。隨著技術(shù)進(jìn)步，在線檢測必將覆蓋整個工藝流程。在我國，目前棉花加工即軋棉過程不屬于紡織系統(tǒng)，其在線檢測系統(tǒng)的應(yīng)用還處于起步階段。2011年東華大學(xué)赴新疆調(diào)研軋棉企業(yè)，尚未發(fā)現(xiàn)全自動軋棉設(shè)備的應(yīng)用。而美國幾乎全部采用在線檢控軋棉設(shè)備，多數(shù)采用烏斯特公司的 INTELLIGIN軋棉在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在線測試原棉回潮率、雜質(zhì)含量和色澤等級，從而控制棉花水分和含雜量，達(dá)到優(yōu)化原棉品質(zhì)的作用。鑒于棉花質(zhì)量對成紗質(zhì)量影響的重要性，我國軋棉工序需要納入到紡紗過程的質(zhì)量監(jiān)控體系中。

2.2.2 信息化

在線檢測會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行充分挖掘具有重要意義。纖維作為一種柔性物質(zhì)，其力學(xué)理論體系尚不完善，所以紡紗過程中的理論研究尚不能很好地與實踐吻合，因此充分利用在線檢測的數(shù)據(jù)能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量。測試系統(tǒng)的信息化和網(wǎng)絡(luò)化是充分利用這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。國內(nèi)外學(xué)者對紗線質(zhì)量的預(yù)測［28－29］，虛擬紡紗的實現(xiàn)都有研究，從可預(yù)計的未來看，紗線質(zhì)量預(yù)測與評估都需要在信息化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)。

2.2.3 系統(tǒng)化

環(huán)錠紡有開清、梳理、精梳、并條、粗紗、細(xì)紗和絡(luò)筒等多個環(huán)節(jié)，且成紗質(zhì)量與原料、設(shè)備、器材、工藝、環(huán)境和操作等均有關(guān)系。每個工序的質(zhì)量檢測都很重要，而將整個流程視為一個系統(tǒng)非常必要。將各工序在線檢測的質(zhì)量綜合考慮，以服從最終的成紗質(zhì)量要求。這就產(chǎn)生了各類專家系統(tǒng)，所謂專家系統(tǒng)是通過集成化的在線檢測數(shù)據(jù)的采集和管理，根據(jù)用戶需要提供各類數(shù)據(jù)匯總及報表，并采用智能技術(shù)將復(fù)雜的數(shù)據(jù)過濾為實質(zhì)要素，為企業(yè)技術(shù)管理人員調(diào)整工藝等決策提供選擇。烏斯特公司的系列專家系統(tǒng)、經(jīng)緯紡織機械股份有限公司開發(fā)的e系統(tǒng)均屬于這一類。目前我國有少數(shù)紡織企業(yè)開始嘗試采用這些系統(tǒng)。

2.3 離線檢測與在線檢測的有機結(jié)合

發(fā)揮離線檢測和在線檢測各自的優(yōu)勢，在紡紗過程及成品檢測中能夠取得良好效果。烏斯特公司利用絡(luò)筒工序的在線電子清紗器的測試數(shù)據(jù)可以追蹤到有質(zhì)量異常的細(xì)紗機錠位，再采用離線的條干均勻度儀測試這些異常錠位生產(chǎn)的紗，從而達(dá)到綜合監(jiān)控紗線質(zhì)量的目的，在國內(nèi)的一些企業(yè)也已得到應(yīng)用［27］。

3 結(jié)束語

環(huán)錠紡紗成紗及半制品的檢測技術(shù)在國內(nèi)紡織企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，紗線質(zhì)量明顯提高。隨著離線檢測技術(shù)朝著儀器化、自動化、高速化和差異化的方向發(fā)展，其測試數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性將更加好;以自調(diào)勻整、異纖檢測和電子清紗為標(biāo)志的在線檢測很好地彌補了離線檢測的不足，在線檢測的發(fā)展將以全程化、信息化和系統(tǒng)化為特征，覆蓋包括棉花加工在內(nèi)的紡紗全流程。離線和在線檢測的有機結(jié)合，將使檢控每錠紗、每米紗成為可能，紗線質(zhì)量和穩(wěn)定性有望進(jìn)一步提高。

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