劉可帥， 李 婉， 余 豪， 陳 軍， 夏治剛,2

(1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430073； 2. 武漢紡織大學(xué) 新型紡織 材料綠色加工及其功能化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430073)

紡紗工序是整個(gè)紡織工業(yè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，紡紗環(huán)節(jié)所生產(chǎn)的紗線質(zhì)量直接決定織造效率以及布面效果等[1]。迄今為止，大部分短纖維紗線的紡制都是通過環(huán)錠紡技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，傳統(tǒng)環(huán)錠紡是由錠子和鋼領(lǐng)、鋼絲圈進(jìn)行加捻，由羅拉進(jìn)行牽伸的一種機(jī)械紡紗方法。加捻時(shí)，前羅拉鉗口處的須條圍繞自身軸線回轉(zhuǎn)，須條寬度逐漸收縮，兩側(cè)逐漸卷入紗條中心，形成加捻三角區(qū)[2]。由于加捻三角區(qū)的存在，加捻過程中須條內(nèi)纖維的應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻，纖維發(fā)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移，在一定程度上影響了紗線的物理機(jī)械性能，如單紗強(qiáng)力、纖維強(qiáng)力利用率等，更明顯的是在紡紗三角區(qū)使纖維的兩端不能很好地捻入紗中而形成毛羽，這也是目前環(huán)錠紗毛羽問題不能得到根本解決的關(guān)鍵。紗線上的毛羽會影響染色布的外觀質(zhì)量，會形成橫檔疵點(diǎn)。噴氣織機(jī)生產(chǎn)高密織物時(shí)毛羽使相鄰經(jīng)紗相互糾纏從而造成開口不清，噴氣織機(jī)初始開口高度為3.5 mm，由于毛羽的存在會減小織機(jī)開口的有效高度，造成開口不清、緯紗飛行受阻而造成停臺，經(jīng)紗上3 mm以上的毛羽還會使引緯失敗，甚至產(chǎn)生織造疵點(diǎn)影響產(chǎn)品質(zhì)量[3]。紗線上的毛羽在后道各工序因受摩擦而脫落，形成飛花污染環(huán)境，危害人體健康，也會產(chǎn)生新的疵點(diǎn)使紗線及織物質(zhì)量下降。

紡紗三角區(qū)是產(chǎn)生毛羽的重要部位，為消除紡紗三角區(qū)，減少毛羽，形成了一種新型紡紗方法——緊密紡。當(dāng)扁平的須條從前羅拉輸出時(shí)很快地使其收縮寬度，須條在纖維排列平順、緊密的情況下被加捻[4]，成紗的結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性能以及纖維強(qiáng)力利用率都將得到明顯改善。緊密紡紗技術(shù)實(shí)質(zhì)上是利用上述原理收縮前鉗口處須條寬度集聚纖維。目前國外成熟的緊密紡紗技術(shù)雖然形式各異，但一個(gè)共同點(diǎn)就是在細(xì)紗機(jī)牽伸輸出區(qū)通過氣流收縮須條的寬度，消除紡紗三角區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)對纖維的集聚作用。緊密紡在細(xì)紗機(jī)牽伸輸出區(qū)通過氣流收縮須條的寬度的辦法有效地降低了紗線毛羽，但能耗較大[5]，繼而出現(xiàn)新的紡紗方法——斜位紡。

斜位紡是通過牽伸單元和加捻卷繞單元的錯位，改變了加捻三角區(qū)的形態(tài)和尺寸以及加捻過程中纖維的轉(zhuǎn)移，從而改變成紗結(jié)構(gòu)，是改善成紗質(zhì)量的一種環(huán)錠紡紗方法[6]。國內(nèi)外紡織界對斜位紡進(jìn)行了較多研究，普遍認(rèn)為捻向和斜位方向?qū)Τ杉嗁|(zhì)量影響較大[7-8]，很少有對錯位紡紗影響因素進(jìn)行全面深入研究的。

1 理論模型分析

1.1 斜位紡減小加捻三角區(qū)的理論分析

寬度一定的扁平須條從前羅拉輸出后，在前鉗口位置由于加捻的作用形成加捻三角區(qū)，加捻三角區(qū)中纖維發(fā)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移，在向心力一定的情況下，三角區(qū)面積越大，邊緣纖維所受束縛力越小，導(dǎo)致纖維頭端和末端伸出的越多，縮小加捻三角區(qū)面積可減少纖維端伸出量，即減少細(xì)紗毛羽數(shù)。

圖1示出普通環(huán)錠紡紗和斜位紡紗加捻三角區(qū)的示意圖。由于須條寬度AB一定，決定三角區(qū)面積的因素為加捻點(diǎn)C到AB的垂直距離。

注：1—環(huán)錠紡； 2—斜位紡。圖1 環(huán)錠紡及斜位紡加捻三角區(qū)模型圖Fig.1 Twisting triangle model of ring spinning and diagonal spinniag

當(dāng)紡紗段捻度相同時(shí)，紗路右斜如圖1所示，AC′長度大于BC′，紡S捻，由于采用右斜位紡S捻紗時(shí)，加捻三角區(qū)形狀改變而增強(qiáng)了左邊纖維的預(yù)加捻作用，在斜三角形左邊AC′段的纖維密度增大，所以更多的纖維受到了預(yù)加捻作用。這一預(yù)加捻作用增強(qiáng)了對纖維的控制，使更多的纖維并入紗體，因此減少了毛羽。同時(shí)左邊AC′段纖維張力也增大，也有利于減少紗線毛羽。AC′段所受向心力大于BC′段，使加捻點(diǎn)C′上沖右斜，加捻點(diǎn)C′與AB的垂直距離減小，所以該紡紗方式可降低毛羽數(shù)。

1.2 基于捻陷影響斜位紡加捻三角區(qū)模型

圖2示出基于捻陷影響的斜位紡三角區(qū)變化模型。如圖所示，環(huán)錠紡中捻度是由下至上經(jīng)過導(dǎo)紗鉤傳至前羅拉，而紗線上的捻度分布由鋼絲圈到前羅拉鉗口是逐漸減小的，因?yàn)殇摻z圈回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的捻回先傳向氣圈，然后通過導(dǎo)紗鉤傳向前羅拉鉗口，由于捻回的滯后現(xiàn)象及導(dǎo)紗鉤的捻陷作用較大，使紡紗段捻度逐漸減小，特別是在靠近前羅拉鉗口附近加捻度最小，從而影響加捻三角區(qū)的大小。

注：1—環(huán)錠紡紗加捻三角區(qū)；2—斜位紡加捻三角區(qū)減??； 3—斜位紡加捻三角區(qū)面積不變；4—斜位紡加捻三角區(qū)面積增大。圖2 基于捻陷影響的斜位紡加捻三角區(qū)變化模型Fig.2 Based on influence of twist fault in diagonal spinning twist triangle model

圖2中1、2紡紗段加捻動力一定，由于2加捻三角區(qū)右斜使得加捻三角區(qū)面積縮小。由于捻陷的作用，若圖2中2紡紗段D點(diǎn)橫截面捻度大于3中E點(diǎn)橫截面的捻度，而根據(jù)加捻動力學(xué)方程[9]：

(1)

(2)

式中：KH為紗線某截面處的捻度，捻/m；n為紗線某截面回轉(zhuǎn)速度，轉(zhuǎn)/s；V為紗線前進(jìn)的線速度，m/s；MW為單位長度紗段上作用的外加合扭力矩，N；l為單位長度紗線的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m；S為弧坐標(biāo)。

在紗線前進(jìn)速度相同的情況下，該截面處捻度大，其單位長度的轉(zhuǎn)動慣量增大，使得紡紗三角區(qū)面積縮小，如圖2中2所示。同理，若圖2中4紡紗段F點(diǎn)橫截面捻度小于圖2中3紡紗段E點(diǎn)橫截面的捻度，其單位長度的轉(zhuǎn)動慣量減小，紡紗三角區(qū)面積增大。

紗線和導(dǎo)紗鉤表面的夾角及摩擦因數(shù)(包括縱向和周向滑動摩擦及滾動摩擦)、紗線的張力等因素對捻陷作用都有較大的影響，其中尤以紗線與摩擦體(導(dǎo)紗鉤)表面間的包角對捻陷(捻度損失)的影響最顯著。而影響紗線與導(dǎo)紗鉤表面包角大小的因素為導(dǎo)紗角。由加捻動力學(xué)方程推出相對捻度損失公式[10]為

ak(eKOKφm-1)×100%

(3)

式中：εKH為相對捻度損失；KHA為紡紗段捻度，捻/m；KHO為氣圈段捻度，捻/m；φm為捻包角值。

由于導(dǎo)紗鉤的捻陷作用，紡紗段捻度小于氣圈段捻度，捻包角值越大捻度損失越大，而導(dǎo)紗角越大捻包角值越小，即導(dǎo)紗角越大相對捻度損失越小，應(yīng)符合模型2，導(dǎo)紗角越小捻度損失越大，應(yīng)符合模型4。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證基于捻陷影響的斜位紡加捻三角區(qū)模型，分別紡制右斜精梳棉14.6 tex 和直路精梳棉14.6 tex S捻紗，右斜量為一個(gè)錠距(見圖3)。由于影響捻陷大小的主要因素為導(dǎo)紗角，所以紡紗分別在導(dǎo)紗角較小的FA506和導(dǎo)紗角較大的JWF1510型細(xì)紗機(jī)上進(jìn)行, 牽伸部分分別采用普通牽伸裝置和緊密紡裝置。整個(gè)過程中，關(guān)閉緊密紡負(fù)壓吸風(fēng)，取消集聚須條功能。主要實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)為：錠速15 500 r/min，前羅拉速度195 r/min，捻系數(shù)350，鋼絲圈型號Bracker7/0，粗紗類型為GCM380 tex的高落棉精梳粗紗紗線線密度14.7 tex。為形成對比實(shí)驗(yàn)，故FA506和JWF1510型細(xì)紗機(jī)均為同一實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

圖3 斜位紡紗示意圖Fig.3 Sketch of diagonal spinning. (a) Straight road； (b) Right angle

2.2 測試方法

采用YG172A型毛羽測試儀測試毛羽指數(shù)，測試速度為30 m/min，測試長度為100 m，每管紗測試1次。采用USTER TENSORAPID4快速強(qiáng)力儀測試單紗斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率指標(biāo)，試樣夾距為500 mm，拉伸速度為5 000 mm/min，每管紗拉伸20次，預(yù)加張力為7.4 cN。采用USTER TESTER4-S條干均勻度測試分析儀測試條干CV值和細(xì)節(jié)、粗節(jié)、棉結(jié)指標(biāo)，速度為400 m/min，測試時(shí)間為1 min，每管紗測試1次。各項(xiàng)成紗質(zhì)量指標(biāo)測試10管紗，計(jì)算測試平均值。

3 結(jié)果與討論

比較斜位紡紗在普通環(huán)錠紡機(jī)型和緊密紡機(jī)型上的成紗質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、2所示。

從表1可看出，14.6 tex細(xì)紗條干CV值降低4.00%，強(qiáng)力減少0.76%，在緊密紡JWF1510機(jī)型上用同樣的粗紗右斜紡S捻14.6 tex細(xì)紗，且整個(gè)過程中，關(guān)閉緊密紡負(fù)壓吸風(fēng)，取消集聚須條功能，條干CV值增加0.42%，斷裂強(qiáng)力降低2.82%。從表2可看出，在普通環(huán)錠細(xì)紗機(jī)FA506機(jī)型上3 mm毛羽增加9.83%，在緊密紡機(jī)型上的斜位紡紗線3 mm毛羽減少14.69%，在普通環(huán)錠細(xì)紗機(jī)FA506上右斜紡S捻得出有害毛羽增加符合模型4紡紗三角區(qū)增大，在緊密紡機(jī)器上的斜位紡紗線有害毛羽減少符合模型2紡紗三角區(qū)減小。

在普通環(huán)錠細(xì)紗機(jī)FA506上右斜紡S捻14.6 tex細(xì)紗，有害毛羽增加，符合模型中4，分析其原因主要是導(dǎo)紗角α偏小，從前羅拉鉗口輸出的紗條在前羅拉上存在一包圍角，其與導(dǎo)紗角和羅拉座傾角之間的關(guān)系為：包圍角=導(dǎo)紗角-羅拉座傾角，包圍角的大小影響加捻三角區(qū)的無捻紗段的長度，即影響羅拉鉗口握持的須條中已加捻紗線中的纖維數(shù)量和長度，是對紡紗段動態(tài)強(qiáng)力頗有影響的一項(xiàng)參數(shù)。要減小包圍角，可減小導(dǎo)紗角α或增大羅拉座傾角，而羅拉座傾角在細(xì)紗機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)已確定，而導(dǎo)紗角的減小受到紗條在導(dǎo)紗鉤上包圍弧增大和由此引起的捻陷增大的限制；其次，捻陷較大，紗線上的捻度分布由鋼絲圈到前羅拉鉗口是逐漸減小的，因?yàn)殇摻z圈回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的捻回先傳向氣圈，然后通過導(dǎo)紗鉤傳向前羅拉鉗口，由于捻回傳遞的滯后現(xiàn)象及導(dǎo)紗鉤的捻陷作用較大，使紡紗段捻度逐漸減小，特別是在靠近前羅拉鉗口附近捻度最小，從而導(dǎo)致對三角區(qū)邊緣纖維控制不夠，使其毛羽增加。斜位紡紗使紗線與導(dǎo)紗鉤的接觸位置發(fā)生變化, 而環(huán)錠紡現(xiàn)有導(dǎo)紗鉤是按照非斜位正常紡紗設(shè)計(jì)的,會造成不匹配的問題, 造成摩擦加劇, 氣圈變形,鋼絲圈運(yùn)行穩(wěn)定性下降，致其毛羽增加。

表1 不同紡紗角的紗線性能指標(biāo)Tab.1 Different yarn performance index of spinning angle

表2 14.6 tex紗不同導(dǎo)紗角的毛羽指標(biāo)Tab.2 14.6 tex yarn hairiness refers to different thread angle

在JWF1510緊密紡細(xì)紗機(jī)上右斜紡制S捻14.6 tex細(xì)紗，有害毛羽減少，由于整個(gè)過程中，關(guān)閉緊密紡負(fù)壓吸風(fēng)，取消集聚須條功能，故與傳統(tǒng)環(huán)錠紡類似均無須條集聚，符合圖2中模型2，分析其毛羽減少原因，主要為導(dǎo)紗角β適中(見圖4)，圖4(b)β>α，紗條在導(dǎo)紗鉤上包圍弧適中的，捻陷降低，紡紗段捻度增大，對三角區(qū)邊緣纖維控制良好，使其毛羽減少。皮輥前沖，由于靠近前羅拉附近捻度最小，為弱捻區(qū)，皮輥前沖，引出上皮輥前沖至異形負(fù)壓吸管前端，包圍弧減小，弱捻區(qū)域變小，所以毛羽降低率分別為19.1%、18.1%和17.5%；斜位紡紗改變了加捻三角區(qū)的形態(tài),加捻三角區(qū)面積減小, 在卷捻過程中纖維的內(nèi)外轉(zhuǎn)移程度降低, 有利于毛羽減少。

圖4 傳統(tǒng)環(huán)錠紡和緊密紡示意圖Fig.4 Sketch of traditional ring spinning and compact spinning. (a)Traditional ring spinning; (b)Compact spinning

4 結(jié) 論

由斜位紡在緊密紡和普通環(huán)錠紡機(jī)型上實(shí)施對比發(fā)現(xiàn)，緊密紡為節(jié)能可關(guān)閉負(fù)壓吸風(fēng)而采用節(jié)能環(huán)保的斜位紡紗方式，可降低有害毛羽20%以上。斜位紡紗由于改變了加捻三角區(qū)的形狀而對成紗結(jié)構(gòu)有一定的影響，對緊密紡的成紗毛羽有一定的改善，對其條干CV值和強(qiáng)力影響不大。斜位紡在普通環(huán)錠紡機(jī)上毛羽反而增加，其主要原因與導(dǎo)紗角、捻陷、導(dǎo)紗鉤不匹配等有關(guān)，選擇合理的導(dǎo)紗角進(jìn)行斜位紡紗更有利于減少紗線毛羽，導(dǎo)紗角較大時(shí)捻陷較小，捻度能有效傳遞，可縮小紡紗三角區(qū)，有利于控制三角區(qū)邊緣纖維，從而改善成紗質(zhì)量。

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