余 豪， 張建建， 劉可帥， 陳 軍， 夏治剛，3

(1. 武漢紡織大學 紡織科學與工程學院， 湖北 武漢 430073； 2. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215006； 3. 襄陽際華三五四二紡織有限公司 博士后工作站， 湖北 襄陽 441002)

導紗鉤運動引起的紡紗三角區(qū)變化對成紗性能的影響

余 豪1， 張建建1， 劉可帥2， 陳 軍1， 夏治剛1，3

(1. 武漢紡織大學 紡織科學與工程學院， 湖北 武漢 430073； 2. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215006； 3. 襄陽際華三五四二紡織有限公司 博士后工作站， 湖北 襄陽 441002)

為探索導紗鉤運動特征與環(huán)錠紡紗品質(zhì)之間的關系，建立了整管紗線環(huán)錠紡制過程中的導紗鉤運動模型，基于此運動模型，分析環(huán)錠紡紗成紗區(qū)內(nèi)須條與前羅拉包圍弧長度變化的特征，探索紡紗三角區(qū)幾何面積變化規(guī)律，推測紡紗三角區(qū)變化對成紗性能的影響。理論分析結果表明：導紗鉤周期性的升降運動使得紡紗三角區(qū)面積產(chǎn)生對應的減增變化，直接影響成紗毛羽。結果顯示：同一卷裝位置對應的紡紗三角區(qū)面積減小時，纖維受到的控制力更大，成紗毛羽相應降低；整管紗線的毛羽性能受三角區(qū)面積變化與氣圈大小等多種因素共同影響。

數(shù)學模擬； 包圍??； 紡紗加捻三角區(qū)； 毛羽； 條干不勻

細紗工序是整個紡紗過程中的重要環(huán)節(jié)，成紗環(huán)節(jié)所生產(chǎn)紗線的質(zhì)量直接影響后續(xù)織造的效率和成品質(zhì)量[1-2]。我國現(xiàn)階段的紡織行業(yè)中，普通環(huán)錠紡仍占有重要地位[3]，大部分天然纖維和合成短纖的紡紗均由普通環(huán)錠紡紗技術完成。普通環(huán)錠紡是一種由羅拉和皮輥對須條握持牽伸，鋼領、鋼絲圈和錠子進而對其加捻的機械式紡紗方法[4-5]。加捻過程中，捻度從鋼絲圈自下而上向前鉗口傳遞，使得前鉗口處的須條圍繞自身軸線回轉(zhuǎn)，須條寬度逐漸收窄，在紡紗段形成紡紗加捻三角區(qū)[6-7]。在加捻三角區(qū)內(nèi)，加捻須條內(nèi)各纖維的應力應變分布不均勻,纖維發(fā)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移, 纖維頭端轉(zhuǎn)移至紗體外，并且不再移入紗體內(nèi)部時，就形成毛羽[8-10]。毛羽過多，紗線受力拉伸時纖維的利用率降低，強力下降，因此減小或消除加捻三角區(qū)是提高成紗質(zhì)量的一個重要方向，研究紡紗加捻三角區(qū)形狀動態(tài)變化對控制紡紗品質(zhì)具有深遠意義。

在細紗的成紗和卷繞過程中，導紗鉤不僅具有控制氣圈大小，穩(wěn)定紗線卷繞張力[11]的作用，而且導紗鉤的位置變化直接影響紡紗三角區(qū)形態(tài)。相關研究表明，增加紗線與導紗鉤的接觸時間，使捻度傳遞滯后，能夠起到搓捻毛羽的作用[12]；穩(wěn)定紡紗三角區(qū)能夠減少斷頭，提高成紗質(zhì)量[13]。為更好發(fā)揮導紗鉤的作用，對導紗鉤進行特定形態(tài)和材料的改進，研制出陶瓷導紗鉤、鍍層導紗鉤和集聚導紗鉤等新型導紗鉤[14-15]。雖然導紗鉤特定形態(tài)和材料的改進研究能一定程度提高環(huán)錠紡紗品質(zhì)，但不能揭示所有導紗鉤運動對成紗品質(zhì)影響的普遍規(guī)律。導紗鉤運動影響環(huán)錠紡紗品質(zhì)的普遍規(guī)律對掌握紡紗加捻三角區(qū)形態(tài)變化、控制成紗品質(zhì)差異等具有指導意義，但缺乏深入研究。本文基于導紗鉤位置變化，深入研究加捻三角區(qū)及其對成紗性能的影響。不同于以往導紗鉤直接與紗條接觸、摩擦影響紡紗捻度、張力、搓捻的研究，通過從導紗鉤運動影響紡紗加捻三角區(qū)形態(tài)變化的角度，研究導紗鉤位置對紡紗性能的影響，其結果將對控制紗線性能差異、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、實現(xiàn)產(chǎn)品升級具有重要的普遍性指導意義。

1 理論模型分析

1.1 導紗鉤的運動模型

在細紗加工過程中，管紗卷繞依靠鋼領板的上下往復運動和逐級上升運動同時作用而實現(xiàn)。為保證紗線在卷繞過程中的氣圈大小一致和運動穩(wěn)定，導紗鉤的運動方式與鋼領板保持一致，同時進行往復運動和逐級上升運動。運動方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：L0表示導紗鉤每次上升的距離；V1表示導紗鉤每次上升的速度；T1為導紗鉤每次上升的時間；△L為導紗鉤每次逐級上升的距離；V2為導紗鉤每次下降的速度；T2表示導紗鉤每次下降的時間；L1為導紗鉤在某一時刻相對于其起始點的距離；T為紡紗時間；[]表示取整。

分析式(1)、(2)可知，隨著紡紗時間的變化，導紗鉤在豎直方向的位置總體是不斷上升的，同時導紗鉤在一個完整的級升運動單元中先上升后下降，上升距離略大于下降距離，這樣完成一次完整的極升運動。式(3)表示導紗鉤在某個級升運動單元中處于上升階段的位置；式(4)則表示導紗鉤在同一級升運動單元中處于下降階段的位置。其完整的運動單元如圖1所示。

1.2 包圍弧變化的模型分析

圖2示出導紗鉤在不同位置時對應的包圍弧。由圖可看出，在導紗鉤1個完整的級升運動中，導紗鉤首先做上升運動，此時紗線與水平方向的夾角(導紗角)θ開始減小，須條在前羅拉上的包圍弧AC也逐漸減小，直至導紗角達到最小值時，須條與羅拉的包圍弧長度也減小到最短，即為弧AB；然后導紗鉤做下降運動，導紗角不斷增大，紗線與羅拉包圍弧開始由最小逐漸變大，直至導紗鉤降到最低點，此時導紗角達到最大值，包圍弧長度也最長，但均小于初始級升運動的導紗角度和包圍弧長。

通過分析得到導紗鉤的位置與包圍弧存在數(shù)學相關性，建立模型見圖3所示。

在實際生產(chǎn)中，皮輥的前沖量是一定的，則α+β為常數(shù)，根據(jù)上圖分析可得

(5)

(6)

再根據(jù)三角形定理推導可得式(7):

(7)

(8)

式中：θ表示成紗段紗線與水平方向的夾角；α表示須條包圍弧AB所對應的圓心角；β表示羅拉中心和包圍弧AB頂端B點的連線與水平方向的夾角；L表示圓弧AB的長度；R表示羅拉半徑；L1表示導紗鉤上升的距離；L2表示前羅拉中心到導紗鉤起始位置的豎直距離；L3表示前羅拉中心到導紗鉤與紗線接觸點的距離。由式(3)、(4)有

(9)

再由式 (5)(6)推導可得：

(10)

(11)

式(11)中：x表示導紗鉤上升不同距離的變量；f(x)表示關于變量x的函數(shù)。由式(11)可求出:

(12)

1.3 包圍弧對三角區(qū)和紗線質(zhì)量的影響

加捻三角區(qū)是指從前鉗口輸出須條的寬度與紗線加捻點形成的三角形區(qū)域，其幾何面積由須條寬度和三角區(qū)高度共同決定。在前鉗口處，三角區(qū)的底邊寬是由主牽伸區(qū)的須條寬度決定，其在成紗階段保持不變，而紗線與前羅拉包圍弧的長度，即三角區(qū)的實際高度隨著包圍弧的變化而改變，所以在成紗階段影響紡紗加捻三角區(qū)大小的主要原因是須條與前羅拉包圍弧的長度。圖4示出導紗鉤不同位置對應紡紗加捻三角區(qū)大小的影響。

圖4中A和B分別表示導紗鉤不同位置對應的紡紗加捻三角區(qū)纖維須條捻合點。隨著導紗鉤位置上移，紡紗加捻三角區(qū)的捻合點上移(即圖4中B點)，捻合點B與前羅拉鉗口線的距離縮短，須條與羅拉的包圍弧長度減小，因此導紗鉤的位置越高，須

條與前羅拉包圍弧的長度越短，進而紡紗加捻三角區(qū)也越小。

傳統(tǒng)的紡紗理論認為，纖維在須條被加捻的過程中發(fā)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移，加捻三角區(qū)兩端被握持的大多數(shù)纖維以及中間的部分纖維經(jīng)過內(nèi)外轉(zhuǎn)移后彼此發(fā)生抱合，纖維頭端被加捻卷入紗體[16]。而沒有發(fā)生完全內(nèi)外轉(zhuǎn)移的纖維所受到的控制力較小，頭端易伸出紗體形成毛羽。而減小加捻三角區(qū)以后，兩端纖維所受的控制力進一步加強，內(nèi)外轉(zhuǎn)移更加順暢，而中間部分的纖維就會受到兩端纖維更強的扭轉(zhuǎn)力的作用，從而發(fā)生內(nèi)外轉(zhuǎn)移，纖維頭端更多的就會被捻入紗體，毛羽就會減少。同時由于纖維受到的控制力加強，纖維之間的作用合力增加，產(chǎn)生纖維之間滑移的機會減小，紗線的條干會得到一定改善[17]。而紗線強力主要受原棉質(zhì)量、紗線結構和捻度的影響[18-20]，所以包圍弧的變化對強力影響不大。

2 實驗部分

2.1 驗證性實驗設計

紡紗加捻三角區(qū)的大小直接影響毛羽和條干的效果，據(jù)此采用馬佐里DTM129-SM細紗機分別紡制線密度為7.3、9.7 tex的普梳棉滿管紗線(記為C7.3 tex、C9.7 tex)和14.6 tex的精梳棉滿管紗線(記為JC14.6 tex)，紡紗工藝參數(shù)如表1所示。整個紡紗過程均按照工廠的實際環(huán)境和工藝參數(shù)嚴格執(zhí)行。

表1 實際紡紗工藝參數(shù)Tab.1 Technological parameters of practical spinning

2.2 測試方法

首先將滿管紗搖紗200 mm,然后進行各項指標測試，按照毛羽→強力→條干的順序進行多組反復測試：采用YG173A型毛羽測試儀測試紗線的3 mm毛羽指標，測試速度為30 m/min,每段測試長度為10 m，每組測試共有5段；用YG173A型條干均勻度測試分析儀測試紗線的條干CV值，測試速度為400 m/min，測試時間1 min，每組測試1次；采用YG173A全自動單紗強力測試儀測試紗線的強力，試樣夾持長度為500 mm，拉伸速度為500 mm/s，每組測試10次。各項紗線質(zhì)量指標測試5管滿紗。

3 實驗結果與分析

對3種線密度的棉紗毛羽、條干、強力等指標進行測試，結果如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知：C7.3 tex棉紗的3 mm毛羽根數(shù)在測試過程中先減小后增加；條干CV值也呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律；強力方面則沒有明顯變化規(guī)律。

表2 紗線質(zhì)量的測試結果Tab.2 Result of CV yarn qualities

為便于比較C7.3 tex、C9.7 tex、JC14.6 tex 3種紗線的毛羽、條干和強力的變化情況，采用數(shù)學曲線擬合方法得到各項指標比較曲線圖，如圖5、6、7所示。

由圖5可知，紗線測試順序與紡紗順序相反，曲線從右至左表示3種紗線從小紗測試到滿紗，而對應的3 mm毛羽具有相似的變化規(guī)律：紗線從小紗到滿紗時，3 mm毛羽的根數(shù)是先降低，后來略有上升，但滿紗時的毛羽根數(shù)仍然少于小紗時的毛羽根數(shù)。原因是小紗時，導紗鉤在最低點進行上升下降的級升運動，此時須條與前羅拉的包圍弧最長，紡紗加捻三角區(qū)的幾何面積最大，纖維所受控制力最小，影響了纖維自身的內(nèi)外轉(zhuǎn)移，毛羽就會較多。隨著導紗鉤位置不斷升高，須條與前羅拉的包圍弧也越來越小，紡紗加捻三角區(qū)的幾何面積隨之逐漸減小，相應的毛羽減小，而到了大紗時，由于紡紗段氣圈變得很小，紗線受到的摩擦力越來越大，一部分纖維由于刮擦而形成毛羽，所以影響毛羽降低的趨勢，但整體3 mm毛羽根數(shù)要小于導紗鉤在最低點的時候。同時條干的變化也受紡紗加捻三角幾何面積大小的影響，如圖6所示。

3種紗線的條干變化規(guī)律不像毛羽明顯，這可能與粗紗的質(zhì)量有關系，粗紗的不勻直接影響細紗的條干均勻度。但從3種紗線條干的整體變化情況來看，出現(xiàn)比較一致的現(xiàn)象，小紗時條干CV值最大，中大紗的條干最優(yōu)，滿紗時出現(xiàn)一定的升高，但總體來說中大紗的條干要優(yōu)于小紗時的干，原因也是由于導紗鉤的位置越高，須條與前羅拉的包圍弧越小，紡紗加捻三角區(qū)也越小，纖維受到的控制力越強越均勻，意外牽伸也減少，條干就會相應變好，同時也因為大紗時的氣圈太小，張力大，對條干起反作用，所以大紗條干差于中紗。

由圖7可看出，紗線強力與導紗鉤運動引起的紡紗加捻三角區(qū)形態(tài)變化沒有相關性，3種紗線強力的變化曲線相互之間也沒有明顯的相關性，說明三角區(qū)的大小對強力幾乎沒有影響。原因是紗線強力主要受原料、纖維結構和捻系數(shù)影響，原料越好，纖維排列越緊密，捻系數(shù)越大，則強力越高。

4 結 論

通過數(shù)學模擬的方法得到須條與前羅拉的包圍弧和導紗鉤位置的關系并得出具體表達式。通過對表達式的分析可知，導紗鉤的位置越高，包圍弧越小。而包圍弧的長度與加捻三角區(qū)的長度對應，所以導紗鉤的位置越高，三角區(qū)的幾何面積也越小。加捻三角區(qū)的大小直接影響紗線的質(zhì)量。

1)導紗鉤的位置越高，紡紗加捻三角區(qū)越小，三角區(qū)內(nèi)的纖維所受控制力越大，形成的摩擦力界也越大，使得三角區(qū)中間的纖維也能夠順利地進行內(nèi)外轉(zhuǎn)移，纖維頭端被捻入紗體，毛羽呈現(xiàn)減少的趨勢。大紗時，導紗鉤位置最高，三角區(qū)最小，理論上毛羽效果最好，但同時由于此時的氣圈最小，紗線受到鋼絲圈等的摩擦增大，被磨損纖維頭端露出紗體，毛羽數(shù)量呈現(xiàn)一定的上升趨勢，但總體少于導紗鉤在最低位置時的毛羽根數(shù)。

2) 加捻三角區(qū)越小，加捻扭轉(zhuǎn)作用力越大，纖維受控增強，紡紗張力對紗線的結構影響越小，不易產(chǎn)生紗線的意外牽伸，對條干有利。所以隨著導紗鉤的位置不斷上升，條干呈現(xiàn)改善的趨勢。而氣圈不斷減小、張力增加也使得改善效果減弱。

3)導紗鉤的位置對強力沒有明顯影響，這是因為強力主要取決于原料、紗線緊度和捻系數(shù)等。

導紗鉤的位置直接引起紡紗加捻三角區(qū)形狀變化，從而影響環(huán)錠紡紗品質(zhì)，尤其是紗線毛羽、條干指標。保持環(huán)錠紡紗段紗條始終受最高位置處導紗鉤引導，有利于降低毛羽、改善條干。這為我們探索縮小加捻三角區(qū)形狀差異、穩(wěn)定紡紗品質(zhì)奠定基礎。

FZXB

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Influence of spinning triangle zone change with yarn guidermovement on yarn properties

YU Hao1, ZHANG Jianjian1, LIU Keshuai2, CHEN Jun1, XIA Zhigang1,3

(1.CollegeofTextileScienceandEngineering,WuhanTextileUniversity,Wuhan,Hubei430073,China; 2.CollegeofTextileandClothingEngineering,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215006,China; 3.PostdoctoralWorkstationXiangyangJihua3542TextileCo.,Ltd.,Xiangyang,Hubei441002,China)

To explore the relationship between the feature of spinning guider′s movement and the qualities of ring spun yarn, a yarn guider movement model was developed during the whole ring bobbin yarn package formation process, and arc length changes were analyzed for the staple strand wrapping on the front roller within yarn formation zone on the basis of the yarn guider movement model. Then, the spinning triangle geometric square variations were investigated with the aforementioned arc length change, and the influence of above variations on spun yarn properties were also predicted theoretically. Theoretical analysis indicated that spinning guide going up and down periodically led to the corresponding changes of decreasing and increasing geometric square of spinning triangle zone, influencing yarn hairiness directly. Experiments were also carried out to confirm above theory. Experimental results showed that yarn hairiness decreased because fibers were controlled more intensively as the responding geometric square of spinning triangle zone reduced in the same position of packaging; and the properties of whole bobbin yarn′s hairiness was influenced by spinning triangle zone changes, the size of yarn loop and so on.

mathematic simulation; wrapping arc ; spinning triangle zone; hairiness; irregularity

2015-09-24

2016-06-13

國家自然科學基金青年科學基金項目(51403161)；國家自然科學基金杰出青年基金項目(51325306)；湖北省自然科學基金青年基金項目(2014CFB755)

余豪(1990—),男，碩士生。主要研究方向為新型紡紗加工與應用技術。夏治剛，通信作者，E-mail: zhigang_xia1983@hotmail.com。

10.13475/j.fzxb.20150905707

TS 101.2

A