文/薛元 魏曉婷 劉曰興 張國(guó)清

1 引言

竹節(jié)紗是指粗細(xì)、混紡（色）比、捻度等紗線結(jié)構(gòu)參數(shù)沿其長(zhǎng)度方向變化和隨機(jī)分布的紗線，也稱為粗細(xì)紗?；谶@種結(jié)構(gòu)及形貌隨機(jī)變化而生產(chǎn)的竹節(jié)紗織物，會(huì)帶來(lái)一些出其不意的美感和豐富的布面紋理，將竹節(jié)紗應(yīng)用于牛仔布、高檔襯衣、時(shí)裝及裝飾用紡織品的生產(chǎn)，提升了紡織品的附加值和技術(shù)內(nèi)涵，受到廣大消費(fèi)者的青睞。

2 竹節(jié)紗及其特征參數(shù)

2.1 竹節(jié)紗發(fā)展歷程

傳統(tǒng)的竹節(jié)紗是在紗線長(zhǎng)度方向上隨機(jī)或規(guī)律性排列著粗節(jié)或細(xì)節(jié)的紗線，最早生產(chǎn)竹節(jié)紗的方法是采用不完全齒輪的機(jī)械式變牽伸機(jī)構(gòu)紡制竹節(jié)紗，一般是用缺齒齒輪傳動(dòng)中后羅拉，或直接改造牽伸機(jī)構(gòu)的皮輥實(shí)現(xiàn)竹節(jié)紗的紡制，此方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于安裝，但此裝置紡制品種單一，變換工藝復(fù)雜，且裝置壽命短不易維護(hù)。后來(lái)采用離合器的電子式牽伸機(jī)構(gòu)紡制竹節(jié)紗，大多用單片機(jī)或PLC控制變速電機(jī)或電磁離合器控制中后羅拉變速實(shí)現(xiàn)竹節(jié)紗的紡制，裝置運(yùn)行比較穩(wěn)定，控制方便、費(fèi)用較低，但壽命短、維護(hù)費(fèi)用大，調(diào)整和改變工藝參數(shù)較復(fù)雜，循環(huán)周期有限，且竹節(jié)紗參數(shù)控制精度差，品種變化少，很難滿足高質(zhì)量的需求。隨著科技的不斷進(jìn)步，采用數(shù)字控制的電腦式執(zhí)行機(jī)構(gòu)紡制竹節(jié)紗。利用微電腦在線智能控制中后羅拉變速，實(shí)現(xiàn)有規(guī)律或隨機(jī)變化的竹節(jié)紗的紡制。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，可生產(chǎn)出各種規(guī)格的竹節(jié)紗，開發(fā)出風(fēng)格各異的竹節(jié)紗織物，控制精度與生產(chǎn)效率大大提高。但此方法生產(chǎn)的竹節(jié)紗顏色和組分變換具有局限性，最多只能實(shí)現(xiàn)兩色變化。

本課題組原創(chuàng)發(fā)明并研制了三通道數(shù)碼環(huán)錠細(xì)紗機(jī)，可通過(guò)伺服控制三通道數(shù)碼牽伸系統(tǒng)，可調(diào)控紗線橫向粗細(xì)、縱向長(zhǎng)度、多組分混紡比和紗線混色比等結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用該設(shè)備生產(chǎn)的竹節(jié)紗，不僅能控制竹節(jié)粗細(xì)和長(zhǎng)度的變化，而且能控制原料組分（或色纖維混色比）呈現(xiàn)分段及周期性變化，生產(chǎn)原有竹節(jié)紡紗技術(shù)不能生產(chǎn)的竹節(jié)紗，實(shí)現(xiàn)竹節(jié)紗的數(shù)碼生產(chǎn)。

2.2 竹節(jié)紗特征參數(shù)

竹節(jié)紗具有粗細(xì)變化和色彩變化等特征，為了定量描述表達(dá)竹節(jié)紗結(jié)構(gòu)、外觀形貌及色彩分布規(guī)律，定義如下特征參數(shù)：竹節(jié)紗的基準(zhǔn)線密度，有時(shí)以平均線密度或最小線密度表示；竹節(jié)線密度或粗節(jié)線密度；細(xì)節(jié)線密度，有時(shí)也稱基紗線密度；平均線密度：在公定回潮率下，一個(gè)或若干個(gè)竹節(jié)周期長(zhǎng)度內(nèi)，紗線所具有的重量除以此時(shí)紗線的長(zhǎng)度；基紗長(zhǎng)度（L1）、竹節(jié)長(zhǎng)度（L= L2+L3+L4）、竹節(jié)頭段長(zhǎng)度（L2）、竹節(jié)主干長(zhǎng)度（L3）、竹節(jié)尾端長(zhǎng)度（L4）和竹節(jié)紗周期長(zhǎng)度（T）、粗節(jié)混色比、細(xì)節(jié)混色比、竹節(jié)倍率（粗節(jié)線密度與細(xì)節(jié)線密度的比值）等。

圖1 竹節(jié)紗結(jié)構(gòu)示意圖

3 不同喂入方式紡制竹節(jié)紗的原理

三通道數(shù)碼環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的牽伸機(jī)構(gòu)如圖2所示，3個(gè)平行的后羅拉分別由不同的伺服電機(jī)控制，因此可以實(shí)現(xiàn)同軸不同步控制，令3個(gè)后羅拉的表面線速度分別是Vh1、Vh2、Vh3，3根不同的紗線分別經(jīng)3個(gè)后羅拉同步喂入、異步牽伸之后，經(jīng)中羅拉、前羅拉牽伸之后，在前羅拉處形成加捻三角區(qū)，最終形成紗線。

圖2 數(shù)碼紡紗機(jī)三羅拉牽伸機(jī)構(gòu)示意圖

設(shè)三通道各根粗紗的線密度分別是ρ1、ρ2、ρ3，后羅拉的表面線速度分別為 Vh1、 Vh2、Vh3，前羅拉的表面線速度為Vq，則成紗線密度

竹節(jié)紗的基準(zhǔn)線密度可用平均線密度或最小線密度表示，為了方便選擇前者，以ρyo表示，同時(shí)設(shè)紗線粗節(jié)線密度為ρyc，細(xì)節(jié)線密度為ρyxo，則竹節(jié)紗線密度的變化可以理解為在基準(zhǔn)線密度ρyo的基礎(chǔ)上疊加波動(dòng)線密度 Δρy形成竹節(jié)。設(shè)與基準(zhǔn)線密度對(duì)應(yīng)的3個(gè)后羅拉的表面線速度為 Vh1、 Vh2、Vh3，3個(gè)后羅拉的表面線速度的增量為ΔVh1、ΔVh2、ΔVh3，竹節(jié)段對(duì)應(yīng)的3個(gè)后羅拉的表面線速度為 Vh1+ ΔVh1、Vh2+ ΔVh2、Vh3+ ΔVh3，令后羅拉的表面線速度之和Vohi、ΔVohi，且則竹節(jié)紗的基準(zhǔn)紗的線密度：

竹節(jié)紗的波動(dòng)線密度為：

因此，最終紡制的竹節(jié)紗的線密度可以表示為：

當(dāng)或，紗線上分別會(huì)出現(xiàn)基準(zhǔn)線密度、粗節(jié)線密度和細(xì)節(jié)線密度。

竹節(jié)紗基紗部分的混紡比：

竹節(jié)紗基紗部分的混紡比：

3.1 單通道變速喂入粗紗紡制竹節(jié)紗

在三通道數(shù)碼紡紗機(jī)中，設(shè)Vh1=Vh3=0；ΔVh1=ΔVh3=0。在后羅拉2處喂入一根粗紗，改變后羅拉2的喂入速度即可達(dá)到產(chǎn)生竹節(jié)紗的目的。此時(shí)式（1）可表達(dá)為：

式（7）中，某時(shí)刻當(dāng)ΔVh2=0，則紗線的線密度為基準(zhǔn)線密度；當(dāng)ΔVh2＞0，則在紗線上出現(xiàn)粗節(jié)，其線密度大于基準(zhǔn)線密度；當(dāng)ΔVh2＜0，且｜ΔVh2｜＜Vh2，則紗線上出現(xiàn)細(xì)節(jié)。由此，則單粗紗紡制竹節(jié)紗可以有以下幾種形式：①粗紗喂入量波動(dòng)式增加，可紡制以粗節(jié)為斑的竹節(jié)紗；②粗紗喂入量波動(dòng)式遞減，可紡制以細(xì)節(jié)為斑的竹節(jié)紗；③粗紗喂入量忽增忽減式波動(dòng)，可紡制以粗、細(xì)節(jié)為斑的竹節(jié)紗。

圖3 單通道喂入紡制純色粗竹節(jié)紗的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 雙通道變速喂入粗紗紡制竹節(jié)紗

三通道數(shù)碼紡紗機(jī)中設(shè)在后羅拉1、后羅拉3處各喂入一根粗紗，通過(guò)改變后羅拉1、3的喂入時(shí)間與速度紡制竹節(jié)紗，此時(shí)式（1）為：

設(shè)置紡制基紗的時(shí)間段為t1，紡制竹節(jié)的時(shí)間段為t2，在t1時(shí)間段內(nèi)，若Voh1=0，Voh2≠0 ，即后羅拉1保持靜止?fàn)顟B(tài)，后羅拉2以恒定的速度運(yùn)動(dòng)，在t2時(shí)間段內(nèi)，Voh1=Voh2≠0，ΔVoh1≠0，ΔVoh2=0 后羅拉1由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，后中羅拉保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，則可形成兩種顏色復(fù)合的竹節(jié)部分，如圖4所示。

圖4 雙通道喂入粗紗紡制彩節(jié)竹節(jié)紗的結(jié)構(gòu)示意圖

以此類推，假定雙通道分別喂入粗紗1、3的纖維種類分別為a和b，通過(guò)以下幾種形式實(shí)現(xiàn)雙組分竹節(jié)紗的紡制：

①勻速喂入粗紗a、斷續(xù)喂入粗紗b，可紡制以a為基紗、以b為粗節(jié)的竹節(jié)紗；勻速喂入粗紗b、斷續(xù)喂入粗紗a，可紡制以b為基紗、以a為粗節(jié)的竹節(jié)紗。以此類推，在連續(xù)紡紗時(shí)，某時(shí)段勻速喂入粗紗a、斷續(xù)喂入粗紗b，在下一時(shí)段切換成勻速喂入粗紗b、斷續(xù)喂入粗紗a，由此可紡制一段以a為基紗、以b為粗節(jié)，另一段以b為基紗、a為粗節(jié)的竹節(jié)紗。

②以指定且不變的比例喂入粗紗a、b，根據(jù)基紗線密度確定喂入粗紗a、b速度之和，當(dāng)喂入的a、b粗紗速度之和等于該常量、大于該常量、小于該常量時(shí)，可分別紡制竹節(jié)紗的基紗、粗節(jié)及細(xì)節(jié)。以此類推，在連續(xù)紡紗時(shí)，某時(shí)段喂入的粗紗a、b速度之和大于該常量，下一時(shí)段喂入的粗紗a、b速度之和等于該常量，再下一時(shí)段喂入的粗紗a、b速度之和小于該常量，由此可紡制雙組分比例不變條件下的包含了粗節(jié)、細(xì)節(jié)隨機(jī)分布的竹節(jié)紗。

③以任意變化的比例喂入粗紗a、b，同樣也根據(jù)基紗線密度確定喂入粗紗a、b速度之和。同樣可類推得出，在連續(xù)紡紗時(shí)，當(dāng)某時(shí)段喂入的粗紗a、b速度之和大于該常量，下一時(shí)段喂入的粗紗a、b速度之和等于該常量，再下一時(shí)段喂入的粗紗a、b速度之和小于該常量，由此可紡制雙組分比例變化且粗節(jié)、細(xì)節(jié)隨機(jī)分布的竹節(jié)紗。

3.3 三通道變速喂入粗紗紡制竹節(jié)紗

在后羅拉1、后羅拉2、后羅拉3處各喂入一根粗紗，改變后羅拉1、2、3的喂入時(shí)間與速度，達(dá)到產(chǎn)生竹節(jié)紗的目的，則細(xì)紗線密度的公式表達(dá)為：

設(shè)置紡制基紗的時(shí)間段為t1，紡制竹節(jié)的時(shí)間段為t2；在t1時(shí)間段，若后羅拉1、3保持靜止?fàn)顟B(tài)，后羅2以恒定的速度運(yùn)動(dòng)，即Vh1= Vh3=0，Vh2≠0 ，則基紗部分有一種顏色，在t2時(shí)間段， ΔVh1≠0 且 ΔVh2= ΔVh3=0 ，后羅拉1由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，后羅拉2仍以恒定的速度運(yùn)動(dòng)，后羅拉3仍處以靜止?fàn)顟B(tài)，在下一個(gè)t2時(shí)間段，后羅拉1處以靜止?fàn)顟B(tài)，后羅拉2仍以恒定的速度運(yùn)動(dòng)，后羅拉3由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則可形成3種顏色交替變換的復(fù)合竹節(jié)部分，如圖5所示。

圖5 三通道喂入粗紗紡制三色竹節(jié)紗的結(jié)構(gòu)示意圖

假定三通道分別喂入粗紗1、2、3的纖維種類分別為a、b和c，通過(guò)以下幾種形式實(shí)現(xiàn)三組分竹節(jié)紗的紡制：①勻速喂入粗紗b，同步且斷續(xù)喂入粗紗a、c，可紡制以b組分為基紗，以（a+c）組分為粗節(jié)的竹節(jié)紗；勻速喂入粗紗b，斷續(xù)且交替喂入粗紗a、c，可紡制以b組分為基紗，交替以a組分或c組分為粗節(jié)的竹節(jié)紗。②勻速喂入粗紗a、c，斷續(xù)喂入粗紗b，可紡制以(a+c)組分為基紗，以b組分為粗節(jié)的竹節(jié)紗。③以指定且不變的比例喂入粗紗a、b、c，根據(jù)基紗線密度確定喂入粗紗a、b、c速度之和，當(dāng)喂入粗紗a、b、c的速度之和等于該常量、大于該常量或小于該常量時(shí)，可分別紡制竹節(jié)紗的基紗、粗節(jié)及細(xì)節(jié)。以此類推，在連續(xù)紡紗時(shí)，某時(shí)段喂入的粗紗a、b速度之和大于該常量，下一時(shí)段喂入的粗紗a、b速度之和等于該常量，再下一時(shí)段喂入的粗紗a、b速度之和小于該常量，由此可紡制三組分比例不變條件下的包含了粗節(jié)、細(xì)節(jié)隨機(jī)分布的竹節(jié)紗。④以任意變化的比例喂入粗紗a、b、c，同樣也根據(jù)基紗線密度確定喂入粗紗a、b、c速度之和，當(dāng)喂入粗紗a、b、c的速度之和等于該常量、大于該常量或小于該常量時(shí)，可分別紡制竹節(jié)紗的基紗、粗節(jié)及細(xì)節(jié)。以此類推，在連續(xù)紡紗時(shí)，某時(shí)段喂入的粗紗a、b速度之和大于該常量，下一時(shí)段喂入的粗紗a、b速度之和等于該常量，再下一時(shí)段喂入粗紗a、b速度之和小于該常量，由此可紡制三組分比例變化且粗節(jié)、細(xì)節(jié)隨機(jī)分布的竹節(jié)紗。

4 竹節(jié)紗工藝優(yōu)化分析

4.1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

試驗(yàn)選用的原料：棉纖維（27×1.75dtex）制備的白色純棉粗紗，粗紗定量為5.0g/10m；經(jīng)活性黑染料制備黑棉粗紗，粗紗定量為5.0g/10m。

紡紗設(shè)備：使用江南大學(xué)與經(jīng)緯股份榆次分公司聯(lián)合研制的FA1551三通道環(huán)錠數(shù)碼細(xì)紗機(jī)。

4.2 紡紗工藝參數(shù)設(shè)定

為了分析三通道數(shù)碼環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡制的竹節(jié)紗的竹節(jié)長(zhǎng)度和基紗長(zhǎng)度與理論設(shè)計(jì)的是否一致，試驗(yàn)以雙通道變速喂入紡制竹節(jié)紗為例設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，設(shè)定試驗(yàn)以基紗長(zhǎng)度和竹節(jié)長(zhǎng)度為變量，竹節(jié)長(zhǎng)度為5.14cm、7.19cm、9.25cm。設(shè)定彩節(jié)竹節(jié)紗基準(zhǔn)線密度為30s（19.4tex），捻度為648捻/10m，錠子轉(zhuǎn)速為7500r/min，前羅拉轉(zhuǎn)速為9.48m/min。

經(jīng)過(guò)一系列的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：實(shí)際所紡制的竹節(jié)長(zhǎng)度總是大于理論設(shè)計(jì)的竹節(jié)長(zhǎng)度，而且竹節(jié)部分存在分布不勻的現(xiàn)象；其中，竹節(jié)頭端會(huì)出現(xiàn)一小段少量黑色纖維纏繞在紗線上，然后黑色纖維逐漸增多并均勻纏繞在紗線上，以穩(wěn)定比例出現(xiàn)在竹節(jié)主干部分；在達(dá)到設(shè)定的竹節(jié)長(zhǎng)度后，黑色纖維還會(huì)出現(xiàn)一定的拖尾現(xiàn)象，黑色纖維在紗線上逐漸減少，在竹節(jié)末端有一定長(zhǎng)度的延伸。

圖6 雙通道數(shù)碼環(huán)錠紡紡制竹節(jié)紗外觀圖

理論上粗紗在經(jīng)過(guò)后羅拉喂入進(jìn)入后牽伸區(qū)的長(zhǎng)度l0與后羅拉點(diǎn)動(dòng)時(shí)間t有關(guān)， l0=Vh2×t；在后牽伸區(qū)經(jīng)中羅拉與后羅拉的共同牽伸作用，黑色纖維的長(zhǎng)度 l1=l0×e1=Vh2×t ×e1；黑色纖維經(jīng)過(guò)中羅拉進(jìn)入前區(qū)牽伸，經(jīng)前羅拉和中羅拉的共同牽伸作用使紗條抽長(zhǎng)拉細(xì)，黑色纖維在紗線中被進(jìn)一步伸直平行排列，輸送到前羅拉出口的長(zhǎng)度為

在牽伸過(guò)程中產(chǎn)生拖尾的原因：在后羅拉點(diǎn)動(dòng)喂入黑色纖維的過(guò)程中，后羅拉由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)時(shí)，末端的黑色纖維會(huì)有一個(gè)抽拔過(guò)程，那些沒(méi)有被后羅拉握持，或浮游在后羅拉與中羅拉之間的纖維會(huì)隨著中羅拉的運(yùn)動(dòng)進(jìn)入前牽伸區(qū)，即當(dāng)后羅拉停止喂入時(shí)，中羅拉仍以穩(wěn)定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)須條內(nèi)纖維的運(yùn)動(dòng)情況如下：因后區(qū)牽伸隔距大于須條內(nèi)纖維的主體長(zhǎng)度，①被中羅拉鉗口握持，但未被后羅拉鉗口握持的纖維仍以中羅拉的速度前進(jìn)。②被后羅拉鉗口握持，但未被中羅拉鉗口握持的纖維則停止運(yùn)動(dòng)。③未被后羅拉握持，也未被中羅拉握持的纖維會(huì)浮游在后牽伸區(qū)，經(jīng)過(guò)牽伸、拉扯作用須條最終被拉斷。因此進(jìn)入前區(qū)牽伸的竹節(jié)長(zhǎng)度為l1= Vh2×t×e1+ δ。

表1 雙通道變速喂入紡制竹節(jié)紗試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

表2 雙通道變速喂入紡制竹節(jié)紗長(zhǎng)度參數(shù)對(duì)比

4.3 竹節(jié)紗竹節(jié)長(zhǎng)度的修正方法

由上述分析可知，無(wú)論改變竹節(jié)紗的竹節(jié)長(zhǎng)度還是竹節(jié)段混紡比，目前出現(xiàn)的主要問(wèn)題都是竹節(jié)存在一定拖尾現(xiàn)象，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證得出，利用雙通道或三通道數(shù)碼環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡制竹節(jié)紗時(shí)，在竹節(jié)段部分出現(xiàn)一定程度拖尾現(xiàn)象是必然存在的。本課題針對(duì)該現(xiàn)象，對(duì)竹節(jié)段纖維在牽伸區(qū)的縱向移動(dòng)建立模型進(jìn)行分析，對(duì)紡制竹節(jié)紗的工藝參數(shù)進(jìn)行重新修正，具體計(jì)算方法如下。

竹節(jié)紗中竹節(jié)長(zhǎng)度的計(jì)算方法：由于竹節(jié)長(zhǎng)度是通過(guò)控制后羅拉的點(diǎn)動(dòng)時(shí)間確定的，為了得到理論竹節(jié)長(zhǎng)度與實(shí)際理論長(zhǎng)度一致的段彩紗，因此對(duì)后羅拉的點(diǎn)動(dòng)時(shí)間進(jìn)行修正，由上述公式 l2= l1×e2=(Vh2×t×e1+ δ)×e2=Vh2×t×e1×e2+ δ×e2知，竹節(jié)段的主體長(zhǎng)度l0和拖尾的竹節(jié)部分l0'即 l2'= l0+ l0'。已知目標(biāo)竹節(jié)長(zhǎng)度，對(duì)后羅拉點(diǎn)動(dòng)修正后的后羅拉點(diǎn)動(dòng)時(shí)間t'其中l(wèi)2'是目標(biāo)設(shè)定的竹節(jié)長(zhǎng)度，也就是客戶所要求的竹節(jié)長(zhǎng)度，l0'= δ ×e2，產(chǎn)生拖尾的拖尾長(zhǎng)度。

表3 雙通道變速喂入紡制竹節(jié)紗長(zhǎng)度參數(shù)對(duì)比

利用上述修正方法，針對(duì)本試驗(yàn)重新設(shè)定后羅拉的點(diǎn)動(dòng)時(shí)間，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，該修正方法對(duì)解決竹節(jié)紗拖尾現(xiàn)象有明顯改善，達(dá)到理論設(shè)定的工藝參數(shù)與實(shí)際紡制得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)一致，能滿足客戶的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

竹節(jié)紗在具體開發(fā)利用上往往存在多元化和系列化，在設(shè)計(jì)竹節(jié)紗時(shí)不僅可以從纖維種類、紗線橫向和縱向結(jié)構(gòu)入手，新型竹節(jié)紗還可以變換其混紡比和顏色變化，從而可以提高產(chǎn)品的附加值。目前竹節(jié)紗面臨的最大挑戰(zhàn)是對(duì)竹節(jié)紗的結(jié)構(gòu)參數(shù)精準(zhǔn)控制。