何 建， 裴澤光， 周 健， 熊祥章， 呂海辰

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

金屬絲包芯紗以金屬絲為芯絲，外層包覆短纖維，其作為智能紡織品的導電線路，既具有優(yōu)異的導電性，又具有良好的穿著舒適性[1]。采用噴氣渦流紡紗方法制備金屬絲包芯紗具有速度快、產(chǎn)量高、工藝流程短、成紗結(jié)構(gòu)優(yōu)異等特點[2]。近期，文獻[2-3]報道了一種用于制備金屬絲包芯紗的噴氣渦流紡紗方法與裝置。在該方法中，金屬絲通過前羅拉開槽膠輥從前羅拉鉗口輸出，隨后通過位于噴嘴入口處的纖維導引體中心的芯絲導引孔進入渦流管內(nèi)，而外包短纖維仍沿纖維導引體螺旋面進入渦流管；壓縮空氣經(jīng)噴孔射入渦流管內(nèi)，在其中形成高速旋轉(zhuǎn)氣流；短纖維在旋轉(zhuǎn)氣流的作用下包纏在金屬絲外部，形成包芯紗，其通過錠子內(nèi)部的引紗通道引出并形成卷裝。

由噴氣渦流紡金屬絲包芯紗的成紗過程可知，金屬絲與外包短纖維在噴嘴內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)氣流場中的運動規(guī)律對包芯紗的包覆效果具有決定性作用，因此對纖維在成紗過程中的運動規(guī)律進行研究，有助于明確成紗原理，優(yōu)化工藝參數(shù)，預(yù)測成紗結(jié)構(gòu)和質(zhì)量。由于在噴氣渦流紡紗過程中，紗線的加捻是在密閉不透光的噴嘴內(nèi)部進行的，且噴嘴內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且狹小，這給纖維運動的實驗觀測帶來不便。目前僅有Pei等[4]采用高速攝影機對有機玻璃制成、經(jīng)放大的透明噴嘴模型內(nèi)部的纖維在氣流場中的運動狀態(tài)進行了觀測，但這種方法很難應(yīng)用于實際工業(yè)生產(chǎn)中。較多研究者構(gòu)建了柔性纖維模型，對纖維在噴氣渦流紡噴嘴氣流場中的運動規(guī)律進行了數(shù)值模擬[5-7]，但是數(shù)值模擬方法僅從理論層面分析了纖維的運動規(guī)律，同時簡化了氣流場的邊界條件以及纖維的材料與力學屬性，在直觀性與可靠性方面存在不足。目前，針對噴氣渦流紡包芯紗成紗過程的實驗觀測和數(shù)值模擬研究均未見報道。

針對現(xiàn)有關(guān)于纖維在噴氣渦流紡紗噴嘴中運動規(guī)律研究方法的局限性，本文作者所在課題組前期設(shè)計的噴氣渦流紡紗噴嘴內(nèi)纖維運動狀態(tài)的實時觀測方法[8]，將具有細小外徑的工業(yè)內(nèi)窺鏡從噴嘴壁面上的細小通孔穿過并抵達密閉的噴嘴內(nèi)腔，從而實現(xiàn)對噴氣渦流紡金屬絲包芯紗成紗過程中金屬絲與短纖維在噴嘴內(nèi)腔氣流場中運動狀態(tài)的觀測和圖像捕捉，分析噴氣渦流紡金屬絲包芯紗的成紗機制；運用圖像處理方法[9-11]，對纖維包纏過程中的露芯特征進行提取，并與紡制紗線的露芯特征進行對比分析，研究噴嘴氣壓和紡紗速度對露芯量的影響，探索“纖維運動規(guī)律與紗線結(jié)構(gòu)”的相關(guān)性。本文研究可為噴氣渦流紡成紗過程的觀測、成紗機制的研究以及成紗結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的預(yù)測提供一種有效的手段，為噴氣渦流紡在線監(jiān)測系統(tǒng)與在線質(zhì)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計提供基礎(chǔ)。

1 纖維運動狀態(tài)在線觀測方法與裝置

本文采用的噴氣渦流紡金屬絲包芯紗制備裝置與方法與文獻[3]相似。針對該紡紗裝置所設(shè)計的纖維運動狀態(tài)在線觀測方法與裝置如圖1所示。

1—點光源控制器；2—CCD相機；3—內(nèi)窺鏡；4—點光源； 5—噴嘴；6—計算機；7—金屬絲；8—粗紗；9—包芯紗。圖1 噴氣渦流紡金屬絲包芯紗成紗過程的在線觀測方法與裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of method and apparatus for online monitoring of formation process of vortex core-spun yarn containing metal wire

觀測裝置主要由工業(yè)內(nèi)窺鏡及其光學接口、CCD相機、光源、光源控制器、數(shù)據(jù)傳輸線和計算機等構(gòu)成。本文使用的工業(yè)內(nèi)窺鏡為FIP2.7-100型硬管鏡(上海澳華光電內(nèi)窺鏡有限公司)，其工作鏡管外徑為2.7 mm，視向角為0°，其內(nèi)部裝有傳像透鏡組；內(nèi)窺鏡后部通過光學接口連接在CCD相機前端，使用的DFK 23G274型CCD相機(imaging source)分辨率為1 600像素×1 200像素，像素尺寸為4.4 μm×4.4 μm，最大幀速為20幀/s，最小曝光時間為(1/40 000)s，CCD相機通過數(shù)據(jù)傳輸線與計算機相連接；本文實驗中光源有2個，選取額定功率為10 W，額定電流為3 A的超高亮度發(fā)光二極管，其外設(shè)有管狀殼體，前方設(shè)有透鏡組，以使光線覆蓋整個噴嘴內(nèi)腔，光源的光強由光源控制器進行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同曝光時間下對光強的要求，如圖2(a)所示A-A剖視圖；渦流管由黃銅制成，其圓柱段管壁上設(shè)有1個觀測孔和2個光源孔，軸線均沿渦流管半徑方向。為使光源發(fā)出的光線盡可能大范圍地覆蓋渦流管內(nèi)部且不影響觀測效果，使捕捉到的圖像的背景中沒有光線陰影，2個光源孔與觀測孔間的夾角經(jīng)過優(yōu)選，分別為65°和40°，如圖2(b)所示。觀測孔和光源孔的軸線位于與渦流管軸線相垂直的同一平面內(nèi)(平面B-B)，該平面位于氣流噴射孔出口下方5 mm。觀測孔直徑與內(nèi)窺鏡工作鏡管的外徑相同，且工作鏡管前端插入觀測孔內(nèi)部，并使其前端面與渦流管內(nèi)腔壁面平齊；光源殼體外徑與光源孔內(nèi)徑相適應(yīng)，其前端位于相應(yīng)的光源孔內(nèi)部，光源透鏡組前端面為與渦流管內(nèi)壁面相適應(yīng)且與之平齊的圓弧面形。實驗通過工業(yè)內(nèi)窺鏡將噴氣渦流紡噴嘴內(nèi)腔內(nèi)部的纖維運動圖像傳送到噴嘴外，圖像經(jīng)CCD相機采集后，由數(shù)據(jù)傳輸線傳送至計算機，以進行實時觀測、圖像處理與存儲。

1—金屬絲；2—纖維束；3—噴氣渦流紡包芯紗； 4—纖維導引體；5—渦流管；6—錠子；7—光源； 8—光源控制器；9—內(nèi)窺鏡；10—光學接口； 11—CCD相機；12—數(shù)據(jù)傳輸線；13—計算機。圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)與觀測裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of nozzle structure and apparatus for online monitoring. (a) Cross-sectional view A-A; (b) Partial view B-B

2 紡紗及觀測實驗

采用DHU-P02 型噴氣渦流紡紗試驗機制備金屬絲包芯紗。金屬絲采用直徑為50 μm、外表面涂覆有聚氨酯涂層(厚度約3 μm)的銅絲；短纖維束采用粘膠粗紗，纖維切斷長度為38 mm，線密度為1.5 dtex；粗紗線密度為680 tex；實驗環(huán)境溫度為(20±1)℃，相對濕度為(65±1)%；實驗中渦流管的噴孔個數(shù)為5個，噴孔與渦流管中心軸的夾角為55°，渦流管內(nèi)徑為6 mm；錠子的錐角為6°，內(nèi)徑為1.3 mm；錠子與導引體之間的距離為6 mm；前羅拉鉗口與噴嘴入口距離為10 mm，噴嘴內(nèi)形成的旋轉(zhuǎn)氣流的方向沿紗線行進方向看為順時針方向。為研究噴嘴氣壓和紡紗速度對包芯紗包覆效果的影響，設(shè)計了單因子實驗，紡紗實驗參數(shù)如表1所示，其中工況1～3用于噴嘴氣壓影響研究，工況2、4、5用于紡紗速度影響研究。實驗中CCD相機選用的曝光時間為1/40 000 s，捕捉頻率為4 Hz。

表1 紡紗實驗參數(shù)Tab.1 Parameters for spinning experiments

3 成紗過程的觀測與分析

3.1 纖維包纏過程

圖3示出所拍攝到的紡紗過程中噴嘴內(nèi)部短纖維與金屬絲在錠子入口附近的運動狀態(tài)圖像。通過大量圖像(5 000張)分析，發(fā)現(xiàn)觀測到的短纖維包纏金屬絲的狀態(tài)主要可分成3類。

1)短纖維整體上以一定的螺旋角均勻而緊密地包覆在金屬絲外部(A類纖維)，如圖3(a)所示，呈這一狀態(tài)的短纖維(A類纖維)總量在3種狀態(tài)中占比最高。這部分短纖維經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn)呈Z捻包覆在金屬絲外部，因此其應(yīng)為未從須條中分離出來而在高速旋轉(zhuǎn)氣流作用下產(chǎn)生假捻的纖維束，這與文獻[6]之前對于纖維在噴氣渦流紡噴嘴氣流場中運動規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果相符。這部分短纖維的捻度會在紗線進入錠子后逐步退去而在最終形成的紗線中構(gòu)成無捻、近似呈平行狀態(tài)的芯部短纖維。

2)短纖維頭端包覆在金屬絲外部，尾端倒伏于錠子上或呈螺旋狀松散分布在金屬絲周圍(B類纖維)，如圖3(b)所示，呈這一狀態(tài)的短纖維(B類纖維)總量在3種狀態(tài)中占比較少。這部分短纖維的回轉(zhuǎn)方向與高速旋轉(zhuǎn)氣流的回轉(zhuǎn)方向相同，將呈S捻包覆在A類纖維的外部，在最終形成的紗線中構(gòu)成規(guī)則的螺旋包纏纖維。此外還有少量纖維因無法承受氣流軸向分量產(chǎn)生的抽拔作用而成為落纖從噴嘴中排出。

圖3 成紗過程中纖維對金屬絲的包纏圖像Fig.3 Image of wrapping of fibers around metal wire during yarn formation.(a) Fibers of type A; (b) Fibers of type B; (c) Fibers of type C

3)短纖維尾端包覆在金屬絲外部，頭端呈自由離散狀態(tài)(C類纖維)，如圖3(c)所示，呈這一狀態(tài)的短纖維(C類纖維)總量在3種狀態(tài)中占比最少。這部分短纖維的回轉(zhuǎn)方向與高速旋轉(zhuǎn)氣流的回轉(zhuǎn)方向相同，但由于纖維自由端的取向與B類纖維相反，因此將呈Z捻包覆在A類纖維的外部，在最終形成的紗線中將構(gòu)成雜亂包纏纖維。這部分纖維的捻度會在A類纖維退捻的過程中有所減少。此外還有少量纖維因無法承擔氣流軸向分量產(chǎn)生的抽拔作用而成為落纖從噴嘴中排出。

由觀測結(jié)果可知，噴氣渦流紡金屬絲包芯紗的成紗過程為：纖維須條經(jīng)纖維導引體螺旋面輸送進入渦流管后，受到高速旋轉(zhuǎn)氣流的作用，由于纖維須條主體為連續(xù)的，其將在旋轉(zhuǎn)氣流的作用下產(chǎn)生假捻，呈Z捻包覆在金屬絲外部。一部分頭端被捻入須條主體的纖維尾端受到旋轉(zhuǎn)氣流的離心力和徑向力作用，從須條中分離并擴展開來，在氣流軸向分量的作用下倒伏于錠子上或呈螺旋狀松散地分布在金屬絲周圍，隨后在氣流切向分量的作用下，呈S捻包纏在產(chǎn)生假捻的須條主體和金屬絲外部。另外還有少部分尾端被捻入須條主體的纖維頭端受到旋轉(zhuǎn)氣流的離心力和徑向力作用，從須條中分離并擴展開來，在氣流切向分量的作用下，呈Z捻包纏在產(chǎn)生假捻的須條主體和金屬絲外部。紗線在經(jīng)由錠子輸出的過程中，其主體部分上的假捻將逐步退去，使其在最終形成的紗線中構(gòu)成無捻、近似呈平行狀態(tài)的紗芯。呈S捻包纏在紗芯外部的纖維將在最終形成的紗線中構(gòu)成規(guī)則的螺旋包纏纖維，而呈Z捻包纏在紗芯外部的纖維將在最終形成的紗線中構(gòu)成雜亂包纏纖維。

3.2 纖維包纏過程中的露芯特征分析

在包芯紗中，若外包纖維未能將芯絲完全包覆而使部分芯絲從紗線表面露出，即形成露芯疵點，將會顯著影響對芯絲的有效防護、紗線或織物的美觀性與穿著舒適性，因此應(yīng)盡量減少露芯疵點的形成。根據(jù)成紗過程觀測結(jié)果，由于金屬絲在進入錠子前，大部分纖維(A類纖維)已完成了對金屬絲的包覆，只有少量纖維(B類和C類纖維)未完成對金屬絲的包纏，因此對接近錠子入口的上游區(qū)域(即內(nèi)窺鏡的視場區(qū)域)內(nèi)的纖維與金屬絲的狀態(tài)進行在線觀測，可對紡制的包芯紗的包覆結(jié)構(gòu)進行預(yù)測，即通過對紡紗過程中纖維在噴嘴中對金屬絲的包纏狀態(tài)來預(yù)測成紗中的露芯情況。

基于在線實驗觀測，將纖維的包纏過程圖像分為無露芯包纏圖像和露芯包纏圖像，如圖4所示。

圖4 纖維包纏金屬絲過程圖像Fig.4 Image of fibers wrapping around wire. (a) Without exposed metal wire core; (b) With exposed metal wire core

觀測圖像可以發(fā)現(xiàn)，在無露芯包纏圖像中，大部分纖維整體上以一定的螺旋角均勻而緊密地包纏金屬絲，少量纖維頭端纏繞金屬絲而尾端倒伏于錠子上或呈螺旋狀松散地分布于金屬絲周圍，另有少量纖維尾端包纏金屬絲而頭端呈自由離散狀態(tài)分布。在露芯包纏圖像中，纖維的運動構(gòu)型與無露芯包纏類似，但金屬絲裸露在外而未完全被纖維包覆。

為方便快速提取成紗過程中的露芯特征，分析露芯段的長度和露芯點數(shù)量，設(shè)計了一套圖像處理算法，該算法采用MatLab R2015b軟件執(zhí)行。

圖5(a)示出成紗過程觀測的背景圖像。可以看出，光源透鏡組前端透鏡呈無色透明狀，在光源發(fā)出的光線的照射下，可以觀測到渦流管內(nèi)壁與透鏡間的界面；金屬絲、錠子和渦流管內(nèi)壁為黃色，而渦流管內(nèi)壁對光源發(fā)出的光線存在反光。由此可見，成紗觀測圖像的背景較為復(fù)雜。為去除背景，對圖像進行以下減運算：

Y(i,j)=X(i,j)-X0(i,j)

式中：Y(i,j)為去除背景后提取出的纖維和金屬絲圖像；X(i,j)為拍攝到的成紗過程圖像；X0(i,j)為背景圖像。i和j分別為圖像中像素點的橫、縱坐標。經(jīng)減運算得到纖維和金屬絲圖像，見圖5(b)。

圖5 露芯特征提取過程圖像Fig.5 Image of process of core feature extraction. (a) Background image for monitoring yarn formation process; (b) Image of fibers and metal wire after removal of background; (c) Image of fiber and metal wire after filtering; (d) Image of exposed metal wire core

由圖5(b)可以看出，影響分析纖維與金屬絲特征的背景部分已被去除，但其周圍還存在許多噪點。因此，再提取圖5(b)的圖像RGB分量，然后對3個分量分別進行中值濾波處理，其中濾波窗口設(shè)置為7 像素×7 像素，同時圖像大小通過鏡像反射其邊界來擴展，得到如圖5(c)所示的圖像?？梢钥闯?，纖維與金屬絲周圍區(qū)域的噪點已被濾除，且纖維與金屬絲之間區(qū)別較明顯。在此基礎(chǔ)上，為分析紗線露芯情況，采用顏色特征提取方法提取濾波后的成紗過程露芯特征：

式中：U(i,j)為所提取的露芯特征像素點；R(i,j)、G(i,j)和B(i,j)分別為濾波后的圖像中的紅色、綠色和藍色分量，r1、r2分別為紅色分量閾值的下限與上限，g1、g2分別為綠色分量閾值的下限與上限，b1、b2分別為藍色分量閾值的下限與上限，其中，r1設(shè)置為145，r2設(shè)置為250；g1設(shè)置為145，g2設(shè)置為250；b1設(shè)置為50，b2設(shè)置為150。最后，基于二值化方法進行露芯特征重建，見下式：

式中：f(i,j)為重建的露芯特征像素值；D(i,j)為重建的露芯特征像素點位置；D0為提取的露芯特征像素點區(qū)域。最終得到的露芯特征圖像，見圖5(d)。

4 成紗露芯狀態(tài)的觀察與分析

為與成紗過程觀測結(jié)果進行對比，對紡制的噴氣渦流紡金屬絲包芯紗的露芯情況進行顯微鏡觀察，如圖6所示。

圖6 紗線顯微鏡照片F(xiàn)ig.6 Micrographs of yarn. (a) Yarn without exposed metal wire core; (b) Yarn with exposed metal wire core

在此基礎(chǔ)上對紗線的露芯段長度和露芯點數(shù)量進行分析。采用裝有MML2-HR65D型放大鏡頭的DMK 23U274型CCD相機進行觀察。CCD相機的分辨率為1 600像素×1 200像素，像素尺寸為4.4 μm×4.4 μm，鏡頭放大倍數(shù)為2，因此顯微照片的像素尺寸為2.2 μm×2.2 μm。觀察中紗線軸線沿視場的長度方向放置，每張顯微鏡照片中紗線片段的長度為3.52 mm。

5 結(jié)果與討論

從工況1～5的成紗過程觀測圖像和紗線顯微圖像中各取出128張和100張進行分析(成紗過程觀測圖像中能夠拍攝到的須條長度約為2.75 mm)，以研究噴嘴氣壓與紡紗速度對噴氣渦流紡金屬絲包芯紗露芯情況的影響。分析了須條或紗線單位長度內(nèi)的露芯點數(shù)量N和露芯段長度總和占須條或紗線長度的百分比P，見下式：

式中：Ni為第i張圖像中須條或紗線的露芯點數(shù)量；Li為第i張圖像中須條或紗線的長度；lij為第i張圖像中第j個露芯段的長度；m為第i張圖像中的露芯點數(shù)量；n為每種工況下須條或紗線圖像的總張數(shù)。

5.1 噴嘴氣壓對包芯紗露芯量的影響

成紗在線觀測圖像與紗線顯微圖像中將噴嘴氣壓對露芯點數(shù)量和露芯長度百分比的影響進行了統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。

表2 露芯點數(shù)量和露芯長度百分比隨氣壓的變化Tab.2 Variation of number of exposed metal wire cores and percentage of total length of exposed metal wire cores with nozzle pressure

由表2可以看出，隨噴嘴氣壓由0.50 MPa提高到0.55 MPa時，成紗在線觀測圖像與紗線顯微圖像中的露芯點數(shù)量與露芯段長度百分比均有所降低。這是由于噴嘴氣壓影響噴嘴內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流的切向速度和軸向速度大小。噴嘴氣壓增大，旋轉(zhuǎn)氣流的切向速度增大，纖維束對金屬絲的包纏速度增加，纖維在相同長度金屬絲上的包纏周期數(shù)增加，使紗線露芯減少。隨后當噴嘴氣壓由0.55 MPa繼續(xù)提高到0.6 MPa時，成紗在線觀測圖像與紗線顯微圖像的露芯點數(shù)量與露芯段長度百分比反而增加。這是由于噴嘴氣壓過高時，纖維對金屬絲的包纏速度雖然增加，但纖維受到較強的軸向氣流作用，更多的纖維被作為落纖從噴嘴排出，使紗線露芯的比例增加；此外，氣壓過高會使噴嘴內(nèi)氣流的湍流強度提高，使纖維與包纏金屬絲的運動產(chǎn)生紊亂，形成不規(guī)則包纏，使露芯增加。由以上分析可知，為獲得包纏效果較好的包芯紗，噴嘴氣壓設(shè)置為0.55 MPa左右為最佳。

從表2中還可以看出，成紗在線觀測圖像與紗線顯微圖像中的露芯點數(shù)量與露芯長度百分比隨噴嘴氣壓的變化趨勢較為一致，但成紗在線觀測圖像中須條的露芯點數(shù)量與露芯長度百分比均大于紗線顯微照片。這是因為金屬絲從渦流管進入錠子的過程中，倒伏于錠子上和呈螺旋狀松散狀態(tài)分布于金屬絲周圍的纖維尾端仍將繞錠子和金屬絲旋轉(zhuǎn)而對金屬絲進行包纏，使實際的露芯量小于在線觀測到的露芯量。

5.2 紡紗速度對包芯紗露芯量的影響

成紗在線觀測圖像與紗線顯微圖像中將紡紗速度對露芯點數(shù)量和露芯長度百分比的影響進行了統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示。

表3 露芯點數(shù)量和露芯長度百分比隨紡紗速度的變化Tab.3 Variation of number of exposed metal wire cores and percentage of total length of exposed metal wire cores with yarn delivery speed

由表3可以看出，當紡紗速度由100 m/min提高到130 m/min時，成紗在線觀測圖像與紗線顯微圖像中的露芯點數(shù)量與露芯段長度百分比均有所增加。這是由于隨著紡紗速度的提高，纖維在噴嘴內(nèi)的滯留時間減少，其對金屬絲包纏的周期數(shù)隨之減少，導致紗線的露芯點數(shù)量和露芯段總長度增加。隨著紡紗速度由130 m/min繼續(xù)提高到160 m/min時，露芯點數(shù)量與露芯段長度百分比均略有降低。這是由于適當?shù)卦龃蠹徏喫俣龋菇饘俳z的運動速度與纖維的軸向速度達到平衡，有利于從導引體進入渦流管內(nèi)部的纖維向金屬絲匯集及已經(jīng)完成纖維包覆的金屬絲從噴嘴中引出，提高紗線的包纏均勻度，降低紗線露芯點數(shù)量和露芯長度。但由表3可以看出，露芯點數(shù)量受紡紗速度的影響不是非常明顯。

由于金屬絲從渦流管進入錠子的過程中，倒伏于錠子上和呈螺旋狀松散狀態(tài)分布于金屬絲周圍的纖維尾端將對其繼續(xù)進行包纏，使實際的露芯點數(shù)量小于在線觀測到的露芯點數(shù)量，因此在表3中，與噴嘴氣壓的影響類似，成紗在線觀測圖像中須條的露芯點數(shù)量與露芯長度均大于紗線顯微照片。此外，成紗在線觀測圖像與紗線顯微圖像中露芯點數(shù)量與露芯長度百分比隨紡紗速度的變化趨勢也較為一致。

圖7示出成紗在線觀測與紗線顯微圖像中的露芯特征變化關(guān)系?？梢钥闯?，二者間呈線性關(guān)系，因此可以根據(jù)成紗過程中紗線包纏效果的在線觀測圖像，實時判斷最終制成的紗線的露芯量，并能夠及時地對紡紗工藝參數(shù)進行在線調(diào)節(jié)，獲得最優(yōu)的成紗質(zhì)量。

圖7 成紗在線觀測圖像與紗線顯微圖像中的露芯特征變化Fig.7 Variation of feature in images of online monitoring and microscopic images. (a) Variation of number of exposed metal wire cores between online monitoring and microscopic images; (b) Variation of percentage of total length of exposed metal wire cores between the online monitoring and microscopic images

6 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種噴氣渦流紡金屬絲包芯紗成紗過程的在線觀測裝置，該裝置基于工業(yè)內(nèi)窺鏡能夠伸入密封空腔內(nèi)部，對其內(nèi)部物體進行觀測，實現(xiàn)了成紗過程中金屬絲與短纖維在氣流場中運動狀態(tài)的在線觀測和圖像捕捉，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)：

1)短纖維包纏金屬絲的狀態(tài)主要可以分成3類：①短纖維整體上以一定的螺旋角均勻而緊密地包覆在金屬絲外部，這部分纖維將在最終形成的紗線中構(gòu)成無捻、近似平行的芯部短纖維；②短纖維頭端包覆在金屬絲外部，尾端倒伏于錠子上或呈螺旋狀松散分布在金屬絲周圍，這部分纖維將在最終形成的紗線中構(gòu)成規(guī)則的螺旋狀包纏纖維；③短纖維尾端包覆在金屬絲外部，頭端呈自由離散狀態(tài)，這部分纖維將在最終形成的紗線中構(gòu)成雜亂包纏纖維。其中A類纖維占比最高，表明短纖維對金屬絲的包覆主要發(fā)生在纖維從導引體進入渦流管后、進入錠子之前，即在渦流管內(nèi)完成。

2)紗線露芯量隨著噴嘴氣壓的提高先降低后增加，隨著紡紗速度的提高先增加后降低；根據(jù)成紗過程觀測圖像得到的露芯量隨紡紗工藝參數(shù)的變化趨勢與制成包芯紗的露芯量的變化趨勢較為一致，但包芯紗露芯量小于在線觀測到的露芯量。

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