常永和　薛元　卜華香

摘 要：環(huán)錠紡是對(duì)粗紗進(jìn)行牽伸、加捻、卷繞工藝形成紗線的過程，紗條一方面繞自身軸線的加捻運(yùn)動(dòng)和繞錠子中心軸高速旋轉(zhuǎn)，另一方面又產(chǎn)生軸向快速移動(dòng)，即同時(shí)產(chǎn)生加捻和卷繞運(yùn)動(dòng)，由于加捻、卷繞部件的非對(duì)稱性使得其過程為一個(gè)非齊次的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)相互耦合的體系，導(dǎo)致紗條在加捻段、氣圈段和卷繞段所受的紡紗張力、氣圈張力和卷繞張力是一個(gè)高頻次變化的力而難以求解和預(yù)測。本文構(gòu)建了一種環(huán)錠紡紗條張力在線檢測系統(tǒng)，利用兩個(gè)力傳感器和兩個(gè)位移傳感器分別測試得到葉子板的受力及紡紗過程導(dǎo)紗鉤和鋼領(lǐng)板的位置信號(hào)，信號(hào)經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，通過PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，可得到紡紗過程紗條所受的紡紗張力、氣圈張力和卷繞張力，實(shí)現(xiàn)環(huán)錠紡紗條張力的在線檢測。

關(guān)鍵詞：紗條張力;加捻;卷繞;在線檢測;傳感器

中圖分類號(hào)：TS111.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2019）04-0089-06

Characteristics of Tension Fluctuation of Ring Spun Yarn and Its Detection Method

CHANG Yonghe1， XUE Yuan1， BU Huaxiang2

（1.Key Laboratory of Eco-Textiles （Jiangnan University）， Ministry of Education， Wuxi 214122， China; 2.Wuxi Hezhan Machinery Technology Co.， Ltd.， Wuxi 214122， China）

Abstract：Ring spinning is the process of drafting， twisting and winding the roving to form a yarn. On the one hand， the sliver is twisted around its own axis and rotates at a high speed around the central axis of the spindle. On the other hand， it generates rapid axial movement， that is， simultaneous twisting and winding motions are produced. Due to the asymmetry of twisting and winding components， the process is a non-homogeneous system in which kinematics and dynamics are coupled to each other. As a result， yarn tension， ballooning tension and winding tension that the sliver suffers in the twisting segment the ballooning segment and the winding segment are a high frequency variable force that is difficult to solve and predict. In this paper， an on-line tension detection system for ring spun yarn was constructed. Two force sensors and two displacement sensors were used respectively to test and gain the stress of leaf plate and the position signal of the yarn guide hook and the ring plate in the spinning process. The signal was amplified and transformed into the digital signal through A/D conversion. Data operation and processing were performed by PLC. Then， the sliver tension， ballooning tension and winding tension that the sliver suffers in the spinning process could be gained， and online tension detection of ring spun yarn could be achieved.

Key words：yarn tension; twisting; winding; online detection; sensor

1 環(huán)錠紡紗條張力波動(dòng)特點(diǎn)

1.1 環(huán)錠紡紗條張力的定義

環(huán)錠紡是對(duì)粗紗進(jìn)行牽伸、加捻、卷繞工藝形成紗線的過程。由前羅拉輸出的須條受到導(dǎo)紗鉤和鋼絲圈的約束，在高速旋轉(zhuǎn)的錠子作用下，須條先被加捻然后被卷繞在紗管上完成加捻和卷繞過程。此時(shí)，一方面紗條沿紡紗通道移動(dòng);另一方面，由錠子高速旋轉(zhuǎn)所形成的弧形氣圈使得紗條逆向傳遞形成了從前羅拉鉗口到導(dǎo)紗鉤的加捻段，該段紗條受到氣圈頂部張力的作用向下移動(dòng)，此時(shí)紗條在加捻段受到的張力稱為紡紗張力Tf;紗條在氣圈段頂端受到的張力稱為氣圈頂端張力Tq1，在氣圈段底端受到的張力稱為氣圈底端張力Tq2;在卷繞段受到的張力稱為卷繞張力Tw。

因此，環(huán)錠紡紗條張力是從前羅拉握持鉗口到卷繞到紗管上卷繞點(diǎn)之間的紗條的張力，在不同階段又分別稱為紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2及卷繞張力Tw。

1.2 環(huán)錠紡紗條張力波動(dòng)特點(diǎn)

環(huán)錠紡紗過程是一個(gè)非線性、非齊次的體系，從幾何關(guān)系來說，葉子板、鋼領(lǐng)板的位置、氣圈的形態(tài)是變化的;從受力關(guān)系來講，由于各受力點(diǎn)幾何關(guān)系的變化，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)力之間的矢量關(guān)系也發(fā)生變化。

紡紗張力受到錠子轉(zhuǎn)速ns、氣圈高度H、氣圈半徑Rq、卷繞半徑Rj、鋼絲圈重量G、μ紗線與導(dǎo)紗鉤直接的動(dòng)摩擦因素、導(dǎo)紗鉤處紗線包圍角δ、鋼領(lǐng)半徑R、卷繞張力與氣圈底端張力比K、紗線線密度m、導(dǎo)紗角γ、氣圈頂角β等因素的影響。當(dāng)紡紗工藝及器材確定后，鋼絲圈重量G、鋼領(lǐng)半徑R、紗線與導(dǎo)紗鉤之間的摩擦因素μ可以視為常數(shù)η，經(jīng)過經(jīng)典力學(xué)的分析[1-2]，這4個(gè)紡紗張力可用如下函數(shù)關(guān)系表示：

Tf=ηF（ns，Rq，Rj，H，γ，β，δ）（1）

Tq1=ηF（ns，Rq，Rj，H，γ，β，δ）（2）

Tq2=ηF（ns，Rq，Rj，H，γ，β，δ，m）（3）

Tw=ηF（ns，Rq，Rj，H，γ，β，δ，m，K）（4）

在錠子速度一定的情況下，紡紗張力與幾何參數(shù)（導(dǎo)紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ）的變化有關(guān);在鋼絲圈沿鋼領(lǐng)旋轉(zhuǎn)一周，紡紗張力在機(jī)身最里端時(shí)大，在最外端時(shí)小。在鋼領(lǐng)板的一個(gè)卷繞層級(jí)過程中，幾何參數(shù)的大小時(shí)刻改變，在鋼領(lǐng)板底端的時(shí)候，紡紗張力小;在鋼領(lǐng)板頂端的時(shí)候，紡紗張力大。在整個(gè)紡紗過程中，在小紗階段，雖氣圈高度大、但卷繞半徑小，紡紗張力大;在中紗階段，氣圈高度和卷繞半徑適中，紡紗張力小;在大紗階段，盡管氣圈高度H小，但氣圈幅度減小趨于平直，形成三角形氣圈，失去氣圈凸形對(duì)紡紗張力的彈性調(diào)節(jié)，紡紗張力比中紗階段大[3-4]。

環(huán)錠紡的紡紗效率主要受到成紗質(zhì)量和紡紗斷頭的影響。環(huán)錠紡紡紗中紡紗斷頭是最主要的危害，引起紡紗斷頭的直接原因是紡紗動(dòng)態(tài)張力峰值瞬時(shí)超過紗線動(dòng)態(tài)強(qiáng)力谷值。因此，了解紡紗張力及其波動(dòng)特點(diǎn)對(duì)環(huán)錠紡的高產(chǎn)、高質(zhì)量的提高具有重要的意義。在錠子轉(zhuǎn)速一定的情況下，紡紗張力的變化與其卷繞半徑Rj、氣圈高度H和氣圈半徑Rq的變化相關(guān)，其本質(zhì)就是鋼領(lǐng)板和葉子板的升降導(dǎo)致其幾何參數(shù)的變化，從而引起4個(gè)紡紗張力的變化。

2 環(huán)錠紡紗條張力在線檢測系統(tǒng)的 構(gòu)建

2.1 在線檢測裝置的構(gòu)建

為了實(shí)現(xiàn)紡紗張力的在線檢測，提出了將力傳感器嵌入葉子板，以及位移傳感器與葉子板鏈接的構(gòu)想。如圖1所示，在葉子板末端安裝張力傳感器用于測量垂直于機(jī)身向葉子板里的應(yīng)力Fy和垂直于葉子板豎直向下的應(yīng)力Fz，在導(dǎo)紗角鐵上安裝位移傳感器用于測量葉子板的升降位移x，在鋼領(lǐng)板上安裝位移傳感器用于測量鋼領(lǐng)板的升降位移h。

張力傳感器采用電阻應(yīng)變式張力傳感器，工作原理是將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件特定表面上，當(dāng)紡紗張力作用于彈性元件時(shí)，會(huì)導(dǎo)致元件應(yīng)力和應(yīng)變的變化，進(jìn)而引起電阻應(yīng)變片電阻的變化。電阻的變化經(jīng)靈敏度最高的全橋式等臂電路處理后以電信號(hào)的方式輸出。圖2（a）為測量應(yīng)力Fy的應(yīng)變片安裝圖，圖2（b）為測量應(yīng)力Fz的應(yīng)變片安裝圖，圖3為張力傳感器的機(jī)身左側(cè)結(jié)構(gòu)局部視圖，圖4為應(yīng)變片等臂電橋電路。

因電阻應(yīng)變式張力傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好、成本低、適用于各種環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，所以用途較廣泛[5-7]。

其位移傳感器采用LWF-250-A1型號(hào)位移傳感器，直線位移傳感器的功能在于把直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。內(nèi)置信號(hào)放大器，輸出模擬量直接進(jìn)入PLC控制進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換WTA03SV3數(shù)字式重量變送器將電阻應(yīng)變式張力傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過放大處理為符合A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)輸入PLC控制器;PLC采用西門子6ES7 212-1BB23-0XB8;觸摸屏采用昆侖通態(tài)TPC7602KS嵌入式一體化觸摸屏，具有800×400分辨率;65535色TFT;MCGS組態(tài)軟件、64M存儲(chǔ)空間;支持U盤備份、恢復(fù);支持RS232/RS845/RJ45以太網(wǎng)通訊接口。

2.2 在線檢測信號(hào)處理系統(tǒng)的構(gòu)建

紡紗開始時(shí)，紗條作用于葉子板，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力Fy和應(yīng)力Fz，應(yīng)力作用與葉子板產(chǎn)生力信號(hào)使得電阻應(yīng)變式張力傳感器的應(yīng)變片產(chǎn)生形變，使得應(yīng)變片變形產(chǎn)生電阻變化，在經(jīng)電橋轉(zhuǎn)化為電壓和電流，輸出模擬信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大器處理，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量再送入PLC控制系統(tǒng)并通過觸摸屏顯示出來，觸摸屏作為用戶界面，可以顯示所有參數(shù)和讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)[8]。系統(tǒng)框架流程圖如圖5所示。

3 基于在線檢測信號(hào)求解環(huán)錠紡紗 條張力的數(shù)學(xué)模型

在錠子轉(zhuǎn)速一定情況下（即錠子速度ns也可視為常量η1），紡紗開始時(shí)，紗條作用于葉子板，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力Fy、應(yīng)力Fz以及葉子板的升降位移x、鋼領(lǐng)板的升降位移h，其動(dòng)態(tài)變化值可以通過紗條張力在線檢測信號(hào)處理的系統(tǒng)顯示出來。通過幾何模型的建立，得出以下幾何參數(shù)結(jié)論。

導(dǎo)紗角γ是一個(gè)關(guān)于葉子板升降的函數(shù)關(guān)系：

γ=φ（x）（5）

氣圈頂角β是一個(gè)關(guān)于應(yīng)力Fy、應(yīng)力Fz以及導(dǎo)紗角γ的函數(shù)關(guān)系：

β=φ（Fz，F(xiàn)y，φ（x））（6）

包圍角δ是一個(gè)關(guān)于導(dǎo)紗角γ、氣圈頂角β的函數(shù)關(guān)系：

δ=ψ（φ（x），φ（Fz，F(xiàn)y，φ（x）））（7）

結(jié)合式（5）-式（7）可以推出4個(gè)紡紗力為：

Tf=η1F[φ（x），φ（Fz，F(xiàn)y，φ（x）），

ψ（φ（x），φ（Fz，F(xiàn)y，φ（x）））]（8）

Tq1=η1F[φ（x），φ（Fz，F(xiàn)y，φ（x）），

ψ（φ（x），φ（Fz，F(xiàn)y，φ（x）））]（9）

Tq2=η1F[φ（x），φ（Fz，F(xiàn)y，φ（x）），ψ（φ（x），

φ（Fz，F(xiàn)y，φ（x））），m]（10）

Tw=η1F[φ（x），φ（Fz，F(xiàn)y，φ（x）），

ψ（φ（x），φ（Fz，F(xiàn)y，φ（x））），m，K]（11）

由式（8）-式（11）可見：4個(gè)紡紗張力就是一個(gè)關(guān)于在線檢測出應(yīng)力Fy和應(yīng)力Fz，葉子板的升降位移x的函數(shù)，通過紗條張力在線檢測信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了紡紗張力的在線檢測。

4 環(huán)錠紡紗條張力在線檢測測試方法 及實(shí)踐

在JWF1551型數(shù)碼紡紗機(jī)安裝紡紗張力在線檢測裝置，運(yùn)行設(shè)備檢查是否正常運(yùn)行。設(shè)備正常運(yùn)行，調(diào)節(jié)紡紗張力在線檢測裝置參數(shù)和設(shè)計(jì)紡紗參數(shù)。紗線原料為棉粗紗;紗線特?cái)?shù)19.4 tex;紗線捻度77.1捻/10 cm;卷繞張力與氣圈底端張力比K取值1.7、μ取值0.25[9-11];錠子轉(zhuǎn)速：實(shí)測錠子轉(zhuǎn)速ns1為10 000 r/min，錠子轉(zhuǎn)速ns2位11 000 r/min;紡紗過程中使用不同頻率時(shí)紡紗張力在葉子板大概相同的一個(gè)卷繞層級(jí)過程對(duì)其張力變化進(jìn)行比較。

4.1 應(yīng)力及位移傳感器檢測信號(hào)分析

通過紗條張力在線檢測系統(tǒng)的在線檢測，讀取出錠子轉(zhuǎn)速不同，葉子板（鋼領(lǐng)板）升降位移的一個(gè)卷繞層級(jí)數(shù)據(jù)（假設(shè)兩次讀取的卷繞層級(jí)是在葉子板和鋼領(lǐng)板相同的位置），記錄數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可見：錠子轉(zhuǎn)速為11 000 r/min時(shí)，其升降過程所用的時(shí)間比錠子轉(zhuǎn)速10 000 r/min短;葉子板的升降和鋼領(lǐng)板的升降都是上升階段用時(shí)長，下降階段時(shí)間短（因上漲過程是在紗管上進(jìn)行卷繞，所以速度較慢，下降過程是給卷繞在紗管上的紗線加固，所以下降過程較快）;通過記錄的葉子板位移和鋼領(lǐng)板的位移，可以推導(dǎo)每個(gè)卷繞層級(jí)的氣圈高度H在底端大，在頂端小;通過記錄的葉子板位置和鋼領(lǐng)板位置，為在線勻張力紡紗調(diào)控技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

通過紗條張力在線檢測系統(tǒng)的在線檢測，取出每個(gè)葉子板（鋼領(lǐng)板）的卷繞層級(jí)過程中所測應(yīng)力Fy、Fz如圖8、圖9所示。通過圖8、圖9可以看出，張力傳感器水平張力Fy和垂直張力Fz的變化趨勢(shì)都是在葉子板（鋼領(lǐng)板）底端的時(shí)候較小，葉子板（鋼領(lǐng)板）頂端的時(shí)候較大。其波動(dòng)按理想模型應(yīng)該是光滑曲線變化，實(shí)際測量中受到氣圈形狀波動(dòng)、采集信息密度的影響，造成一定范圍的誤差。

4.2 環(huán)錠紡紗系統(tǒng)幾何參數(shù)變化規(guī)律分析

通過式（5）-式（7）函數(shù)關(guān)系，結(jié)合圖6-圖9可以得到幾何參數(shù)的變化趨勢(shì)如圖10、圖11、圖12所示。

從圖10-圖12可以看出，葉子板（鋼領(lǐng)板）的一個(gè)卷繞過程中幾何參數(shù)導(dǎo)紗角γ、氣圈頂角β、以及包圍角δ都呈現(xiàn)一定周期性的改變，在葉子板（鋼領(lǐng)板）底端的時(shí)候?qū)Ъ喗铅谩馊斀铅潞桶鼑铅亩驾^大，因此時(shí)刻氣圈高度高，氣圈半徑大;在葉子板（鋼領(lǐng)板）頂端的時(shí)候?qū)Ъ喗铅?、氣圈頂角β、以及包圍角δ都較小。因葉子板和鋼領(lǐng)板在相同階段，所以錠子轉(zhuǎn)速雖然不同，但是幾何參數(shù)的大小變化基本相同，因在紡紗過程中氣圈形態(tài)受到一些不可控因素的影響，引起氣圈半徑不規(guī)律導(dǎo)致其氣圈頂角β較不規(guī)律;因包圍角δ與導(dǎo)紗角γ和氣圈頂角β相關(guān)，所以包圍角δ變化較不規(guī)律。

4.3 環(huán)錠紡紗條張力變化分析

由式（8）-式（11）的函數(shù)關(guān)系結(jié)合圖10-圖12可以得出一個(gè)卷繞層級(jí)過程中4個(gè)紡紗張力的變化，如圖13所示。

由圖13可見：一個(gè)卷繞層級(jí)過程中在葉子板（鋼領(lǐng)板）底端的時(shí)候4個(gè)紡紗張力都較小，因?yàn)榇藭r(shí)刻雖然氣圈高度高，氣圈半徑大，但是卷繞半徑大，故4個(gè)紡紗張力較小;在葉子板（鋼領(lǐng)板）頂端的時(shí)候4個(gè)紡紗張力都較大，雖然此時(shí)氣圈高度低，氣圈半徑小，但此刻卷繞半徑小，故4個(gè)紡紗張力較大;在理想狀態(tài)下，其紡紗張力的變化應(yīng)該是規(guī)律的變化，實(shí)際測量中，因氣圈形態(tài)的不規(guī)律變化，導(dǎo)致其4個(gè)紡紗張力波動(dòng)性較大（雖有整體趨勢(shì)的規(guī)律，但在上升過程中有較散亂的變化）。轉(zhuǎn)速11 000 r/min的紡紗張力基本大于轉(zhuǎn)速10 000 r/min（其中在11 000 r/min紡紗張力存在部分異常是受到紡紗過程中一些不可控因素的影響），其轉(zhuǎn)速11 000 r/min最大張力比轉(zhuǎn)速10 000 r/min最大張力大約9.5%，故錠速越大，紡紗過程中受到的紡紗張力越大。從圖13中可以看出4個(gè)紡紗張力的大小排列為Tf

5 結(jié) 語

影響環(huán)錠紡的紡紗張力參數(shù)分為固定可變工藝參數(shù)和非固定可變參數(shù)，其中錠子轉(zhuǎn)速ns、鋼絲圈重量G、鋼領(lǐng)半徑R、紗線與導(dǎo)紗鉤之間的動(dòng)摩擦因素μ、卷繞張力與氣圈底端張力比K、紗線線密度m等參數(shù)屬于固定可變參數(shù);其中氣圈高度H、氣圈半徑Rq、卷繞半徑Rj、導(dǎo)紗鉤處紗線包圍角δ、導(dǎo)紗角γ、氣圈頂角β等參數(shù)屬于非固定可變參數(shù)。氣圈高度H、氣圈半徑Rq、卷繞半徑Rj參數(shù)的變化其本質(zhì)就是幾何參數(shù)包圍角δ、導(dǎo)紗角γ、氣圈頂角β的變化。安裝紡紗張力在線檢測裝置，由測試結(jié)果可知：4個(gè)紡紗張力與氣圈頂角β成反比;與包圍角δ、導(dǎo)紗角γ成正比;與在線檢測裝置檢測的垂直張力Fz成正比。通過在線檢測的水平張力Fy和垂直張力Fz結(jié)合檢測葉子板的位移，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)檢測紡紗張力。

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