基于環(huán)錠紡的數(shù)碼紡紗方法

高衛(wèi)東, 郭明瑞, 薛 元, 楊瑞華, 王鴻博, 周 建

(江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214122)

基于環(huán)錠紡的數(shù)碼紡紗方法

高衛(wèi)東, 郭明瑞, 薛 元, 楊瑞華, 王鴻博, 周 建

(江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214122)

為擴(kuò)展環(huán)錠紡紗產(chǎn)品種類，通過(guò)對(duì)環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)后羅拉機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并借助程序控制的伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使后羅拉控制纖維喂入由單一鉗口變?yōu)槎鄠€(gè)鉗口，且各鉗口的喂入速度單獨(dú)可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)多根粗紗以不同速度的異步喂入，紡成的細(xì)紗具有線密度和纖維混紡比例可以沿長(zhǎng)度方向變化的特點(diǎn)(這種紡紗方法稱為數(shù)碼紡紗)。在構(gòu)建三通道粗紗數(shù)碼紡紗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以色紡為例，給出了數(shù)碼紗品種的分類方法，并就混色紗、漸變紗、段彩紗、竹節(jié)紗、彩節(jié)紗和雙變紗6類產(chǎn)品的變化特征作了分析。數(shù)碼紡紗方法在加工柔性和品種多樣化方面顯示出特有優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

數(shù)碼紡紗； 后羅拉速度； 異步牽伸； 混紡比； 線密度

紗線是將紡織纖維按一定的取向排列，并通過(guò)纖維的捻合或交纏抱合形成具有特定力學(xué)性能的細(xì)長(zhǎng)纖維集合體[1-3]，它是紡織品生產(chǎn)加工過(guò)程中重要的中間產(chǎn)品。研究紗線成形加工的科學(xué)內(nèi)涵，在于以纖維材料為對(duì)象，以紡織品的功能、風(fēng)格和舒適性的綜合最優(yōu)為目標(biāo)，調(diào)控紗線的結(jié)構(gòu)、外觀與性能，為紡織品的技術(shù)創(chuàng)新、功能創(chuàng)新、價(jià)值創(chuàng)新提供有效手段[4-6]。

廣義的紡紗是通過(guò)纖維開(kāi)松、梳理、成卷、成條、并合、牽伸、加捻、卷繞等工藝流程，將雜亂無(wú)序隨機(jī)排列的纖維加工成具一定線密度和捻度、內(nèi)部纖維高度取向的細(xì)條狀的纖維集合體。狹義的紡紗則僅僅是指細(xì)紗工序，通過(guò)細(xì)紗機(jī)將粗紗纖維須條牽伸、加捻、再卷繞得到紗線的過(guò)程[7]。經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，基于環(huán)錠紡的賽絡(luò)和集聚技術(shù)已取得重要進(jìn)展，普遍被新裝環(huán)錠細(xì)紗機(jī)所采用，并且在普通細(xì)紗機(jī)上加以改裝。還可將賽絡(luò)和集聚技術(shù)組合在一起應(yīng)用的，即集聚-賽絡(luò)紡，它們對(duì)提高細(xì)紗的強(qiáng)力、均勻條干和減少毛羽效果顯著，極大地改善了環(huán)錠紡細(xì)紗品質(zhì)[8]。然而，普通環(huán)錠紡、集聚紡所紡制的細(xì)紗與粗紗仍是同質(zhì)的，也就是二者的纖維混紡比是完全相同的，細(xì)紗與粗紗只是在細(xì)度和捻度上存在差異；賽絡(luò)紡所紡制的細(xì)紗來(lái)自2根粗紗，但細(xì)紗的纖維混紡比在紡紗過(guò)程中也是固定不變的。

本文提出的數(shù)碼紡紗是在一個(gè)細(xì)紗錠位上采用組合式后羅拉異步喂入多根粗紗，經(jīng)中、前羅拉牽伸，然后匯合加捻形成1根細(xì)紗。這種新型紡紗方法不同于2根粗紗喂入的賽絡(luò)紡，賽絡(luò)紡在紡紗時(shí)2根粗紗是同速喂入的，而數(shù)碼紡的多根粗紗是可以異速喂入的。本文將以3根粗紗輸入的(三通道)數(shù)碼紡紗為例，當(dāng)3根粗紗不同質(zhì)(可以是顏色不同，也可是纖維種類不同，本文均以不同顏色的粗紗為例)，則粗紗三通道異步喂入的結(jié)果將使紡制的細(xì)紗與任何一根粗紗都不同質(zhì)，且這種不同質(zhì)是可以通過(guò)對(duì)后羅拉速度的程序控制，在紡紗過(guò)程在線變化，由此，一種全新結(jié)構(gòu)和特征的紗線伴隨著數(shù)碼紡紗技術(shù)而產(chǎn)生。

1 數(shù)碼紡紗系統(tǒng)

1.1 數(shù)碼紡紗的定義

數(shù)碼紡紗是一種能對(duì)所紡制紗線的纖維比例及紗線細(xì)度進(jìn)行在線變化控制的紡紗方法，它以多根粗紗異速喂入(多個(gè)通道)為本質(zhì)特征。數(shù)碼紡紗猶如數(shù)碼噴墨印花(數(shù)碼噴墨印花是根據(jù)圖案設(shè)計(jì)由噴頭噴射出不同顏色墨水量，在織物上形成豐富多彩的圖案)，對(duì)于三通道粗紗數(shù)碼紡紗而言，原來(lái)的單一后羅拉被左、中、右3只同軸異速的組合式后羅拉所取代，紡紗時(shí)根據(jù)紗線設(shè)計(jì)要求程序控制驅(qū)動(dòng)3只后羅拉的伺服電動(dòng)機(jī)速度，經(jīng)過(guò)后羅拉的3個(gè)通道輸入不同量的纖維須條，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維組分比例和紗線線密度的在線控制[9-10]。數(shù)碼紡紗技術(shù)構(gòu)建了以紗線長(zhǎng)度為自變量、以纖維組分比例和紗線線密度為因變量的紗線特征函數(shù)，這種變化的紗線品種稱為數(shù)碼紗。

1.2 三通道粗紗異步喂入機(jī)構(gòu)

在環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)上，三通道粗紗數(shù)碼紡紗是將后羅拉的機(jī)械結(jié)構(gòu)加以嵌套設(shè)計(jì)，使得原有的后羅拉控制纖維喂入由單一鉗口變?yōu)?個(gè)鉗口，3只后羅拉借助于各自程序控制的伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)多根粗紗以不同速度的異速喂入。3根粗紗喂入的數(shù)碼紡紗機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中，1、2、3為左、中、右3個(gè)相互嵌套的軸和軸套組成的組合后羅拉，4、5、6為與3只后羅拉相對(duì)應(yīng)的3只后皮輥，它們組成3根粗紗的3個(gè)喂入鉗口，7、8為中皮輥和中羅拉，9、10為前皮輥和前羅拉，原前、中羅拉和皮輥的結(jié)構(gòu)型式?jīng)]有改變。紡紗過(guò)程中11、12、13這3根粗紗按照紗線設(shè)計(jì)要求在后羅拉處以不同的速度喂入，而在中、前羅拉處3根粗紗須條的速度是相同的，因此，發(fā)生在后-中羅拉區(qū)間的牽伸對(duì)于3根粗紗而言是異步進(jìn)行，而發(fā)生在中-前羅拉區(qū)間的牽伸3根粗紗是同步進(jìn)行，這就使得3根粗紗受到不同倍率的牽伸，然后再并合交匯，經(jīng)加捻形成紗線。

1.3 三通道粗紗異速喂入的控制系統(tǒng)

三通道粗紗異速喂入紡紗的控制系統(tǒng)如圖2所示。由圖可看到，牽伸、加捻和卷繞成型機(jī)構(gòu)采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并由PLC進(jìn)行程序控制。在普通的環(huán)錠紡紗機(jī)電子牽伸中，后羅拉是用一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，而在三通道粗紗異速喂入的數(shù)碼紡紗系統(tǒng)中每個(gè)錠位的左、中、右3只后羅拉是用3只伺服電機(jī)分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。

上機(jī)時(shí)根據(jù)3根色粗紗的擺放位置，確定各自的喂入通道，根據(jù)紗線設(shè)計(jì)要求，編制控制系統(tǒng)軟件，使控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)左、中、右3只伺服電動(dòng)機(jī)按照一定的時(shí)序完成速度指令，輸入不等量的纖維須條，在線變化3根粗紗纖維的配比，紡制出特定的數(shù)碼紗品種。

2 數(shù)碼紡紗線密度和混紡(色)比計(jì)算

2.1 線密度的計(jì)算

線密度是紗線的重要規(guī)格參數(shù)，在圖1所示的數(shù)碼紡紗系統(tǒng)中，設(shè)3根粗紗的線密度分別為ρi(i=1,2,3)，經(jīng)由各自獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的3個(gè)并行的后羅拉系統(tǒng)喂入，對(duì)應(yīng)于紗線品種設(shè)計(jì)，通過(guò)控制程序使得后羅拉的速度分別為Vi，則3根粗紗分別被牽伸Ei倍后，在前羅拉鉗口處匯合以速度Vq進(jìn)入環(huán)錠加捻系統(tǒng)進(jìn)行加捻，即形成3色混色紗(或3組分混紡紗)，所紡制紗線的線密度ρ為

(1)

式中

(2)

由于一般情況下，給定粗紗的線密度ρi是恒定的，因此，可通過(guò)改變牽伸倍數(shù)Ei來(lái)控制所紡紗線的線密度ρ。若3根粗紗的線密度相同為ρ′，這種情況下

(3)

若3根粗紗的牽伸倍數(shù)Ei分別為50、60、70，則成紗線密度為ρ′/19.6。

在普通的環(huán)錠紡系統(tǒng)中，粗紗是以單根方式喂入的，上機(jī)后的粗紗線密度和牽伸倍數(shù)均為恒定值，從而細(xì)紗的線密度也是恒定的；在賽絡(luò)紡紗系統(tǒng)中，雖然喂入2根粗紗，但由于2根粗紗的喂入速度相同，因此，細(xì)紗的線密度ρ在紡紗過(guò)程中仍然是恒定不變的。在紡制竹節(jié)紗時(shí)，通過(guò)提高喂入量降低牽伸倍數(shù)，使得局部線密度增大，形成竹節(jié)。

對(duì)于數(shù)碼紡紗系統(tǒng)而言，Vq在紡紗過(guò)程中是恒定的，而Ei是由后羅拉速度Vi確定的,若在線改變纖維組分的同時(shí)還要保持所紡制紗線的線密度不變，則在提高一種粗紗纖維組分喂入量的同時(shí)，必須同時(shí)減少其他粗紗纖維組分的喂入，也就是提升某只后羅拉的轉(zhuǎn)速時(shí)，必須同時(shí)降低其他后羅拉的轉(zhuǎn)速。

2.2 混紡比的計(jì)算

在數(shù)碼紡紗系統(tǒng)中，纖維在所紡紗線中比例αi的計(jì)算公式為

(4)

當(dāng)3根粗紗的定量相同時(shí)，則纖維所占混紡比分別為

(5)

(6)

(7)

由此可以看出，在三通道粗紗數(shù)碼紡紗系統(tǒng)中，成紗中每根粗紗纖維的混紡(色)比不僅取決于其粗紗牽伸倍數(shù)的高低，還取決于另2種粗紗的牽伸倍數(shù)。若3根粗紗的線密度相同，以牽伸倍數(shù)分別為50、60、70為例，則3根粗紗纖維的混紡比為39.3/32.7/28.0。在紡制線密度恒定的產(chǎn)品時(shí)，如果設(shè)定3根粗紗的牽伸倍數(shù)在紡紗過(guò)程中不發(fā)生變化，則紗線的混紡比恒定，紗線為普通混紡紗(混色紗)；如果通過(guò)控制程序設(shè)定，在紡紗過(guò)程中提高其中1種粗紗的喂入量，則至少有1根粗紗的喂入量必須隨之減少，因此，數(shù)碼紡紗的本質(zhì)特征就是在線改變3種粗紗的牽伸倍數(shù)組合，達(dá)到在線改變纖維混紡比例，從而紡制出一種新穎的紗線，即截面內(nèi)纖維組分比例隨紗線長(zhǎng)度變化的紗線。對(duì)于色紡紗而言，變化3根顏色不同的粗紗的喂入量，便可紡制一系列色紡紗線。

3 數(shù)碼紗的種類

3.1 線密度恒定的數(shù)碼紗

3.1.1 混色紗

按照紗線設(shè)計(jì)的混紡比要求，上機(jī)時(shí)通過(guò)設(shè)定3根粗紗各自的喂入速度，在紡紗過(guò)程中達(dá)到混紡比要求并保持恒定。圖3示出紅、藍(lán)、黃3種顏色的粗紗。圖中上半部分為按紅/藍(lán)/黃(20/30/50)混色比的紗線，下半部分為按紅/藍(lán)/黃(50/30/20)混色比的紗線。

在數(shù)碼紡紗系統(tǒng)中，混色紗是基于粗紗所提供的3種色彩，按指定比例將3根粗紗包含的色纖維進(jìn)行配置并經(jīng)混合加捻后成紗，與傳統(tǒng)色紡技術(shù)不同，數(shù)碼紡紗的纖維混合是在細(xì)紗機(jī)上實(shí)現(xiàn)，因而簡(jiǎn)化了前紡工序的工作負(fù)荷，縮短了加工流程和加工時(shí)間，可以做到小批量、多品種和快速反應(yīng)，紗線的混色比設(shè)定靈活、便捷。

3.1.2 變色紗

在紡紗過(guò)程中，混色比不再恒定，3根粗紗中至少有1根粗紗的喂入量是以漸增(或漸減)形式變化的，而其余粗紗作相應(yīng)變化并保持纖維總喂入量不變，以保持紗線的線密度恒定。變色紗的色彩漸變效果如圖4所示。在整根紗線上呈現(xiàn)出色彩漸變效應(yīng)，即由一種色彩狀態(tài)A逐漸過(guò)渡到另一種色彩狀態(tài)B，若以A、B 2種色彩RGB值為邊界，通過(guò)插值計(jì)算得逐點(diǎn)色彩漸變的RGB值，并將其作為配置纖維比例的依據(jù)即可得到色彩漸變效果，在一定長(zhǎng)度的紗線上實(shí)現(xiàn)多種色彩的逐漸過(guò)渡，變色紗能充分體現(xiàn)數(shù)碼紡紗的加工特點(diǎn)，它和通過(guò)扎染、噴染、吊染等工藝產(chǎn)生的色彩效果相比而言，具有色彩分布可控、重現(xiàn)性好、加工效率高的特點(diǎn)。

3.1.3 段彩紗

在喂入總量恒定的情形下，3根粗紗依次喂入或3根粗紗依次兩兩按給定比例喂入，則在整根紗線上呈現(xiàn)分段色彩效應(yīng)。圖5示出黃、藍(lán)、紅三色依次單色喂入所形成的段彩紗。

在該情形下，基于粗紗所提供的3種色彩，按指定紗線長(zhǎng)度將3根粗紗所包含的色纖維分段分布在紗線長(zhǎng)度方向上，通過(guò)在紡紗過(guò)程中分時(shí)段將粗紗所包含的色纖維進(jìn)行喂入得到。通過(guò)數(shù)碼紡紗系統(tǒng)紡制的段彩紗與通過(guò)后道染色制得的段染紗相比，段彩紗可避免過(guò)于規(guī)整，顏色數(shù)少，段彩花型重現(xiàn)難等局限性，從而為段彩色紡織物的開(kāi)發(fā)提供了更為有效的手段。

3.2 線密度變化的數(shù)碼紗

3.2.1 竹節(jié)紗

在混色紗、變色紗和段彩紗的紡制過(guò)程中，如果將纖維的總喂入量突然增大，將出現(xiàn)竹節(jié)。數(shù)碼紗的線密度增大，若竹節(jié)部分3種色纖維的比例仍然與基紗相同，則形成的紗線稱之為竹節(jié)紗，如圖6所示。

在數(shù)碼紡紗系統(tǒng)中，紗線的線密度可增大也可變小，線密度變化頻率可密可疏，如點(diǎn)狀竹節(jié)紗、短片段竹節(jié)紗、長(zhǎng)片段竹節(jié)紗，且線密度及色彩的變化均具有良好的可重復(fù)性和再現(xiàn)性。

3.2.2 彩節(jié)紗

在混色紗、變色紗和段彩紗的紡制過(guò)程中，若3種色纖維的瞬態(tài)總喂入量增大，且增大部分的3種色纖維的比例不再與基紗相同，則竹節(jié)部分的色彩與基紗將形成反差，形成的紗線稱為彩節(jié)紗，彩節(jié)的星羅棋布起到裝飾美化的效果，如圖7所示。

3.2.3 雙變紗

在數(shù)碼紡紗過(guò)程中，若紗線的線密度發(fā)生變化，且是比較緩和的漸變的，同時(shí)3根粗紗纖維的喂入比例也在變化，即紗線的線密度伴隨著混紡比一道變化，所形成的紗線稱為雙變紗，如圖8所示。由圖可見(jiàn)，紗線的花式變化更為絢麗多姿，層出不窮。

4 結(jié) 語(yǔ)

在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上，對(duì)后羅拉的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行嵌套設(shè)計(jì)，將后羅拉控制纖維喂入由單一鉗口變?yōu)槿ǖ绬为?dú)驅(qū)動(dòng)喂入，實(shí)現(xiàn)了多根粗紗異速喂入的數(shù)碼紡紗技術(shù)。

在國(guó)家“2025智能制造”大背景下，以信息數(shù)控為基礎(chǔ)的數(shù)碼紡紗技術(shù)必將推動(dòng)紡紗技術(shù)的發(fā)展，將在紗線和織物產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)方面帶來(lái)深刻的變化。與此同時(shí)，隨著環(huán)保政策對(duì)紡織的限制越來(lái)越嚴(yán)格，采用色紡工藝加工紡織品可便于對(duì)環(huán)境污染的控制，并能大大縮短紡織品加工流程，最終促使色紡產(chǎn)品更多地取代印染產(chǎn)品，為數(shù)碼紡紗技術(shù)提供更廣闊的應(yīng)用空間。我國(guó)是環(huán)錠紡大國(guó)，在色紡紗領(lǐng)域一直保持著明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，數(shù)碼紡紗作為原創(chuàng)技術(shù)，通過(guò)其在加工柔性、品種多樣性等方面潛力的進(jìn)一步挖掘，將為我國(guó)紡紗產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展注入新的動(dòng)力。

FZXB

[1] ALAMDAR-YAZDI A, HEPPLER G R. Abrasion behavior of yarns at right angle for ring and rotor spun yarn [J]. Fibres & Textiles in Eastern Europe, 2012, 20(6): 54-57.

[2] CHATTOPADHYAY R, TYAGI G K, GOYAL A. Studies of the hybrid effect in mechanical properties of tencel blended ring-, rotor- and air-jet spun yarns [J]. The Journal of the Textile Institute, 2013, 104(3): 339-349.

[3] NAEEM M A, YU W D, ZHENG Y H, et al. Structure and spinning of composite yarn based on the multifilament spreading method using a modified ring frame [J]. Textile Research Journal, 2014, 84(19): 2074-2084.

[4] GUO Y, FENG J, YIN Rong. Investigation and evaluation on fine upland cotton blend yarns made by the modified ring spinning system [J]. Textile Research Journal, 2015, 85(13): 1355-1366.

[5] XIA Z G, XU W L. A review of ring staple yarn spinning method development and its trend prediction [J]. Journal of Natural Fibers, 2013, 10(1): 62-81.

[6] 陳維稷.中國(guó)紡織科學(xué)技術(shù)史：古代部分[M]. 北京:科學(xué)出版社, 1984:172-186. CHEN Weiji. The History of Chinese Textile Science and Technology： Ancient Part[M]. Beijing: Science Press, 1984:172-186.

[7] 王善元, 于修業(yè). 新型紡織紗線[M]. 上海: 東華大學(xué)出版社, 2007:14-17. WANG Shanyuan, YU Xiuye. New Textile Yarns [M]. Shanghai: Donghua University Press, 2007:14-17.

[8] 沈偉信.環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的創(chuàng)新與發(fā)展[J]. 裝備機(jī)械, 2011(4):8-11. SHEN Weixin. Development of ring spinning frame[J]. The Magazine on Equipment Machinery, 2011(4): 8-11.

[9] 薛元, 王鴻博, 周建, 等.三組分異同步牽伸調(diào)控紗線線密度及混紡比的方法及裝置: 中國(guó), CN 201510140466.6[P]. 2015-03-27. XUE Yuan, WANG Hongbo, ZHOU Jian, et al. The method and device of three-component asynchronously or synchronously drafting to adjust the linear density and blending ratio of a yarn: China, CN 201510140466.6[P]. 2015-03-27.

[10] 薛元, 王鴻博, 周建，等. 三組分異步牽伸動(dòng)態(tài)配置紗線線密度和混紡比的方法及裝置: PCT, PCT/CN2015/085269[P]. 2015-07-28. XUE Yuan, WANG Hongbo, ZHOU Jian, et al. The method and device of three-component asynchronously drafting to dynamically adjust the linear density and blending ratio of a yarn. PCT Patent: PCT/CN2015/085269[P]. 2015-07-28.

Digital spinning method devoloped from ring spinning

GAO Weidong， GUO Mingrui， XUE Yuan， YANG Ruihua， WANG Hongbo， ZHOU Jian

(CollegeofTextileandClothing,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In order to extend product variety of ring spinning system, the mechanical structure of back rollers on ring spinning system was creatively redesigned. This new design increases the feeding nip of back rollers in one spinning unit from single to multiple, and each back roller is driven by a servo motor. The feeding speed of each nip can be separately adjusted to realize the asynchronous feeding of several rovings. The linear density or blending ratio of the yarn spun by this system varied along the lengthwise direction, and this spinning method is defined as digital ring spinning. Based on the Digital Ring Spinning of three rovings, taking the colored spun yarn as an example, the digital spun yarns could be classified as melange yarn, gradient color yarn, section color yarn, slub yarn, slub color yarn and bivariate yarn, and the characteristics of the six yarns were also analyzed. The advantages in flexible processing and product diversification of this spinning method are well shown.

digital ring spinning； back roller speed； asynchronous drafting； blending ratio； linear density

10.13475/j.fzxb.20160201105

2016-02-03

2016-04-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51403085)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20130148)；浙江省重大科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2014C01038)；中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)應(yīng)用基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目(J201506)；中央高校基金科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(JOSRP51631A)

高衛(wèi)東(1959—)，男，教授。從事紡織技術(shù)、紡織材料與紡織品研究。E-mail:gaowd3@163.com。

TS 104.1

A