竹節(jié)紗的數(shù)控紡紗原理及其捻度分布規(guī)律研究

趙洋洋，薛 元，徐志武，曾德軍

(1.生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122； 2.巢湖雅戈爾色紡科技有限公司，安徽 合肥 253000)

竹節(jié)紗具有豐富的表現(xiàn)力和獨(dú)特的外觀效應(yīng)，竹節(jié)紗織物已成為一種時尚符號流行于市[1-2]。由于竹節(jié)紗在紗線長度方向上的粗細(xì)變化對竹節(jié)紗的捻回分布具有影響，因此影響竹節(jié)紗的強(qiáng)力分布。目前對竹節(jié)紗捻度分布的研究已有報道[3-5],但大多是對竹節(jié)部分、過渡部分、基紗部分的平均捻度進(jìn)行研究，對捻回分布狀態(tài)未見研究。本文基于自主研發(fā)的三通道數(shù)碼環(huán)錠細(xì)紗機(jī)創(chuàng)新平臺進(jìn)行實(shí)驗，介紹該細(xì)紗機(jī)紡制竹節(jié)紗的紗線結(jié)構(gòu)，借助桿件扭轉(zhuǎn)模型分析影響竹節(jié)紗捻回分布的因素及其規(guī)律，紡制并測量不同設(shè)定捻度，不同竹節(jié)倍率、不同竹節(jié)長度與基紗長度比值下的竹節(jié)兩端每1 cm處的捻回分布規(guī)律，揭示竹節(jié)紗捻回分布的規(guī)律，為竹節(jié)紗的生產(chǎn)開發(fā)提供參考。

1 三通道數(shù)碼紡紡制竹節(jié)紗的原理

1.1 紡制原理

數(shù)碼紡紗是一種能對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(多個通道)為本質(zhì)特征[6]。三通道數(shù)碼環(huán)錠細(xì)紗機(jī)具有3個后羅拉，且由伺服電動機(jī)獨(dú)立控制，通過對3根粗紗對應(yīng)的后羅拉速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，異步牽伸，實(shí)現(xiàn)對紗線細(xì)度、混紡比等參數(shù)的調(diào)控。利用該設(shè)備生產(chǎn)的竹節(jié)紗，不僅能控制竹節(jié)紗粗細(xì)和竹節(jié)長度的變化，而且可進(jìn)一步控制原料組分(或色纖維混色比)，分段或漸變呈現(xiàn)出具有周期性變化的規(guī)律，生產(chǎn)原有竹節(jié)紡紗技術(shù)無法生產(chǎn)的竹節(jié)紗，實(shí)現(xiàn)了竹節(jié)紗的數(shù)碼生產(chǎn)[7-8]。三通道數(shù)碼細(xì)紗機(jī)牽伸示意圖如圖1所示。

1、2、3—后羅拉；4—集合器；5—中羅拉；6—皮圈；7—前羅拉。圖1 三通道數(shù)碼細(xì)紗機(jī)牽伸示意圖

3根粗紗分別喂入由伺服電動機(jī)獨(dú)立控制的后羅拉“1”“2”“3”，3根粗紗經(jīng)過集合器“4”進(jìn)入中羅拉“5”，經(jīng)過嵌套在中羅拉處的皮圈“6”，最后經(jīng)過前羅拉“7”完成牽伸過程。三通道數(shù)碼紡紗通過調(diào)控三通道喂入粗紗的速度使三通道喂入粗紗質(zhì)量產(chǎn)生波動，由此生產(chǎn)粗細(xì)變化的竹節(jié)紗[9]。由于3個后羅拉相互獨(dú)立，該細(xì)紗機(jī)可以通過單通道、雙通道以及三通道變速喂入3種方式紡制竹節(jié)紗產(chǎn)品[10]。設(shè)成紗線密度為ρy(t)，細(xì)節(jié)線密度為ρy，紡制時間為tj,粗節(jié)(竹節(jié))長度為l1,細(xì)節(jié)(基紗)長度為l2,后、中、前羅拉表面線速度為Vh、Vz、Vq，紡制粗節(jié)時后、中、前羅拉表面線速度相對于紡制細(xì)節(jié)時的變化量為ΔVh、ΔVz、ΔVq，i通道后羅拉表面線速度為Vhi。三通道數(shù)碼細(xì)紗機(jī)紡紗方式如下：

①粗紗1、3作為飾紗異步間歇喂入，粗紗2作為主紗連續(xù)喂入，成紗線密度為：

(1)

當(dāng)生產(chǎn)細(xì)節(jié)部分t1時間內(nèi)，Δρy=0，主紗2喂入，后羅拉“2”運(yùn)動，后羅拉“1”“3”靜止;當(dāng)生產(chǎn)粗節(jié)部分t2時間內(nèi)，Δρy≠0，后羅拉“3”靜止，根據(jù)混紡比的要求，使后羅拉“1”“2”運(yùn)動，粗紗1、2牽伸加捻形成粗節(jié)1;當(dāng)生產(chǎn)粗節(jié)部分t3時間內(nèi)，Δρy≠0，后羅拉“1”靜止，后羅拉“2”“3”運(yùn)動，粗紗1、3牽伸、加捻形成粗節(jié)2。

②粗紗1、3作為飾紗同步間歇式喂入，粗紗2作為主紗連續(xù)喂入，成紗線密度為：

(2)

當(dāng)生產(chǎn)細(xì)節(jié)部分t1時間內(nèi)，Δρy=0，后羅拉“1”“3”靜止，后羅拉“2”運(yùn)動，粗紗2牽伸，加捻形成細(xì)節(jié)，當(dāng)生產(chǎn)粗節(jié)部分t2時間內(nèi)，Δρy≠0，根據(jù)混紡比的要求，后羅拉“1”“2”“3”運(yùn)動，粗紗1、2、3經(jīng)牽伸、加捻形成粗節(jié)。

③粗紗1、3作為主紗連續(xù)喂入，粗紗2作為飾紗間歇喂入，成紗線密度為：

(3)

當(dāng)生產(chǎn)細(xì)節(jié)部分t1時間內(nèi)，Δρy=0，按照細(xì)節(jié)混紡比的要求，后羅拉“2”靜止，后羅拉“1”“3”運(yùn)動，粗紗1、3經(jīng)牽伸、加捻形成細(xì)節(jié);當(dāng)生產(chǎn)粗節(jié)部分t2時間內(nèi)，Δρy≠0，根據(jù)混紡比的要求，使3個后羅拉運(yùn)動，粗紗1、2、3加捻卷繞形成粗節(jié)。

④粗紗1、2、3同步喂入，成紗線密度為：

(4)

當(dāng)生產(chǎn)細(xì)節(jié)部分t1時間內(nèi)，Δρy=0，根據(jù)混紡比的要求，使3個后羅拉運(yùn)動，粗紗1、2、3經(jīng)牽伸、加捻形成細(xì)節(jié);當(dāng)生產(chǎn)粗節(jié)部分t2時間內(nèi)，Δρy≠0，根據(jù)混紡比的要求改變3個后羅拉的速度，粗紗1、2、3經(jīng)牽伸、加捻形成粗節(jié)。

本文采用方式③生產(chǎn)竹節(jié)紗(基紗部分黃、藍(lán)紗線組分比為5∶5，竹節(jié)部分黃、紅、藍(lán)紗線組分比為3∶4∶3)。在羅拉“1”處喂入藍(lán)色粗紗1，后羅拉“2”處喂入紅色粗紗2，后羅拉“3”處喂入黃色粗紗3，設(shè)定紡制基紗的時間為t1，紡制竹節(jié)的時間為t2；在t1時間內(nèi)，后羅拉“1”“3”以一定的速度運(yùn)動，后羅拉“2”保持靜止，實(shí)現(xiàn)黃、藍(lán)紗線組分比5∶5基紗部分的紡制；在t2時間內(nèi)，后羅拉“2”由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動狀態(tài)，使后羅拉“1”“2”“3”的速度相互配合，實(shí)現(xiàn)黃、紅、藍(lán)紗線組分比3∶4∶3竹節(jié)部分的紡制。

1.2 三通道數(shù)碼竹節(jié)紗的結(jié)構(gòu)

基紗部分：藍(lán)色粗紗1，黃色粗紗3，經(jīng)牽伸、加捻形成類似于雙股線的螺旋狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。竹節(jié)部分：藍(lán)色粗紗1，紅色粗紗2，黃色粗紗3，經(jīng)牽伸、加捻形成類似于三股線的螺旋狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

2 竹節(jié)紗的捻度分布及影響因素

2.1 捻度分布機(jī)制

三通道數(shù)碼紡紗機(jī)是在環(huán)錠紡的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，紗線的捻度大小由錠子轉(zhuǎn)速和前羅拉的線速度確定，理想狀態(tài)下整根紗線的捻度恒定。竹節(jié)紗在加捻過程中由于紗線直徑的變化使得竹節(jié)部分與基紗部分的極慣性矩不同，造成抗扭剛度產(chǎn)生差異。紗線處于穩(wěn)定狀態(tài)下時，整根紗線上各個橫截面的扭轉(zhuǎn)力矩相等，故而在紗線穩(wěn)定過程中，竹節(jié)部分的捻度會向基紗部分發(fā)生轉(zhuǎn)移，使得竹節(jié)部分捻度小于基紗部分捻度，從而造成竹節(jié)紗捻度分布不勻，竹節(jié)紗捻度分布狀態(tài)示意圖如圖4所示。

2.2 捻度分布的影響因素

在研究參數(shù)設(shè)定對竹節(jié)紗捻度分布影響的問題時，為使問題簡化，常將其視為均勻的介質(zhì)，不考慮漸細(xì)和漸粗的過渡區(qū)域，且忽略竹節(jié)和基紗2個部分內(nèi)部捻度分布不勻的問題，將其化簡為桿件的扭轉(zhuǎn)問題，竹節(jié)紗的形狀可用4個參數(shù)描述:竹節(jié)直徑d1、基紗直徑d2、竹節(jié)長度l1以及基紗長度l2[11]，其理論模型如圖5所示。

圖5 竹節(jié)紗理論模型

根據(jù)捻回守恒定律，一個循環(huán)周期內(nèi)，紗線的捻回數(shù)等于紗線的周期長度與設(shè)定捻度的乘積[12]。則竹節(jié)部分與基紗部分的捻度T1和T2與竹節(jié)長度、基紗長度、設(shè)定捻度的關(guān)系為:

T1l1+T2l2=T(l1+l2)

(5)

由竹節(jié)部分和基紗部分捻度T與扭轉(zhuǎn)力矩M、極慣性矩J，抗扭剛度G關(guān)系為：

(6)

(7)

可以解得竹節(jié)捻度、基紗捻度、設(shè)定捻度與竹節(jié)長度、基紗長度、竹節(jié)部分直徑、基紗部分直徑的關(guān)系為：

(8)

(9)

設(shè)定X為竹節(jié)倍率，X=(d1/d2)2，則有

(10)

(11)

從式(10)、(11)可以看出，影響竹節(jié)紗捻度分布的因素有4個，分別是竹節(jié)長度、基紗長度、竹節(jié)倍率和設(shè)定捻度。

①當(dāng)其他條件不變時，將式(10)、(11)分別對l1求導(dǎo)，得到：

(12)

(13)

②當(dāng)其他條件不變時，將式(10)、(11)分別對l2求導(dǎo)，得到：

(14)

(15)

③當(dāng)其他條件不變時，將式(10)、(11)分別對T求導(dǎo)，得到：

(16)

(17)

④當(dāng)其他條件不變時，將式(10)、(11)分別對X求導(dǎo)，得到：

(18)

(19)

在上述分析過程中，竹節(jié)長度與基紗長度對竹節(jié)捻度與基紗捻度的影響規(guī)律一致，當(dāng)竹節(jié)紗循環(huán)段長度一定時，竹節(jié)長度增加，基紗長度必定減少，則設(shè)定Y=l1/l2，Y為竹節(jié)長度與基紗長度的比值，則捻度表達(dá)式為：

(20)

(21)

當(dāng)其他條件不變時，將式(20)、(21)分別對Y求導(dǎo)，得到：

(22)

(23)

3 實(shí)驗部分

3.1 實(shí)驗原料及設(shè)備

原料為定量4.5 g/(10 m)的紅色純棉粗紗，定量4.7 g/(10 m)的藍(lán)色純棉粗紗，定量4.6 g/(10 m)的黃色純棉粗紗。紡紗設(shè)備為江南大學(xué)與經(jīng)緯股份榆次分公司聯(lián)合研制的JWF1551型三通道環(huán)錠數(shù)碼細(xì)紗機(jī)。

3.2 紡紗工藝設(shè)定

由式(16)、(17)可知，竹節(jié)長度與基紗長度的比值、竹節(jié)倍率及捻度的設(shè)定影響竹節(jié)紗捻度的分布，為探究不同參數(shù)對基紗部分捻度分布的影響，在三通道數(shù)碼紡紗機(jī)上通過三通道變速喂入紡制竹節(jié)紗。采用同樣的紅、黃、藍(lán)3根粗紗在10個不同錠子上進(jìn)行紡制，在錠速、基紗線密度等其他條件相同的情況下，分別改變竹節(jié)倍率、設(shè)定捻度以及竹節(jié)長度與基紗長度的比值紡制10種三通道數(shù)碼竹節(jié)紗線。設(shè)定竹節(jié)紗基紗線密度為27.7 tex，錠子轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，捻向為Z捻，改變設(shè)定捻度(60、65、70、75捻/(10 cm))、竹節(jié)倍率(1.5、2.0、2.5、3.0)、竹節(jié)長度與基紗長度的比值(14/34、20/28、24/24、28/20)紡制竹節(jié)紗并進(jìn)行捻度分布測試分析。紡紗參數(shù)如表1所示。

表1 三通道數(shù)碼竹節(jié)紗紡紗參數(shù)

3.3 測試與分析

基于黃、紅、藍(lán)3種粗紗以及三通道數(shù)碼紡竹節(jié)紗的螺旋狀結(jié)構(gòu)，為單位長度內(nèi)捻回數(shù)的直接測量提供了便捷，本文以黃色纖維繞紗線軸向旋轉(zhuǎn)360°為一個捻回，對各參數(shù)條件下竹節(jié)部分兩端一定距離內(nèi)每1 cm內(nèi)的捻回數(shù)進(jìn)行測量，測試示意圖如圖6 所示。

測試方法為：找到竹節(jié)紗的竹節(jié)部分，將其放置于一個平面的正中間，使紗線伸直，將其兩端固定以竹節(jié)段每厘米內(nèi)的捻回數(shù)為零點(diǎn)位置，分別向左右各延伸30、25、20 cm，讀取竹節(jié)長度內(nèi)的捻回數(shù)，并求其每厘米內(nèi)的捻回數(shù)以及左右兩端一定長度內(nèi)每厘米內(nèi)的捻回數(shù)(捻回數(shù)的個數(shù)計量以0.5為數(shù)量級)，每管紗線測量30次，并取其平均數(shù)。

3.3.1 竹節(jié)倍率對捻度分布的影響

對1.5、2.0、2.5、3.0竹節(jié)倍率時竹節(jié)部分兩端30 cm內(nèi)每1 cm內(nèi)的捻回數(shù)進(jìn)行測量，不同倍率下的捻回分布與設(shè)定捻度F的關(guān)系如圖7所示。

注： 橫坐標(biāo)0點(diǎn)位置為粗節(jié)處。下同。圖7 不同竹節(jié)倍率時的捻度分布圖

從圖7可以看出：

①隨著竹節(jié)倍率的增加，竹節(jié)部分的捻度減少，但減少幅度很小。竹節(jié)倍率的增加使得竹節(jié)部分的線密度變大，直徑相應(yīng)變大，抗扭剛度變大，竹節(jié)部分與基紗部分的抗扭剛度差異變大，更多的捻度向基紗部分傳遞，竹節(jié)部分的捻度降低。

② 4種不同竹節(jié)倍率下，竹節(jié)部分兩端均會出現(xiàn)高捻度的部分，隨著竹節(jié)倍率的增大，高捻度的數(shù)值增加并且高捻度的位置逐漸向竹節(jié)部分靠近；主要原因是竹節(jié)倍率增加，竹節(jié)部分與基紗部分的抗扭剛度差異增大，更多的捻回向基紗部分轉(zhuǎn)移，并在某一部分集聚，形成高捻度，抗扭剛度差異越大，捻回集聚越多。

③ 4種紗線兩端的捻度逐漸增大且在出現(xiàn)高捻后，捻度逐漸減少并趨近于設(shè)定捻度，竹節(jié)倍率越大，捻度會更快趨近于設(shè)定捻度。由于在紡制竹節(jié)部分時，竹節(jié)部分與基紗部分之間的直徑存在過渡段，抗扭剛度存在差異，捻度由竹節(jié)向兩端增大并集聚，隨后竹節(jié)段捻回傳遞的影響減弱，基紗段捻度減小趨于設(shè)定捻度。竹節(jié)倍率越大，捻度在某一位置的集聚越多，一定長度內(nèi)，紗線的捻回數(shù)恒定，出現(xiàn)高捻度后，捻回傳遞減弱，更快的趨近于設(shè)定捻度。

3.3.2 設(shè)定捻度對捻度分布的影響

測量設(shè)定捻度為60、65、70、75 捻/(10 cm)時竹節(jié)部分兩端各25 cm內(nèi)每厘米處的捻回數(shù)，則不同設(shè)定捻度下竹節(jié)紗捻回分布的規(guī)律如圖8所示。

圖8 不同設(shè)定捻度時的捻度分布圖

從圖8可以看出，隨著設(shè)定捻度的增加，竹節(jié)段、基紗段的捻度均增加，基紗段出現(xiàn)高捻度的位置遠(yuǎn)離竹節(jié)段。設(shè)定捻度增加，竹節(jié)部分與基紗部分的捻度會相應(yīng)增加，但由于竹節(jié)部分的捻度向基紗部分轉(zhuǎn)移，使基紗部分出現(xiàn)高捻度。另外，隨著設(shè)定捻度的增加，錠速不發(fā)生變化，則前羅拉的線速度會減小，伺服電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的時間增長，竹節(jié)段的捻度更趨近于設(shè)定捻度，另一方面前羅拉線速度的減小，延長了竹節(jié)部分向基紗部分捻回傳遞的時間，基紗部分出現(xiàn)高捻度部分的位置遠(yuǎn)離竹節(jié)部分。

3.3.3 竹節(jié)長度與基紗長度比值對捻度分布的影響

保持一個循環(huán)周期(48 cm)不變，測量竹節(jié)長度與基紗長度比值為14/34、20/28、24/24、28/20時竹節(jié)部分兩端20 cm內(nèi)每厘米處的捻回數(shù)，則不同竹節(jié)長度與基紗長度比值下捻度分布與設(shè)定捻度F的關(guān)系如圖9所示。

圖9 不同竹節(jié)長度與基紗長度比值下的捻度分布圖

從圖9可以看出：

①隨著竹節(jié)長度與基紗長度比值的增大，竹節(jié)部分的捻度增大，但低于設(shè)定捻度且隨著竹節(jié)長度與基紗長度比值的增大，竹節(jié)部分捻度增加的幅度減小。主要原因是隨著竹節(jié)長度的增加，在紡制竹節(jié)部分時電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的時間增長，竹節(jié)部分的捻度更趨近于設(shè)定捻度，當(dāng)竹節(jié)長度增大，電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行時間對捻度分布的影響減小，捻度增加的幅度較小，但由于竹節(jié)部分的直徑較大，抗扭剛度大于基紗部分，竹節(jié)部分的捻度會向基紗部分轉(zhuǎn)移，致使竹節(jié)部分的捻度小于設(shè)定捻度。

②隨著竹節(jié)長度與基紗長度比值的增大，竹節(jié)部分兩端的捻度快速達(dá)到高捻度狀態(tài)，并在高捻度附近上下波動。主要原因是竹節(jié)長度增加，基紗長度減少，竹節(jié)部分向基紗部分轉(zhuǎn)移更多的捻回分布于更少的基紗長度內(nèi)，致使基紗部分分布更多的捻回數(shù)，從而使基紗部分捻度整體高于設(shè)定捻度。

4 結(jié) 論

①影響捻度分布的因素有4個,分別為：竹節(jié)長度、基紗長度、竹節(jié)倍率、設(shè)定捻度。竹節(jié)倍率與竹節(jié)部分捻度呈負(fù)相關(guān)，與基紗部分捻度呈正相關(guān)，基紗長度與捻度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，竹節(jié)長度、設(shè)定捻度與捻度呈現(xiàn)正相關(guān)，且對基紗部分的捻度影響較大。

②竹節(jié)紗的捻回分布規(guī)律為：竹節(jié)部分的捻回數(shù)小于設(shè)定捻度，基紗部分某一位置會出現(xiàn)較高捻度，隨后趨于設(shè)定捻度。

③竹節(jié)倍率增加，竹節(jié)部分的捻度減少，基紗部分的高捻度位置靠近竹節(jié)部分，且捻回數(shù)集聚效應(yīng)增大；設(shè)定捻度增加，竹節(jié)部分與基紗部分的捻回增加，基紗部分的捻回增加更為明顯，捻度集聚效應(yīng)增大，基紗部分出現(xiàn)高捻度的位置偏離竹節(jié)部分；竹節(jié)長度與基紗長度總和不變，比值增大，竹節(jié)部分與基紗部分的捻度增加，竹節(jié)部分的增幅減少，基紗部分出現(xiàn)高捻度的位置向竹節(jié)部分靠近。