基于環錠紡的數碼紡紗方法

高衛東, 郭明瑞, 薛 元, 楊瑞華, 王鴻博, 周 建

(江南大學 紡織服裝學院， 江蘇 無錫 214122)

基于環錠紡的數碼紡紗方法

高衛東, 郭明瑞, 薛 元, 楊瑞華, 王鴻博, 周 建

(江南大學 紡織服裝學院， 江蘇 無錫 214122)

為擴展環錠紡紗產品種類，通過對環錠紡細紗機后羅拉機械結構的創新設計，并借助程序控制的伺服電動機驅動，使后羅拉控制纖維喂入由單一鉗口變為多個鉗口，且各鉗口的喂入速度單獨可調，從而實現多根粗紗以不同速度的異步喂入，紡成的細紗具有線密度和纖維混紡比例可以沿長度方向變化的特點(這種紡紗方法稱為數碼紡紗)。在構建三通道粗紗數碼紡紗系統的基礎上，以色紡為例，給出了數碼紗品種的分類方法，并就混色紗、漸變紗、段彩紗、竹節紗、彩節紗和雙變紗6類產品的變化特征作了分析。數碼紡紗方法在加工柔性和品種多樣化方面顯示出特有優勢和發展潛力。

數碼紡紗； 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，并通過纖維的捻合或交纏抱合形成具有特定力學性能的細長纖維集合體[1-3]，它是紡織品生產加工過程中重要的中間產品。研究紗線成形加工的科學內涵，在于以纖維材料為對象，以紡織品的功能、風格和舒適性的綜合最優為目標，調控紗線的結構、外觀與性能，為紡織品的技術創新、功能創新、價值創新提供有效手段[4-6]。

廣義的紡紗是通過纖維開松、梳理、成卷、成條、并合、牽伸、加捻、卷繞等工藝流程，將雜亂無序隨機排列的纖維加工成具一定線密度和捻度、內部纖維高度取向的細條狀的纖維集合體。狹義的紡紗則僅僅是指細紗工序，通過細紗機將粗紗纖維須條牽伸、加捻、再卷繞得到紗線的過程[7]。經過近20年的發展，基于環錠紡的賽絡和集聚技術已取得重要進展，普遍被新裝環錠細紗機所采用，并且在普通細紗機上加以改裝。還可將賽絡和集聚技術組合在一起應用的，即集聚-賽絡紡，它們對提高細紗的強力、均勻條干和減少毛羽效果顯著，極大地改善了環錠紡細紗品質[8]。然而，普通環錠紡、集聚紡所紡制的細紗與粗紗仍是同質的，也就是二者的纖維混紡比是完全相同的，細紗與粗紗只是在細度和捻度上存在差異；賽絡紡所紡制的細紗來自2根粗紗，但細紗的纖維混紡比在紡紗過程中也是固定不變的。

本文提出的數碼紡紗是在一個細紗錠位上采用組合式后羅拉異步喂入多根粗紗，經中、前羅拉牽伸，然后匯合加捻形成1根細紗。這種新型紡紗方法不同于2根粗紗喂入的賽絡紡，賽絡紡在紡紗時2根粗紗是同速喂入的，而數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)數碼紡紗為例，當3根粗紗不同質(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果將使紡制的細紗與任何一根粗紗都不同質，且這種不同質是可以通過對后羅拉速度的程序控制，在紡紗過程在線變化，由此，一種全新結構和特征的紗線伴隨著數碼紡紗技術而產生。

1 數碼紡紗系統

1.1 數碼紡紗的定義

數碼紡紗是一種能對所紡制紗線的纖維比例及紗線細度進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)為本質特征。數碼紡紗猶如數碼噴墨印花(數碼噴墨印花是根據圖案設計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)，對于三通道粗紗數碼紡紗而言，原來的單一后羅拉被左、中、右3只同軸異速的組合式后羅拉所取代，紡紗時根據紗線設計要求程序控制驅動3只后羅拉的伺服電動機速度，經過后羅拉的3個通道輸入不同量的纖維須條，實現對纖維組分比例和紗線線密度的在線控制[9-10]。數碼紡紗技術構建了以紗線長度為自變量、以纖維組分比例和紗線線密度為因變量的紗線特征函數，這種變化的紗線品種稱為數碼紗。

1.2 三通道粗紗異步喂入機構

在環錠紡細紗機上，三通道粗紗數碼紡紗是將后羅拉的機械結構加以嵌套設計，使得原有的后羅拉控制纖維喂入由單一鉗口變為3個鉗口，3只后羅拉借助于各自程序控制的伺服電動機驅動，從而實現多根粗紗以不同速度的異速喂入。3根粗紗喂入的數碼紡紗機械結構如圖1所示。

圖中，1、2、3為左、中、右3個相互嵌套的軸和軸套組成的組合后羅拉，4、5、6為與3只后羅拉相對應的3只后皮輥，它們組成3根粗紗的3個喂入鉗口，7、8為中皮輥和中羅拉，9、10為前皮輥和前羅拉，原前、中羅拉和皮輥的結構型式沒有改變。紡紗過程中11、12、13這3根粗紗按照紗線設計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，發生在后-中羅拉區間的牽伸對于3根粗紗而言是異步進行，而發生在中-前羅拉區間的牽伸3根粗紗是同步進行，這就使得3根粗紗受到不同倍率的牽伸，然后再并合交匯，經加捻形成紗線。

1.3 三通道粗紗異速喂入的控制系統

三通道粗紗異速喂入紡紗的控制系統如圖2所示。由圖可看到，牽伸、加捻和卷繞成型機構采用伺服電動機驅動，并由PLC進行程序控制。在普通的環錠紡紗機電子牽伸中，后羅拉是用一個伺服電動機傳動，而在三通道粗紗異速喂入的數碼紡紗系統中每個錠位的左、中、右3只后羅拉是用3只伺服電機分別獨立驅動。

上機時根據3根色粗紗的擺放位置，確定各自的喂入通道，根據紗線設計要求，編制控制系統軟件，使控制系統驅動左、中、右3只伺服電動機按照一定的時序完成速度指令，輸入不等量的纖維須條，在線變化3根粗紗纖維的配比，紡制出特定的數碼紗品種。

2 數碼紡紗線密度和混紡(色)比計算

2.1 線密度的計算

線密度是紗線的重要規格參數，在圖1所示的數碼紡紗系統中，設3根粗紗的線密度分別為ρi(i=1,2,3)，經由各自獨立驅動的3個并行的后羅拉系統喂入，對應于紗線品種設計，通過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進入環錠加捻系統進行加捻，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，可通過改變牽伸倍數Ei來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Ei分別為50、60、70，則成紗線密度為ρ′/19.6。

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

對于數碼紡紗系統而言，Vq在紡紗過程中是恒定的，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，必須同時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速時，必須同時降低其他后羅拉的轉速。

2.2 混紡比的計算

在數碼紡紗系統中，纖維在所紡紗線中比例αi的計算公式為

(4)

當3根粗紗的定量相同時，則纖維所占混紡比分別為

(5)

(6)

(7)

由此可以看出，在三通道粗紗數碼紡紗系統中，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的高低，還取決于另2種粗紗的牽伸倍數。若3根粗紗的線密度相同，以牽伸倍數分別為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品時，如果設定3根粗紗的牽伸倍數在紡紗過程中不發生變化，則紗線的混紡比恒定，紗線為普通混紡紗(混色紗)；如果通過控制程序設定，在紡紗過程中提高其中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，數碼紡紗的本質特征就是在線改變3種粗紗的牽伸倍數組合，達到在線改變纖維混紡比例，從而紡制出一種新穎的紗線，即截面內纖維組分比例隨紗線長度變化的紗線。對于色紡紗而言，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 數碼紗的種類

3.1 線密度恒定的數碼紗

3.1.1 混色紗

按照紗線設計的混紡比要求，上機時通過設定3根粗紗各自的喂入速度，在紡紗過程中達到混紡比要求并保持恒定。圖3示出紅、藍、黃3種顏色的粗紗。圖中上半部分為按紅/藍/黃(20/30/50)混色比的紗線，下半部分為按紅/藍/黃(50/30/20)混色比的紗線。

在數碼紡紗系統中，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行配置并經混合加捻后成紗，與傳統色紡技術不同，數碼紡紗的纖維混合是在細紗機上實現，因而簡化了前紡工序的工作負荷，縮短了加工流程和加工時間，可以做到小批量、多品種和快速反應，紗線的混色比設定靈活、便捷。

3.1.2 變色紗

在紡紗過程中，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。在整根紗線上呈現出色彩漸變效應，即由一種色彩狀態A逐漸過渡到另一種色彩狀態B，若以A、B 2種色彩RGB值為邊界，通過插值計算得逐點色彩漸變的RGB值，并將其作為配置纖維比例的依據即可得到色彩漸變效果，在一定長度的紗線上實現多種色彩的逐漸過渡，變色紗能充分體現數碼紡紗的加工特點，它和通過扎染、噴染、吊染等工藝產生的色彩效果相比而言，具有色彩分布可控、重現性好、加工效率高的特點。

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分段色彩效應。圖5示出黃、藍、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，按指定紗線長度將3根粗紗所包含的色纖維分段分布在紗線長度方向上，通過在紡紗過程中分時段將粗紗所包含的色纖維進行喂入得到。通過數碼紡紗系統紡制的段彩紗與通過后道染色制得的段染紗相比，段彩紗可避免過于規整，顏色數少，段彩花型重現難等局限性，從而為段彩色紡織物的開發提供了更為有效的手段。

3.2 線密度變化的數碼紗

3.2.1 竹節紗

在混色紗、變色紗和段彩紗的紡制過程中，如果將纖維的總喂入量突然增大，將出現竹節。數碼紗的線密度增大，若竹節部分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紗，如圖6所示。

在數碼紡紗系統中，紗線的線密度可增大也可變小，線密度變化頻率可密可疏，如點狀竹節紗、短片段竹節紗、長片段竹節紗，且線密度及色彩的變化均具有良好的可重復性和再現性。

3.2.2 彩節紗

在混色紗、變色紗和段彩紗的紡制過程中，若3種色纖維的瞬態總喂入量增大，且增大部分的3種色纖維的比例不再與基紗相同，則竹節部分的色彩與基紗將形成反差，形成的紗線稱為彩節紗，彩節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

在數碼紡紗過程中，若紗線的線密度發生變化，且是比較緩和的漸變的，同時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，紗線的花式變化更為絢麗多姿，層出不窮。

4 結 語

在環錠細紗機上，對后羅拉的機械結構進行嵌套設計，將后羅拉控制纖維喂入由單一鉗口變為三通道單獨驅動喂入，實現了多根粗紗異速喂入的數碼紡紗技術。

在國家“2025智能制造”大背景下，以信息數控為基礎的數碼紡紗技術必將推動紡紗技術的發展，將在紗線和織物產品的開發方面帶來深刻的變化。與此同時，隨著環保政策對紡織的限制越來越嚴格，采用色紡工藝加工紡織品可便于對環境污染的控制，并能大大縮短紡織品加工流程，最終促使色紡產品更多地取代印染產品，為數碼紡紗技術提供更廣闊的應用空間。我國是環錠紡大國，在色紡紗領域一直保持著明顯的競爭優勢，數碼紡紗作為原創技術，通過其在加工柔性、品種多樣性等方面潛力的進一步挖掘，將為我國紡紗產業可持續發展注入新的動力。

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.中國紡織科學技術史：古代部分[M]. 北京:科學出版社, 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. 新型紡織紗線[M]. 上海: 東華大學出版社, 2007:14-17. WANG Shanyuan, YU Xiuye. New Textile Yarns [M]. Shanghai: Donghua University Press, 2007:14-17.

[8] 沈偉信.環錠細紗機的創新與發展[J]. 裝備機械, 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控紗線線密度及混紡比的方法及裝置: 中國, 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. 三組分異步牽伸動態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

國家自然科學基金項目(51403085)；江蘇省自然科學基金項目(BK20130148)；浙江省重大科技專項資助項目(2014C01038)；中國紡織工業聯合會應用基礎研究資助項目(J201506)；中央高?；鹂蒲袠I務費專項資金項目(JOSRP51631A)

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

TS 104.1

A