并條機后區牽伸倍數的模擬設計

高志娟， 郁崇文,2

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620)

并條機后區牽伸倍數的模擬設計

高志娟1， 郁崇文1,2

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620)

為快速確定不同條子并條工藝的后區牽伸倍數，采用拉伸的方法模擬并條機后牽伸區的牽伸，進行后區牽伸倍數的設計，并以棉、滌綸和粘膠為原料進行實驗。結果表明，拉伸曲線和牽伸力-牽伸倍數曲線有很大的相似性。由拉伸曲線中最大拉伸力所對應的伸長轉化而來的牽伸倍數和并條牽伸力測試的實驗數據擬合的三次方程得出的最大牽伸力所對應的牽伸倍數非常接近，此牽伸倍數下牽伸力不勻和并條牽伸后輸出須條的條干不勻都小，故根據拉伸曲線的結果來設計并條機的后區牽伸倍數是可行的，為并條機后區牽伸倍數的快速離線設計提供了參考。

并條機； 拉伸； 牽伸； 后區牽伸倍數； 條子

并條機的牽伸是紡紗過程中的重要步驟，與成紗質量有著極其密切的關系，尤其后區牽伸倍數的合理確定對輸出產品質量的影響非常關鍵。牽伸倍數與牽伸力有著對應的關系，但在不同的原料性能(如纖維長度、細度[1]和種類等)和工藝(如牽伸隔距等)下，牽伸倍數與牽伸力的關系也會有所不同。而不同的后區牽伸倍數對輸出條子的條干均勻度有直接的影響，因此，加工中應合理選擇后區牽伸倍數，以使輸出的條子獲得最優的均勻度。一般認為，牽伸力最大(此時的牽伸力不勻最小)時所對應的牽伸倍數是最佳的，即此時加工出的條子均勻度最好(條干不勻率最小)[2-3]，牽伸力不勻率對紗條不勻率的影響比牽伸力本身的大小更為重要[4]。工廠一般根據長期的生產經驗設計合理的牽伸倍數，但實際上，因環境(溫濕度和回潮率)變化對牽伸有影響，尤其是在加工新原料時，沒有經驗數據可循，必須通過實驗來確定合理的牽伸倍數，造成人力、物力的消耗，故這種方法也存在著一定的不完善性。

德國特呂茨勒(Trützschler)公司生產的最新TD03型并條機配備可選購的Auto-Draft預牽伸自我優化模塊，具有感應與加速的作用。在并條生產時，傳動中羅拉的伺服電動機自動變速。由于中羅拉速度的不斷變化，后牽伸區的牽伸倍數也相應變化，則后區的牽伸力也隨之變化。Auto-Draft模塊根據在持續的1 min測試中捕捉到的牽伸力最大值，將其所對應的后區牽伸倍數設定為優選值[5]，但是，該裝置仍需利用原料在并條機上進行實驗后才能確定最優的后區牽伸倍數。

牽伸力及其不勻是牽伸過程中的重要參數，前期許多學者采用傳感器以及不同的牽伸力測量系統對牽伸區中的牽伸力及其不勻進行了測試[6]，得出了牽伸力與牽伸倍數、羅拉隔距、羅拉速度等的關系[7]。文獻[8-9]研究表明，在牽伸力不勻最小時，牽伸力最大，此時所對應的牽伸倍數為臨界牽伸倍數，在此牽伸倍數下，輸出紗條的不勻最小。因此，為使紡出的須條更加均勻，牽伸力不勻越小越好。

本文主要借助拉伸儀對須條進行拉伸來模擬須條的牽伸，并根據拉伸曲線的臨界伸長轉化的牽伸倍數來研究并條機后區牽伸倍數的設計方法。這種方法可簡單、快速有效地確定后區牽伸倍數，且節省原料。

1 拉伸伸長與牽伸倍數關系的建立

牽伸是將須條中的纖維抽長拉細的過程，其實質是纖維沿須條軸向作相對位移，分布在更長的片段上[10]。牽伸時，前后羅拉因存在速度差而使須條抽長拉細。圖1為簡單的兩羅拉單區牽伸示意圖。其中：L為牽伸隔距；V1、V2分別為前羅拉和后羅拉的表面線速度；P1、P2分別為前后羅拉上施加的壓力；T1(N1)、T2(N2)分別為輸出條子、喂入條子的線密度(定量)。在拉伸中，上、下夾頭夾持須條，下夾頭的下降使須條被拉長拉細，如圖2所示。其中，拉伸儀上的上、下夾頭相當于并條機后牽伸區的中、后羅拉，因而，拉伸可類似模擬為簡單的兩羅拉單區牽伸，夾持隔距相當于牽伸隔距。

圖1 兩羅拉單區牽伸示意圖Fig.1 Single drafting zone formed by two pairs of rollers

圖2 拉伸模擬牽伸示意圖Fig.2 Simulation of drafting by stretching

圖3示出拉伸過程中須條變細示意圖。假設須條結構均勻，則當須條兩端被上、下夾頭夾持并逐漸拉伸時，沿上、下夾頭至須條中部，須條是均勻、對稱、逐漸變細的。

上下夾持頭間的纖維須條隨著拉伸的進行，不斷被抽長、拉細直至須條中部完全分離，在這個過程中須條中的纖維只是做了豎直方向上的移動，并未缺失，故可采用平面幾何圖形的面積來模擬須條拉伸前后的狀態，則總定量不變相當于圖形中拉伸前后的面積不變，則有

可推導出拉伸時的伸長L與牽伸時的牽伸倍數E的關系[11]：

圖3 拉伸過程中須條變細示意圖Fig.3 Atlenuation of sliver during drawing

式中：R為須條定量；L為夾持隔距；Lx為拉伸伸長；Rx為對應于拉伸伸長Lx時須條最細處定量，對于結構均勻的須條，最細處應出現在須條的中部。將R(即須條拉伸前的寬度)看作牽伸時的喂入定量，R/Rx則表示當須條的拉伸伸長為Lx時，須條被抽長拉細的程度，相當于羅拉牽伸中的牽伸倍數E。上式為牽伸倍數E與拉伸伸長Lx間的關系，因此，定量為R的須條在夾持隔距為L時進行拉伸，可根據其伸長Lx推算出所對應的牽伸倍數。

2 牽伸力在線測量裝置

本文采用的在線測量裝置結構如圖4所示。該裝置由稱重傳感器、測量五位顯示儀、計算機和通信軟件等組成。用上海天沐自動化儀表有限公司生產的NS-TH5型電阻應變片式稱重傳感器采集并條機工作時條子的瞬時牽伸力，利用5位顯示儀將牽伸力的瞬時值顯示于讀數板上，并將數據傳輸到計算機儲存以作進一步分析用[12]。

注：1—電腦； 2—顯示儀； 3—稱重傳感器； 4—支撐桿； 5—中羅拉； 6—后羅拉； 7—條子。圖4 并條機牽伸力在線測量系統結構示意圖Fig.4 Drafting force measurement apparatus on drafting frame

當并條機運轉穩定后，開始進行測試，每個牽伸倍數下測試1 min，每個后區牽伸倍數測試3次。測試時，顯示儀對數據進行間隔采集，在面板上實時顯示數據值。在數據圖形區域中，實時繪制質量與時間的關系曲線，并將質量與時間的數據儲存在電腦中，曲線的橫軸為時間，單位是s(1 min能實時顯示225個力的數值)。曲線的縱軸為質量，單位是kg，可轉化為力。

3 實驗部分

本文以采用棉(1.64 dtex×25.7 mm)，滌綸(1.33 dtex×38 mm)和粘膠(1.33 dtex×38 mm)3種纖維制成的生條為原料，分別在微機控制電子萬能試驗機和裝有牽伸力在線測量系統的DHU A301型并條機進行生條的拉伸實驗和并條牽伸實驗。

3.1 拉伸實驗

對總定量為136.5 g/5 m的6根普梳棉條(單根定量為22.75 g/5 m)，設置夾持隔距為46 mm，總定量為123 g/5 m的6根滌綸生條(單根定量為20.5 g/5 m)和總定量為120 g/5 m的6根粘膠生條(單根定量為20 g/5 m)，設置夾持隔距為50 mm，用微機控制電子萬能試驗機(上海華龍測試儀器有限公司)進行牽伸的模擬實驗，根據拉伸時的應力與應變關系來模擬牽伸力及牽伸倍數的關系。

3.2 并條牽伸實驗

與拉伸實驗對應，分別對上述總定量為136.5 g/5 m的6根普梳棉條，總定量為123 g/5 m的6根滌綸生條和總定量為120 g/5 m的6根粘膠生條進行牽伸實驗及牽伸力的測試。實驗中，棉條的后牽伸區的羅拉中心距設置為46 mm，滌綸和粘膠生條的后牽伸區的羅拉中心距設置為50 mm，總牽伸倍數均為6倍，實驗設置的6個后區牽伸倍數分別為1.407、1.462、1.52、1.583、1.652、1.727。

3.3 條干測試

經恒溫恒濕環境下調濕24 h后，將經牽伸后的須條在CT3000型條干均勻度測試分析儀(陜西長嶺紡織機電科技有限公司)上以25 m/min的速度進行1 min的條干測試。

4 結果與討論

4.1 棉條實驗結果

普梳棉條的拉伸曲線如圖5所示。其最大拉伸力及所對應的伸長(臨界伸長)可根據拉伸結果得出(每個樣品測試4次)。

圖5 普梳棉條拉伸時的應力-應變關系圖Fig.5 Tensile stress-strain curve of carded cotton slivers

將伸長轉化為牽伸倍數，得到拉伸力與牽伸倍數的關系曲線，如圖6所示。并且通過最大拉伸力所對應的伸長，求出其所對應的臨界牽伸倍數E為1.517。

圖6 拉伸力與牽伸倍數的關系曲線Fig.6 Relationship between drafting ratio and pulling force

利用實驗所得不同牽伸倍數下牽伸力及其不勻和輸出須條條干不勻的數據，用Origin軟件繪制不同牽伸倍數下的牽伸力以及不同牽伸倍數下的牽伸力不勻與條干不勻的關系，如圖7、8所示。

圖7 后區牽伸倍數與牽伸力的關系曲線Fig.7 Relationship between back drafting ratio and drafting force

圖8 不同牽伸倍數下牽伸力不勻和輸出須條的條干不勻Fig.8 Effect of draft ratio of back drafting zone on coefficient of variation of drafting force and output slivers unevenness.

對圖7中普梳棉條在6個不同牽伸倍數下的牽伸力數據用MatLab軟件進行擬合，得到牽伸力(T)與牽伸倍數(E)的關系方程式：

T=11 310E3-54 410E2+86 950E-45 960

對該方程進行檢驗得，R2=0.976 2，F=14.36，大于F0.90(3,2)=9.16，因此可知該方程擬合效果顯著。通過求導可知，在后區牽伸倍數為1.509時，牽伸力最大，為214.04 cN，即此時的臨界牽伸倍數為1.509。從圖8還可看出，在臨界牽伸倍數下，牽伸后輸出須條的條干不勻和牽伸力不勻值均小。

4.2 滌綸生條實驗結果

滌綸生條的拉伸曲線如圖9所示，其最大拉伸力及所對應的伸長(臨界伸長)可根據拉伸結果得出(每個樣品測試4次)。

圖9 滌綸生條拉伸時的應力-應變關系圖Fig.9 Tensile stress-strain curve of carded polyester slivers

圖10 拉伸力與牽伸倍數的關系曲線Fig.10 Relationship between drafting ratio and pulling force

將伸長轉化為牽伸倍數，得到拉伸力與牽伸倍數的關系曲線，如圖10所示。并且通過最大拉伸力所對應的伸長，求出其所對應的臨界牽伸倍數E為1.534。

利用實驗所得不同牽伸倍數下牽伸力及其不勻和輸出須條條干不勻的數據，用Origin軟件繪出不同牽伸倍數下的牽伸力和不同牽伸倍數下的牽伸力不勻與條干不勻的關系圖，如圖11、12所示。

圖11 后區牽伸倍數與牽伸力的關系曲線Fig.11 Effect of draft ratio of back drafting zone on drafting force

圖12 不同牽伸倍數下牽伸力不勻和輸出須條的條干不勻Fig.12 Effect of draft ratio of back drafting zone on coefficient of variation of drafting force and output slivers unevenness

對圖11中滌綸生條在6個不同牽伸倍數下的牽伸力數據用MatLab軟件進行擬合，得到牽伸力T與牽伸倍數E的關系方程式：

T=9 623E3-46 550E2+74 780E-39 610

對該方程進行檢驗得，R2=0.959 2，F=14.61，大于F0.90(3,2)=9.16，由此可知該方程擬合的效果顯著。通過求導可知，在后區牽伸倍數為1.524時，牽伸力最大，為300.4 cN，即此時的臨界牽伸倍數為1.524。從圖12還可看出，在臨界牽伸倍數下，牽伸力不勻和牽伸后輸出須條的條干不勻較小。

4.3 粘膠生條實驗結果

粘膠生條的拉伸曲線如圖13所示。從圖中可得出其最大拉伸力及所對應的伸長(臨界伸長)(每個樣品測試4次)。

圖13 粘膠生條拉伸時的的應力-應變關系圖Fig.13 Tensile stress-strain curve of carded rayon slivers

將伸長轉化為牽伸倍數，得到拉伸力與牽伸倍數的關系曲線，如圖14所示。通過最大拉伸力所對應的伸長，求出其所對應的臨界牽伸倍數E為1.491。

圖14 拉伸力與牽伸倍數的關系曲線Fig.14 Relationship between drafting ratio and pulling force

利用實驗所得粘膠不同牽伸倍數下牽伸力及其不勻和牽伸后輸出須條條干不勻的實驗數據，用Origin軟件繪出不同牽伸倍數下的牽伸力以及不同牽伸倍數下牽伸力不勻與條干不勻的關系圖，如圖15、16所示。

圖15 后區牽伸倍數與牽伸力的關系曲線Fig.15 Effect of draft ratio of back drafting zone on drafting force

圖16 不同牽伸倍數下牽伸力不勻和輸出須條的條干不勻率Fig.16 Effect of draft ratio of back drafting zone on coefficient of variation of drafting force and output slivers unevenness

對粘膠生條牽伸力測試，所得到的后區牽伸倍數與對應牽伸力的6組數據(6個不同的后區牽伸倍數及牽伸力)用MatLab軟件進行三次方程擬合，得到的牽伸力T與牽伸倍數E的關系方程式為

T=7 636E3-36 760E2+58 780E-31 040

對方程的顯著性進行檢驗得，R2=0.995，F=123.3>F0.90(3,2)=9.16。由此可知該方程擬合效果顯著。通過對擬合方程求導的方法得出，在牽伸倍數為1.510時，牽伸力最大，為191.70cN，即1.510為臨界牽伸倍數。從圖16還可看出，在該臨界牽伸倍數下，牽伸力不勻和牽伸后須條的條干不勻都較低。

4.4 結果分析

由圖6、7可看出，普梳棉條的拉伸和牽伸曲線有很大的相似性，均存在臨界牽伸倍數，分別為1.517和1.509，二者僅相差0.5%；由圖10、11可得出，滌綸生條的拉伸力和牽伸力隨著牽伸倍數的增加，均存在臨界牽伸，根據滌綸生條拉伸實驗臨界伸長推算的臨界牽伸倍數為1.534，而相同定量的滌綸生條在并條機上測試出來的實際最大牽伸力所對應的臨界牽伸倍數為1.524，二者僅相差0.65%；從圖14、15可得出，粘膠生條拉伸力與牽伸力最大時所對應臨界牽伸倍數分別為1.491和1.510，二者差異也很小，僅為1.3%。3種原料的實驗結果都說明拉伸和牽伸有很大的相似性，可采用拉伸儀器拉伸的方法來預測并條機羅拉牽伸的臨界牽伸倍數，進而實現并條機后區牽伸倍數的快速離線設計。

由圖8、12、16可知，隨著后區中牽伸倍數的增大，牽伸力不勻和輸出須條的條干先減小而后增大，在牽伸力最大值所對應的牽伸倍數下，牽伸力不勻和輸出須條的條干不勻都小。牽伸力的波動越小，纖維變速點分布相對集中，輸出須條的條干就越均勻，說明了牽伸區中，牽伸力最大值所對應的牽伸倍數可認為是并條機的最優后區牽伸倍數。

5 結 論

1)拉伸實驗和并條牽伸力測試所得出的臨界牽伸倍數非常接近，可采用拉伸來模擬并條牽伸，進行并條機后區牽伸倍數的設計。

2)無論是棉、滌綸還是粘膠，當牽伸倍數小于臨界牽伸倍數時，牽伸力逐漸增大而牽伸力不勻和條干不勻逐漸減小，臨界牽伸倍數對應牽伸力的最大值，牽伸力不勻和牽伸后輸出須條條干不勻的最小值。

3)不同纖維須條的后區臨界牽伸倍數是不同的，滌綸生條的臨界牽伸倍數略大于粘膠生條和普梳棉條。

FZXB

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Simulating design for draft ratio of back drafting zone on drawing frame

GAO Zhijuan1, YU Chongwen1,2

(1. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2. Key Laboratory of Textile Science and Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China)

In order to determine the draft ratio of back drafting zone of different slivers during drawing process efficiently, the tensile method was used to simulate drafting of the back drafting zone on a drawing frame. Cotton, polyester and rayon slivers were used in the experiments, respectively. The results show that tensile curves and drafting force-drawing multiple curves are very similar. The draft ratio translated from the critical elongation in tensile stress-strain curve is very close to the one calculated from the fitting cubic equation of the experimental data in the drafting force test when the maximum drafting force occurs, and the coefficient of the variation of the drafting force and output slivers unevenness are both low at the critical draft ratio. The draft ratio of back drafting zone, therefore, can be designed according to the tensile curves. The result provides a certain reference for the rapid offline design on the draft ratio of the back drafting zone on drawing frame.

drawing frame; tensile; drafting; draft ratio of back drafting zone; sliver

10.13475/j.fzxb.20160505507

2016-05-23

2016-12-20

國家自然科學基金資助項目(51173023)

高志娟(1990—)，女，碩士生。研究方向為紡紗基礎理論。郁崇文，通信作者，E-mail:yucw@dhu.edu.cn。

TS 104.1

A