環錠紡導紗板受力信號在線檢測及紡紗張力分析

常永和, 薛 元, 韓晨晨, 楊瑞華, 高衛東， 張 毅

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122；2. 浙江省常山紡織有限責任公司， 浙江 衢州 324200)

環錠紡紗是對粗紗進行牽伸、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紗鉤和綱領鋼絲圈的約束，在高速旋轉的環錠作用下，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，一方面紗條沿紡紗通道移動；另一方面，由錠子高速旋轉所形成的捻回沿紗條逆向傳遞形成了從前羅拉鉗口到導紗鉤的加捻段；錠子高速旋轉帶動鋼絲圈沿綱領回轉迫使從鋼絲圈到導紗鉤的這段須條高速旋轉并在離心力作用下形成了弧形氣圈段；錠子高速旋轉紗條被綱領鋼絲圈握持卷繞在紗管上并形成了從鋼絲圈到管紗卷繞點的卷繞段。解析環錠紡紗加捻段、氣圈段、卷繞段紗條張力的動態變化及其影響因素，對紡紗張力及其波動進行有效調控，是控制紡紗斷頭、提高紡紗速度的關鍵。

以理論模型為基礎解析紡紗過程中氣圈形態變化，構建加捻段、氣圈段、卷繞段紗條張力相互關系理論，對認識紡紗張力變化規律具有重要意義。陳人哲[1]以平面氣圈為主，系統地研究和討論了有關紗線的動力學問題，并用簡便的數學式表示氣圈方程。詹葵華等[2-4]在紗線氣圈模型基礎上建立了氣圈紗曲線的雙氣圈模型，研究了雙氣圈模型下氣圈紗曲線的各段張力。Batra等[5-6]將環錠紡過程建模和求解給出了準穩態氣圈方程的數值解；Fraser[7-8]等將紗線通過鋼絲圈的區域作為自由氣圈的一個邊界條件求解，并詳細分析了鋼絲圈質量與紗條在導紗鉤處的張力之間的關系。

同時，如何運用實驗手段在線采集紡紗過程加捻段、氣圈段、卷繞段的紗條張力并加以調控，已成為提升紡紗產量、質量、效率，推動紡紗技術進步的重要方向。目前紡紗張力的測試普遍采用接觸式測量法和非接式測量[9-11]。接觸式測量法是在紗線張力作用下，由張力傳感器檢測到張力變化產生電信號，并對此電信號進行初步放大，通過A/D轉換器將信號輸入計算機處理，最后通過打印機打印出檢測結果。非接式測量紗條張力時，通過光學系統將紗線的陰影投射到圖像傳感器并輸出相對應的電信號，放大處理后輸入計算機再經軟件轉換得到即時變化的紗線張力?，F階段的2種紡紗張力測試方法存在檢測裝置難固定，操作不便，不能實現張力的在線檢測和調控。

本文構建了環錠紡紗張力在線檢測裝置，將力傳感器和位移傳感器分別嵌入導紗板和鋼領板中，檢測按時序排列的導紗板受力信號及按時序排列的導紗板、鋼領板的位移信號，經A/D轉換將模擬信號轉換為數字信號，再根據經典理論計算加捻段紗條張力、氣圈頂部和底部張力和卷繞張力。

1 導紗板受力信號檢測系統的構建

1.1 信號檢測系統的組成

通過在環錠紡導紗板上嵌入OXYZ雙向力傳感器和位移傳感器，檢測紗條作用在導紗板上的力在XYZ軸上的分力及導紗板、鋼領板的位移。紡紗張力檢測系統如圖1所示。

圖1 紡紗張力檢測系統Fig.1 Spinning tension detection system

從前羅拉鉗口A到導紗鉤O之間的區域為加捻區，無捻須條被加捻成紗線，所受張力稱為紡紗張力Tf；從導紗鉤O到鋼絲圈C之間的高速回轉弧線段區域為氣圈區，紗條所受張力為氣圈張力，在氣圈頂部和氣圈底部紗條所受張力分別稱為氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2；從鋼絲圈C到高速旋轉紗管D處卷繞點之間的區域為卷繞區，紗條所受張力稱為卷繞張力Tw。B為雙向力傳感器和導紗板位移傳感器，E為鋼領板位移傳感器。

1.2 信號采集系統的組成

信號采集系統由應力傳感器、位移傳感器、A/D信號轉換器和數據顯示器組成，如圖2所示。紡紗時導紗鉤處的力傳感器和位移傳感器產生信號經放大器放大，經過A/D轉換將模擬量轉換為數字量再送入可編程邏輯控制器(PLC)控制系統并通過觸摸屏顯示出來，觸摸屏作為用戶界面，可顯示所有參數和讀取存儲數據[12]。

圖2 信號采集系統Fig.2 Signal acquisition system

2 加捻卷繞過程須條受力分析

被牽伸的須條在環錠加捻及卷繞的過程中依次通過加捻段、氣圈段及卷繞段，這3個階段的受力情況各不相同，需要分解計算。

2.1 導紗板受力分析

圖3示出導紗鉤的受力情況。以導紗鉤中心為原點O，取X軸為過O點且平行于導紗鉤安裝面的水平直線；取Y軸為過O點且垂直于導紗鉤安裝面的水平直線；取Z軸為過O點且垂直于XOY平面的鉛垂線；由此構建以導紗鉤中心為原點的OXYZ三維坐標系。設綱領中心為O′，取過綱領中心且與X軸平行的直線為X′軸，取過綱領中心且與Y軸平行的直線為Y′軸，由此構建O′X′Y′Z三維坐標系。紡紗開始時，設某時刻，錠子旋轉時通過紗線帶動鋼絲圈旋轉，加捻段和氣圈段的紗條會作用于導紗鉤O點處，導紗板上會產生力信號，對導紗鉤O進行受力分析，可以將此力信號分解在X軸、Y軸、Z軸上，可以通過安裝的雙向力傳感器測得Y軸上的力Qy、Z軸上的力Qz。通過導紗板上的位移傳感器可以測得導紗板升降位移x。

由圖3可得：

Qx=Tq1sinβcosα

(1)

Qy=Tq1sinβsinα+Tfcosγ

(2)

Qz=Tq1cosβ-Tfsinγ

(3)

式中：γ為導紗角，(°)；β為氣圈頂角，(°)；α為過鋼領中心與機身平行的線和紗條經過綱領鋼絲圈的點到鋼領中心的線的夾角，(°)。

2.2 加捻段紗條張力計算與分析

由歐拉公式[13]可得：

Tf=Tq1e-μδ

(4)

將此代入式(3)可得紡紗張力Tf為

(5)

式中：μ表示紗線與導紗鉤的動摩擦因數，Barr和Catling[14]基于以往研究的資料，認為在棉紡生產中，μ=0.1～0.35，取μ=0.25；δ表示紗線與導紗鉤的包圍角，(°)，與導紗角和氣圈頂角有關。

2.3 氣圈頂部及底部紗條張力計算與分析

將式(4)代入式(3)可得氣圈頂部張力Tq1為

(6)

又由氣圈基礎理論知，氣圈頂部張力Tq1與氣圈底部張力Tq2的關系[15]為

(7)

式中：Rg表示鋼領半徑，mm；d表示氣圈紗條的線密度，tex；ω表示氣圈回轉角速度，r/min(一般可用錠子回轉角速度近似表達)。

將式(6)代入式(7)，可得氣圈底部張力為

(8)

2.4 卷繞段紗條張力計算與分析

卷繞張力合適是保證卷裝質量的基礎。氣圈底部張力Tq2是由卷繞張力Tw克服紗條與鋼絲圈的摩擦阻力后向上傳遞到氣圈底端的，二者的關系一般表示為

Tw=KTq2

(9)

將式(8)代入式(9)，可得卷繞張力為

(10)

式中：K為卷繞張力與氣圈底端張力比，一般隨鋼絲圈線材的截面形狀而變，截面形狀為矩形，取值1.7[15]。

在式(1)～(3)中，Qy、Qz可由傳感器測得，為了求解紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2和卷繞張力Tw，需要進一步求解幾何參數導紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ。

3 加捻卷繞過程幾何參數變化分析

紡紗過程中，幾何參數導紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ的變化都與鋼領板的位置和導紗鉤的位置有關系，所以通過數學幾何關系推導幾何參數與導紗板的關系。

紡紗時，鋼絲圈帶動紗線沿鋼領圓周運動。文中假設每秒采集的1個數據是在這個時刻鋼絲圈沿鋼領做圓周運動的旋轉面上。假設該點在鋼絲圈沿鋼領做圓周運動的旋轉面上，導紗角γ在這1個平面內沒有升降，所以導紗角γ在鋼絲圈旋轉1周時導紗角的大小不變，方向時刻改變，如圖4所示。

圖4 導紗鉤上升動態模擬圖Fig.4 Dynamic simulation diagram of rising yarn hook

幾何推導可得導紗角

(11)

式中：a為導紗鉤接觸到與前羅拉中心處的垂直距離上交點位置的距離，mm；h導紗板傳感器到前羅拉中心的距離，mm；Rq為前羅拉下羅拉的半徑，mm；Rd為導紗鉤的半徑，mm；x為導紗板位移傳感器的顯示高度，mm；

當紡紗開始時，從導紗鉤加捻的紗線帶動鋼絲圈做葫蘆狀的空間曲線。紗條在某時刻所形成的曲線弧，沿導紗鉤做曲線弧的切線，該時刻的切線方向為氣圈頂部張力Tq1的方向。該時刻紗線在導紗鉤處受到氣圈頂部張力Tq1和紡紗張力Tf共同作用，使得帶有傳感器的導紗板接受到信號采集數據Qy、Qz。假設該點在鋼絲圈沿鋼領做圓周運動的旋轉面上的最里端時，基于式(2)、(3)，此時刻α的角度大小為90°，推導出此時刻的氣圈頂角為：

(12)

(13)

鋼絲圈帶動紗條在鋼領的回轉過程中，紗條與導紗鉤的接觸的圓心角為導紗包圍角。紗線沿鋼領旋轉一周，包圍角機身外端時最小，在機身最里端時，包圍角最大。假設該點在鋼絲圈沿鋼領做圓周運動的旋轉面上的最里端時，如圖5所示。

圖5 導紗鉤橫截面形狀Fig.5 Cross section shape of yarn guide hook

幾何推導可得包圍角為

δ=90°-γ+β

(14)

在紡紗時通過傳感器所測力Qz、Qy，位移傳感器所測得位移x，通過以上公式可計算出該時刻的導紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ、紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2、卷繞張力Tw的大小變化；通過計算出的數據，了解所測得數據與所求參數的函數關系，進一步實現勻張力紡紗，減少紡紗斷頭。

4 實 驗

設定紗管的卷繞長度，則從空管到滿管的紡紗過程中可按照短周期、中周期和長周期分析各段紗條張力的變化規律。短周期即錠子1個回轉的過程，中周期即以導紗板的1個升降過程并使管紗完成1個層級卷繞的過程，長周期即1次落紗的紡紗過程。1次落紗過程可分為3個階段：小紗階段、中紗階段大紗階段，此處測量取3個紡紗階段導紗板的1次升降過程中的數據進行分析。

4.1 紡紗工藝參數

紗線原料為滌棉混紡粗紗；紡紗紗線線密度為19.4 tex；紗線捻度為77.1捻/(10 cm)；紡紗設備為JWF1551型數碼紡紗機，導紗鉤接觸到與前羅拉中心處的垂直距離上交點位置的距離為57 mm；導紗板傳感器到前羅拉中心的距離為168 mm；前羅拉下羅拉的半徑為13.1 mm；導紗鉤半徑1.5 mm；鋼領半徑21 mm；錠子轉速: 設定錠速10 000 r/min；對紡紗過程小紗階段、中紗階段、大紗階段紗條張力變化進行比較。

4.2 結果與討論

4.2.1幾何參數分析

由嵌入導紗板內部的OXYZ雙向應力應變傳感器測得紡紗過程中導紗板一次升降卷繞層級中Qz、Qy的變化規律如圖6；導紗板位移規律x，記錄導紗鉤升降如圖7所示。

圖6 應力Qz和 Qy的變化曲線Fig.6 Induction force Qzand Qy changes

圖7 導紗鉤位移xFig.7 Guide hook displacement x

結合計算式(4)～(7)，基于測得水平垂直于導紗鉤安裝面的作用力分量Qy、豎直垂直于導紗鉤安裝面的作用力分量Qz與計算的導紗角γ，以及導紗角γ和計算的氣圈頂角β，可得導紗角、氣圈頂角和導紗鉤包圍角變化規律如圖8所示。

圖8 導紗角γ、氣圈頂角β和導紗鉤包圍角δ的變化曲線Fig.8 Guide angle γ(a)，apex angle β(b)and variation of angle δ (c) of yarn guide hook

由圖8可看出，幾何參數導紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ都與導紗板的位置相關，在導紗板位于最低位置時導紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ較大；在導紗板位于最高位置時導紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ較小。在導紗鉤每次升降過程中，導紗角γ、氣圈頂角β和包圍角δ均呈現周期性變化。

4.2.2紡紗張力分析

基于測得的豎直垂直于導紗鉤安裝面的作用力分量Qz與計算的導紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ，結合式(9)～(14)可得紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2和卷繞張力Tw的變化規律，如圖9所示。

圖9 Tf、Tq1、Tq2、Tw值變化曲線Fig.9 Change of Tf、Tq1、Tq2、Tw value

由圖9可看出紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2、卷繞張力Tw均與導紗板的位置呈現周期性的變化，在導紗板最低位置時，紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2、卷繞張力Tw較小，在導紗板最高位置時，紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2、卷繞張力Tw較大。在導紗板的升降過程中，紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2、卷繞張力Tw在小紗階段的張力最大值大于中紗階段和大紗階段過程中的所有值；在1次落紗的紡紗過程中，紡紗張力Tf從大到小為小紗、大紗、中紗，氣圈頂部張力Tq1從大到小為大紗、小紗、中紗，氣圈底部張力Tq2從大到小為大紗、小紗、中紗，卷繞張力Tw從大到小為大紗、小紗、中紗；在導紗板每次升降過程和整個紡紗過程中，紡紗張力Tf<氣圈底部張力Tq2<氣圈頂部張力Tq1<卷繞張力Tw。

4.3 可行性分析

為了驗證本文裝置的有效性，對紗線張力進行MatLab圖像處理，實驗結果如表1所示。紗線原料為滌棉混紡粗紗，紡紗紗線特數為19.4 tex，紗線捻度為77.1捻/(10 cm)；錠速為10 000 r/min。

表1 2種方法實驗結果比較Tab.1 Comparison of test results of two methods

實驗中所得紡紗張力略小于圖像處理的紡紗張力，因為在實驗中忽略空氣阻力和環境條件等影響，實驗結果在正常的誤差范圍內。導紗鉤的一次卷繞層級中時，導紗鉤在底部時，底部卷繞直徑大，卷繞角大，與鋼絲圈的包圍弧小，所以張力小，在頂部時，卷繞直徑小，卷繞角小，與鋼絲圈的包弧大，所以張力大[16]。通過表1可得出小紗張力最大值比中紗張力最大值增加12.6%，大紗張力最大值比中紗增加10.6%。

5 結束語

通過安裝的紡紗張力裝置與使用，計算出即時的紡紗張力、氣圈頂部張力、氣圈底部張力、卷繞張力的變化遵循紡紗過程的一般規律，大小在合理的誤差范圍內?？烧J為整個紡紗過程中加捻段紗條的動態強力弱節處與小紗階段發出接觸斷頭機會大，大紗次之，中紗最小，即斷頭發生在小紗、大紗階段。通過紡紗張力與葉子板位置的關系，通過葉子板的位置在小紗階段、大紗階段采用智能變頻技術，中紗階段不采取變頻技術，能夠在減少紗線斷頭的同時，使得紡紗效率得到較大的提高，從而使紡紗工廠經濟效益提高。