竹節紗的數控紡紗原理及其捻度分布規律研究

趙洋洋，薛 元，徐志武，曾德軍

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

竹節紗具有豐富的表現力和獨特的外觀效應，竹節紗織物已成為一種時尚符號流行于市[1-2]。由于竹節紗在紗線長度方向上的粗細變化對竹節紗的捻回分布具有影響，因此影響竹節紗的強力分布。目前對竹節紗捻度分布的研究已有報道[3-5],但大多是對竹節部分、過渡部分、基紗部分的平均捻度進行研究，對捻回分布狀態未見研究。本文基于自主研發的三通道數碼環錠細紗機創新平臺進行實驗，介紹該細紗機紡制竹節紗的紗線結構，借助桿件扭轉模型分析影響竹節紗捻回分布的因素及其規律，紡制并測量不同設定捻度，不同竹節倍率、不同竹節長度與基紗長度比值下的竹節兩端每1 cm處的捻回分布規律，揭示竹節紗捻回分布的規律，為竹節紗的生產開發提供參考。

1 三通道數碼紡紡制竹節紗的原理

1.1 紡制原理

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[6]。三通道數碼環錠細紗機具有3個后羅拉，且由伺服電動機獨立控制，通過對3根粗紗對應的后羅拉速度進行調節，異步牽伸，實現對紗線細度、混紡比等參數的調控。利用該設備生產的竹節紗，不僅能控制竹節紗粗細和竹節長度的變化，而且可進一步控制原料組分(或色纖維混色比)，分段或漸變呈現出具有周期性變化的規律，生產原有竹節紡紗技術無法生產的竹節紗，實現了竹節紗的數碼生產[7-8]。三通道數碼細紗機牽伸示意圖如圖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 三通道數碼細紗機牽伸示意圖

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

①粗紗1、3作為飾紗異步間歇喂入，粗紗2作為主紗連續喂入，成紗線密度為：

(1)

當生產細節部分t1時間內，Δρy=0，主紗2喂入，后羅拉“2”運動，后羅拉“1”“3”靜止;當生產粗節部分t2時間內，Δρy≠0，后羅拉“3”靜止，根據混紡比的要求，使后羅拉“1”“2”運動，粗紗1、2牽伸加捻形成粗節1;當生產粗節部分t3時間內，Δρy≠0，后羅拉“1”靜止，后羅拉“2”“3”運動，粗紗1、3牽伸、加捻形成粗節2。

②粗紗1、3作為飾紗同步間歇式喂入，粗紗2作為主紗連續喂入，成紗線密度為：

(2)

當生產細節部分t1時間內，Δρy=0，后羅拉“1”“3”靜止，后羅拉“2”運動，粗紗2牽伸，加捻形成細節，當生產粗節部分t2時間內，Δρy≠0，根據混紡比的要求，后羅拉“1”“2”“3”運動，粗紗1、2、3經牽伸、加捻形成粗節。

③粗紗1、3作為主紗連續喂入，粗紗2作為飾紗間歇喂入，成紗線密度為：

(3)

當生產細節部分t1時間內，Δρy=0，按照細節混紡比的要求，后羅拉“2”靜止，后羅拉“1”“3”運動，粗紗1、3經牽伸、加捻形成細節;當生產粗節部分t2時間內，Δρy≠0，根據混紡比的要求，使3個后羅拉運動，粗紗1、2、3加捻卷繞形成粗節。

④粗紗1、2、3同步喂入，成紗線密度為：

(4)

當生產細節部分t1時間內，Δρy=0，根據混紡比的要求，使3個后羅拉運動，粗紗1、2、3經牽伸、加捻形成細節;當生產粗節部分t2時間內，Δρy≠0，根據混紡比的要求改變3個后羅拉的速度，粗紗1、2、3經牽伸、加捻形成粗節。

本文采用方式③生產竹節紗(基紗部分黃、藍紗線組分比為5∶5，竹節部分黃、紅、藍紗線組分比為3∶4∶3)。在羅拉“1”處喂入藍色粗紗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，設定紡制基紗的時間為t1，紡制竹節的時間為t2；在t1時間內，后羅拉“1”“3”以一定的速度運動，后羅拉“2”保持靜止，實現黃、藍紗線組分比5∶5基紗部分的紡制；在t2時間內，后羅拉“2”由靜止狀態變為運動狀態，使后羅拉“1”“2”“3”的速度相互配合，實現黃、紅、藍紗線組分比3∶4∶3竹節部分的紡制。

1.2 三通道數碼竹節紗的結構

基紗部分：藍色粗紗1，黃色粗紗3，經牽伸、加捻形成類似于雙股線的螺旋狀結構，如圖2所示。竹節部分：藍色粗紗1，紅色粗紗2，黃色粗紗3，經牽伸、加捻形成類似于三股線的螺旋狀結構，如圖3所示。

2 竹節紗的捻度分布及影響因素

2.1 捻度分布機制

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

2.2 捻度分布的影響因素

在研究參數設定對竹節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，不考慮漸細和漸粗的過渡區域，且忽略竹節和基紗2個部分內部捻度分布不勻的問題，將其化簡為桿件的扭轉問題，竹節紗的形狀可用4個參數描述:竹節直徑d1、基紗直徑d2、竹節長度l1以及基紗長度l2[11]，其理論模型如圖5所示。

圖5 竹節紗理論模型

根據捻回守恒定律，一個循環周期內，紗線的捻回數等于紗線的周期長度與設定捻度的乘積[12]。則竹節部分與基紗部分的捻度T1和T2與竹節長度、基紗長度、設定捻度的關系為:

T1l1+T2l2=T(l1+l2)

(5)

由竹節部分和基紗部分捻度T與扭轉力矩M、極慣性矩J，抗扭剛度G關系為：

(6)

(7)

可以解得竹節捻度、基紗捻度、設定捻度與竹節長度、基紗長度、竹節部分直徑、基紗部分直徑的關系為：

(8)

(9)

設定X為竹節倍率，X=(d1/d2)2，則有

(10)

(11)

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

①當其他條件不變時，將式(10)、(11)分別對l1求導，得到：

(12)

(13)

②當其他條件不變時，將式(10)、(11)分別對l2求導，得到：

(14)

(15)

③當其他條件不變時，將式(10)、(11)分別對T求導，得到：

(16)

(17)

④當其他條件不變時，將式(10)、(11)分別對X求導，得到：

(18)

(19)

在上述分析過程中，竹節長度與基紗長度對竹節捻度與基紗捻度的影響規律一致，當竹節紗循環段長度一定時，竹節長度增加，基紗長度必定減少，則設定Y=l1/l2，Y為竹節長度與基紗長度的比值，則捻度表達式為：

(20)

(21)

當其他條件不變時，將式(20)、(21)分別對Y求導，得到：

(22)

(23)

3 實驗部分

3.1 實驗原料及設備

原料為定量4.5 g/(10 m)的紅色純棉粗紗，定量4.7 g/(10 m)的藍色純棉粗紗，定量4.6 g/(10 m)的黃色純棉粗紗。紡紗設備為江南大學與經緯股份榆次分公司聯合研制的JWF1551型三通道環錠數碼細紗機。

3.2 紡紗工藝設定

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

表1 三通道數碼竹節紗紡紗參數

3.3 測試與分析

基于黃、紅、藍3種粗紗以及三通道數碼紡竹節紗的螺旋狀結構，為單位長度內捻回數的直接測量提供了便捷，本文以黃色纖維繞紗線軸向旋轉360°為一個捻回，對各參數條件下竹節部分兩端一定距離內每1 cm內的捻回數進行測量，測試示意圖如圖6 所示。

測試方法為：找到竹節紗的竹節部分，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段每厘米內的捻回數為零點位置，分別向左右各延伸30、25、20 cm，讀取竹節長度內的捻回數，并求其每厘米內的捻回數以及左右兩端一定長度內每厘米內的捻回數(捻回數的個數計量以0.5為數量級)，每管紗線測量30次，并取其平均數。

3.3.1 竹節倍率對捻度分布的影響

對1.5、2.0、2.5、3.0竹節倍率時竹節部分兩端30 cm內每1 cm內的捻回數進行測量，不同倍率下的捻回分布與設定捻度F的關系如圖7所示。

注： 橫坐標0點位置為粗節處。下同。圖7 不同竹節倍率時的捻度分布圖

從圖7可以看出：

①隨著竹節倍率的增加，竹節部分的捻度減少，但減少幅度很小。竹節倍率的增加使得竹節部分的線密度變大，直徑相應變大，抗扭剛度變大，竹節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，竹節部分的捻度降低。

② 4種不同竹節倍率下，竹節部分兩端均會出現高捻度的部分，隨著竹節倍率的增大，高捻度的數值增加并且高捻度的位置逐漸向竹節部分靠近；主要原因是竹節倍率增加，竹節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高捻后，捻度逐漸減少并趨近于設定捻度，竹節倍率越大，捻度會更快趨近于設定捻度。由于在紡制竹節部分時，竹節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，捻度由竹節向兩端增大并集聚，隨后竹節段捻回傳遞的影響減弱，基紗段捻度減小趨于設定捻度。竹節倍率越大，捻度在某一位置的集聚越多，一定長度內，紗線的捻回數恒定，出現高捻度后，捻回傳遞減弱，更快的趨近于設定捻度。

3.3.2 設定捻度對捻度分布的影響

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

圖8 不同設定捻度時的捻度分布圖

從圖8可以看出，隨著設定捻度的增加，竹節段、基紗段的捻度均增加，基紗段出現高捻度的位置遠離竹節段。設定捻度增加，竹節部分與基紗部分的捻度會相應增加，但由于竹節部分的捻度向基紗部分轉移，使基紗部分出現高捻度。另外，隨著設定捻度的增加，錠速不發生變化，則前羅拉的線速度會減小，伺服電動機穩定運行的時間增長，竹節段的捻度更趨近于設定捻度，另一方面前羅拉線速度的減小，延長了竹節部分向基紗部分捻回傳遞的時間，基紗部分出現高捻度部分的位置遠離竹節部分。

3.3.3 竹節長度與基紗長度比值對捻度分布的影響

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

圖9 不同竹節長度與基紗長度比值下的捻度分布圖

從圖9可以看出：

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

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

4 結 論

①影響捻度分布的因素有4個,分別為：竹節長度、基紗長度、竹節倍率、設定捻度。竹節倍率與竹節部分捻度呈負相關，與基紗部分捻度呈正相關，基紗長度與捻度呈現負相關，竹節長度、設定捻度與捻度呈現正相關，且對基紗部分的捻度影響較大。

②竹節紗的捻回分布規律為：竹節部分的捻回數小于設定捻度，基紗部分某一位置會出現較高捻度，隨后趨于設定捻度。

③竹節倍率增加，竹節部分的捻度減少，基紗部分的高捻度位置靠近竹節部分，且捻回數集聚效應增大；設定捻度增加，竹節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，捻度集聚效應增大，基紗部分出現高捻度的位置偏離竹節部分；竹節長度與基紗長度總和不變，比值增大，竹節部分與基紗部分的捻度增加，竹節部分的增幅減少，基紗部分出現高捻度的位置向竹節部分靠近。