棉紡（超）大牽伸工藝技術(shù)現(xiàn)狀與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新探討（上）

倪遠(yuǎn),張玉澤,汪軍/文 （.紡之遠(yuǎn)（上海）紡織工作室；.東華大學(xué) 紡織學(xué)院）

2012 版《現(xiàn)代棉紡牽伸的理論與實踐》[1]一書中，對有捻粗紗牽伸倍數(shù)為40～150 的牽伸定義為大牽伸，對棉條直紡牽伸倍數(shù)為200 倍左右的牽伸定義為超大牽伸。

行業(yè)科技發(fā)展規(guī)劃，明確了棉紡創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)方向，《紡織機(jī)械行業(yè)“十四五”發(fā)展指導(dǎo)性意見》[2]也對環(huán)錠細(xì)紗機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展提出了明確的目標(biāo)和研發(fā)攻關(guān)的重點任務(wù)，作為將要進(jìn)入全球紡織強(qiáng)國的行業(yè)領(lǐng)域，在政策指導(dǎo)和需求拉動下，“十四五”期間乃至未來更長時期，行業(yè)將為此而作出努力。

1 棉紡（超）大牽伸工藝技術(shù)的應(yīng)用歷程

羅拉牽伸裝置功能實施的最關(guān)鍵技術(shù)是羅拉的結(jié)構(gòu)構(gòu)成和配套工藝技術(shù)，亦即如何設(shè)計牽伸區(qū)數(shù)量、技術(shù)結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)配置，在牽伸裝置和配套工藝的牽伸能力與牽伸品質(zhì)的矛盾中找到平衡點，使須條在多個牽伸區(qū)中得到成紗質(zhì)量符合預(yù)期的牽伸。

在牽伸裝置和工藝提升牽伸能力的歷程中，發(fā)展出了多種多羅拉牽伸結(jié)構(gòu)，試圖通過增加牽伸區(qū)和控制元件實現(xiàn)牽伸能力和/或牽伸品質(zhì)的改善。在牽伸區(qū)設(shè)置方面包括三羅拉雙牽伸區(qū)、四羅拉三牽伸區(qū)和五羅拉四牽伸區(qū)等結(jié)構(gòu)；在控制元件設(shè)置方面包括雙膠圈、三膠圈、四膠圈、六膠圈和控制棒等牽伸結(jié)構(gòu)。

1.1 三羅拉雙牽伸區(qū)結(jié)構(gòu)

1.1.1 RingCan 環(huán)錠細(xì)紗機(jī)技術(shù)[3]

在棉紡超大牽伸技術(shù)發(fā)展的歷程中，最接近行業(yè)應(yīng)用的信息是，ITMA1999 上德國緒森公司展示的RingCan環(huán)錠細(xì)紗機(jī)樣機(jī)，該公司從20 世紀(jì)80 年代開始研發(fā)三羅拉三膠圈棉條直紡的超大牽伸結(jié)構(gòu)，棉條由直徑為250mm 的條筒卷裝喂入環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗，可以紡制大于等于20tex（30 英支）紗線，主要用于織造牛仔布。條筒卷裝的棉條由單錠輸送帶引導(dǎo)進(jìn)行同步輸送，通過一個相對封閉的管道輸送系統(tǒng)喂入細(xì)紗機(jī)牽伸區(qū)。后區(qū)牽伸倍數(shù)最大可以設(shè)置為3.5～4.0 倍，總牽伸倍數(shù)可以比普通環(huán)錠紡紗高出3.0～4.0 倍，最大總牽伸倍數(shù)可達(dá)到250 倍，范例中紡制20tex（30 英支）紗的總牽伸倍數(shù)為176 倍，計算喂入棉條定量為352tex，相比普通環(huán)錠紡工藝是相對輕定量的棉條。紡紗流程中缺省了粗紗工序的應(yīng)用，為了穩(wěn)定牽伸品質(zhì)，純棉普梳紗紡紗工藝流程設(shè)置了三道并條機(jī)的并合和牽伸，以使得梳棉至細(xì)紗工序之間的工序配置數(shù)目為奇數(shù)，從而符合棉紡工藝流程奇數(shù)法則。緒森公司提供的表列測試數(shù)據(jù)，顯示RingCan 環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗品質(zhì)的短片段項目測試質(zhì)量水平優(yōu)于傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗線。

此后的二十多年來，RingCan 環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗技術(shù)杳無音訊，不再有產(chǎn)品市場應(yīng)用信息，及與該技術(shù)相關(guān)的交流探討,是RingCan 超大牽伸裝置的技術(shù)問題，也是經(jīng)濟(jì)問題，還是缺省粗紗工序的棉條直紡不適于棉紡產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，未見明確結(jié)論。

1.1.2 日本豐和三膠圈超大牽伸系統(tǒng)

圖1 是申請?zhí)枮?6107383.7 日本豐和專利申請的示意圖，該牽伸裝置在傳統(tǒng)三羅拉雙膠圈牽伸裝置的后上羅拉上加設(shè)上銷膠圈結(jié)構(gòu)，在后牽伸區(qū)增設(shè)下銷棒，在中羅拉鉗口入口處增加一個集束器，形成一套三羅拉雙區(qū)三膠圈高倍牽伸系統(tǒng)（Triple apron high draft system），總牽伸倍數(shù)最大標(biāo)稱可達(dá)280 倍，可以缺省粗紗機(jī)進(jìn)行棉條直紡。該技術(shù)結(jié)構(gòu)與緒森RingCan 非常接近。該三羅拉三膠圈牽伸裝置在后區(qū)附加了由上下銷和上膠圈組成的控制元件，使后區(qū)牽伸能力得到有效增大，圖2 顯示了后區(qū)牽伸倍數(shù)與成紗線密度均勻度的相關(guān)性，從曲線可見在后區(qū)牽伸倍數(shù)在4.0 時牽伸品質(zhì)為最優(yōu)。這樣的工藝技術(shù)路線，是以增大后區(qū)牽伸倍數(shù)來實現(xiàn)總牽伸能力的大幅度提升。并且是在后鉗口設(shè)置上膠圈的情況下，因為后鉗口驅(qū)動和須條控制仍由后下羅拉為主導(dǎo)，不會對總牽伸倍數(shù)的動態(tài)穩(wěn)定性造成影響，從而確保成紗長片段線密度均勻度穩(wěn)定。

該牽伸結(jié)構(gòu)雖然聲稱可以棉條直紡，但公開的實例應(yīng)用還是對有捻粗紗的牽伸。表1 為傳統(tǒng)三羅拉雙膠圈牽伸系統(tǒng)與豐和三羅拉三膠圈高倍牽伸系統(tǒng)的紡紗測試數(shù)據(jù)對比，兩者均以有捻粗紗喂入紡制CJ19.7 精梳純棉紗和CJ14.8 精梳純棉紗：

在此后的2000 年，有上海申請人申請了申請?zhí)枮?0249589.9 的三羅拉三膠圈和四羅拉三膠圈專利，其中三羅拉三膠圈結(jié)構(gòu)與圖1 基本相似。

1.1.3 三羅拉四膠圈超大牽伸

圖3 是申請?zhí)枮?0221765.1 江蘇申請人專利申請的附圖，其在三羅拉雙區(qū)牽伸的后區(qū)，增加設(shè)置了上下銷和一對長短膠圈，構(gòu)成了三羅拉雙區(qū)四膠圈（兩套長短膠圈鉗口）超大牽伸裝置，說明書稱能通過增大后區(qū)牽伸倍數(shù)來大幅度增強(qiáng)總牽伸能力，可以實現(xiàn)棉條直紡的超大牽伸應(yīng)用。

在此后，山東申請人的01243901.0 號申請、江蘇申請人的200520073617.2 號申請及上海申請人的200720066977.9 號申請都提出了與圖3 相似的三羅拉四膠圈技術(shù)結(jié)構(gòu)。

圖1 日本申請人96107383.7 申請文件附圖

圖2 后區(qū)牽伸倍數(shù)與紗線均勻度關(guān)系圖

表1 傳統(tǒng)三羅拉雙膠圈與豐和三羅拉三膠圈牽伸系統(tǒng)紡紗測試數(shù)據(jù)比較

上述多個三羅拉四膠圈牽伸技術(shù)方案未見用于棉條直紡的超大牽伸產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用實例公開。但三羅拉四膠圈牽伸裝置用作以粗紗喂入的大牽伸紡紗工藝，目前在國內(nèi)一些棉紡企業(yè)有實際應(yīng)用（圖4），主要被用于對有捻粗紗紡制低線密度（高支）紗線。

1.2 四羅拉三牽伸區(qū)結(jié)構(gòu)

在四羅拉三牽伸區(qū)牽伸結(jié)構(gòu)中，有3～6 膠圈設(shè)置的技術(shù)方案。

圖5 是山東申請人四羅拉三膠圈牽伸結(jié)構(gòu)，其是在上述三羅拉三膠圈的上游再增加一對羅拉鉗口，形成四羅拉三膠圈牽伸結(jié)構(gòu)，其牽伸能力并不比三羅拉三膠圈牽伸結(jié)構(gòu)增加多少。

圖6 的四羅拉四膠圈牽伸結(jié)構(gòu)是廣東申請人2002年實用新型專利申請，其是在傳統(tǒng)三羅拉長短膠圈鉗口的上游，附加設(shè)置一套雙短膠圈鉗口，成為四羅拉三區(qū)四膠圈超大牽伸裝置，說明書稱能通過增大后區(qū)牽伸倍數(shù)來大幅度增強(qiáng)總牽伸能力，可以實現(xiàn)棉條直紡的超大牽伸應(yīng)用。

圖7 的四羅拉四膠圈超大牽伸采用連續(xù)設(shè)置的兩套長短膠圈鉗口，并且在后區(qū)又增加了雙控制棒。在范例中還是采用粗紗喂入，紡制60～100 英支紗線。其后區(qū)使用的是21 世紀(jì)初創(chuàng)新高效工藝的后區(qū)雙控制棒型式，將簡單羅拉平面牽伸結(jié)構(gòu)，改變?yōu)榻?jīng)過雙控制棒的曲線牽伸，上游一根控制棒起下壓須條追加須條與后羅拉的包圍弧,下游一根控制棒抬起粗紗條，使其不改變中鉗口的喂入狀況，從而可使后牽伸須條的變速點進(jìn)一步前移和集中。

圖8 是在四羅拉前中區(qū)四膠圈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在后區(qū)再增加設(shè)置一對上下銷雙短膠圈鉗口，成為具有連續(xù)三套膠圈鉗口的四羅拉六膠圈超大牽伸裝置，該專利說明書稱能通過增大中后區(qū)牽伸倍數(shù)來大幅度增強(qiáng)總牽伸能力，可以實現(xiàn)棉條直紡的超大牽伸應(yīng)用。

圖3 江蘇申請人00221765.1 申請文件附圖

圖4 三羅拉四膠圈大牽伸應(yīng)用實例

圖5 山東申請人03217783.6 申請文件附圖

圖6 廣東申請人02249311.5 申請文件附圖

圖7 江蘇申請人2013104776375 申請文件附圖

在四羅拉三牽伸區(qū)的幾個技術(shù)方案中，分別存在著兩個方面重要的工藝結(jié)構(gòu)缺陷，一是將第二膠圈鉗口設(shè)置在第三羅拉上（圖5、圖7），由于膠圈鉗口相對于羅拉運動不可避免會產(chǎn)生滑溜，則容易產(chǎn)生兩個較大牽伸倍數(shù)配置的相鄰膠圈鉗口牽伸區(qū)之間，牽伸倍數(shù)分配對時間和錠間的動態(tài)變異，不利于牽伸過程的穩(wěn)定，增大線密度均勻度變異；二是將第二膠圈鉗口設(shè)置在第四（后）羅拉上（圖6），由于膠圈鉗口相對于后羅拉運動不可避免會產(chǎn)生滑溜，則容易產(chǎn)生總牽伸倍數(shù)對時間和錠間的動態(tài)變異，不利于紗線重量不勻率的控制。而圖8 的方案則可能同時存在著這兩個方面的工藝結(jié)構(gòu)缺陷。

1.3 五羅拉四牽伸區(qū)結(jié)構(gòu)

圖9 是類似于在圖6 四羅拉四膠圈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再增加一對后羅拉鉗口，形成五羅拉四膠圈四牽伸區(qū)超大牽伸結(jié)構(gòu)，其既避免了上節(jié)分析的兩個方面重要的工藝結(jié)構(gòu)缺陷，又實現(xiàn)了兩對膠圈鉗口同向串聯(lián)的牽伸結(jié)構(gòu)設(shè)置，期望能大大增強(qiáng)總牽伸能力，可以用棉條直紡進(jìn)行超大牽伸。五羅拉牽伸系統(tǒng)由五根羅拉組成，五根羅拉形狀大小相同，期望突破一般三羅拉細(xì)紗機(jī)無法達(dá)到的總牽伸倍數(shù)。由并條機(jī)生成的棉條可直接喂入五羅拉牽伸系統(tǒng)，經(jīng)過高倍牽伸后加捻，直接獲得細(xì)紗。試驗證明，五羅拉細(xì)紗機(jī)在普梳棉品種總牽伸150 倍以下紡制27.8～36tex（21～16 英支）成紗樣品效果良好。該技術(shù)方案還提及將喂入細(xì)紗機(jī)棉條的儲棉條筒裝置布置在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)所在樓層的上層或同樓層。

1.4 多羅拉牽伸區(qū)影響牽伸品質(zhì)簡析

牽伸裝置的設(shè)計是要在保證牽伸質(zhì)量前提下提升牽伸能力，采用多羅拉多膠圈鉗口牽伸區(qū)在增大牽伸能力的同時，產(chǎn)生影響牽伸品質(zhì)的三大工藝結(jié)構(gòu)缺陷：相鄰膠圈牽伸區(qū)設(shè)置、后羅拉膠圈鉗口設(shè)置及纖維變速點同向多級串聯(lián)牽伸結(jié)構(gòu)設(shè)置：

1）相鄰膠圈牽伸區(qū)設(shè)置，由于兩對膠圈鉗口存在動態(tài)不確定的滑溜，使兩個牽伸區(qū)的牽伸倍數(shù)分配隨時間和錠間不穩(wěn)定，影響成紗短片段線密度（條干）和錠間不勻率。

2）后羅拉膠圈鉗口設(shè)置，由于后膠圈存在動態(tài)不確定的滑溜，使總牽伸倍數(shù)設(shè)置隨時間和錠間不穩(wěn)定，影響成紗長片段線密度（重量）和錠間不勻率。

3）纖維變速點同向多級串聯(lián)牽伸結(jié)構(gòu)設(shè)置，在兩個及以上同向變速點前移集中控制的牽伸過程中，上游牽伸區(qū)的牽伸波會疊加在下游牽伸區(qū)，產(chǎn)生對線密度分布的嚴(yán)重惡化，上游牽伸區(qū)的牽伸倍數(shù)越大，牽伸波疊加越顯著。

因此，簡單地增加同向延伸膠圈鉗口或其他纖維控制型式的牽伸區(qū)，增加設(shè)置控制變速點前移集中的摩擦力界結(jié)構(gòu)，并不能在保證牽伸品質(zhì)的同時成比例地增大牽伸能力。要實現(xiàn)200 倍左右的超大牽伸，還必須尋找新的突破口。

圖8 山東申請人200320127496.6 申請文件附圖

圖9 北京申請人201811470969.X 申請文件附圖