簇絨地毯停機痕跡機理及控制方法的研究

徐 洋 孫志軍 孟 婥 吳海濤 朱姿娜

東華大學，上海，201620

0 引言

自19世紀40年代以來，簇絨地毯以其豐富的品種迅速占領了市場［1－2］。簇絨地毯質量等級的評定有很多嚴格的要求，若地毯稍有瑕疵，等級就會降低，甚至成為廢品。其中，停機痕跡是影響簇絨地毯外觀質量等級的重要因素。由于在地毯織造過程中，存在補接斷線、補毯等重要工序，因此不可避免地存在停機的狀況。在簇絨機停機和再次啟動的過程中，原有紗線會處于非正常工作狀態，使得新織出的毯面部分絨圈與原有絨圈存在不均勻的現象，產生停機痕跡。

本文以DHGN801D－200型簇絨機為分析對象，研究了簇絨地毯停機痕跡形成原因，提出了合理解決停機痕跡的方法，并對該方法進行了驗證。

1 簇絨裝備系統組成及紗線路徑

地毯簇絨裝備系統主要由進布部件、出毯部件、平圈送紗部件、提花部件、卷毯部件、刺針傳動部件、成圈鉤部件、機架部件等組成。圖1所示為地毯簇絨裝備示意圖。

紗線首先從紗架上的紗筒出發，經過穿紗管、頂穿紗板后，到達分線架，隨后紗線分別進入平圈送紗系統和提花系統。經過提花路徑的紗線，通過導紗器1進入提花部件，穿過導紗器2、集紗箱、恒張力導紗羅拉以及三層導紗器3～5后，最終到達簇絨針。在主軸系統驅動的針、鉤以及進布、出毯羅拉的精確配合下，絨紗被刺入地毯底布，在底布上形成絨圈。

2 絨紗路徑與伸縮量關系分析

在簇絨地毯織造的過程中，隨著簇絨針與毯面位置的變化，絨紗的路徑和其伸縮量也發生變化。圖2所示為簇絨針與底布位置的紗線路徑示意圖。

圖2中，A表示恒張力導紗羅拉，B為固定導紗器，C和D為隨簇絨針針排運動的導紗器，間距不變，Nd為成圈鉤，ln為針腳距離，l1為固定導紗器B與C的距離，l2為導紗器D與簇絨針中心線間的距離，E為簇絨針孔在簇絨針織毯過程中上升的最高點位置，F為簇絨針孔在簇絨針織毯過程中下降的最低點位置，E′為簇絨針剛進入底布的接觸點的位置，C′、D′和C″、D″分別為簇絨針下降至與底布相接觸的點位以及最低點的導紗器C與D的位置，α為簇絨針在底布上的最高位置E和導紗器D之間的線段lDE與水平線之間的夾角，Δα′為簇針向下運動引起lDE角變化量，β為固定導紗器B與可移動導紗器C之間的線段lBC與水平線之間的夾角，Δβ′為簇針向下運動至與底布接觸點位置引起β角的變化量，Δβ″為簇針向下運動至最低點位置引起β角的變化量。

圖1 地毯簇絨裝備系統組成圖

圖2 簇絨針與底布位置的紗線路徑示意圖

H1為簇絨針孔中心至針尖的距離，H2為簇絨針針尖至底布的距離，H3為地毯成圈高度，H4為地毯成圈高度H3與成圈后回彈量的和，因此，簇絨針的總動程H＝H1＋H2＋H4。

簇絨針織毯的過程是：首先，簇絨針向下運動，至最低點時，底布下方的成圈鉤緊靠著簇針向前運動鉤住紗線；當簇絨針向上運動退出底布時，成圈鉤鉤住紗線，在底布下方形成絨圈；當簇針再次向下運動之前，成圈鉤向后運動退出已形成的絨圈，紗線回彈，這時地毯毯面上成圈結束。

下面針對簇絨地毯的成圈過程，分情況地對絨紗的路徑進行研究。

（1）簇絨針刺入底布成圈前路徑分析。根據圖2，當簇絨針在最高位E時，紗線的路徑長度為

當簇絨針下降至毯面位置E′時，紗線的路徑長度為

由于C和D為隨簇絨針針排運動的導紗器，因此可知，lCD＝lC′D′，lDE＝lD′E′。當紗線路徑由L1變為L2，引起的紗線變化量Δs1為

（2）簇絨針刺入底布成圈后路徑分析。當簇絨針穿過毯面由E′下降至最低點F位置時，成圈鉤勾住紗線。這時，成圈后的紗線路徑長度L3為

其中，lC′D′＝lC″D″。由于導紗羅拉A 每時每刻送出紗線，單位時間內的送紗量2（H3＋d）＋ln剛好等于地毯成圈所需紗量。因此，紗線路徑變化引起的紗線變化量只存在于在底布上，則式（4）中的2（H3＋d）＋ln不予考慮。

比較L3與L1可知，當簇絨針由毯面位置E′下降至最低點F位置成圈后，紗線的路徑變化量Δs2為

實測地毯簇絨機數據，可得α≈31°，β≈13.1°。因此，通過對簇絨針入底布前后的路徑分析，可繪出圖3所示的簇絨針運動周期內紗線的伸縮量圖。

圖3 運動周期內底布上紗線路徑的變化量

主軸旋轉一周，簇絨針即可完成一次成圈過程。分析圖3可以得知：當主軸轉角θ＝143°時，簇絨針處于最高位置，紗線路徑長度變化量為0；當簇絨針由最高位置下降至毯面時，主軸轉角θ＝205°，紗線路徑變長，紗線變化量為2.32mm；當簇絨針由毯面位置下降至最低點位置成圈后，主軸轉角θ＝327°，毯面上紗線路徑變化量數值為0.84mm。因此，簇絨針從最高位置開始，紗線路徑始終大于初始值。當紗線路徑達到最長時，紗線張力達到最大；當紗線路徑相對減小時，紗線松弛，張力變小。在不同的運行狀態，紗線張力也時刻發生變化。

3 簇絨地毯紗線力學特性

由于紗線是一種黏彈性體，纖維兼具彈性固體和黏性流體的變形特征。因此，在一定的負荷作用下，變形隨時間而逐漸增大，具有時間效應或時間依賴性［3］。如果在紗線受力的階段突然停機，紗線的蠕變特性即會導致停機痕跡的形成。

3.1 線性黏彈性力學模型建立

圖4 紗線四元件模型示意圖

在一般情況下，紗線除了急彈性變形和緩彈性變形外，還會因分子鏈段間相互滑移產生不可回復的塑性變形。因此，采用四元件模型描述纖維在小變形條件下的黏彈性力學性能。四元件模型的示意圖如圖4所示。圖中，σ1為虎克彈簧E2的應力，σ2為伏歐脫模型η2的應力，σ為牛頓黏壺η3的應力。四元件模型的變形ε由虎克彈簧E1的變形ε1、伏歐脫模型E2和η2的變形ε2以及一個牛頓黏壺η3的變形ε3組成［4-5］。

根據應力與應變之間的關系，可得到該模型的本構關系式為

將式（6）進行變換，可得

當在恒定應力作用下，即σ＝σc＝常數時，式（7）變為

解上述微分方程式，根據初始條件，即t＝0、

從式（9）可以得知，在恒定應力作用下，紗線變形由三個部分組成，其中緩彈性和塑性變形隨著時間增加而增大，塑性變形σct／η3是不可回復的。

3.2 蠕變實驗及分析

為了分析簇絨地毯常用紗線丙綸的蠕變特性，采用AGS－500ND島津萬能試驗機對丙綸進行試驗。當施加恒定力為50cN時，可得如圖5所示的丙綸隨時間變化的蠕變曲線。

圖5 模型的蠕變曲線

分析圖5可知，丙綸紗線在變形時存在著明顯的急彈性變形、緩彈性變形、塑性變形三個階段。隨著時間的增加，紗線的蠕變逐漸加大，丙綸對張力的變化明顯。因此，采用丙綸進行地毯織造時，可以產生停機痕跡，并在一段時間內逐漸影響絨圈圈高。

4 織毯過程中紗線的受力分析

根據簇絨針運行位置，下面對簇絨針刺入底布前后的過程，分階段地對紗線所受張力進行分析。具體可分以下幾個典型階段：

（1）成圈前半程，簇絨針在底布上面，紗線受到拉力T1，運動范圍在線段h1之間，即簇絨針孔在底布上的最高位置至簇絨針剛進入底布的接觸點的位置，如圖6a所示。

（2）成圈前半程，簇絨針從與底布的接觸點起始繼續向下運動，在底布下運行未達下止點時鉤未起作用，紗線受到拉力T2，如圖6b所示。運動范圍在線段h2之間，即簇絨針剛進入的位置至送紗量小于等于圈高的位置。

（3）成圈前半程，簇絨針在底布下面，從送紗量等于圈高的位置至下止點的過程中，鉤未起作用，運動范圍在線段h3之間，紗線受到拉力T3，如圖6c所示。這時，忽略繼續送紗的長度，認為h3為線段h2受拉獲得。

（4）成圈后半程，簇絨針在底布下面，鉤起作用，針剛好停在圈高與回彈量紗線和的位置，紗線受到拉力T4，如圖6d所示。這時，T4為包括紗線上一階段的拉力T3以及鉤的作用力的合力。

（5）成圈后半程，鉤剛好脫離紗線，簇絨針在毯面上的最高點位置。這時，紗線路徑最小，且由于送紗量依舊保持不變，因此紗線松弛，這時不受任何張力作用。

圖6 紗線路徑與張力變化分析圖

從上述的分析可知，在圖6所示的幾個階段紗線都受到張力的作用，只有在簇絨針在毯面上最高點位置的時候，紗線不受任何張力。這時，簇絨機進行停機操作和再次啟動，將不會產生停機痕跡。

5 高位停機控制方法研究

根據圖5以及上述分析結論，可知當主軸轉角θ＝143°時，進行高位停機操作，簇絨地毯無停機痕跡。因此，對圖7所示的DHGN801D－200型簇絨機停機系統進行改進——實現高位自動停機。

圖7 DHGN801D－200型簇絨機

當主軸轉到143°時，將信號施加到主軸電機上，即由計算機發出停機指令，產生控制信號，加載到主軸位置閉環系統上。由安裝在主軸高位停機轉角初始點的高精編碼器測量主軸輸出轉角，由主軸閉環系統實現位置閉環控制，當達到143°時，主軸實現自動高位停機。

采用上述高位停機原理，進行簇絨地毯織毯實驗，可得到如圖8所示的地毯樣品圖片。其中，地毯高圈絨高為5mm，低圈絨高為3mm。在非高位停機時進行實測，可得停機半小時的紗線蠕變量為0.25mm。

圖8 高位停機實驗地毯圖片

分析圖8可以看出，和非高位停機相比，采用高位停機方法織造的地毯圖樣沒有停機痕跡。實驗的結果證明了高位停機消除停機痕跡的方法是有效和可行的。

6 結論

（1）在簇絨針運動過程中，紗線路徑以及張力隨簇絨針位置交替變化。在不同的停機位置，由于紗線張力變化所引起的紗線蠕變量不同，因而導致停機痕跡。

（2）停機位置不當可以產生停機痕跡。在不同的位置停機，紗線張力不同。紗線具有蠕變特性，在一段時間內逐漸影響絨圈圈高。

（3）在簇絨針運動至最高位時，停機進行運作，不會產生停機痕跡。這也滿足了實際的生產需要，便于進行更換紗線、補毯等操作。

［1]薛士鑫.機制地毯［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［2]Meng Zhuo，Sun Jingjing，Zhou Tingze，et al.Research on the Influence That Stop Position of Carpet Tufting Machine to Yarn Tension and the Method of Eliminating Stop Mark［J］.Key Engineering Materials，2008，375：724－728.

［3]于偉東，儲才元.紡織物理［M］.上海：東華大學出版社，2001.

［4]Rita P，Arvydas V.Inverse Stress Relaxation and Viscoelastic Recovery of Multifilament Textile Yarns in Different Test Cycles［J］.Materials Science，2005，11（1）：68－72.

［5]Nachane R P，Sundaram V.Analysis of Relaxation Phenomena in Textle Fibres［J］.Journal of Textile Institute，1995，86（1）：10－32.