環錠紡紗線質量檢測技術發展現狀及趨勢

汪 軍

(東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

環錠紡是一種傳統的紡紗生產工藝，至今已有近2個世紀的歷史。盡管新型紡紗的問世豐富了成紗結構和紗線品種，但迄今為止還沒有一種新型紡紗能像環錠紡那樣具有良好的原料適應性和產品廣泛性，據國際紡織制造商聯合會(ITMF)統計［1］，2002—2011年全球環錠紡發貨量累計為9 930萬錠，同期轉杯紡紗機的發貨量僅為378萬頭，環錠紡仍占據紡紗市場的主導地位。

環錠紡紗技術也在持續進步中，集聚紡［2］、低扭矩紡紗［3－4］和復合紡紗［5］技術的問世，紡紗器材的進步［6］以及紡紗設備自動化程度［7］的提高等，都提升了環錠紡紗的質量。與此同時，隨著消費者對紡織品的要求越來越高，行業對紗線質量品質的要求也日趨嚴格，特別是在紗線質量穩定性、細小紗疵等方面的要求明顯提高。

紗線及半制品的質量一般可分外觀質量和內在質量。外觀質量主要有黑板條干均勻度、棉結、雜質、粗細節、毛羽和色澤等。內在質量又分為結構和力學性能2部分，線密度、捻度、電容條干均勻度及混紡成分等屬于結構范疇，強力、伸長、斷裂功、彈性和耐磨性等屬于力學性能。傳統紡紗過程的質量檢測均采用離線檢測的方式，隨著紗線生產朝自動化、連續化、優質化和智能化方向的發展［8］，對紗線質量控制要求不斷提高，在線檢測與控制技術在現代紡紗生產中的應用越來越廣。本文將介紹離線檢測與在線檢測技術的發展現狀，分析相關檢測技術的進步與不足，探討紗線質量檢測技術的發展方向。

1 紗線質量檢測的現狀與分析

1.1 離線檢測技術

紡紗是將纖維原料經過若干工序制成符合后道工序要求的紗線，傳統上運用測試儀器對包括原料、半制品和成紗質量的離線檢測是保證紗線質量的重要手段。

1.1.1 棉纖維質量的檢測

棉花的品質對成紗質量的影響比較大。我國是產棉大國和棉纖維加工大國，同時也是棉花進口大國，對棉纖維質量的檢測非常重視。我國的棉檢工作以感官檢驗人工評級為主，輔助于儀器檢測棉花長度、馬克隆值和斷裂強度等指標。國外先進的棉花檢驗技術以美國最具代表性，是以烏斯特公司生產的HVI大容量棉花纖維測試儀為主，輔助于感官檢驗。我國較早的棉檢工作是依據棉花的各個物性指標分開進行測試。近年隨著我國棉花儀器化公證檢驗體系的建設，僅纖檢系統就引進了400臺HVI檢測儀器，基本實現了棉花的儀器化檢驗。

集光學、電子、機械技術于一體的 HVI儀器憑借其一次性取樣完成所有指標測試的高效性，在我國部分紡織廠已開始使用。此外，印度普瑞美公司的ART2全自動棉花測試儀、蘇州長風紡織機電科技有限公司與印度MAG聯合開發的HVT EXPERT 1201和陜西長嶺公司研發的XJ128快速棉纖維性能測試儀也取得了進展，但是烏斯特公司的HVI無疑是技術領先者。目前HVI在我國的應用存在2個主要問題:一是我國棉花種植的品種較多，棉花色征圖的準確性尚存較大問題;二是不同HVI儀器之間的測試差異，這與儀器、環境和操作等都有關系，需要通過加強實驗室比對等方法進行完善［9］。

1.1.2 半制品質量檢測

由于對成紗質量要求的提高，企業對前紡半制品質量的檢測與控制也越來越重視。環錠紡紗系統常規的質量檢測項目有單位質量、質量變異系數、條干均勻度、棉結、雜質、粗紗捻度、落棉率和短纖維含量等等。電容式條干儀技術的廣泛使用，使條子和粗紗的條干均勻度檢驗成為日常工作，從而能夠分析診斷和控制生產中產生的機械波、牽伸波等質量問題。

半制品質量檢測中近年最大的亮點是以烏斯特公司推出的AFIS單纖維測試儀為代表的測試儀器的推廣應用，它能夠檢測從原棉到粗紗各工序半制品的棉結、雜質、纖維長度和短纖維含量等多項指標，與傳統的方法相比，具有準確和快速的優點。這些指標為生產管理、工藝參數的合理配置，控制和改善產品質量提供了有力的工具。國內一些紡紗企業的實踐表明，利用AFIS纖維測試儀檢測前紡紡紗各工序半制品的質量，可以優化工藝，提高成紗質量，或在保證正常質量的前提下提高工作效率，節約原料成本［10］。

普瑞美公司推出的aQura棉結和短纖維測試儀也屬同類產品，可以用來測試半制品的棉結與纖維長度。有研究者對aQura與AFIS測試的結果進行對比分析，認為aQura儀器的測試結果可能穩定一些［11－12］。本文認為，這二者的最大區別是 AFIS測試的是單纖維狀態，aQura測試的是束纖維狀態，2種測試設備都能為半制品質量的離線檢測提供強有力的工具，均有進一步發展的空間。

德國特呂茨勒公司開發了 LCT(length control)［13］測試系統，采用纖維成像原理的雙向掃描纖維須條，能夠測試纖維長度，特別是纖維前后彎鉤情況，這對半制品質量的控制無疑是重要的，因為AFIS和aQura無法測試半制品的彎鉤纖維狀態。

由于半制品只是成紗工序的中間階段，我國目前還沒有相關的國家標準或行業標準，缺少統一測試方法和規范，且關于測試數據的分析缺乏參考標準，目前僅有烏斯特統計公報有相關統計值。

1.1.3 成紗質量的檢測

成紗質量的檢測主要涉及條干均勻度儀、紗線強力儀、紗疵分級儀和毛羽測試儀等。

1.1.3.1 條干均勻度儀 紗線條干的測試有電容式與光電式2種模式。以烏斯特USTER TESTER 5為代表的電容式條干儀測試速度已達到800 m/min，除了檢測條干 CV值、錠間條干差異CVb以外，還配備特殊傳感器能夠測試紗線中的毛羽、直徑截面形狀、異纖檢測、分級以及微塵等項目。電容式條干均勻度儀的生產商較多，中國和印度均有多款產品可供客戶選擇。光電式條干儀以美國勞森公司的EIB為代表，通過采用CCD持續掃描紗線直徑獲得數據。陜西長嶺紡織機電科技有限公司也開發過類似產品。

關于電容式條干儀與光電式條干儀優缺點以及二者相關性的問題，一直是許多學者的研究熱點［14－15］。二者各有特點，目前在市場上是共存狀態，只是電容式條干儀的市場份額較大。電容式條干儀的主要問題在于某些紗線的條干CV值和制成織物后的實際效果不相關，主要原因是電容式條干儀測試的是紗線的線密度，但是如果紗線的體積密度不均勻，就可能出現電容式條干CV值雖好，但是紗線的實際直徑呈現不勻的現象。光電式條干儀測試的是紗線直徑，但由于紗線的截面基本上不是非常圓整，其測試值的準確性也得不到保證。有學者對采用電容式和光電式的紗線條干數據進行研究，結果表明二者數據的相關性不強。有些儀器制造公司嘗試將電容式和光電式結合在一起。總之，關于2種形式條干儀的研究和爭論已有很多年，也值得深入研究。目前關于條干測試的國家標準也有2個，分別是GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗線條干不勻試驗方法 第 1部分:電容法》和GB/T 3292.2—2009《紡織品 紗線條干不勻試驗方法 第2部分:光電法》。還有很多學者正在采用圖像處理等方法進一步研究。

1.1.3.2 紗線強力儀 紗線的強伸性能是其最重要指標之一。紗線強力儀經過等速牽引型(CRT)和等加負荷型(CRL)的發展，目前進入等速伸長型(CRE)的階段。以USTER TENSOJET高速單紗強力儀為代表的新一代儀器，最大檢測速度達400 m/min，是GB/T 3916—1997《紡織品 卷裝紗 單根紗斷裂強力和斷裂伸長率的測定》規定的拉伸速率0.5 m/m in的800倍。該儀器不僅能夠模擬紗線在高速織造過程中的實際受力情況，更重要的是擴大了測試樣本量，可發現一些偶發性的強力及伸長率弱環，這是小樣本量抽樣實驗及數理統計方法所不能得到的數據，而這些偶發性的強力牽伸率弱環卻往往成為影響后道工序提高生產效率的重要問題，國內一些企業的實際應用也證實其效果［16］。高速化是紗線強力儀發展的重要方向。

1.1.3.3 紗疵分級儀 紗疵是紡紗過程中由原料、機械、工藝、環境和操作等方面造成紗線上有一定長度粗細節或污染，對紗線的外觀和力學性能都會產生不利影響。環錠紗根據紗疵出現的概率分為頻發性紗疵和偶發性紗疵2大類。頻發性紗疵可以采用條干儀檢測，分為粗節、細節和棉結。偶發性紗疵則是非經常出現但危害比較大的紗疵，需要用紗疵分級儀進行檢驗和分級。目前紗疵分級儀主要生廠商有烏斯特公司、普瑞美公司、KEISOKKI公司、LOEPFE公司和陜西長嶺紡織機電科技有限公司等公司。烏斯特公司的USTER CLASSIMAT紗疵分級儀曾經提出了23級紗疵分級方法，隨著電子清紗器技術的發展，烏斯特公司開發的USTER CLASSIMAT QUANTUN紗疵儀在原來23級分級的基礎上，將紗疵分為粗節23級、細節4級，將異纖分為27級。這樣的分級改進將疵點更加細分化，能夠檢測出細小疵點，可以控制織物的外觀效果。

1.2 在線檢測與控制

紡紗過程的在線檢測是指在紡紗生產流程的機臺上安裝特定的檢測傳感器，對在線的半制品進行自動檢測，根據檢測的信息，通過機電一體化技術對工藝進行自動比較、分析、控制與調整。紡紗過程的在線檢測目前一般涉及自調勻整、異纖檢測、電子清紗等方面。

1.2.1 自調勻整技術

自調勻整是根據棉卷或條子的粗細(厚度)變化，自動地調整牽伸倍數，從而使輸出紗條粗細均勻，自調勻整技術在紡紗上是一個經典的在線控制問題，經過多年的發展，已經從純機械式控制發展到機電一體化控制，從單工序控制發展到全流程控制［17－18］。自調勻整為紡紗質量的提高作出了很大的貢獻，有關理論研究和設備開發也有不少文獻報道，在自調勻整裝置、控制方式等方面有較大進展［19－22］，但是由于纖維集合體在牽伸區的運動和變速問題十分復雜，自調勻整的效果尚未達到較理想的狀態，有關自調勻整的理論研究，特別是關于牽伸區纖維變速、纖維性能對勻整效果［24－25］的影響等課題還有待繼續深入研究。

1.2.2 異纖檢測技術

異纖的混入會形成織物外觀的疵點，反映在印染加工和成品中往往是嚴重的質量問題，因此倍受重視。目前，投入市場的異纖檢測設備很多，從基本原理看可分為2大類:一類是以CCD為主的光學檢測，另一類則通過傳感器進行檢測。通過開清棉系統的異纖檢測清除裝置和帶有清除異纖的電子清紗器，基本能夠滿足國內企業生產的需要，近年來對丙綸絲和白色塑料的檢出率有明顯提高。

1.2.3 電子清紗技術

絡筒工序廣泛使用的電子清紗技術是紗線質量得以保證的一個重要措施，電子清紗器實際上是一個在線質量檢測和清除紗疵的裝置。市場占有份額比較大的電子清紗器來自烏斯特公司和洛菲公司，在絡筒機市場占據前2位。電子清紗器同樣也有電容式和光電式2種，與條干儀一樣，2種不同型式的電子清紗器也存在各自的優缺點。

2 紗線質量檢測技術的發展趨勢

紗線質量檢測的總體發展趨勢是在線檢測與控制會進一步拓展，在紡紗檢測中形成主流，離線檢測項目會逐步減少，但仍然是不可或缺的。在線檢測與控制和離線檢測相結合，形成完整的體系，保障成紗質量符合下游工序的要求。

2.1 離線檢測技術的發展趨勢

通過分析認為，紗線質量的離線測試技術朝著儀器化、自動化、高速化和差異化方向發展。

2.1.1 儀器化

儀器化是指紡紗過程測試項目全部由儀器來客觀評定，且測試儀器由單一功能轉向多功能化。目前的離線測試以儀器為主，輔助人工檢測。比如目測黑板條干、人工檢測棉結和半制品纖維伸直度等項目仍然依靠人工。隨著傳感器技術、圖像處理技術和計算機技術的進步［23－24］，這些檢測項目將全部實現儀器客觀檢測。同時，測試儀器具有多功能，能夠對測試對象多個屬性進行檢測。比如，原來測試棉纖維長度、線密度、馬克隆值、纖維斷裂比強度和色澤指標需要不同的儀器，現在用1臺HVI就可全部測試。烏斯特公司AFIS、條干儀以及電子清紗器等產品也體現了這種趨勢。

2.1.2 自動化

自動化是指檢測儀器更加智能，無需操作人員過多干預，可以盡可能排除人工操作對檢測結果的影響。從影響測試結果的角度看，無非是測試人員、測試設備、測試物質、測試方法和測試環境這些因素，相對人員因素，其他因素比較容易控制，因此測試儀器的自動化和智能化是可以預計的。

2.1.3 高速化

高速化是指測試速度大幅提升，單個樣品的測試時間大幅減少，這樣的目的除了提高效率，還可提高測試樣品的數量。離線測試只能是抽樣檢測，而且紡紗過程中測試的樣本量與總樣本量相比，其比例還是很低。測試高速化將增加測試數據，從而提高測試效果。當然儀器的自動化程度提高也為高速化奠定了基礎。烏斯特公司的高速強力儀每小時可進行3萬次的紗線測試，大幅提高了檢測的有效性和準確性。

2.1.4 差異化

紗線是中間商品，其最終的用途決定了對紗線質量的要求。差異化是指測試方法、測試條件和技術指標需要根據最終用途的要求來調整與確定，凡是能夠滿足下游工序要求的紗線就是質量好的紗線。目前我國紗線測試標準的國家和行業標準更新滯后，一些標準中規定的測試方法和測試條件不符合現階段國情，而且方法標準與產品標準混雜。本文認為，紗線標準應該以方法標準為主，規定測試方法、測試條件等，便于測試數據的可比性，至于測試數據本身是否合格應該讓貿易雙方確定。

2.2 在線檢測與控制技術的發展趨勢

在線檢測技術的發展方向為全程化、信息化和系統化

2.2.1 全程化

環錠紡紗流程相對較長，目前在線檢測幾乎涉及了整個紡紗流程，但還不完整。隨著技術進步，在線檢測必將覆蓋整個工藝流程。在我國，目前棉花加工即軋棉過程不屬于紡織系統，其在線檢測系統的應用還處于起步階段。2011年東華大學赴新疆調研軋棉企業，尚未發現全自動軋棉設備的應用。而美國幾乎全部采用在線檢控軋棉設備，多數采用烏斯特公司的 INTELLIGIN軋棉在線監測系統，該系統能夠在線測試原棉回潮率、雜質含量和色澤等級，從而控制棉花水分和含雜量，達到優化原棉品質的作用。鑒于棉花質量對成紗質量影響的重要性，我國軋棉工序需要納入到紡紗過程的質量監控體系中。

2.2.2 信息化

在線檢測會產生海量數據，對這些數據進行充分挖掘具有重要意義。纖維作為一種柔性物質，其力學理論體系尚不完善，所以紡紗過程中的理論研究尚不能很好地與實踐吻合，因此充分利用在線檢測的數據能夠提高產品質量。測試系統的信息化和網絡化是充分利用這些數據的基礎。國內外學者對紗線質量的預測［28－29］，虛擬紡紗的實現都有研究，從可預計的未來看，紗線質量預測與評估都需要在信息化的基礎上實現。

2.2.3 系統化

環錠紡有開清、梳理、精梳、并條、粗紗、細紗和絡筒等多個環節，且成紗質量與原料、設備、器材、工藝、環境和操作等均有關系。每個工序的質量檢測都很重要，而將整個流程視為一個系統非常必要。將各工序在線檢測的質量綜合考慮，以服從最終的成紗質量要求。這就產生了各類專家系統，所謂專家系統是通過集成化的在線檢測數據的采集和管理，根據用戶需要提供各類數據匯總及報表，并采用智能技術將復雜的數據過濾為實質要素，為企業技術管理人員調整工藝等決策提供選擇。烏斯特公司的系列專家系統、經緯紡織機械股份有限公司開發的e系統均屬于這一類。目前我國有少數紡織企業開始嘗試采用這些系統。

2.3 離線檢測與在線檢測的有機結合

發揮離線檢測和在線檢測各自的優勢，在紡紗過程及成品檢測中能夠取得良好效果。烏斯特公司利用絡筒工序的在線電子清紗器的測試數據可以追蹤到有質量異常的細紗機錠位，再采用離線的條干均勻度儀測試這些異常錠位生產的紗，從而達到綜合監控紗線質量的目的，在國內的一些企業也已得到應用［27］。

3 結束語

環錠紡紗成紗及半制品的檢測技術在國內紡織企業得到了廣泛的應用，紗線質量明顯提高。隨著離線檢測技術朝著儀器化、自動化、高速化和差異化的方向發展，其測試數據的可靠性和穩定性將更加好;以自調勻整、異纖檢測和電子清紗為標志的在線檢測很好地彌補了離線檢測的不足，在線檢測的發展將以全程化、信息化和系統化為特征，覆蓋包括棉花加工在內的紡紗全流程。離線和在線檢測的有機結合，將使檢控每錠紗、每米紗成為可能，紗線質量和穩定性有望進一步提高。

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