紡紗三角區形態變化對環錠紗線質量的影響

劉可帥， 李 婉， 余 豪， 陳 軍， 夏治剛,2

(1. 武漢紡織大學 紡織科學與工程學院， 湖北 武漢 430073； 2. 武漢紡織大學 新型紡織 材料綠色加工及其功能化教育部重點實驗室， 湖北 武漢 430073)

紡紗工序是整個紡織工業的基礎和關鍵環節，紡紗環節所生產的紗線質量直接決定織造效率以及布面效果等[1]。迄今為止，大部分短纖維紗線的紡制都是通過環錠紡技術來實現的，傳統環錠紡是由錠子和鋼領、鋼絲圈進行加捻，由羅拉進行牽伸的一種機械紡紗方法。加捻時，前羅拉鉗口處的須條圍繞自身軸線回轉，須條寬度逐漸收縮，兩側逐漸卷入紗條中心，形成加捻三角區[2]。由于加捻三角區的存在，加捻過程中須條內纖維的應力應變分布不均勻，纖維發生內外轉移，在一定程度上影響了紗線的物理機械性能，如單紗強力、纖維強力利用率等，更明顯的是在紡紗三角區使纖維的兩端不能很好地捻入紗中而形成毛羽，這也是目前環錠紗毛羽問題不能得到根本解決的關鍵。紗線上的毛羽會影響染色布的外觀質量，會形成橫檔疵點。噴氣織機生產高密織物時毛羽使相鄰經紗相互糾纏從而造成開口不清，噴氣織機初始開口高度為3.5 mm，由于毛羽的存在會減小織機開口的有效高度，造成開口不清、緯紗飛行受阻而造成停臺，經紗上3 mm以上的毛羽還會使引緯失敗，甚至產生織造疵點影響產品質量[3]。紗線上的毛羽在后道各工序因受摩擦而脫落，形成飛花污染環境，危害人體健康，也會產生新的疵點使紗線及織物質量下降。

紡紗三角區是產生毛羽的重要部位，為消除紡紗三角區，減少毛羽，形成了一種新型紡紗方法——緊密紡。當扁平的須條從前羅拉輸出時很快地使其收縮寬度，須條在纖維排列平順、緊密的情況下被加捻[4]，成紗的結構、物理力學性能以及纖維強力利用率都將得到明顯改善。緊密紡紗技術實質上是利用上述原理收縮前鉗口處須條寬度集聚纖維。目前國外成熟的緊密紡紗技術雖然形式各異，但一個共同點就是在細紗機牽伸輸出區通過氣流收縮須條的寬度，消除紡紗三角區，從而實現對纖維的集聚作用。緊密紡在細紗機牽伸輸出區通過氣流收縮須條的寬度的辦法有效地降低了紗線毛羽，但能耗較大[5]，繼而出現新的紡紗方法——斜位紡。

斜位紡是通過牽伸單元和加捻卷繞單元的錯位，改變了加捻三角區的形態和尺寸以及加捻過程中纖維的轉移，從而改變成紗結構，是改善成紗質量的一種環錠紡紗方法[6]。國內外紡織界對斜位紡進行了較多研究，普遍認為捻向和斜位方向對成紗質量影響較大[7-8]，很少有對錯位紡紗影響因素進行全面深入研究的。

1 理論模型分析

1.1 斜位紡減小加捻三角區的理論分析

寬度一定的扁平須條從前羅拉輸出后，在前鉗口位置由于加捻的作用形成加捻三角區，加捻三角區中纖維發生內外轉移，在向心力一定的情況下，三角區面積越大，邊緣纖維所受束縛力越小，導致纖維頭端和末端伸出的越多，縮小加捻三角區面積可減少纖維端伸出量，即減少細紗毛羽數。

圖1示出普通環錠紡紗和斜位紡紗加捻三角區的示意圖。由于須條寬度AB一定，決定三角區面積的因素為加捻點C到AB的垂直距離。

注：1—環錠紡； 2—斜位紡。圖1 環錠紡及斜位紡加捻三角區模型圖Fig.1 Twisting triangle model of ring spinning and diagonal spinniag

當紡紗段捻度相同時，紗路右斜如圖1所示，AC′長度大于BC′，紡S捻，由于采用右斜位紡S捻紗時，加捻三角區形狀改變而增強了左邊纖維的預加捻作用，在斜三角形左邊AC′段的纖維密度增大，所以更多的纖維受到了預加捻作用。這一預加捻作用增強了對纖維的控制，使更多的纖維并入紗體，因此減少了毛羽。同時左邊AC′段纖維張力也增大，也有利于減少紗線毛羽。AC′段所受向心力大于BC′段，使加捻點C′上沖右斜，加捻點C′與AB的垂直距離減小，所以該紡紗方式可降低毛羽數。

1.2 基于捻陷影響斜位紡加捻三角區模型

圖2示出基于捻陷影響的斜位紡三角區變化模型。如圖所示，環錠紡中捻度是由下至上經過導紗鉤傳至前羅拉，而紗線上的捻度分布由鋼絲圈到前羅拉鉗口是逐漸減小的，因為鋼絲圈回轉產生的捻回先傳向氣圈，然后通過導紗鉤傳向前羅拉鉗口，由于捻回的滯后現象及導紗鉤的捻陷作用較大，使紡紗段捻度逐漸減小，特別是在靠近前羅拉鉗口附近加捻度最小，從而影響加捻三角區的大小。

注：1—環錠紡紗加捻三角區；2—斜位紡加捻三角區減小； 3—斜位紡加捻三角區面積不變；4—斜位紡加捻三角區面積增大。圖2 基于捻陷影響的斜位紡加捻三角區變化模型Fig.2 Based on influence of twist fault in diagonal spinning twist triangle model

圖2中1、2紡紗段加捻動力一定，由于2加捻三角區右斜使得加捻三角區面積縮小。由于捻陷的作用，若圖2中2紡紗段D點橫截面捻度大于3中E點橫截面的捻度，而根據加捻動力學方程[9]：

(1)

(2)

式中：KH為紗線某截面處的捻度，捻/m；n為紗線某截面回轉速度，轉/s；V為紗線前進的線速度，m/s；MW為單位長度紗段上作用的外加合扭力矩，N；l為單位長度紗線的轉動慣量，kg·m；S為弧坐標。

在紗線前進速度相同的情況下，該截面處捻度大，其單位長度的轉動慣量增大，使得紡紗三角區面積縮小，如圖2中2所示。同理，若圖2中4紡紗段F點橫截面捻度小于圖2中3紡紗段E點橫截面的捻度，其單位長度的轉動慣量減小，紡紗三角區面積增大。

紗線和導紗鉤表面的夾角及摩擦因數(包括縱向和周向滑動摩擦及滾動摩擦)、紗線的張力等因素對捻陷作用都有較大的影響，其中尤以紗線與摩擦體(導紗鉤)表面間的包角對捻陷(捻度損失)的影響最顯著。而影響紗線與導紗鉤表面包角大小的因素為導紗角。由加捻動力學方程推出相對捻度損失公式[10]為

ak(eKOKφm-1)×100%

(3)

式中：εKH為相對捻度損失；KHA為紡紗段捻度，捻/m；KHO為氣圈段捻度，捻/m；φm為捻包角值。

由于導紗鉤的捻陷作用，紡紗段捻度小于氣圈段捻度，捻包角值越大捻度損失越大，而導紗角越大捻包角值越小，即導紗角越大相對捻度損失越小，應符合模型2，導紗角越小捻度損失越大，應符合模型4。

2 實驗部分

2.1 驗證實驗設計

為驗證基于捻陷影響的斜位紡加捻三角區模型，分別紡制右斜精梳棉14.6 tex 和直路精梳棉14.6 tex S捻紗，右斜量為一個錠距(見圖3)。由于影響捻陷大小的主要因素為導紗角，所以紡紗分別在導紗角較小的FA506和導紗角較大的JWF1510型細紗機上進行, 牽伸部分分別采用普通牽伸裝置和緊密紡裝置。整個過程中，關閉緊密紡負壓吸風，取消集聚須條功能。主要實驗工藝參數為：錠速15 500 r/min，前羅拉速度195 r/min，捻系數350，鋼絲圈型號Bracker7/0，粗紗類型為GCM380 tex的高落棉精梳粗紗紗線線密度14.7 tex。為形成對比實驗，故FA506和JWF1510型細紗機均為同一實驗參數。

圖3 斜位紡紗示意圖Fig.3 Sketch of diagonal spinning. (a) Straight road； (b) Right angle

2.2 測試方法

采用YG172A型毛羽測試儀測試毛羽指數，測試速度為30 m/min，測試長度為100 m，每管紗測試1次。采用USTER TENSORAPID4快速強力儀測試單紗斷裂強度、斷裂伸長率指標，試樣夾距為500 mm，拉伸速度為5 000 mm/min，每管紗拉伸20次，預加張力為7.4 cN。采用USTER TESTER4-S條干均勻度測試分析儀測試條干CV值和細節、粗節、棉結指標，速度為400 m/min，測試時間為1 min，每管紗測試1次。各項成紗質量指標測試10管紗，計算測試平均值。

3 結果與討論

比較斜位紡紗在普通環錠紡機型和緊密紡機型上的成紗質量，實驗結果如表1、2所示。

從表1可看出，14.6 tex細紗條干CV值降低4.00%，強力減少0.76%，在緊密紡JWF1510機型上用同樣的粗紗右斜紡S捻14.6 tex細紗，且整個過程中，關閉緊密紡負壓吸風，取消集聚須條功能，條干CV值增加0.42%，斷裂強力降低2.82%。從表2可看出，在普通環錠細紗機FA506機型上3 mm毛羽增加9.83%，在緊密紡機型上的斜位紡紗線3 mm毛羽減少14.69%，在普通環錠細紗機FA506上右斜紡S捻得出有害毛羽增加符合模型4紡紗三角區增大，在緊密紡機器上的斜位紡紗線有害毛羽減少符合模型2紡紗三角區減小。

在普通環錠細紗機FA506上右斜紡S捻14.6 tex細紗，有害毛羽增加，符合模型中4，分析其原因主要是導紗角α偏小，從前羅拉鉗口輸出的紗條在前羅拉上存在一包圍角，其與導紗角和羅拉座傾角之間的關系為：包圍角=導紗角-羅拉座傾角，包圍角的大小影響加捻三角區的無捻紗段的長度，即影響羅拉鉗口握持的須條中已加捻紗線中的纖維數量和長度，是對紡紗段動態強力頗有影響的一項參數。要減小包圍角，可減小導紗角α或增大羅拉座傾角，而羅拉座傾角在細紗機設計時已確定，而導紗角的減小受到紗條在導紗鉤上包圍弧增大和由此引起的捻陷增大的限制；其次，捻陷較大，紗線上的捻度分布由鋼絲圈到前羅拉鉗口是逐漸減小的，因為鋼絲圈回轉產生的捻回先傳向氣圈，然后通過導紗鉤傳向前羅拉鉗口，由于捻回傳遞的滯后現象及導紗鉤的捻陷作用較大，使紡紗段捻度逐漸減小，特別是在靠近前羅拉鉗口附近捻度最小，從而導致對三角區邊緣纖維控制不夠，使其毛羽增加。斜位紡紗使紗線與導紗鉤的接觸位置發生變化, 而環錠紡現有導紗鉤是按照非斜位正常紡紗設計的,會造成不匹配的問題, 造成摩擦加劇, 氣圈變形,鋼絲圈運行穩定性下降，致其毛羽增加。

表1 不同紡紗角的紗線性能指標Tab.1 Different yarn performance index of spinning angle

表2 14.6 tex紗不同導紗角的毛羽指標Tab.2 14.6 tex yarn hairiness refers to different thread angle

在JWF1510緊密紡細紗機上右斜紡制S捻14.6 tex細紗，有害毛羽減少，由于整個過程中，關閉緊密紡負壓吸風，取消集聚須條功能，故與傳統環錠紡類似均無須條集聚，符合圖2中模型2，分析其毛羽減少原因，主要為導紗角β適中(見圖4)，圖4(b)β>α，紗條在導紗鉤上包圍弧適中的，捻陷降低，紡紗段捻度增大，對三角區邊緣纖維控制良好，使其毛羽減少。皮輥前沖，由于靠近前羅拉附近捻度最小，為弱捻區，皮輥前沖，引出上皮輥前沖至異形負壓吸管前端，包圍弧減小，弱捻區域變小，所以毛羽降低率分別為19.1%、18.1%和17.5%；斜位紡紗改變了加捻三角區的形態,加捻三角區面積減小, 在卷捻過程中纖維的內外轉移程度降低, 有利于毛羽減少。

圖4 傳統環錠紡和緊密紡示意圖Fig.4 Sketch of traditional ring spinning and compact spinning. (a)Traditional ring spinning; (b)Compact spinning

4 結 論

由斜位紡在緊密紡和普通環錠紡機型上實施對比發現，緊密紡為節能可關閉負壓吸風而采用節能環保的斜位紡紗方式，可降低有害毛羽20%以上。斜位紡紗由于改變了加捻三角區的形狀而對成紗結構有一定的影響，對緊密紡的成紗毛羽有一定的改善，對其條干CV值和強力影響不大。斜位紡在普通環錠紡機上毛羽反而增加，其主要原因與導紗角、捻陷、導紗鉤不匹配等有關，選擇合理的導紗角進行斜位紡紗更有利于減少紗線毛羽，導紗角較大時捻陷較小，捻度能有效傳遞，可縮小紡紗三角區，有利于控制三角區邊緣纖維，從而改善成紗質量。

FZXB

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