賽絡紡加捻三角區內纖維的受力分析

劉 娜， 徐伯俊， 劉新金

(江南大學 紡織服裝學院， 江蘇 無錫 214122)

賽絡紡是一種新型的紡紗方式，它是由2根粗紗平行喂入細紗機雙喇叭口，經牽伸系統在前羅拉鉗口輸出并復合，通過鋼絲圈和錠子的加捻卷繞成紗[1]。由于賽絡紡單股紗以及成紗均具有一定的捻度，類似于紗線合股，因此其具有表面光潔和耐磨性能良好等諸多優良性能。賽絡紡成紗三角區類似于股線加捻三角區，三角區內單股紗受力以及纖維的受力分布情況較為復雜，因此，對賽絡紗成紗三角區的研究也越來越多，一般使用的方法為理論計算和模擬，如余燕平[2]對Siro系列紡紗復合三角區的力學性能進行了研究，安降龍[3]研究了賽絡紗三角區動態力學特征和非對稱三角區的力學性能，劉新金等[4]通過研究賽絡紗加捻三角區纖維的受力分析了賽絡紗的扭矩，而利用有限元模擬的方法對賽絡紗加捻三角區的研究還較少。

影響賽絡紗三角區內纖維受力性能的因素眾多，如紗線捻度、紗線中纖維細度、紗線線密度、錠速、鋼絲圈型號等。由于紗線張力對成紗三角區的結構具有重要影響，三角區結構的改變導致三角區內纖維受力的變化，從而引起纖維在三角區內的轉移發生改變，進而影響成紗性能，而紗線捻度、錠速以及鋼絲圈型號對紗線張力的影響較為顯著。基于此，本文利用不同的紗線捻度、錠速以及鋼絲圈型號改變紡紗張力，采用有限元方法研究賽絡紗三角區內纖維受力分布。

1 加捻三角區模型建立

1.1 加捻三角區幾何模型

賽絡紡紡紗過程中，2根須條同時從前羅拉前鉗口輸出，繼而通過鋼絲圈和錠子的加捻作用合股成紗，加捻三角模型如圖1所示。圖中：D為三角區的寬度；H為三角區高度；F為作用在加捻點O上的紡紗張力；α、β為單股紗與成紗三角區中心線的夾角，紡紗角α+β與紗線的捻度和紗線的直徑有關，滿足tan(α+β)=2πdT[5]。式中：d為紗線直徑；T為紗線捻度。

圖1 賽絡紗成紗三角區纖維幾何模型Fig.1 Fibers geometry model in Sirospun spinning triangle

賽絡紗單股紗成紗三角區纖維幾何排列如圖2所示。圖中：θ表示第τ根纖維與垂直于前羅拉鉗口線纖維之間的夾角；D1、D2為單股紗成紗三角的寬度；H1、H2為單股紗成紗三角的高度；F1、F2為單股紗成紗三角區的張力，其方向由紡紗角決定。

圖2 左、右側單股紗成紗三角纖維幾何排列Fig.2 Fiber distribution at left (a) and right (b) yarn spinning triangle

1.2 模擬條件

假設纖維為具有彈性變形的細長圓柱體，纖維一端均勻排列并固定在前羅拉鉗口線上，另一端匯聚成加捻點，纖維均勻分布在前羅拉鉗口線與加捻點之間，纖維無重疊現象。垂直于前羅拉鉗口線的纖維初始應變為零，分布在其兩邊的纖維初始應變根據θ計算得到，纖維在成紗三角區的坐標分布如圖2所示。在模擬纖維受力時，不考慮纖維彎曲，纖維應力應變遵循胡克小變形原則，加捻三角區在被紡紗張力拉伸過程中，若纖維受到的拉力大于由初始應變產生的力，則纖維被繼續拉長，若小于或等于，則纖維出現負伸長狀態即被壓縮狀態或者保持伸長不變狀態。

賽絡紗成紗三角區中，左右兩側的單股紗成紗三角區關于三角區中心線對稱分布，假設α=β，F1=F2，H1=H2，D1=D2，本文只對左側單股紗成紗三角區內纖維受力進行分析。

以精梳棉18.2 tex賽絡紗為例探討賽絡紗成紗三角區內纖維受力分布。其中，假設纖維線密度為0.15 tex，纖維彈性模量為5 N/tex，紗線橫截面內纖維根數為128根。分別采用8 000、11 000、14 000 r/min 的錠速和6/0、4/0、5/0的鋼絲圈進行紡紗實驗。在濕度為50%，溫度為32 ℃車間環境下進行紡紗，從空管始紡到紡至紗管長度的三分之一處的過程中，在鋼領板上升階段時測試紡紗張力F。測試紡紗張力儀器為YG2301輪式03120310-單紗張力計，利用該儀器沿紗線行進方向夾持住紡紗段處的紗線，并讀取張力數值，每管紗測試20次，取其平均值得到該管的紡紗張力。測試結果如表1所示。另外，實際紡紗時，在前膠輥表面涂上少量滑石粉，紡紗完成后，利用直尺測量前膠輥長度方向上滑石粉脫落的寬度，得出單股紗加捻三角區的寬度(D1)，然后根據β計算出單股紗加捻三角區的高度(H1)。文中只考慮捻系數對三角區幾何結構的影響，不考慮鋼絲圈質量以及錠速對其的影響作用。加捻三角區的幾何參數見表2。

表1 紡紗張力Tab.1 Spinning force

表2 紡紗三角區的幾何參數Tab.2 Spinning triangle parameters

1.3 有限元模型的建立

有限元方法是采用數學的方法模擬解決復雜的實際問題，有限元軟件提供了接近實際的單元使其解決實際問題更為準確[6]。文中采用三維彈性梁單元進行線性結構靜力分析模擬纖維在三角區內的受力。三維彈性梁單元力學性質和纖維力學特性十分接近，是拉、壓、彎、扭的單軸線受力單元，在每個節點上具有6個自由度，X、Y、Z這3個方向的線位移，X、Y、Z這3個軸的角位移，選擇適合彈性力學分析的矩陣分析法進行模擬分析[7]。該梁結構屬于自然離散結構，其分析過程是將節點位移作為基本變量，先對梁單元進行分析，建立單元內力與位移之間的關系，然后再對梁結構進行整體分析。根據各節點的變形協調條件和靜力平衡條件建立結構上的節點載荷和節點位移之間的關系，形成結構的總剛度矩陣和總剛度方程。解出各節點位移值后，再由單元內力與位移之間的關系求出梁結構的內力[8]。

根據上述的紡紗三角區的幾何尺寸以及有限元提供的單元，建立如圖3所示的賽絡紡單股紗加捻三角區有限元模型。

圖3 左側單股紗加捻三角區有限元模型Fig.3 Finite element model of left single yarn spinning triangle

2 有限元分析結果

根據表1提供的參數，采用ANSYS有限元分析軟件進行模擬分析，根據模擬條件設置彈性梁單元的初始應變，設置材料類型和材料屬性，分析類型設置為線性靜力分析，利用結果后處理器里的單元表功能提取纖維的張力。

2.1 紡紗張力對三角區內纖維受力的影響

根據表1中實驗編號為1，2，3和4，5，6以及表2提供的參數進行有限元模擬，圖4示出錠速與三角區內纖維張力分布之間的關系，圖5示出鋼絲圈型號與三角區內纖維張力分布之間的關系。其中，X軸方向表示纖維在三角區中的位置，左側加捻三角區中最左側的纖維定義為第1根纖維，Y軸方向表示纖維張力。由圖4、5中的曲線圖變化趨勢可得知，加捻三角區的幾何參數不同，三角區內纖維受力的分布也會有差別。由圖4可知，當錠速從8 000 r/min增加至14 000 r/min時，三角區內纖維受到的最大拉伸力從0.717 cN增加至1.499 cN，最大壓縮力由0.276 cN增加至0.776 cN。另外，由圖4可知，隨著錠速的增加，三角區內兩側相同位置的纖維受到的力有明顯變大現象，但對位于三角區中部纖維的受力影響不大。如圖5所示，采用4/0、5/0、6/0 3種不同質量鋼絲圈進行紡紗時，三角區內纖維張力變化范圍分別為1.041～-0.163 cN、0.956～-0.168 cN、0.914～-0.17 cN，變化量分別為1.204、1.124、1.084 cN。從上述分析易得，紡紗張力越大，三角區內最左側纖維受力越大，且整個三角區內纖維受力變化量越大。

圖4 錠速與三角區內纖維張力分布的關系Fig.4 Fiber tension distributions at left single yarn spinning triangle with different spindle speed

圖5 鋼絲圈型號和三角區內纖維張力分布的關系Fig.5 Fiber tension distributions at left single single yarn spinning triangle with different traveller

2.2 捻系數對三角區內纖維受力的影響

當細紗捻系數發生變化時，紡紗角度會隨之改變，三角區的高度和寬度也會變化。根據表2提供的參數進行有限元分析，在相同的紡紗張力F為31.0 cN時，模擬不同紗線捻系數下三角區內纖維受力分布。圖6示出捻系數和三角區內纖維受力分布之間的關系。由圖中曲線可知，捻系數的變化對三角區內呈拉伸狀態或壓縮狀態的纖維根數影響較大。捻系數為400、450、500時，三角區中承受壓縮力的纖維根數分別為37、24、20根，其中當捻系數為400時，由于加捻三角區的高度和寬度均較大，在紡紗張力的作用下，三角區右側的纖維受到的拉力不足以克服因初始應變產生的軸向力而呈現出負的軸向力狀態，三角區內呈壓縮狀態的纖維根數較多，當捻系數增加時，三角區的高度與寬度均出現較小趨勢，成紗三角區最左側和最右側的纖維受到的均是拉力作用，其中，捻系數為500時，三角區最右側纖維受到的拉伸作用較為明顯，右側受到拉伸作用的纖維根數較多，并且纖維在三角區內受到的最大拉伸力與最大壓縮力之間的差異最大。

圖6 捻系數和三角區內纖維張力分布的關系Fig.6 Fiber tension distributions at left single yarn spinning triangle with twist factor

2.3 結論分析

根據上述分析，若紡制中特紗精梳棉18.2 tex，采用捻系數為400時，捻系數相對較小，三角區內相同位置纖維受力較小且纖維受力差異較小，纖維在三角區內的轉移幅度較小導致紗線內纖維的抱合力較小，為減少紡紗過程中紗線斷頭，適合采用較低紡紗張力，即選擇較低的錠速，較輕的鋼絲圈型號；采用捻系數為450和500時，捻系數相對較大，紗體內纖維之間的抱合力大，紡紗過程中不易斷頭，適合采用較高的紡紗張力，大的紡紗張力使三角區內不同纖維的受力差異較大，轉移幅度大，在紗體內形成自鎖結構的可能性增加，有利于提高紗線強力，減少紗線毛羽。

3 實驗分析

3.1 實驗條件

本文實驗選用FA507B型細紗機紡制精梳棉18.2 tex賽絡紗，粗紗定量為4.0 g/10 m，細紗捻系數分別為400、450、500，前區牽伸加帶壓力棒的3.0隔距塊，加壓方式為螺旋彈簧搖架加壓，鋼絲圈為4/0，喇叭口間距為2.1 mm，紡紗速度分別為8 000、11 000、14 000 r/min。捻系數為450時，采用4/0、5/0、6/0 這3種不同的鋼絲圈進行紡紗實驗。

3.2 成紗強力與毛羽分析

選用YG063全自動單紗強力儀測試紗線的拉伸性能，測試溫度為20 ℃，濕度為65%，測試試樣用每種實驗方案紗管數為3，每管測試10次，設置預加張力為9.1 cN，試樣夾持長度為0.5 m，采用等速拉伸方式進行拉伸實驗。采用YG172A型紗線毛羽測試儀測試紗線毛羽，測試速度為30 m/min，每管測試長度為100 m。通過測試得到斷裂強力、斷裂伸長率和斷裂強度、不同長度的紗線毛羽根數，結果如表3所示。

表3 紗線強力與毛羽Tab.3 Yarn strength and yarn hairiness

紡紗張力、錠速以及捻系數、鋼領、鋼絲圈的變化對紗線性能有著重要的影響[9-11]。若只考慮錠速變化對紗線強力、毛羽的影響效果，由表3可得，紗線捻系數為400時，紗線強力在錠速為11 000 r/min時最大，斷裂強力變異系數較小，有害毛羽的數量也較小。由圖4模擬分析結果可看出，當錠速為11 000 r/min時，三角區內纖維受力較錠速為8 000 r/min時的纖維受控制性較好，纖維不易滑脫，三角區左右側的纖維張力差異較大，纖維之間會產生較強的相互轉移和包纏而且纖維不易因受力過大而斷裂形成有害毛羽，而且纖維強力的利用率較高，且在紗線受到外界拉伸力時，纖維不易相互滑移，有利于紗線強力的增加。當錠速達到14 000 r/min時，纖維在三角區內以及三角區左右兩側的纖維受力差異較大，纖維可能發生斷裂形成毛羽或飛花，一定長度內紗線截面內的根數會有很大的差別，減少了紗截面內的纖維根數，紗線發生細節現象，降低了紗線強力，增大了紗線強力的變異系數。

若在同一錠速和捻系數條件下，選擇不同的鋼絲圈進行實驗紡紗。由表3可見，鋼絲圈選擇較重時，紗線的強力及斷裂伸長率較大，但同一批次的紗中紗線的強力變異系數較大，鋼絲圈過重或過輕均會引起有害毛羽的增加。由圖5給出的模擬結果可知，3種鋼絲圈下纖維受力在三角區內的分布趨勢是一致的，但鋼絲圈偏重時，纖維受力較大，纖維之間的相互作用力增加，有利于紗線強力。選擇較重的鋼絲圈，三角區內纖維受力及纖維相互作用增加，可能會使纖維發生斷裂形成毛羽，但若鋼絲圈過輕，纖維在三角區內的相互作用較弱，纖維之間的相互控制力減少，部分纖維易不受控制而散落在紗體表面形成毛羽。

由表3可知，若在其他條件相同時，選擇不同的捻系數進行紡紗實驗，紗線強力及斷裂伸長隨之增大，但有害毛羽會增加。由表2可知不同捻系數下加捻三角區的幾何形態會有很大差別。由圖6所示的模擬結果分析可知，捻系數增大時三角區內左右兩側處于拉伸狀態的纖維根數會增加，左右兩側的纖維同時控制位于三角區中間的纖維，纖維間相互轉移幅度及頻率增加，纖維之間的抱合能力增加，呈獨立狀態的纖維數量減少，纖維之間的相互滑移減少，紗線的強力會提高，但在其轉移過程中，部分纖維也可能發生斷裂或被擠出紗體形成毛羽。若三角區內纖維受力過小，纖維之間的相互控制力較小，三角區內纖維呈獨立狀態的根數增加，纖維在三角區內易滑脫致使其頭端浮于紗體表面形成毛羽。

4 結 論

通過有限元模擬結果分析和實驗驗證可得知：賽絡紗單股紗成紗三角區幾何形態對三角區內纖維受力大小以及分布有著重要作用，當三角區的高度減小時，三角區內處于壓縮狀態的纖維根數具有明顯減少趨勢。三角區幾何形態一定時，當紡紗張力增加時，纖維張力在三角區內的分布規律不變，但纖維張力會呈增大趨勢，纖維張力的變化范圍也逐漸增大。

紡紗過程中，其他條件一定時，鋼絲圈、錠速和捻系數這3種因素中，錠速對紡紗張力和成紗三角區的纖維受力影響作用最為顯著。

本文結合上述有限元模擬結果分析和實際的紡紗實驗，對紗線性能進行了定性分析，經分析可知，三角區內纖維受力大小以及其在三角區內的分布對紗線性能影響作用顯著。

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