經(jīng)編紗線動態(tài)張力評價指標

胡 瑜， 劉 行， 繆旭紅(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

在經(jīng)編織造過程中，紗線張力控制尤為重要。張力過大，紗線被迫拉伸，強力下降，易造成斷紗，影響織造效率，嚴重時還會損傷成圈機件；張力過小，紗線間相互黏連，紗線軟趴，無法正常墊紗成圈。因此在經(jīng)編織造過程中，合理控制紗線張力至關(guān)重要，直接影響到坯布質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及后續(xù)的正常加工[1]。合理控制紗線張力就需對紗線張力進行測量，并通過合適的方法進行評價。建立了合適的評價方法后就可對不同情況下的紗線張力進行評價比較，為進一步研究經(jīng)編紗線張力的影響因素奠定基礎(chǔ)。

近幾年，隨著測試技術(shù)不斷發(fā)展，高頻實時測試的張力數(shù)據(jù)更加精確，數(shù)據(jù)量也越來越大，雖然大數(shù)據(jù)可為我們帶來更全面的信息，但是如何分析這些數(shù)據(jù)并對紗線動態(tài)張力進行評價卻產(chǎn)生了難題：馮勛偉[2]、劉蘇[3]、Mikolajczyk[4]分別通過比較張力的最大值、最小值來評價機速、原料、送經(jīng)量等對張力的影響；陳紅霞等[5]提出用標準差來評價張力整體的波動情況；但用這些指標來評價高頻張力測試系統(tǒng)得到的實時動態(tài)張力數(shù)據(jù)還不夠準確，對動態(tài)張力數(shù)據(jù)所包含的信息以及經(jīng)編紗線動態(tài)張力波動規(guī)律的反映還有所欠缺。本文根據(jù)經(jīng)編紗線動態(tài)張力的特點，提出一種新的評價方法用于張力整體波動情況的評價，并通過實驗進行驗證，為進一步研究經(jīng)編紗線動態(tài)張力提供一定理論基礎(chǔ)。

1 經(jīng)編張力評價方法

1.1 概率密度曲線

概率密度曲線可用來描述連續(xù)型隨機變量瞬時值落在某指定范圍內(nèi)的概率[6-7]。將所測某段時間內(nèi)實時的紗線張力數(shù)據(jù)進行概率密度分析，對得到的頻率分布直方圖進行擬合得到概率密度曲線，通過對曲線形狀的分析，得出這段時間內(nèi)各張力值大小的分布情況，從而對張力整體的波動做出定性的評價。

1.2 峰度與偏度

概率密度曲線只能定性地評價紗線張力的整體波動情況，不能作定量分析，因此引入峰度和偏度這2個指標描述數(shù)據(jù)的分布形狀[8]，通過比較這2個值的大小，來定量分析張力的整體波動程度。

設(shè)x1,x2,…，xn是來自總體x的一個樣本，總體x的峰度α為

總體x的偏度β為

峰度α反映各數(shù)據(jù)分布的尾部厚度，峰度越大，數(shù)據(jù)分布的尾部越厚，當偏度一定，峰度越大，說明張力波動越大。偏度β反映數(shù)據(jù)分布的尾部在其中一側(cè)上是否有拉長趨勢：偏度為0表示數(shù)據(jù)相對均勻地分布在平均值的兩側(cè)，其形態(tài)與正態(tài)分布的的偏斜一致；偏度大于0表示數(shù)據(jù)分布的右側(cè)尾部要比左側(cè)長；偏度小于0表示數(shù)據(jù)分布的左側(cè)尾部要比右側(cè)長[9-10]。當峰度一定，偏度絕對值越大，表示數(shù)據(jù)分布其中一側(cè)的拉長程度更大，張力波動越大[11]。因此對于經(jīng)編紗線張力，峰度越小，數(shù)據(jù)分布尾部越細，偏度越接近于0，數(shù)據(jù)分布的左右兩側(cè)拉長趨勢小，數(shù)據(jù)更加集中，極端值更少。峰度越小，偏度越接近于0，張力分布越均衡，張力波動越小。通過結(jié)合峰度偏度的大小，可對不同工藝情況下的張力進行比較分析。

2 經(jīng)紗張力的測試與評價

2.1 實驗原料與儀器

儀器設(shè)備：E36的HKS3-M型特里科經(jīng)編機(德國Karl Mayer有限公司)；TS1-200-A2-CE1型張力儀(德國Schmidt有限公司)；SCM01型四通道聲振分析儀和LMS Test.Lab分析軟件(比利時LMS公司)。

實驗原料：采用3把梳編織，GB1滿穿83.3 dtex/144 f有光扁平滌綸，GB2和GB3滿穿33.3 dtex/12 f滌綸全牽伸絲(FDY)。

2.2 測試方法

將張力儀和四通道聲振分析儀按照測試要求，在經(jīng)編機上搭建成完整的紗線張力測試系統(tǒng)。具體系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 經(jīng)編紗線張力測試系統(tǒng)Fig.1 Testing system of warp yarn tension

RPM1和RPM2可用于連接主軸編碼器，從而獲取角度域信號，但本次實驗中無需根據(jù)角度域信號了解單個周期的張力變化，因此這2個通道暫不使用。CH1、CH2、CH3、CH4這4個通道可任意選擇一個連接張力儀。將紗線繞過張力儀上的3個導(dǎo)輪，進行接觸式測量。搭建完張力測試系統(tǒng)后，設(shè)置采樣頻率、時間和間隔，本次采樣頻率為1 kHz，采樣時間為30 s，間隔為1 ms。張力儀的張力測試范圍為0～2 N，而經(jīng)編織造時的經(jīng)紗張力不超過1 N，故遠遠滿足經(jīng)編紗線張力的測試要求。張力傳感器每受到2 N的力產(chǎn)生10 V電壓，因此張力傳感器的靈敏度設(shè)為5 V/N。

2.3 測試工藝參數(shù)

采用表1所示的工藝進行上機編織，牽拉密度為28 橫列/cm，分別測試5種機速(700、900、1 100、1 300、1 500 r/min)下的紗線張力，對GB1的紗線進行張力測試。測試時車間溫度為24.8 ℃，濕度為21%。

表1 測試工藝參數(shù)Tab. 1 Test parameters

2.4 測試結(jié)果分析

此次采樣頻率為1 kHz，采樣時間為30 s。當機速為1 500 r/min時，在采樣時間下一共采集750個成圈過程，共385 024個數(shù)據(jù)，即每個成圈過程采集約513個數(shù)據(jù)。圖2示出1 500 r/min機速下紗線張力在部分測試時段的張力曲線圖。

圖2 機速為1 500 r/min時部分時段張力曲線Fig.2 Temporal tension curve at 1 500 r/min

對30 s內(nèi)測得的所有張力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，其結(jié)果如表2所示。從表中可以看出：不同機速下的紗線張力均方差基本不變，因此無法用它很好地評價不同機速下的張力波動情況；最大值、最小值、平均值可以用來評價紗線張力整體的大小水平，但表中的最小值、平均值也基本不變，最大值稍有變化，但變化較小，也不能很好地反映不同機速下的張力情況。因此需提出新的評價指標來對紗線張力進行分析比較。

2.4.1概率密度曲線分析

對所得到的30 s內(nèi)的張力數(shù)據(jù)進行概率密度分析。根據(jù)不同機速下的張力最大值和最小值，可設(shè)置統(tǒng)計范圍為0.02～0.14 N，以組數(shù)來劃分，5組數(shù)據(jù)組數(shù)均設(shè)置為100組，得到頻率分布直方圖(見圖3)。對直方圖進行正態(tài)分布曲線擬合，即為概率密度曲線。

表2 不同機速下的張力數(shù)據(jù)分析結(jié)果Tab. 2 Analysis results of tension data at different machine speeds

對比概率密度曲線可看到，不同機速下的曲線呈現(xiàn)出不同的形態(tài)特征：機速為700 r/min時，紗線張力在每個組分中的概率密度均較小，組與組之間的概率密度差異小，曲線的波峰低，寬度大，且尾部長度更長，說明張力分布較為分散，張力波動大；隨著測試機速的不斷提高，張力分布在0.03～0.05 N間的概率密度總和不斷增大，曲線波峰越來越高，寬度不斷減小，從700 r/min波峰寬度0.03 N減小到1 500 r/min時的0.01 N；當機速為1 500 r/min時，張力分布主要集中在0.03～0.04 N之間，最大概率密度接近0.085，與700 r/min時相差約0.045。波峰高度的增加與寬度的減小，說明不同時段的張力差異更小。此外，隨著測試機速的不斷增加，頻率分布直方圖的尾部長度不斷減小，從0.12 N不斷減小到0.10 N，說明測試機速的增加，使得張力整體分布更加集中，極端值減少。

結(jié)合以上曲線特征可得出，隨著測試機速的增加，紗線動態(tài)張力分布更加均衡，不同時段間的張力差異更小，張力波動減小，張力整體穩(wěn)定性更好。

2.4.2峰度與偏度分析

圖3 不同機速下的紗線張力概率密度曲線Fig.3 Probability density curve of yarn tension at different machine speeds

對采樣時間內(nèi)得到的不同機速下的張力數(shù)據(jù)進行分析，計算峰度和偏度，結(jié)果如表2所示。不同測試機速下的峰度均小于0，說明此次測試中張力分布尾部厚度相對于正態(tài)分布要細，極大值附近的值均相對較少。隨著測試機速的增加，峰度值從700 r/min時的-0.28一直減小到1 500 r/min時的-0.62，減小了121.4%。峰度值不斷減小，說明張力分布的尾部厚度變細，極端值更少。從偏度來看，5種機速下的數(shù)據(jù)偏度均大于0，說明這些機速下張力分布的右側(cè)尾部要比左側(cè)長，呈現(xiàn)右偏的狀態(tài)，說明張力極大值附近的數(shù)值相對于極小值附近的數(shù)值更少，張力主要在較小的水平波動，偶爾出現(xiàn)較大張力。比較不同測試機速下的張力偏度可以看到，隨著測試機速的增加，偏度值不斷減小，從700 r/min時的0.99減小到1 500 r/min時的0.91，減小了8.1%，說明張力分布的右側(cè)尾部是不斷縮短的。從峰度和偏度的分析可得出，測試機速增加，張力極端值減少，張力分布更集中，張力波動更小，結(jié)果與概率密度曲線分析一致。

2.4.3結(jié)果驗證

根據(jù)實際織造速度，選取機速從1 500 r/min開始不斷遞減到700 r/min。在1 500 r/min時，機器可穩(wěn)定順利織造，坯布疵點少。隨著機速的下降，在測試過程中，成圈機件的配合聲音增大，紗線整體晃動幅度增加，張力桿抖動增加，說明紗線動態(tài)張力隨測試機速下降，波動不斷增大，這與概率密度曲線和峰度、偏度分析結(jié)果一致，從而驗證以上評價指標的可行性。概率密度曲線和峰度、偏度可用來分析比較紗線動態(tài)張力的波動情況。

3 結(jié) 論

本文提出了一種用于評價經(jīng)編紗線動態(tài)張力整體波動情況的評價指標，即概率密度曲線、峰度、偏度值。概率密度曲線可對紗線張力進行一個定性的分析，可展示紗線動態(tài)張力的具體分布狀態(tài)及分布概率；而峰度、偏度可對紗線動態(tài)張力進行定量的分析比較，可從數(shù)據(jù)的大小直接比較出不同情況下的張力波動情況。結(jié)合概率密度曲線和峰度、偏度可對高頻張力測試系統(tǒng)下得到的紗線動態(tài)張力進行比較分析，了解不同情況下的張力波動情況。

通過實驗驗證了利用概率密度曲線和峰度、偏度評價不同機速下經(jīng)編紗線動態(tài)張力整體波動情況的可行性。不同機速下張力峰度均小于0，偏度均大于0，且隨著測試機速的增加，張力峰度和偏度值不斷減小，結(jié)合概率密度曲線，得出測試機速增大，張力分布更加集中，張力整體波動不斷減小，與實際生產(chǎn)情況一致。

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