經編紗線張力補償裝置的工作機制

孫 帥， 繆旭紅， 張靈婕， 胡 瑜

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

在實際生產中，如何把控經紗張力，使其處于一個穩定的狀態，是紡織領域研究人員一直關注的課題[1]。早在20世紀80—90年代，宗平生[2]分析了消極式或半積極式送經裝置不能適用于高速生產的局限性，并指出使用電子式送經解決紗線張力波動幅度不穩定的必要性；徐雷麟等[3]對補償裝置建立力學模型，分析了補償系統的頻率響應特性，為補償裝置的改進奠定了理論基礎；近年來，文獻[4-6]在機械式經編機上通過改變送經變換齒輪研究紗線張力與送經量的關系發現，在一定范圍內，紗線送經量越大，紗線張力越小；Mikolajczyk等[7]建立了送紗的數學模型，認為紗線與張力桿基本垂直時，經紗張力最大值相對較??；文獻[8-9]通過模擬織造過程中的紗線張力，研究了喂紗角度對紗線張力的影響。目前，已有研究人員從送經、喂紗角度等方面考慮減少紗線張力，而對于改變張力補償裝置的補償性能來獲得穩定的紗線張力的研究較少，且較多地停留在力學分析方面。為獲得理想的紗線張力波動，本文首先將有無使用張力補償裝置的紗線張力進行對比，進一步通過改變張力彈簧的規格及安裝密度，找尋經紗動態張力波動規律，探究張力補償裝置的補償機制。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與儀器

實驗原料：83.3 dtex/36 f滌綸低彈絲(海鹽海利環保纖維有限公司)。

實驗儀器：E28 KS4-EL型經編機(德國卡爾邁耶公司)；TS1-200-A2-CE1型張力儀(德國SCHMIDT公司)；SCM01型四通道聲振分析儀；LMS TEST.Lab配套分析軟件(LMS公司)；鋼尺；輕質量桿；一定質量的重物；張力彈簧(2.0、2.5、3.0 mm)；手持式電子稱，扎帶若干。

1.2 實驗方法

1.2.1取樣方法

本文主要研究不同張力補償裝置參數對紗線張力動態波動規律的影響。首先取第1把梳櫛中間位置處的1根紗線進行不接觸張力桿的動態張力測試，然后改變張力彈簧的規格及安裝密度，對使用補償裝置中間位置的1根紗線進行動態張力測試，其中張力彈簧安裝時均采用均勻配置的方式安裝。為保證實驗數據的可靠性，以上每種條件下的紗線動態張力數據至少采集3組，且對同根紗線進行數據采集，然后計算其平均值。

1.2.2紗線織造張力測試

搭建由TS1-200-A2-CE1型張力儀、SCM01型四通道聲振分析儀、LMS TEST.Lab配套分析軟件組成的張力測試系統，使紗線按照張力儀要求的紗路經過導向輪和測試論，張力采集間隔為0.05 s，采集時長為15 s。

1.2.3張力補償裝置彈性系數測試

為更加全面分析張力補償裝置的補償作用，需要對不同參數配置下的彈性系數進行測量。本文實驗借助一定質量的重物使得張力桿在豎直方向上產生位移，并用鋼尺測量張力桿下降的豎直距離。根據胡克定律可知，彈性系數K=F/X。式中：F為張力桿豎直方向受的力，在本文實驗中為重物自身的重力，大小為33.52 N；X為張力桿豎直方向的位移，mm。

此外，考慮到當前張力桿為彈性張力桿，在測量張力桿豎直方向的位移時可能會因重物的重力作用發生變形，對位移的讀取造成較大的誤差，故附加一個剛度較大的輕質量桿輔助測量(見圖1)。每組位移測量3組，然后求平均值?？紤]到重物的位置對張力桿下降的距離造成影響，每次測量時確保重物與扎帶固定位置不變。

1—機架；2—張力彈簧；3—張力桿；4—輕質桿；5—重物。圖1 張力桿位移示意圖Fig.1 Tension bar displacement diagram

1.3 測試工藝參數

織造工藝參數：機速為600 r/min，牽拉密度為14橫列/cm，組織結構為GB1：1-0/3-4//，送經量為1 570 mm/臘克。本文實驗在E28的KS4-EL經編機上進行，通過改變彈簧的規格及安裝密度進行張力測試，彈簧的直徑分別為2.0、2.5、3.0 mm，且均按照11、8、5、3、2個/m的密度進行安裝。

2 結果與討論

2.1 張力補償裝置作用原理

為探究張力補償裝置的補償作用，對不同參數配置下的紗線動態張力進行測試，得到關于經編機主軸角度動態張力曲線，如圖2所示。其中圖2(a)示出同一安裝密度、不同直徑彈簧下的紗線動態張力曲線，圖2(b)示出同一直徑、不同安裝密度下的紗線動態張力曲線。

圖2 不同參數條件下的動態張力曲線Fig.2 Dynamic tension curves under different parameter conditions. (a) Mounting density of tenstion element 5 number/m; (b) 2.0 mm tension spring

由圖2(a)看出，在織造過程中，紗線張力有4處較大的波動，這與成圈機件的運動和紗線的延伸量變化規律有著密切的關系。結合表1梳櫛運動[10]與主軸角度可知，在主軸位于0°位置時，槽針與針芯處于最低位置，導紗針處在針背極限位置，并進行針背墊紗，沉降片沿機前牽拉方向挺進，此時經紗的延伸量開始上升，因而紗線的張力增大，隨后沉降片擺動至最前方(主軸20°附近)，紗線張力出現極大值，形成張力波峰；接著槽針開始上升，針芯仍處在最低點位置，導紗針開始向針前擺動，紗線延伸量減少，當導紗針孔位于張力桿上的紗線接觸點與舊線圈之間的連線時(主軸60°附近)，此時紗線延伸量最小，因而紗線張力達到最小值，形成張力波谷；隨后導紗針進行針背橫移運動，紗線延伸量開始增加，紗線張力增加，繼而針背墊紗結束，又一次形成張力波峰；在主軸120°附近，導紗針繼續向針前擺動，槽針繼續上升，針芯開始上升，此時沉降片后退一定距離，以放松握持的舊線圈，紗線延伸量減少，故而在主軸140°附近形成波谷；隨后導紗針擺動至主軸195°附近進行針前墊紗，紗線延伸量增大，直至針前墊紗結束(主軸200°附近)，紗線延伸量達到最大，故而紗線張力也達到最大值，形成最大波峰；之后沉降片放松握持的舊線圈，針芯穿過舊線圈，槽針開始下降，導紗針由針前極限位置處向機前擺動，紗線延伸量得到緩解，直至導紗針孔再次位于紗線在張力桿接觸點與舊線圈的連線上時(主軸220°附近)，紗線張力出現極小值，形成波谷；隨后導紗梳繼續向針背擺動，直至擺動到針背極限位置處，槽針繼續下降，墊入紗線，針芯逐漸升出針槽，此時(主軸270 °附近)紗線被再次被拉緊，紗線張力再次出現極大值，形成波峰；之后沉降片向機后回退，槽針與針芯下降，并由針芯封閉針口，舊線圈沿著針桿向上移動，紗線延伸量下降，紗線張力下降，在主軸320°附近形成波谷，在主軸330°附近槽針與針芯同時下降到沉降片片腹下面進行脫圈，隨后進行下一個周期[11]的成圈運動。

表1 梳櫛運動與主軸角度Tab.1 Comb and spindle angle

由圖2(a)可知：在張力波峰處，沒有使用張力補償裝置的紗線動態張力峰值的張力值大，而張力波谷相對較狹窄；相比之下，使用了補償裝置的曲線，張力值相對較小(主要波峰處最明顯)，張力波谷較寬闊。補償裝置之所以起到“削峰補谷”的作用，主要是受其作用原理影響的。在經編機正常工作的過程中，經紗張力是很復雜的，主要由2部分構成：一個分量是平均力，受送經機構與織造工藝配合的影響，成圈機件的瞬息變化使得成圈區域對經紗的需求量發生了急劇的變化，而現有的送經機構并不能實現同步送出紗線，使得紗線需求量與實際送經量之間存在的差異處于不斷變化中[12]；另一分量是波動部分，因成圈機件的相互運動、張力彈簧的彈性模量及紗線的流變等而產生波動[13]。現在經編機上基本都采用積極式送經，并配合彈性張力桿輔助控制經紗張力。紗線張力的波動是不可能消除的[14]，而張力補償裝置的使用改變了紗線從分紗梳到舊線圈之間紗段的必須長度，緩解了成圈機件瞬時需紗量和送經機構送出量之間的差異。當紗線消耗量大于喂入量時，張力補償裝置因彈簧發生彈性形變而產生下移，減少了導紗針孔道舊線圈之間的距離，有效地緩解了紗線消耗量與喂入量之間的差異，進而達到了降低波峰高度的目的；當紗線消耗量小于喂入量時，張力補償裝置因彈簧的彈性回復性形變而向上運動，將多余的紗線從導紗針孔拉出，增大了導紗針與舊線圈之間的距離，使紗線維持一定的張力，增大了波谷。

2.2 補償裝置彈性系數測定結果與評定

為更加全面地分析張力補償裝置的補償機制，借助紗線張力的最大值、平均值及變異系數給予綜合評定[15]，具體參數如表2所示。

張力最大值表征紗線動態張力波峰的高低，紗線張力平均值反映張力變化的整體水平，由表2所示紗線張力彈性系數與最大值、平均值的數據可知，隨著彈性系數的增大，紗線張力最大值增大，平均值也呈現增大的趨勢。由于當前送經系統采用積極式送經，單位時間內送出的紗線量是一定的，但是由于耗紗量的增大使得紗線意外伸長，紗線張力增大，而彈性系數的增大使得補償裝置的阻尼效應得以加強，張力桿波動的幅度降低，波動頻率增大。

表2 彈性系數與評定指標Tab.2 Elastic coefficient and evaluation indexes

若紗線張力波動過大，紗線瞬時需紗量與喂紗量之間的差異變化不明顯，系統補償性能下降，導致紗線在弱節處斷紗形成疵點，因此，理想的紗線張力補償系統存在一個適合生產的最大彈性系數。此外，隨著彈性系數的減小，紗線張力減小，然而彈性系數并非越小越好。結合圖2(b)可知，2.0 mm的張力彈簧在安裝密度為2個/m時，張力較小，紗線張力波動頻率增加，且布面伴隨有漏針現象發生。這是因為當補償裝置的彈性系數減少時，補償裝置固有頻率降低，上下擺動的幅度增大，不能及時地將多余的紗線從成圈區域中拉出，導致墊紗困難，嚴重時布面出現漏針的現象。紗線張力補償與紗線張力波動之間存在一定的滯后時間，滯后時間的長短與張力元件的轉動慣量及外力作用頻率等因素有關[11]。當車速提高時，機器振動頻率增大，外力作用頻率增大，導致紗線張力波動加劇，紗線張力變大。由此可見，理想的紗線張力補償系統同樣存在一個適合生產的最小彈性系數。綜上所述，當彈性系數處在一個大小合適的范圍時，補償裝置具有最佳補償效果。

此外，由表2數據可知：紗線張力在彈性系數為0～2 N/mm時增長幅度最大；彈性系數為2～5 N/mm的張力增長幅度次之；彈性系數為5～22 N/mm的張力增長幅度最小。這是由于隨著彈性系數的增大，張力彈簧的個數增加，雖然系統的阻尼效應加強；但是與此同時系統的固有頻率得以提高，張力桿上下擺動的頻率增加，單位時間內緩解了喂紗量與需紗量之間補償的不足，因此，在織造過程中，紗線張力呈現不同的增長趨勢。反之，隨著彈性系數的減少，此時補償裝置阻尼小，系統共振頻率低，張力桿上下擺動幅度增大，擺動次數減少，不能及時地將多余的紗線從成圈區域拉出，紗線張力減少。

變異系數在一定程度上反映了經紗動態張力的波動程度。隨著彈性系數的增大，其變化趨勢與張力最大值、平均值的變化趨勢相似，因此同樣驗證了以上結論。

3 結 論

本文通過變更張力彈簧的規格及其安裝密度，測量并比較不同參數配置下紗線動態張力的差異，得出以下結論。

1)通過有無使用補償裝置的紗線動態張力之間的對比發現：未使用補償裝置的紗線張力在主軸360°內存在4處波峰，其中在主軸198°附近有最大波峰；使用了補償裝置的紗線張力在波峰位置處相對較小(其中主波峰位置處最明顯)，波谷較寬闊，說明補償裝置起到了削峰補谷的作用。

2)紗線張力補償系統補償能力的大小與裝置的彈性系數有著密切的關系，彈性系數的大小受到張力彈簧的規格、安裝密度的影響。當彈簧規格一定時，其安裝密度越大，系統彈性系數大，紗線張力峰值相對越大，易形成斷紗疵點，系統補償性能下降。彈簧的安裝密度一定時，彈簧直徑越小，系統彈性系數小，紗線張力峰值相對越小，并非越小越合適，當彈性系數較小時，紗線張力波動頻繁，布面易產生漏針疵點，系統補償能力減弱。除此之外，張力補償裝置的安裝角度、張力彈簧的材質、機器速度、組織、送經量、盤頭的頭紋數等因素也在影響著補償裝置性能的發揮。

3)隨著彈性系數的增大，補償裝置的阻尼效應增強，與此同時，系統的共振頻率提高，紗線張力增大的幅度變緩，反之，紗線張力減少。實際正常生產中，在保證產品質量的前提下，提高生產效率的同時，應當降低裝置的彈性系數，提高系統共振頻率，將補償裝置的彈性系數控制在合適的范圍內。

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