環錠紡紗條張力波動特點及其檢測方法

常永和　薛元　卜華香

摘 要：環錠紡是對粗紗進行牽伸、加捻、卷繞工藝形成紗線的過程，紗條一方面繞自身軸線的加捻運動和繞錠子中心軸高速旋轉，另一方面又產生軸向快速移動，即同時產生加捻和卷繞運動，由于加捻、卷繞部件的非對稱性使得其過程為一個非齊次的運動學和動力學相互耦合的體系，導致紗條在加捻段、氣圈段和卷繞段所受的紡紗張力、氣圈張力和卷繞張力是一個高頻次變化的力而難以求解和預測。本文構建了一種環錠紡紗條張力在線檢測系統，利用兩個力傳感器和兩個位移傳感器分別測試得到葉子板的受力及紡紗過程導紗鉤和鋼領板的位置信號，信號經放大和A/D轉換成為數字信號，通過PLC進行數據運算和處理，可得到紡紗過程紗條所受的紡紗張力、氣圈張力和卷繞張力，實現環錠紡紗條張力的在線檢測。

關鍵詞：紗條張力;加捻;卷繞;在線檢測;傳感器

中圖分類號：TS111.8

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）04-0089-06

Characteristics of Tension Fluctuation of Ring Spun Yarn and Its Detection Method

CHANG Yonghe1， XUE Yuan1， BU Huaxiang2

（1.Key Laboratory of Eco-Textiles （Jiangnan University）， Ministry of Education， Wuxi 214122， China; 2.Wuxi Hezhan Machinery Technology Co.， Ltd.， Wuxi 214122， China）

Abstract：Ring spinning is the process of drafting， twisting and winding the roving to form a yarn. On the one hand， the sliver is twisted around its own axis and rotates at a high speed around the central axis of the spindle. On the other hand， it generates rapid axial movement， that is， simultaneous twisting and winding motions are produced. Due to the asymmetry of twisting and winding components， the process is a non-homogeneous system in which kinematics and dynamics are coupled to each other. As a result， yarn tension， ballooning tension and winding tension that the sliver suffers in the twisting segment the ballooning segment and the winding segment are a high frequency variable force that is difficult to solve and predict. In this paper， an on-line tension detection system for ring spun yarn was constructed. Two force sensors and two displacement sensors were used respectively to test and gain the stress of leaf plate and the position signal of the yarn guide hook and the ring plate in the spinning process. The signal was amplified and transformed into the digital signal through A/D conversion. Data operation and processing were performed by PLC. Then， the sliver tension， ballooning tension and winding tension that the sliver suffers in the spinning process could be gained， and online tension detection of ring spun yarn could be achieved.

Key words：yarn tension; twisting; winding; online detection; sensor

1 環錠紡紗條張力波動特點

1.1 環錠紡紗條張力的定義

環錠紡是對粗紗進行牽伸、加捻、卷繞工藝形成紗線的過程。由前羅拉輸出的須條受到導紗鉤和鋼絲圈的約束，在高速旋轉的錠子作用下，須條先被加捻然后被卷繞在紗管上完成加捻和卷繞過程。此時，一方面紗條沿紡紗通道移動;另一方面，由錠子高速旋轉所形成的弧形氣圈使得紗條逆向傳遞形成了從前羅拉鉗口到導紗鉤的加捻段，該段紗條受到氣圈頂部張力的作用向下移動，此時紗條在加捻段受到的張力稱為紡紗張力Tf;紗條在氣圈段頂端受到的張力稱為氣圈頂端張力Tq1，在氣圈段底端受到的張力稱為氣圈底端張力Tq2;在卷繞段受到的張力稱為卷繞張力Tw。

因此，環錠紡紗條張力是從前羅拉握持鉗口到卷繞到紗管上卷繞點之間的紗條的張力，在不同階段又分別稱為紡紗張力Tf、氣圈頂部張力Tq1、氣圈底部張力Tq2及卷繞張力Tw。

1.2 環錠紡紗條張力波動特點

環錠紡紗過程是一個非線性、非齊次的體系，從幾何關系來說，葉子板、鋼領板的位置、氣圈的形態是變化的;從受力關系來講，由于各受力點幾何關系的變化，導致系統內各個力之間的矢量關系也發生變化。

紡紗張力受到錠子轉速ns、氣圈高度H、氣圈半徑Rq、卷繞半徑Rj、鋼絲圈重量G、μ紗線與導紗鉤直接的動摩擦因素、導紗鉤處紗線包圍角δ、鋼領半徑R、卷繞張力與氣圈底端張力比K、紗線線密度m、導紗角γ、氣圈頂角β等因素的影響。當紡紗工藝及器材確定后，鋼絲圈重量G、鋼領半徑R、紗線與導紗鉤之間的摩擦因素μ可以視為常數η，經過經典力學的分析[1-2]，這4個紡紗張力可用如下函數關系表示：

Tf=ηF（ns，Rq，Rj，H，γ，β，δ）（1）

Tq1=ηF（ns，Rq，Rj，H，γ，β，δ）（2）

Tq2=ηF（ns，Rq，Rj，H，γ，β，δ，m）（3）

Tw=ηF（ns，Rq，Rj，H，γ，β，δ，m，K）（4）

在錠子速度一定的情況下，紡紗張力與幾何參數（導紗角γ、氣圈頂角β、包圍角δ）的變化有關;在鋼絲圈沿鋼領旋轉一周，紡紗張力在機身最里端時大，在最外端時小。在鋼領板的一個卷繞層級過程中，幾何參數的大小時刻改變，在鋼領板底端的時候，紡紗張力小;在鋼領板頂端的時候，紡紗張力大。在整個紡紗過程中，在小紗階段，雖氣圈高度大、但卷繞半徑小，紡紗張力大;在中紗階段，氣圈高度和卷繞半徑適中，紡紗張力小;在大紗階段，盡管氣圈高度H小，但氣圈幅度減小趨于平直，形成三角形氣圈，失去氣圈凸形對紡紗張力的彈性調節，紡紗張力比中紗階段大[3-4]。

環錠紡的紡紗效率主要受到成紗質量和紡紗斷頭的影響。環錠紡紡紗中紡紗斷頭是最主要的危害，引起紡紗斷頭的直接原因是紡紗動態張力峰值瞬時超過紗線動態強力谷值。因此，了解紡紗張力及其波動特點對環錠紡的高產、高質量的提高具有重要的意義。在錠子轉速一定的情況下，紡紗張力的變化與其卷繞半徑Rj、氣圈高度H和氣圈半徑Rq的變化相關，其本質就是鋼領板和葉子板的升降導致其幾何參數的變化，從而引起4個紡紗張力的變化。

2 環錠紡紗條張力在線檢測系統的 構建

2.1 在線檢測裝置的構建

為了實現紡紗張力的在線檢測，提出了將力傳感器嵌入葉子板，以及位移傳感器與葉子板鏈接的構想。如圖1所示，在葉子板末端安裝張力傳感器用于測量垂直于機身向葉子板里的應力Fy和垂直于葉子板豎直向下的應力Fz，在導紗角鐵上安裝位移傳感器用于測量葉子板的升降位移x，在鋼領板上安裝位移傳感器用于測量鋼領板的升降位移h。

張力傳感器采用電阻應變式張力傳感器，工作原理是將電阻應變片粘貼在彈性元件特定表面上，當紡紗張力作用于彈性元件時，會導致元件應力和應變的變化，進而引起電阻應變片電阻的變化。電阻的變化經靈敏度最高的全橋式等臂電路處理后以電信號的方式輸出。圖2（a）為測量應力Fy的應變片安裝圖，圖2（b）為測量應力Fz的應變片安裝圖，圖3為張力傳感器的機身左側結構局部視圖，圖4為應變片等臂電橋電路。

因電阻應變式張力傳感器具有精度高、穩定性好、成本低、適用于各種環境等優點，所以用途較廣泛[5-7]。

其位移傳感器采用LWF-250-A1型號位移傳感器，直線位移傳感器的功能在于把直線機械位移量轉換成電信號。內置信號放大器，輸出模擬量直接進入PLC控制進行A/D模數轉換WTA03SV3數字式重量變送器將電阻應變式張力傳感器輸出的電壓信號經過放大處理為符合A/D模數轉換的信號輸入PLC控制器;PLC采用西門子6ES7 212-1BB23-0XB8;觸摸屏采用昆侖通態TPC7602KS嵌入式一體化觸摸屏，具有800×400分辨率;65535色TFT;MCGS組態軟件、64M存儲空間;支持U盤備份、恢復;支持RS232/RS845/RJ45以太網通訊接口。

2.2 在線檢測信號處理系統的構建

紡紗開始時，紗條作用于葉子板，會產生應力Fy和應力Fz，應力作用與葉子板產生力信號使得電阻應變式張力傳感器的應變片產生形變，使得應變片變形產生電阻變化，在經電橋轉化為電壓和電流，輸出模擬信號經過信號放大器處理，經過A/D轉換將模擬量轉換為數字量再送入PLC控制系統并通過觸摸屏顯示出來，觸摸屏作為用戶界面，可以顯示所有參數和讀取存儲數據[8]。系統框架流程圖如圖5所示。

3 基于在線檢測信號求解環錠紡紗 條張力的數學模型

在錠子轉速一定情況下（即錠子速度ns也可視為常量η1），紡紗開始時，紗條作用于葉子板，會產生應力Fy、應力Fz以及葉子板的升降位移x、鋼領板的升降位移h，其動態變化值可以通過紗條張力在線檢測信號處理的系統顯示出來。通過幾何模型的建立，得出以下幾何參數結論。

導紗角γ是一個關于葉子板升降的函數關系：

γ=φ（x）（5）

氣圈頂角β是一個關于應力Fy、應力Fz以及導紗角γ的函數關系：

β=φ（Fz，Fy，φ（x））（6）

包圍角δ是一個關于導紗角γ、氣圈頂角β的函數關系：

δ=ψ（φ（x），φ（Fz，Fy，φ（x）））（7）

結合式（5）-式（7）可以推出4個紡紗力為：

Tf=η1F[φ（x），φ（Fz，Fy，φ（x）），

ψ（φ（x），φ（Fz，Fy，φ（x）））]（8）

Tq1=η1F[φ（x），φ（Fz，Fy，φ（x）），

ψ（φ（x），φ（Fz，Fy，φ（x）））]（9）

Tq2=η1F[φ（x），φ（Fz，Fy，φ（x）），ψ（φ（x），

φ（Fz，Fy，φ（x））），m]（10）

Tw=η1F[φ（x），φ（Fz，Fy，φ（x）），

ψ（φ（x），φ（Fz，Fy，φ（x））），m，K]（11）

由式（8）-式（11）可見：4個紡紗張力就是一個關于在線檢測出應力Fy和應力Fz，葉子板的升降位移x的函數，通過紗條張力在線檢測信號系統實現了紡紗張力的在線檢測。

4 環錠紡紗條張力在線檢測測試方法 及實踐

在JWF1551型數碼紡紗機安裝紡紗張力在線檢測裝置，運行設備檢查是否正常運行。設備正常運行，調節紡紗張力在線檢測裝置參數和設計紡紗參數。紗線原料為棉粗紗;紗線特數19.4 tex;紗線捻度77.1捻/10 cm;卷繞張力與氣圈底端張力比K取值1.7、μ取值0.25[9-11];錠子轉速：實測錠子轉速ns1為10 000 r/min，錠子轉速ns2位11 000 r/min;紡紗過程中使用不同頻率時紡紗張力在葉子板大概相同的一個卷繞層級過程對其張力變化進行比較。

4.1 應力及位移傳感器檢測信號分析

通過紗條張力在線檢測系統的在線檢測，讀取出錠子轉速不同，葉子板（鋼領板）升降位移的一個卷繞層級數據（假設兩次讀取的卷繞層級是在葉子板和鋼領板相同的位置），記錄數據如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可見：錠子轉速為11 000 r/min時，其升降過程所用的時間比錠子轉速10 000 r/min短;葉子板的升降和鋼領板的升降都是上升階段用時長，下降階段時間短（因上漲過程是在紗管上進行卷繞，所以速度較慢，下降過程是給卷繞在紗管上的紗線加固，所以下降過程較快）;通過記錄的葉子板位移和鋼領板的位移，可以推導每個卷繞層級的氣圈高度H在底端大，在頂端小;通過記錄的葉子板位置和鋼領板位置，為在線勻張力紡紗調控技術提供理論基礎。

通過紗條張力在線檢測系統的在線檢測，取出每個葉子板（鋼領板）的卷繞層級過程中所測應力Fy、Fz如圖8、圖9所示。通過圖8、圖9可以看出，張力傳感器水平張力Fy和垂直張力Fz的變化趨勢都是在葉子板（鋼領板）底端的時候較小，葉子板（鋼領板）頂端的時候較大。其波動按理想模型應該是光滑曲線變化，實際測量中受到氣圈形狀波動、采集信息密度的影響，造成一定范圍的誤差。

4.2 環錠紡紗系統幾何參數變化規律分析

通過式（5）-式（7）函數關系，結合圖6-圖9可以得到幾何參數的變化趨勢如圖10、圖11、圖12所示。

從圖10-圖12可以看出，葉子板（鋼領板）的一個卷繞過程中幾何參數導紗角γ、氣圈頂角β、以及包圍角δ都呈現一定周期性的改變，在葉子板（鋼領板）底端的時候導紗角γ、氣圈頂角β和包圍角δ都較大，因此時刻氣圈高度高，氣圈半徑大;在葉子板（鋼領板）頂端的時候導紗角γ、氣圈頂角β、以及包圍角δ都較小。因葉子板和鋼領板在相同階段，所以錠子轉速雖然不同，但是幾何參數的大小變化基本相同，因在紡紗過程中氣圈形態受到一些不可控因素的影響，引起氣圈半徑不規律導致其氣圈頂角β較不規律;因包圍角δ與導紗角γ和氣圈頂角β相關，所以包圍角δ變化較不規律。

4.3 環錠紡紗條張力變化分析

由式（8）-式（11）的函數關系結合圖10-圖12可以得出一個卷繞層級過程中4個紡紗張力的變化，如圖13所示。

由圖13可見：一個卷繞層級過程中在葉子板（鋼領板）底端的時候4個紡紗張力都較小，因為此時刻雖然氣圈高度高，氣圈半徑大，但是卷繞半徑大，故4個紡紗張力較小;在葉子板（鋼領板）頂端的時候4個紡紗張力都較大，雖然此時氣圈高度低，氣圈半徑小，但此刻卷繞半徑小，故4個紡紗張力較大;在理想狀態下，其紡紗張力的變化應該是規律的變化，實際測量中，因氣圈形態的不規律變化，導致其4個紡紗張力波動性較大（雖有整體趨勢的規律，但在上升過程中有較散亂的變化）。轉速11 000 r/min的紡紗張力基本大于轉速10 000 r/min（其中在11 000 r/min紡紗張力存在部分異常是受到紡紗過程中一些不可控因素的影響），其轉速11 000 r/min最大張力比轉速10 000 r/min最大張力大約9.5%，故錠速越大，紡紗過程中受到的紡紗張力越大。從圖13中可以看出4個紡紗張力的大小排列為Tf

5 結 語

影響環錠紡的紡紗張力參數分為固定可變工藝參數和非固定可變參數，其中錠子轉速ns、鋼絲圈重量G、鋼領半徑R、紗線與導紗鉤之間的動摩擦因素μ、卷繞張力與氣圈底端張力比K、紗線線密度m等參數屬于固定可變參數;其中氣圈高度H、氣圈半徑Rq、卷繞半徑Rj、導紗鉤處紗線包圍角δ、導紗角γ、氣圈頂角β等參數屬于非固定可變參數。氣圈高度H、氣圈半徑Rq、卷繞半徑Rj參數的變化其本質就是幾何參數包圍角δ、導紗角γ、氣圈頂角β的變化。安裝紡紗張力在線檢測裝置，由測試結果可知：4個紡紗張力與氣圈頂角β成反比;與包圍角δ、導紗角γ成正比;與在線檢測裝置檢測的垂直張力Fz成正比。通過在線檢測的水平張力Fy和垂直張力Fz結合檢測葉子板的位移，能夠實現實時檢測紡紗張力。

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