空心錠包覆紡紗的順向包纏作用特征

敖利民， 唐 雯

(1. 嘉興學院 材料與紡織工程學院， 浙江 嘉興 314001； 2. 嘉興學院 商學院， 浙江 嘉興 314001)

空心錠機構是復合紡紗機上實現一根紗線(外包纏紗)對另一根紗線、須條或其復合體(通稱為芯紗)進行螺旋線狀包纏復合的機構。生產中采用空心錠機構的紡紗技術有3種：平行紡紗、空心錠花式捻線和空心錠包覆(機包)[1-3]。其中：平行紡紗技術是空心錠機構應用的起源；空心錠花式捻線和空心錠包覆技術是以平行紡紗技術為基礎的應用拓展，雖然仍以空心錠包纏為技術核心，但其工藝目的卻有所改變。

對于平行紡紗技術，外包纏紗的包纏對象是經牽伸裝置牽伸后的無捻短纖須條，包纏的工藝目的是“賦強”，即通過外包纏紗對平行排列短纖維須條纏繞形成的“緊密效應”增加芯紗中纖維的摩擦力，同時也為復合紗貢獻部分強力(軸向分力)。空心錠花式捻線技術，在平行紡紗技術的基礎上增加了短纖須條牽伸控制機構，可在紡紗過程中改變牽伸倍數或實現超喂以形成花式效果，也可增加須條喂入根數并分別進行控制以產生花色外觀。牽伸后的短纖須條(飾紗)與單獨喂入的連續長絲(芯紗)并合后，經外包纏紗(固紗)包纏形成“芯紗+飾紗+固紗”結構的復合紗。空心錠包纏的工藝目的是將飾紗固定在芯紗上，獲得穩定的花式成紗結構。空心錠包覆技術是平行紡紗技術的簡化，去除了牽伸裝置，外包纏紗包纏的對象是紗線(長絲紗或短纖紗)，空心錠包纏的工藝目的是包覆、復合，即通過外包纏紗對芯紗的包繞實現對芯紗的表面覆蓋，得到具有包纏結構的“紗-紗”復合紗。雖然“包覆”效果可能是這一技術設計的初衷，但在實際應用中并沒有完全達到外包纏紗對芯紗的完全覆蓋。在更多情形下，空心錠包覆紡紗被視為實現多根紗線復合、獲取穩定成紗結構的復合加工技術。包纏復合結構可賦予成紗不同于并捻、繩編(扭絞)等其他復合結構與性能。

不同種類、性能、顏色的長絲紗、短纖紗均可采用空心錠包覆紡紗技術以不同組合結構進行包纏復合，達到彌補紗線性能缺陷、改善紗線可加工性或織物性能[4-5]、獲取復合功能[6-7]、紗線賦色或混色[8-10]等工藝目的。作為一種以紗線為原料紡制包纏復合結構紗線的紗線復合再加工技術，空心錠包覆紡紗技術的應用范圍和領域不斷拓展、延伸。

雖然空心錠包覆紡紗的技術核心仍為空心錠包纏，但其工藝路線所決定的包纏作用原理，與平行紡紗和空心錠花式捻線有顯著的區別。本文在對3種采用空心錠機構的成紗技術進行比較分析的基礎上，嘗試厘清空心錠包覆紡紗的包纏作用技術特點，并主要從包纏速度與芯紗速度匹配的速度分析，以及外包纏紗張力與芯紗張力相互作用的張力分析2個方面，探討其作用特征及實現包纏作用的基本技術要求。

1 工藝配置與作用原理比較

1.1 工藝配置

3種采用空心錠機構的復合紡紗設備，從喂入到輸出的工藝路線及機構布置如下。

平行紡紗：短纖須條(條子或粗紗)喂入、牽伸機構→空心錠包纏機構→引紗、卷繞成形機構。

空心錠花式捻線：飾紗短纖須條喂入、牽伸機構+芯紗喂入機構→空心錠包纏機構(固紗)→環錠加捻機構(可選用)→卷繞成形機構。

包覆紡紗：芯紗喂入機構(可喂入彈力芯紗并進行預牽伸)→空心錠包纏結構→卷繞成形機構。

在紡紗設備上，平行紡紗機和空心錠花式捻線設備從喂入到輸出采用自上而下配置的工藝路線，而空心錠包覆紡紗機采用自下而上的配置方式。圖1示出2種配置空心錠包纏部分的示意圖。

圖1 空心錠包纏的2種配置形式Fig.1 Two configuration forms of hollow spindle wrapping.(a) Reverse wrapping; (b) Forward wrapping

圖1(a)示出平行紡紗和空心錠花式捻線所采用的配置形式。牽伸后的短纖須條或須條與長絲的并合體在空心錠上端與錠管上退繞下來的外包纏紗并合后，從空心錠的上端進入空心錠的中心管，從下端引出，外包纏紗退繞、引出的方向(向上)與芯紗、復合紗的運行方向(向下)相反。圖1(b)示出空心錠包覆紡紗所采用的配置形式。芯紗從空心錠下端進入空心錠中心管，從上端引出后與從錠管上退繞下來的外包纏紗會合并實現包纏復合后向上引出，外包纏紗退繞、引出的方向(向上)與芯紗、復合紗的運行方向(向上)相同。

為方便區分，本文將圖1(a)實現的包纏作用配置形式稱為“逆向包纏”；將圖1(b)實現的包纏作用配置形式稱為“順向包纏”。

1.2 包纏作用特征

空心錠機構實現包纏作用的配置形式不同，其工藝要求和適應性存在一定的差異。

對于平行紡紗，芯紗是無捻短纖須條，不能承受紡紗張力(外包纏紗高速纏繞張力、引紗張力等)作用，須在空心錠頂端采取假捻措施：芯紗與外包纏紗并合進入中心管后又從管壁上的假捻孔引出，并回繞錠子約1/4圈再進入中心管，通過空心錠回轉帶動芯紗一起回轉，給位于牽伸裝置和空心錠頂端之間的須條加捻，并在重回中心管后通過假捻的退捻作用實現外包纏紗對芯紗的包纏。

對于空心錠花式捻線，雖然理論上飾紗與芯紗的并合體能夠承受紡紗張力作用，但為避免飾紗須條纖維散失，獲取較為緊密、穩定的飾紗花式結構以及均勻的包纏捻度分布，一般也需在空心錠下端配置隨空心錠回轉的假捻鉤，對飾紗與芯紗的并合體進行假捻作用，再通過假捻退捻實現外包纏紗對并合體的包纏[11]。

通過上述分析可知，空心錠逆向包纏的實質是假捻-退捻包纏，先通過假捻對散纖維或其復合體進行假捻賦強，以克服紡紗張力、緊密紗條結構，再利用假捻的退捻作用實現外包纏紗的包纏。

與逆向包纏不同，順向包纏是外包纏紗對芯紗形成真正意義上螺旋線狀纏繞，而不借助假捻-退捻作用實現包纏。由于芯紗不需要穿假捻孔或繞假捻鉤，使得對剛性大、甚至具有一定脆性紗線的包覆復合成為可能，如以玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維、不銹鋼纖維等紗線為芯紗的包纏復合加工，產品適應性優于逆向包纏。但由于芯紗要承受較大的紡紗張力，只能用于具有一定強度紗線的包纏復合。在外包纏紗對芯紗進行纏繞時，為控制外包纏紗的氣圈形態，穩定包纏張力和包纏捻度，須在空心錠頂端上方設置限定包纏復合作用點向上移動的會合導紗鉤。

此外，如果要追求更好的包覆效果或實現更多組分的包纏復合，包覆紡紗機上可以對1次包纏之后的復合紗再進行1次包纏(2組空心錠機構串聯配置)。

2 順向包纏作用的速度分析

2.1 包纏氣圈的形成

順向包纏過程中，復合紗在引紗輥的牽引作用下引出，帶動外包纏紗從錠管上退繞并與芯紗一起穿過會合導紗鉤向上運動；同時由于卷繞著外包纏紗的錠管與空心錠一起在錠帶的傳動下高速回轉，帶動卷繞其上的外包纏紗一起回轉，形成外包纏紗對芯紗的纏繞。處在纏繞點(外包纏紗與芯紗會合并對芯紗進行纏繞的作用點)與剝離點(外包纏紗從錠管上退繞、剝離的位置)之間的外包纏紗段，在紗線自身重力，從錠管上剝離的阻力，高速回轉的離心力、空氣阻力、哥氏力等作用力的共同作用下，呈一定形態的空間凸形曲線并高速回轉，形成氣圈。與常見的卷繞氣圈(如環錠紡紗的氣圈)和退繞氣圈(如管紗或筒紗高速退繞產生的氣圈)不同，外包纏紗對芯紗的高速纏繞，形成的是有芯(軸)氣圈，外包纏紗氣圈回轉的軸心為芯紗，如圖2所示。

圖2示出外包纏紗形成的氣圈。從圖2(a)看出，當氣圈凸形較大時，氣圈的最大半徑在氣圈段的中部。當氣圈高度較小，氣圈凸形一般也較小，氣圈半徑受錠管上邊盤限制，最大直徑等于邊盤直徑，如圖2(b)所示。這種情形一般出現在外包纏紗退繞點處于靠近錠管上邊盤位置時。此時外包纏紗會與邊盤產生摩擦，如果邊盤邊緣表面不夠光滑，易于刮斷外包纏紗，需要用細砂紙打磨處理。

圖2 外包纏紗形成的氣圈Fig.2 Balloon formed by outer wrapping yarn. (a) Balloon diameter larger than side plate diameter of spindle tube; (b) Balloon diameter smaller than side plate diameter of spindle tube

2.2 包纏作用的速度分析

在纏繞點處，外包纏紗并非在芯紗徑向(垂直于芯紗)平面內對芯紗進行纏繞，而是與芯紗呈一夾角α[12-13]，如圖3(a)所示。VC為芯紗運動速度，亦即包纏復合后成紗運動速度；VW為外包纏紗在纏繞點處包纏芯紗的線速度。由于外包纏紗在錠管上的退繞剝離點隨著外包纏紗的退繞、輸出在不斷變化，氣圈段的長度不斷發生變化，使得氣圈的形態也不斷發生變化，從而導致在纏繞點處外包纏紗對芯紗的包纏角α也在不斷發生變化。

圖3 外包纏紗對芯紗的纏繞及纏繞速度分解Fig.3 Inlacing of outer wrapping yarn to core yarn (a) and decomposition of inlacing speed (b)

外包纏紗纏繞點處對芯紗的包纏線速度VW(VW=πdn。其中：n為外包纏紗對芯紗的纏繞轉速；d為外包纏紗對芯紗的纏繞直徑，為纏繞點處芯紗和外包纏紗的表觀直徑之和)，可以分解為沿芯紗軸向分速度V2和沿芯紗周向(切向)分速度V1，如圖3(b)所示，V1=VWsinα，V2=VWcosα。V1產生的效果是使外包纏紗纏繞到芯紗上，而V2則產生使纏繞點沿芯紗軸向向下運動(與芯紗運動方向相反)的效果。由此，在外包纏紗對芯紗的纏繞過程中，芯紗上纏繞點的位置取決于芯紗的運動速度VC與V2的大小：VC>V2，則纏繞點沿芯紗向上運動；VC

在實際的紡紗設備上，纏繞點的上下移動范圍是受限的，如圖4所示。纏繞點向上不能穿過會合導紗鉤，向下則不能進入空心錠上端孔。當纏繞點向上運動到會合導紗鉤，或向下運動到空心錠端，則會在會合導紗鉤或空心錠端的機械強制作用下，被動穩定在會合導紗鉤或空心錠端處，即會合導紗鉤處為纏繞點移動的上限位，空心錠端為纏繞點移動的下限位。上下限位之間的距離一般為6.5 cm左右。

圖4 外包纏紗纏繞點的上下限位Fig.4 Upper and lower limits of wrapping point

為觀察纏繞點隨芯紗速度的變動情況，以111.1 dtex(48 f)滌綸低彈絲(DTY)為芯紗，44.4 dtex(34 f)錦綸6全拉伸絲(FDY)為外包纏紗，錠速為15 000 r/min，紡制滌/錦復合紗，逐次調低引紗速度(增大包纏捻度)，觀察纏繞點的移動情況。圖5示出纏繞點相對穩定于會合導紗鉤與空心錠端間不同位置時的狀態。在引紗速度大于8 m/min(名義捻度小于1 875 捻/m)時，纏繞點均被動穩定于會合導紗鉤處，如圖5(a)所示。這是由于，盡管外包纏紗對芯紗的包纏轉速很高，但包纏直徑很小，包纏線速度VW的軸向分速度V2一般都會遠小于引紗速度VC，纏繞點被動穩定于會合導紗鉤處。如果沒有會合導紗鉤的限制，纏繞點會繼續向上移動直至速度平衡或受到其他機構(上排空心錠的中心管下端或引紗輥處)的限制。當引紗速度調至8 m/min及以下時，觀察到纏繞點(外包纏紗氣圈頂點)下移，如圖5(b)～(d)所示；當引紗速度調至5 m/min(名義捻度為3 000 捻/m)，纏繞點下移至空心錠端，如圖5(e)所示。此時，氣圈上部與錠管邊盤、錠帽、空心錠端均產生摩擦作用，作為無捻復絲的外包纏紗松散而使氣圈變得不清晰。

除了圖5(a)、(e)所示的被動穩定狀態，纏繞點處于上下限位之間時，都會隨著氣圈形態的波動而產生一定幅度的上下波動，不會穩定不變。

圖5 纏繞點的移動Fig.5 Movement of winding point. (a) Wrapping point at upper limit; (b) VC=8 m/min; (c) VC=7 m/min; (d) VC=6 m/min; (e) VC=5 m/min (lower limit)

從本例中也可以看出，在實用范圍內(包纏捻度一般不會大于1 000 捻/m)，纏繞點一般均處于如圖5(a)所示的被動穩定于會合導紗鉤處的狀態。只有當捻度很大時，芯紗速度很低，才會出現包纏點相對穩定于會合導紗鉤與空心錠端之間或被動穩定于空心錠端的情況。

當纏繞點被動穩定在上下限位處時，包纏角的變化不能影響包纏紗圈的分布，只要引紗速度是均勻的，包纏捻度分布就是均勻的。而一旦纏繞點在二者之間發生移動，就會引起包纏捻度的變化。由此可見，設置會合導紗鉤對穩定順向包纏的包纏捻度是必要的，它極大地縮小了纏繞點的上下波動范圍，將纏繞點移動導致的包纏捻度波動限制在了一個較小的范圍內。

需要指出的是，對于不同的紡紗工藝參數(芯紗和外包纏紗種類、錠速等)，觀察到纏繞點變動狀態的引紗速度(名義捻度)會有一定的差異。

3 順向包纏過程的張力分析

如前所述，高速回轉的外包纏紗對芯紗進行纏繞時，會因離心力、空氣阻力、哥氏力等力的作用形成氣圈，因而產生纏繞張力，使得外包纏紗以一定的張力纏繞到芯紗上，獲得較為穩定的緊密成紗結構。

3.1 影響包纏張力的因素

從包纏張力的產生來源，可分析影響其大小的主要因素。空心錠轉速：空心錠轉速越高，在其他條件不變的情況下，氣圈段外包纏紗產生的離心力、哥氏力越大，受到的空氣阻力也越大，包纏張力也就越大。外包纏紗線密度與表觀直徑：外包纏紗線密度越大，直徑越大，高速回轉的離心力和受到的空氣阻力也越大，包纏張力越大。氣圈高度與退繞直徑：外包纏紗在錠管上的退繞點決定了氣圈高度和氣圈段長度，進而影響離心力和空氣阻力。當外包纏紗在錠管上的退繞點位于上邊盤、大直徑時，氣圈段最短，而退繞點位于下邊盤、小直徑時，氣圈段最長，包纏張力最大。

此外，當氣圈段長度變化引起氣圈形態變化，與錠管上邊盤產生摩擦時，也會增大紡紗張力；當錠管卷繞外包纏紗時，卷繞張力、卷繞圈距不同會引起卷繞密度變化，相鄰紗層間嵌入程度不同，則會影響外包纏紗從錠管上退繞時的剝離阻力，并因而對包纏張力產生影響。包纏張力隨紡紗工藝的變化而變化，在紡紗工藝不變的情況下不能進行單獨調整。

3.2 包纏張力的作用效果

圖6示出外包纏紗對芯紗纏繞時的張力作用情況。其中:TT為引紗張力;TC為芯紗張力;TW為外包纏紗的包纏張力，其對芯紗的作用距為芯紗與外包纏紗半徑之和。外包纏紗的張力TW同樣與芯紗形成夾角α，因而可以分解成平行于芯紗軸向的分力T1=TWsinα和垂直于芯紗軸向的分力T2=TWcosα，如圖7所示。

圖6 外包纏紗對芯紗纏繞時的張力作用Fig.6 Tension action of outer wrapping yarn on core yarn during inlacing. (a) Lateral view; (b) Top view

圖7 外包纏紗的張力分解Fig.7 Tension decomposition of outer wrapping yarn

平行于芯紗軸向的分力T2形成將外包纏紗從錠管上引出的阻力，穩定情況下與芯紗張力TC的合力形成與引紗張力TT的平衡關系(TT=TC+T2)，且由于與芯紗軸心存在一定的作用距(包纏點處的纏繞半徑)，產生使芯紗軸向彎曲的力矩；垂直于軸向的分力T1則作用在芯紗截面圓周的切向，如圖6(b)所示，這一分力產生2個效應：將芯紗拉偏離會合導紗鉤和空心錠端的內孔中心連線(以下簡稱中心線)；產生扭轉力矩，使芯紗繞其本身軸線回轉。

芯紗被拉偏離后，如果芯紗彎曲剛度大和/或張力足夠大，垂直分力T1和平行分力T2的力矩作用不足以使芯紗產生明顯的軸向折曲，其偏離程度受到會合導紗鉤內孔和空心錠端內孔孔徑的限制(2個孔徑一般均為3 mm)，則外包纏紗拖動著芯紗，以中心線為回轉中心，作回轉半徑小于會合導紗鉤內孔和空心錠端內孔孔徑的圓周遠動，回轉方向與外包纏紗回轉方向相同，形成“柱狀”芯紗氣圈，如圖2、圖5(a)中所示的芯紗形態。當芯紗張力偏低時，在不受約束的圓柱形氣圈中部，也會在回轉離心力作用下形成一定的凸形，凸形形態取決于氣圈高度、芯紗定量和芯紗張力等；當纏繞點位于會合導紗鉤之下時，在纏繞張力作用下，芯紗的柱狀氣圈與成紗形成的柱狀氣圈會在纏繞點處形成一定的折曲(如圖5(b)～(d)所示)；如果芯紗柔軟且張力較低，纏繞點就會在外包纏紗張力作用下偏離中心線，并在纏繞點處產生明顯折曲，此時，纏繞點也隨著外包纏紗的回轉以一定的半徑回轉，形成的氣圈形態如圖8所示。氣圈分為3部分：纏繞點以上為復合紗形成的錐形氣圈；纏繞點以下是由外包纏紗和芯紗分別形成的2個氣圈，倒錐形芯紗氣圈在內，外包纏紗氣圈在外，并交會于纏繞點。芯紗和外包纏紗一起繞中心線回轉，由于芯紗處于內側，仍能形成外包纏紗對芯紗的纏繞，但纏繞作用條件會有一定變化，導致復合紗結構變化(趨向于扭絞結構)，外包纏紗對芯紗的包覆效果會下降。如果纏繞點偏離中心線太多，纏繞點回轉中心嚴重偏離中心線，外包纏紗會因上邊盤阻礙不能正常退繞而斷裂。

圖8 包纏點偏離中心線時的氣圈形態Fig.8 Balloon morphology when wrapping point deviates from center line

為避免芯紗在外包纏紗張力作用下發生折曲，導致纏繞點偏離中心線，保證一定的芯紗張力是實現順向包纏必要的條件，尤其是在芯紗柔軟、外包纏紗線密度大、錠速高時，芯紗張力的調整以包纏點不偏離中心線為依據。在生產實際中，對于強力較低的芯紗或張力大小調整受限的彈力芯紗，其外包纏紗的線密度和/或錠速的選擇是受到一定限制的。

纏繞點處，包纏張力垂直于芯紗軸向的分力T2產生的扭轉力矩，使芯紗產生與包纏方向同向的回轉，這將產生2方面的效應：芯紗回轉影響外包纏紗對芯紗的包纏捻度；芯紗回轉會在纏繞點以下的芯紗段產生捻回分布。

由于芯紗在包纏張力作用下的回轉方向與外包纏紗對芯紗的纏繞作用回轉方向相同，芯紗回轉減少了纏繞點處外包纏紗對芯紗的有效纏繞圈數，對包纏捻度產生“抵消”效應。纏繞點處芯紗在包纏張力扭轉力矩作用下的回轉圈數，取決于包纏張力的大小、纏繞點處芯紗的直徑(影響張力的扭轉力矩)和芯紗的抗扭剛度。影響包纏張力大小的因素前面已進行介紹，芯紗的抗扭剛度則主要取決于芯紗本身的抗扭剛度與芯紗張力。由于包纏張力隨著退繞點的變化在不斷變化，芯紗張力也不可避免地不斷波動，芯紗的附加回轉也就不斷波動，導致包纏捻度的波動，這是除了外包纏紗退繞產生的附加捻度之外，包覆紗產生包纏捻度不勻的主要因素之一，尤其是在芯紗存在粗細不勻的情形下。

包纏張力作用在纏繞點處，產生的芯紗回轉可視為纏繞點處的假捻效應(纏繞點即假捻點)，根據假捻原理，捻回會從纏繞點向下(芯紗側)傳遞，在芯紗段產生一定捻回分布，捻度的大小隨著芯紗張力、包纏張力的波動而動態變化，并受到空心錠中心管壁摩擦假捻的疊加作用影響。當芯紗攜帶捻回經過纏繞點后，即發生解捻并同時受到外包纏紗的纏繞，纏繞點處動態波動的外包纏紗張力力矩與芯紗攜帶捻回產生的退捻力矩并不必然形成抵消，使經過纏繞點后的芯紗上可能會殘留局部真捻以及不完全扭轉的殘捻。

關于外包纏紗張力對芯紗的扭轉作用的效果，這里僅做以上定性探討。對于芯紗扭轉產生附加捻度的實驗分析(包括粗細不勻芯紗捻度顯著不勻產生的“弱段彩”特征)，以及芯紗假捻殘留的實驗分析與應用(殘留捻回“片段呈色”段彩復合紗)，將在后續研究中探討。

4 結束語

1)空心錠包覆紡紗的空心錠機構采用順向包纏方式實現芯紗對外包纏紗的螺旋線狀纏繞，是其區別于平行紡紗和空心錠花式捻線的逆向包纏通過假捻-退捻實現包纏的技術特征。

2)外包纏紗對芯紗的順向包纏，纏繞點的位置會隨著芯紗運動速度與外包纏紗對芯紗的包纏速度，以及氣圈形態波動導致的包纏角的變化而變化，引起包纏捻度的波動。會合導紗鉤對于限定順向包纏作用的包纏點波動、穩定包纏捻度意義重大。一般情況下，纏繞點會被動穩定于會合導紗鉤處，只有在芯紗運動速度很小(包纏捻度很大)時才會由會合導紗鉤處向下移動，但下移位置會受到空心錠端的限制。

3)外包纏紗對芯紗的順向包纏作用，會因外包纏紗隨空心錠的高速回轉及芯紗在外包纏紗張力作用下的高速回轉分別形成外包纏紗氣圈和芯紗氣圈。外包纏紗氣圈的長度和形態隨著外包纏紗在錠管上剝離點的變化而不斷變化；柱狀芯紗氣圈的形態主要決定于芯紗張力、包纏轉速及芯紗規格。

4)包纏張力受錠速、外包纏紗線密度等紡紗工藝參數的影響，并隨著氣圈高度、形態的波動而發生不可控的波動，且不能進行獨立調整。為保證包纏作用的順利實現，芯紗必須保持一定的張力，以避免纏繞點偏離中心線，導致包纏結構的改變，甚至外包纏紗的斷頭。包纏張力使芯紗產生與纏繞方向的同向回轉，這一方面會抵消外包纏紗對芯紗的包纏捻度；另一方面會在纏繞點以下的芯紗段產生動態捻回分布，并在成紗的芯紗上形成殘留捻回。

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