雙向延伸膠圈超大牽伸裝置機(jī)理分析

張玉澤 張 靜 倪 遠(yuǎn) 江 慧 汪 軍

［1.東華大學(xué)，上海，201620；2.紡之遠(yuǎn)（上海）紡織工作室，上海，200063］

隨著紡紗技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)紡紗效率要求的日益提高，對(duì)細(xì)紗工藝提出了更高的要求，“重定量，大牽伸”成為高效紡紗工藝的熱點(diǎn)［1］。細(xì)紗大牽伸的發(fā)展經(jīng)歷了兩類工藝的選擇，一類是保持后區(qū)預(yù)備牽伸作用而挖掘前區(qū)膠圈牽伸的潛力；另一類是保持前區(qū)主牽伸能力不變挖掘后區(qū)牽伸潛力［2］3。由于進(jìn)一步提升前區(qū)膠圈牽伸倍數(shù)的空間不大，實(shí)現(xiàn)超大牽伸能力主要通過增強(qiáng)對(duì)后區(qū)纖維的控制來實(shí)現(xiàn)。加強(qiáng)后區(qū)纖維運(yùn)動(dòng)控制主要有兩種方法，一種是改變后羅拉、膠輥的安裝位置，把直線牽伸變?yōu)榍€牽伸，如V 型牽伸［3］、VC 型牽伸［4］；另一種是在細(xì)紗后區(qū)加裝附加摩擦力界裝置，如四膠圈牽伸［5-6］、壓力棒牽伸［7］。這兩種方法都可以提高后區(qū)牽伸能力且相比于簡(jiǎn)單羅拉直線牽伸在一定程度上改善了成紗條干不勻率。目前，行業(yè)內(nèi)已有的四羅拉和五羅拉超大牽伸裝置都是采用正向延伸的膠圈同向串聯(lián)組合配置，存在各牽伸區(qū)產(chǎn)生的牽伸波同向相互疊加［2］3以及前區(qū)羅拉鉗口處打滑現(xiàn)象加重的問題［8］。本研究探討雙向延伸膠圈超大牽伸裝置機(jī)理并分析其紡紗質(zhì)量。

1 雙向延伸膠圈超大牽伸裝置

1.1 牽伸裝置設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)牽伸裝置見圖1，本研究所設(shè)計(jì)的環(huán)錠紡雙向延伸膠圈超大牽伸裝置（以下簡(jiǎn)稱超大牽伸裝置）見圖2［9］，是在傳統(tǒng)的雙膠圈三羅拉雙區(qū)環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)（以下簡(jiǎn)稱普通牽伸裝置）基礎(chǔ)上，經(jīng)過延長(zhǎng)羅拉底座，增加一列羅拉等一系列機(jī)械加工改進(jìn)而成的四羅拉四膠圈三區(qū)牽伸裝置。其中，前牽伸區(qū)設(shè)置了向前（須條運(yùn)動(dòng)方向）延伸的雙膠圈鉗口，發(fā)揮主牽伸能力；中牽伸區(qū)簡(jiǎn)單的羅拉牽伸對(duì)須條進(jìn)行集聚；后區(qū)內(nèi)設(shè)置了向后延伸的雙膠圈鉗口，增大后區(qū)牽伸倍數(shù)，最終可提升總牽伸能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超大牽伸。

圖1 傳統(tǒng)環(huán)錠紡細(xì)紗牽伸裝置圖

圖2 雙向延伸膠圈超大牽伸裝置圖

1.2 牽伸裝置配置及機(jī)理

1.2.1 牽伸裝置配置選擇

超大牽伸裝置采用四列羅拉牽伸，實(shí)現(xiàn)超大牽伸的同時(shí)減小裝置復(fù)雜程度。膠圈形式采用長(zhǎng)短膠圈，其中主牽伸前區(qū)分擔(dān)的牽伸倍數(shù)較大，為了穩(wěn)定纖維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而采用正向延伸膠圈，后區(qū)為反向延伸膠圈以加強(qiáng)對(duì)后區(qū)浮游纖維的控制。

1.2.2 超大牽伸裝置的機(jī)理分析

（1）超大牽伸裝置在后區(qū)采用膠圈反向延伸設(shè)置，纖維在離開后羅拉鉗口不遠(yuǎn)的距離就受到上、下膠圈的握持和摩擦控制，反向延伸膠圈加強(qiáng)了后牽伸區(qū)中前部的摩擦力界，同時(shí)控制面大，摩擦力界分布較為均勻。纖維受到反向延伸膠圈鉗口的提前控制，加強(qiáng)了快速纖維的引導(dǎo)力，使得纖維尾端脫離后鉗口就有變速的可能。牽伸裝置前區(qū)采用正向延伸膠圈設(shè)置，纖維變速點(diǎn)集中分布在前鉗口。這種纖維變速點(diǎn)集中后移和集中前移的兩種不同纖維變速點(diǎn)控制方法，避免了纖維變速點(diǎn)單一控制方法導(dǎo)致牽伸波疊加惡化的現(xiàn)象。

（2）當(dāng)細(xì)紗工藝采用重定量大牽伸時(shí)，后區(qū)纖維數(shù)量增多，配置正向延伸膠圈時(shí)，上下膠圈間夾持的須條較厚，由下羅拉通過膠圈傳遞速度給須條時(shí)，纖維層之間容易摩擦打滑而產(chǎn)生分層現(xiàn)象影響紗線質(zhì)量。但是，當(dāng)膠圈反向延伸控制時(shí)，上下膠圈夾持的快速纖維數(shù)量少，須條薄，可以避免分層現(xiàn)象。

（3）膠圈未工作時(shí)以適當(dāng)?shù)膹埦o力套在上、下銷和羅拉上。當(dāng)膠圈開始工作時(shí)，由于膠圈和羅拉接觸面上摩擦力的作用，膠圈在羅拉與上、下銷的作用下，被拉緊的一邊稱為緊邊，另一邊則被放松稱為松邊［10］。因此，當(dāng)膠圈正向放置時(shí)，如果上、下銷之間的壓力不夠大，快速纖維對(duì)膠圈的摩擦力不足以拖動(dòng)膠圈，羅拉帶動(dòng)膠圈向前運(yùn)動(dòng)，牽伸工作面膠圈是松邊，必然使上膠圈向上起拱，而膠圈反向放置時(shí)，膠圈的牽伸工作面是緊邊，改善了上膠圈起拱內(nèi)凹現(xiàn)象，加強(qiáng)了對(duì)后區(qū)浮游纖維的控制。圖3、圖4 分別為膠圈正向放置和反向放置松緊邊示意圖。

圖3 正向延伸膠圈松邊示意圖

圖4 反向延伸膠圈緊邊示意圖

2 牽伸區(qū)離散系統(tǒng)模擬

2.1 仿真過程

選用GPSS 語言對(duì)牽伸模型進(jìn)行編程和仿真。在離散事件仿真中，離散纖維實(shí)體流被視為橫截面模型的輸入，而在該橫截面中纖維的聚集特性就是模型的輸出。將牽伸區(qū)中纖維的空間流動(dòng)轉(zhuǎn)化為模擬中按時(shí)間分布的實(shí)體流，將其作為離散模型的虛擬輸入［11］。以1 根纖維（1 個(gè)活動(dòng)實(shí)體）為例，模擬活動(dòng)實(shí)體從產(chǎn)生到消亡的過程內(nèi)依次經(jīng)歷的5 次離散隨機(jī)事件、4 種狀態(tài)的改變過程。牽伸模型的可行性已有文獻(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證［12］。

狀態(tài)改變過程：首先，纖維按照一定的頭端隔距進(jìn)入后羅拉鉗口，纖維先被后羅拉握持為后纖維；其次，當(dāng)纖維尾端脫離后鉗口后以后羅拉表面速度運(yùn)動(dòng)到變速點(diǎn)位置變?yōu)槁俑∮卫w維；然后，纖維頭端經(jīng)過變速點(diǎn)后變?yōu)榭焖俑∮卫w維，按前羅拉表面速度運(yùn)動(dòng)到前羅拉鉗口；最終變?yōu)榍袄w維輸出牽伸區(qū)。

2.2 變速點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

以兩對(duì)羅拉組成的后牽伸區(qū)為例，模型輸入?yún)?shù)為纖維長(zhǎng)度33 mm，纖維細(xì)度1.7 dtex，須條線密度1.68 g/m，羅拉中心距60 mm，前羅拉速度10 m/min，牽伸2.4 倍。假設(shè)牽伸區(qū)中纖維變速點(diǎn)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，分別統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)單羅拉牽伸和膠圈反向延伸情況的纖維變速點(diǎn)分布情況，見圖5。

圖5 膠圈反向延伸牽伸區(qū)與簡(jiǎn)單羅拉牽伸區(qū)變速點(diǎn)分布

由圖5 的模擬結(jié)果可以看出，簡(jiǎn)單羅拉牽伸中纖維變速點(diǎn)分布范圍比較寬，在距離前鉗口15 mm～25 mm 的范圍內(nèi)。而在膠圈反向延伸的牽伸區(qū)內(nèi)，纖維變速點(diǎn)集中于距前鉗口32 mm附近，且分布范圍狹窄。因此，可以認(rèn)為膠圈反向延伸能使?fàn)可靺^(qū)內(nèi)纖維變速點(diǎn)向后鉗口處移動(dòng)且分布集中，這有利于對(duì)纖維運(yùn)動(dòng)的有效控制。

3 試驗(yàn)方案

課題組已經(jīng)做了相關(guān)試驗(yàn)，確認(rèn)采用雙向延伸膠圈超大牽伸裝置能夠提高后區(qū)牽伸倍數(shù)至原來 的2 倍～3 倍［13］。

本研究采用相同定量的粘膠粗紗分別在普通牽伸裝置與超大牽伸裝置上紡制16.8 tex 紗線，在保證總牽伸倍數(shù)不變的同時(shí)，增加后區(qū)牽伸倍數(shù)，比較兩者成紗質(zhì)量，分析后區(qū)牽伸倍數(shù)對(duì)紗線質(zhì)量的影響。

3.1 工藝參數(shù)

限于條件，所述試驗(yàn)原料粘膠粗紗定量為6.1 g/10 m，為進(jìn)行超大牽伸試驗(yàn)，采用兩根粗紗并行同時(shí)喂入，因此粗紗定量相當(dāng)于12.2 g/10 m。細(xì)紗錠速7 000 r/min，捻度800 捻/m。采用兩種裝置紡粘膠16.8 tex 紗的總牽伸均為72.61 倍，其他工藝參數(shù)見表1。其中方案A1～A8 采用四羅拉雙向延伸膠圈超大牽伸裝置，方案B1～B8 采用三羅拉雙膠圈牽伸裝置。

表1 不同裝置紡紗試驗(yàn)方案

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)與測(cè)試方法

所紡紗線在溫度（23±2）℃、相對(duì)濕度（65±3）%、紗線平衡24 h 條件下測(cè)試條干CV、毛羽數(shù)、斷裂強(qiáng)度3 項(xiàng)指標(biāo)。采用YG061 型電子單紗強(qiáng)力儀測(cè)試強(qiáng)伸性能，預(yù)加張力0.5 cN/tex，拉伸速度500 mm/min，測(cè)試長(zhǎng)度50 mm；采用YG135G 型條干均勻度儀測(cè)試條干均勻度指標(biāo)，測(cè)試速度200 m/min，測(cè)試時(shí)間1 min；采用YG172A 型紗線毛羽測(cè)試儀測(cè)試毛羽指標(biāo)，測(cè)試速度30 m/min。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照設(shè)計(jì)方案在超大牽伸裝置與普通牽伸裝置上紡制粘膠16.8 tex 紗，紗線性能指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同牽伸裝置紗線性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

由表2 中方案A 和方案B 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得出以下結(jié)論。

（1）采用相同原料紡制16.8 tex 紗，超大牽伸裝置與普通牽伸裝置相比，隨著后區(qū)牽伸倍數(shù)的增加，3 項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)中成紗條干不勻率較優(yōu)、3 mm毛羽數(shù)略差、斷裂強(qiáng)度差異較小。超大牽伸裝置在總牽伸72.61 倍條件下的成紗質(zhì)量較普通牽伸有明顯優(yōu)勢(shì)。這說明四羅拉雙向延伸膠圈超大牽伸裝置對(duì)牽伸區(qū)內(nèi)纖維的控制優(yōu)于普通牽伸裝置，對(duì)超大牽伸有較好的適應(yīng)性。

（2）隨著后區(qū)牽伸從1.20 倍增加到3.60 倍，兩種牽伸裝置所紡紗線條干不勻率都呈先減小后增加的趨勢(shì)。超大牽伸裝置的成紗條干不勻率值明顯低于普通牽伸，且在2.4 倍時(shí)成紗條干不勻率最小。分析原因主要是普通牽伸裝置受牽伸能力限制，后區(qū)的簡(jiǎn)單羅拉牽伸所承受的牽伸倍數(shù)有限，根據(jù)牽伸理論，牽伸倍數(shù)增加時(shí)，纖維之間的移距增加，羅拉對(duì)纖維的控制力有限，特別在浮游區(qū)中部時(shí)對(duì)纖維的控制大大減小，造成纖維間不勻增加使成紗質(zhì)量下降。而在超大牽伸裝置中，由于后區(qū)設(shè)置了向后延伸的雙膠圈且膠圈鉗口靠近后羅拉鉗口，纖維在靠近后羅拉鉗口處即受到上、下膠圈的握持和摩擦控制，纖維在后區(qū)的變速點(diǎn)集中后移至后羅拉鉗口附近，整個(gè)后區(qū)的摩擦力界作用長(zhǎng)度增加，纖維能夠受到反向延伸膠圈鉗口的提前控制，且在后區(qū)的變速點(diǎn)也相對(duì)集中，從而減小了纖維后端的移距偏差，減少了纖維運(yùn)動(dòng)控制不良造成的紗線不勻的現(xiàn)象，并有利于后區(qū)牽伸倍數(shù)的提高。

（3）隨著后區(qū)牽伸倍數(shù)的增加，成紗3 mm 毛羽數(shù)先減小后增加，超大牽伸裝置的成紗毛羽數(shù)大于普通牽伸裝置。究其原因，在超大牽伸裝置中，牽伸區(qū)內(nèi)須條存在多個(gè)擴(kuò)散區(qū)域，由于捻回重分布和羅拉回轉(zhuǎn)氣流的作用，須條沿著運(yùn)動(dòng)方向逐步擴(kuò)散，最終導(dǎo)致須條以較松散的狀態(tài)進(jìn)入前鉗口，邊緣纖維在加捻三角區(qū)未能捻入紗線主體而呈現(xiàn)毛羽狀，使成紗毛羽增加。

（4）隨著后區(qū)牽伸倍數(shù)的增加，兩種牽伸裝置下的斷裂強(qiáng)度都先增加后減小，兩者成紗強(qiáng)力差異并不明顯，說明增加后區(qū)牽伸倍數(shù)對(duì)紗線強(qiáng)力的影響不顯著。

5 結(jié)論

在超大牽伸裝置與普通牽伸裝置上紡制粘膠16.8 tex 紗，對(duì)比分析了兩種裝置的成紗質(zhì)量。超大牽伸裝置所紡成紗質(zhì)量指標(biāo)隨著后區(qū)牽伸倍數(shù)的增加，條干不勻率呈先減小后增大的趨勢(shì)，在2.4 倍時(shí)達(dá)到最好；3 mm 毛羽數(shù)呈現(xiàn)先減小后增加趨勢(shì)；紗線斷裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)。相比于普通牽伸裝置，超大牽伸裝置的成紗條干不勻率得到明顯改善，紗線強(qiáng)力浮動(dòng)較小，3 mm毛羽數(shù)增加。

試驗(yàn)表明，雙向延伸膠圈超大牽伸裝置的紡紗性能明顯優(yōu)于普通牽伸裝置，對(duì)于細(xì)紗超大牽伸有較好的適應(yīng)性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)重定量紡紗，質(zhì)量穩(wěn)定，可提高生產(chǎn)效益。后區(qū)牽伸倍數(shù)可以擴(kuò)展到2 倍～4 倍，總牽伸能力可達(dá)到100 倍～250倍。超大牽伸裝置存在邊部纖維分散現(xiàn)象影響毛羽的問題，可以通過集聚紡等技術(shù)控制加捻三角區(qū)以彌補(bǔ)不足，從而進(jìn)一步改善超大牽伸裝置的成紗質(zhì)量。