兩通道環錠紡單區牽伸紡制段彩竹節紗的方法及其特點

郭明瑞，高衛東

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學),江蘇 無錫 214122)

花式紗線以其獨特的結構和外觀效果成為具有廣泛用途的產品，占據紗線市場一定份額[1]，但專用花式紗線生產設備存在成本較高的問題，使得基于環錠紡紗技術的花式細紗紡制技術應運而生，其中段彩竹節紗是基于改進環錠紡紗裝置生產的，是具代表性的花式細紗[2-4]。目前，市場上普遍應用的段彩竹節紗裝置，均為改變環錠細紗機牽伸裝置驅動形式和2根粗紗輸入方式，在中羅拉連續輸入基紗纖維形成紗線主體，控制后羅拉間歇輸入段彩飾紗纖維，與基紗復合形成段彩竹節片段。這種方式段彩飾紗須條需要經過后區和前區2個牽伸區，屬于雙區牽伸環錠紡裝置。雙區牽伸紡制段彩竹節紗存在彩節長度和節距偏差較大的問題[5-6]，產生這個問題的根本原因是雙區牽伸紡制段彩竹節紗時，纖維集合體在后區的拉伸斷裂位置不一致，并且纖維集合體以片段形式進入皮圈牽伸區，須條尾端纖維在牽伸過程中所受控制力較弱，導致彩節長度和節距波動。

為提高花式細紗產品的品種適應性和產品種類，近年來出現了基于雙區牽伸的兩通道環錠數碼紡技術，該技術將后羅拉改為具有2個獨立控制部分的橫向并置工作齒環，形成2個等效的牽伸通道[7-9]。這種機型可在線轉換基紗和飾紗的角色，紡制出雙色變換段彩紗[10-11]；但其仍屬雙區牽伸，紡制段彩竹節紗時，彩節長度和節距偏差問題未能得到解決。

本文針對現有雙區牽伸環錠紡段彩竹節紗存在彩節長度和節距偏差較大的問題，研發單區牽伸兩通道環錠紡新裝置，紡制結構精確控制的段彩竹節紗新產品，分析彩節復合片段長度和分布的影響因素及其變化規律。同時，開發了相應的紗線圖像連續采集裝置，建立了配套的圖像處理方法，對段彩竹節紗新產品的復合片段長度及其分布進行自動測量、表征與分析。

1 段彩竹節紗紡制

1.1 段彩竹節紗結構

段彩竹節紗由基紗片段和段彩竹節片段組成，其對應的長度分別稱為基紗長度和段彩竹節長度，2個段彩竹節中點間距為節距，結構示意圖如圖1(a)所示。段彩竹節長度、倍率和節距是其主要結構參數。圖1(b)為由Canon 9000D Mark II掃描儀得到的段彩竹節紗片段掃描圖像。

圖1 段彩竹節紗外觀Fig.1 Appearance of section color slub yarn.(a)Yarn diagram;(b)Yarn physical image

表征段彩竹節紗的參數包括：基紗線密度T0、基紗片段長度dj、段彩竹節長度dc和段彩竹節倍率β。對于基紗線密度、片段長度和段彩竹節倍率不變的段彩竹節紗，基紗片段參數可用數組(dj，T0)表達，而段彩竹節片段參數可用數組(dc，βT0)表達。

1.2 雙區牽伸紡制段彩竹節紗

現有傳統雙區牽伸環錠紡裝置紡制段彩竹節紗示意圖如圖2所示。基紗纖維喂入中羅拉形成紗線主體，飾紗纖維由間歇轉動的后羅拉喂入，間斷的飾紗須條與基紗須條復合形成段彩竹節。飾紗須條經過前、后2個牽伸區，后羅拉間歇運動使得飾紗在后區斷裂，進入到中羅拉與前羅拉形成的前牽伸區，經過中羅拉輸入的飾紗須條尾端不受后續粗紗控制，牽伸效果不理想；同時由于基紗須條與飾紗須條共用前牽伸區，飾紗須條經后區和前區2個牽伸區，其牽伸倍數無法小于基紗牽伸倍數，若要紡制高倍率的段彩竹節紗，則需通過調整基紗或飾紗的粗紗定量來實現。

圖2 傳統雙區牽伸紡制段彩竹節紗示意圖Fig.2 Diagram of section color slub yarn spun by traditional double-zone drafting

1.3 單區牽伸兩通道紡制段彩竹節紗

本文提出的單區牽伸兩通道環錠紡紗裝置原理如圖3所示。該裝置只有1個皮圈牽伸區，僅有前羅拉和后羅拉，其后羅拉為兩通道雙列并置型，后上膠輥也為兩通道膠輥，即后羅拉的每個工作單元由雙列同軸并置的活套羅拉環組成：其中一個活套羅拉環與后羅拉軸徑向固定，由后羅拉軸驅動；另一個活套羅拉環側邊帶有同軸傳動齒輪，由同步帶連接至后方傳動軸。通過伺服系統、可編程控制器和觸摸屏分別驅動后羅拉軸和傳動軸。2列并置后羅拉分別與前羅拉形成各自的牽伸通道，實現基紗須條和飾紗須條獨立輸入，基紗須條與飾紗須條都只經過一個牽伸區。通過集聚紡裝置，實現前羅拉輸出的基紗與飾紗橫向匯聚成紗。紡制段彩竹節紗時，基紗須條連續恒速輸入，飾紗須條間歇輸入形成段彩竹節。

圖3 單區牽伸兩通道環錠紡裝置示意圖Fig.3 Diagram of two-channel ring spinning with single-zone drafting

單牽伸區兩通道環錠紡裝置中，由于基紗與飾紗具有獨立的牽伸通道，牽伸倍數沒有相互制約，在粗紗定量確定的條件下，仍然可以通過改變基紗與飾紗的相對牽伸量實現紡制不同倍率的段彩竹節紗。并且這種單區牽伸兩通道環錠紡裝置可在線轉換基紗與飾紗的角色，紡制出雙色變換段彩竹節紗，拓展紗線品類。

2 飾紗片段牽伸原理

2.1 雙區牽伸飾紗牽伸模型

傳統雙區牽伸紡制段彩竹節紗是將后羅拉獨立控制，通過后羅拉的間歇轉動實現飾紗的斷續喂入。雙區牽伸紡制段彩竹節紗時，飾紗纖維束的運動狀態如圖4所示。飾紗片段大致經過喂入、拉斷、牽伸和輸出4個階段。如圖4所示：在時序1，后羅拉處于回轉狀態，被后羅拉握持的粗紗頭端通過中羅拉；在時序2，后羅拉回轉一定量后停止轉動，粗紗被拉斷，粗紗片段整體進入前牽伸區；在時序3，喂入前牽伸區的粗紗片段經過前羅拉與中羅拉之間的牽伸，從前羅拉鉗口輸出；在時序4，牽伸后的粗紗片段完全從前羅拉鉗口輸出，在成紗上形成一段飾紗。在時序1和2紡制基紗片段，在時序3和4紡制段彩竹節片段。

圖4 傳統雙區牽伸段彩竹節紗飾紗牽伸過程示意圖Fig.4 Diagram of drafting process of decorative roving for spinning section color slub yarn in traditional double-zone drafting

基于粗紗拉伸斷裂原理形成飾紗片段有2個不利因素：一是飾紗粗紗需要在后牽伸區中拉斷，而將粗紗拉斷所需牽伸力要遠大于將單纖維從粗紗中抽出，為了能夠在后牽伸區將粗紗拉斷，需要將后牽伸區的羅拉隔距放大到一定程度，這時后牽伸區羅拉隔距為纖維長度的1.5～2倍，這種后牽伸區羅拉隔距的設置雖然滿足了牽伸力的要求，但是會使后牽伸區粗紗斷裂位置波動增大，進而導致段彩竹節片段長度不穩定；二是以粗紗片段形式喂入前牽伸區的飾紗，進入前牽伸區需經過較高倍數的牽伸，由于纖維束已經斷裂，粗紗尾端纖維無后續粗紗的約束，在牽伸過程中僅依靠彈性皮圈握持，纖維變速點分散，牽伸狀態不夠穩定，所形成的段彩竹節尾端纖維分布不精確，易出現纖維拖尾現象，影響段彩竹節尺寸精度。

2.2 單區牽伸兩通道飾紗牽伸模型

針對雙區牽伸紡制段彩竹節紗時，飾紗成形原理存在的不利因素，本文通過分析單區牽伸兩通道環錠紡技術紡制段彩竹節紗，闡述其飾紗成形原理的優勢。單區牽伸兩通道環錠紡技術紡制段彩竹節紗時，飾紗成形原理不再是粗紗拉伸斷裂形式，變為前區纖維須條牽出和靜止形式，飾紗須條只經過單一牽伸區，間歇喂入。飾紗成形過程如圖5所示。飾紗片段大致經過喂入、牽伸、分離和輸出4個階段。如圖5所示：在時序1，在紡制基紗片段時，后羅拉處于靜止狀態，被后羅拉握持的粗紗處于停喂狀態；在時序2，后羅拉轉動喂入飾紗片段，粗紗須條頭端進入前羅拉鉗口，纖維由慢速纖維轉變為快速纖維，實現纖維須條的牽伸；在時序3，當后羅拉停止喂入，受前羅拉握持的快速纖維與粗紗頭端須條分離；在時序4，全部快速纖維從前羅拉鉗口輸出，在成紗上形成段彩節竹。

圖5 單區牽伸段彩竹節紗飾紗牽伸過程示意圖Fig.5 Diagram of drafting process of decorative roving for spinning section color slub yarn in single-zone drafting

基于此種飾紗成形原理，在牽伸區中纖維從粗紗須條頭端按順序牽出，牽伸力較小，羅拉隔距較小，有利于減小牽伸區中纖維浮游區間，在后羅拉纖維須條停喂時，只有極少數長度較短的浮游纖維受快速纖維影響而變速，對段彩竹節長度和形態影響小，克服了雙區牽伸紡制段彩竹節紗中飾紗成形原理的不足。

3 實驗部分

3.1 實驗方案

雙區牽伸環錠紡段彩竹節紗由CCZ-X全伺服控制集聚紡細紗機紡制，單區牽伸兩通道環錠紡段彩竹節紗采用改造后的CCZ-X全伺服控制集聚紡細紗機紡制。紡紗實驗所用原料均采用定量為4.2 g/(10 m)的黑、白兩色精梳純棉粗紗，將黑色粗紗作為基紗、白色粗紗作為飾紗，紡制出基紗線密度為29.2 tex，段彩竹節倍率為2，基紗長度為1 000 mm，段彩竹節長度分別為20、30、40、50、60、70和80 mm的Z捻黑/白段彩竹節紗，基紗牽伸倍數為14.38，紗線特克斯制捻系數為340，紡紗錠速為8 000 r/min。每個品種紡制5管。

3.2 段彩竹節紗結構參數測量方法

3.2.1 紗線圖像采集裝置

由于段彩竹節紗顏色、規格種類繁多，目前還沒有針對段彩竹節紗特征參數測量的通用儀器設備。本文采用圖像法對段彩竹節紗的部分結構參數進行測量與表征。采用的紗線圖像采集裝置如圖6所示。該裝置包括MER-132-30GC型數碼相機(中國大恒(集團)有限公司)、MLM3X-MP型鏡頭(COMPUTAR公司)、光源、電腦、紗線張力盤(2個)和自動卷繞裝置。

圖6 圖像采集裝置Fig.6 Image acquisition unit

為使采集的圖像背景灰度盡量一致，位于圖像采集區的紗線距離背景30 mm，以使背景虛化。紗線卷繞裝置的2個卷繞輥采用定速交流電動機驅動，繞紗輥置于卷繞輥上，利用摩擦作用驅動繞紗輥勻速轉動，實現圖像采集過程中紗線運行速度恒定。為便于圖像中段彩竹節和基紗片段的識別，需保證紗線徑向在圖像中具有一定行數的像素點，同時為避免段彩竹節中偶然性出現的短片段無彩段被誤判為基紗片段，單張圖像中紗線長度不能太短。本文所采集單張紗線圖像對應紗線長度為14.0 mm，基紗徑向約占像素點行數為20～30。所對應紗線運行速度為3 276 mm/min，圖像采集頻率為3.9 幀/s，單張圖像曝光時間為500 μs。

3.2.2 段彩竹節紗結構參數算法

本文根據段彩竹節紗的外觀特征，即段彩竹節中飾紗顏色與基紗顏色存在明顯區別，飾紗與基紗在圖像中具有不同的灰度值，選取像素點灰度值作為分類參數。通過識別圖像中是否存在飾紗纖維來判斷圖像中紗線為段彩竹節還是基紗片段，鑒于段彩竹節中飾紗纖維數量由中間位置向兩端逐漸減少，段彩竹節兩端的圖像中飾紗纖維識別難度較高，本文選取像素點分類閾值所用圖像為段彩竹節端部圖像，如圖7(a)所示。采用人工對比不同灰度閾值對紗線中飾紗和基紗的分類效果，選定合適的灰度值作為測量閾值，本文選定灰度分割閾值為100(0～255)，將原紗圖像處理為二值化圖像，如圖7(b)所示。由于紗線結構、毛羽和纖維光學特性的原因，閾值分割后的二值圖像中存在一些被誤判為飾紗的小面積噪點。為避免這些小面積噪點對識別結果的影響，需再對二值化圖像進行去噪處理，去除圖像中小面積連通區域。本文選定小面積連通區域像素點數為50，效果如圖7(c)所示。

圖7 紗線圖像處理效果比對Fig.7 Comparison of processing effect of yarn image.(a)Original yarn drawing；(b)Binary image；(c)Binary image of removing small area noise

基于上述原理，通過判斷序列圖像屬于基紗片段或段彩竹節片段，并進行累加記長，便可得到初步的段彩竹節和基紗長度及其在紗線上的分布次序。因為段彩竹節頭、尾端圖像中可能同時包含段彩竹節和基紗片段，此時整張圖像會被歸類為段彩竹節片段而影響測量準確性，所以，針對段彩竹節頭、尾端圖像需做進一步處理。首先，尋找與基紗相鄰的頭、尾端段彩竹節圖像；然后，從其去除小面積噪點區域后的二值化圖像中基紗一側對整張圖像逐列判斷，直到出現飾紗纖維的1列停止，則以該列將圖像細分為基紗部分和段彩竹節部分，并換算為相應的長度，分別計入基紗長度和段彩竹節長度，進而實現對頭、尾端段彩竹節長度的精準測量。

本文段彩竹節紗結構參數測試條件：紗線運行速度為3 276 mm/min，圖像采集頻率為3.9 幀/s，單張圖像對應紗線長度為14.0 mm，圖像曝光時間為500 μs。每個品種紗線測試長度為200 m。

4 實驗結果與分析

4.1 2種紡紗方法的段彩竹節長度對比

段彩竹節紗中段彩竹節長度和分布是其最主要的指標。受牽伸過程中纖維束內浮游纖維的影響，在機器參數恒定的情況下，所紡紗線的段彩竹節長度仍存在一定的偏差和波動，這就使得衡量段彩竹節紗的首要指標為段彩竹節的長度精度及其波動范圍。對比本文所采用的單區牽伸兩通道環錠紡裝置和現有雙區牽伸環錠紡裝置紡制段彩竹節紗，段彩竹節長度測試結果見表1。可以看出，所紡制的段彩竹節紗其段彩竹節長度偏離機器設定值較小，同時波動范圍也小。對于20 mm短片段的段彩竹節，單區牽伸兩通道環錠紡段彩竹節紗的長度變異系數為16.3%，小于雙區牽伸的30.5%；對于80 mm中長片段的段彩竹節，單區牽伸所紡紗線的段彩竹節長度變異系數為6.2%，也小于雙區牽伸的10.1%。段彩竹節長度偏離設定長度越大，說明相同喂入量的飾紗纖維會分散到更長的區間內，這必然導致段彩竹節倍率的不足，進而使得竹節形態不夠飽滿；段彩竹節長度波動范圍大，反映出所采用的紡紗裝置對段彩竹節長度的精準度調控能力較弱。由2種段彩竹節紗織制的緯編針織物如圖8所示。圖中紗線的段彩竹節設計長度均為20 mm，段彩竹節倍率為2，用HC21K型16G單路緯編圓機織制成緯平針織物，線圈長度為0.6 mm，橫密為49縱行/(5 cm)，縱密為80橫列/(5 cm)。顯然單牽伸區兩通道環錠紡裝置在紡制段彩竹節紗方面具有更高的調控精度。

表1 2種紡紗方式段彩竹節紗的段彩竹節長度Tab.1 Section color slub length of two spinning ways

圖8 段彩竹節紗緯編針織物Fig.8 Weft knitted fabric of section color slub yarn.(a)Traditional double-zone drafting；(b)Two-channel ring spinning with single-zone drafting

4.2 2種紡紗方法的段彩竹節倍率對比

段彩竹節紗的段彩竹節倍率也是該紗線的重要指標。從段彩竹節的成形原理分析可知，由于纖維在粗紗中均勻隨機分布，牽伸斷裂的頭、尾端呈楔形，這種形態的粗紗片段經過牽伸，在細紗中仍然呈紡錘狀形態(見圖1(b))。通常，理論設計的段彩竹節倍率是通過控制飾紗的牽伸倍數來實現的，這種方法只能從理論上使段彩竹節的最粗段達到設計的段彩竹節倍率，并未從嚴格意義上考慮段彩竹節形態，也未考慮纖維長度對飾紗喂入長度的影響。

本文以段彩竹節實測平均長度為基礎，通過測得的飾紗平均喂入長度結合粗紗定量換算成飾紗喂入纖維質量，再由飾紗喂入纖維質量與段彩竹節平均長度計算出段彩竹節平均倍率，結果見表2。可以看出，在設定段彩竹節倍率不變(等于2)的情況下，隨著所紡段彩竹節長度的增大，實際段彩竹節倍率越接近設定倍率。這是由于所紡段彩竹節長度越長，其喂入片段中頭、尾端楔形片段對總體段彩竹節的影響比例越小。同時，對比 2種不同紡紗裝置所紡段彩竹節紗的平均倍率可知，單區牽伸兩通道環錠紡紗裝置所紡紗線的段彩竹節倍率更接近設定倍率，這是由于單牽伸區對飾紗牽伸過程的控制精度高，實際段彩竹節長度短，喂入相同飾紗量時對應的段彩竹節倍率大。而較大的段彩竹節倍率能使段彩竹節在后道織物上顯示出更明顯的段彩和竹節效應。

表2 不同段彩竹節長度段彩竹節紗的段彩竹節倍率Tab.2 Section color slub yarn of different slub lengths and related machine operation parameters

5 結 論

本文通過分析單區牽伸兩通道環錠紡紗裝置與傳統雙區牽伸環錠紡裝置紡制的2種段彩竹節紗的成紗原理和實驗結果，得出以下主要結論：

1)基于后端握持的纖維須條起、停喂入形式的單區牽伸兩通道環錠紡裝置紡制段彩竹節紗，優于基于粗紗拉伸斷裂形式的雙區牽伸環錠紡裝置紡制段彩竹節紗。單區牽伸兩通道環錠紡從原理上減小了飾紗喂入片段與后續粗紗的分離點波動，改善了飾紗片段尾端纖維控制力弱的狀況，減小了段彩竹節長度波動幅度，提升了段彩竹節長度和倍率的準確性。其中20 mm短片段的段彩竹節長度變異系數由30.5%降低至16.3%；80 mm中長片段的段彩竹節長度變異系數由10.1%降低至6.2%。

2)單區牽伸兩通道環錠紡裝置中，基紗與飾紗具有獨立的牽伸通道，飾紗牽伸倍數不受基紗牽伸倍數的約束，在粗紗定量確定的條件下，能夠靈活調整飾紗牽伸倍數，紡制不同段彩竹節倍率的紗線。

3)單區牽伸兩通道環錠紡裝置具有等價而獨立的2個牽伸通道，飾紗與基紗能夠在線互換，豐富了紗線外觀效果，拓展了紗線品類。

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