簇絨地毯停機(jī)痕跡機(jī)理及控制方法的研究

徐 洋 孫志軍 孟 婥 吳海濤 朱姿娜

東華大學(xué)，上海，201620

0 引言

自19世紀(jì)40年代以來，簇絨地毯以其豐富的品種迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)［1－2］。簇絨地毯質(zhì)量等級(jí)的評(píng)定有很多嚴(yán)格的要求，若地毯稍有瑕疵，等級(jí)就會(huì)降低，甚至成為廢品。其中，停機(jī)痕跡是影響簇絨地毯外觀質(zhì)量等級(jí)的重要因素。由于在地毯織造過程中，存在補(bǔ)接斷線、補(bǔ)毯等重要工序，因此不可避免地存在停機(jī)的狀況。在簇絨機(jī)停機(jī)和再次啟動(dòng)的過程中，原有紗線會(huì)處于非正常工作狀態(tài)，使得新織出的毯面部分絨圈與原有絨圈存在不均勻的現(xiàn)象，產(chǎn)生停機(jī)痕跡。

本文以DHGN801D－200型簇絨機(jī)為分析對(duì)象，研究了簇絨地毯停機(jī)痕跡形成原因，提出了合理解決停機(jī)痕跡的方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 簇絨裝備系統(tǒng)組成及紗線路徑

地毯簇絨裝備系統(tǒng)主要由進(jìn)布部件、出毯部件、平圈送紗部件、提花部件、卷毯部件、刺針傳動(dòng)部件、成圈鉤部件、機(jī)架部件等組成。圖1所示為地毯簇絨裝備示意圖。

紗線首先從紗架上的紗筒出發(fā)，經(jīng)過穿紗管、頂穿紗板后，到達(dá)分線架，隨后紗線分別進(jìn)入平圈送紗系統(tǒng)和提花系統(tǒng)。經(jīng)過提花路徑的紗線，通過導(dǎo)紗器1進(jìn)入提花部件，穿過導(dǎo)紗器2、集紗箱、恒張力導(dǎo)紗羅拉以及三層導(dǎo)紗器3～5后，最終到達(dá)簇絨針。在主軸系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的針、鉤以及進(jìn)布、出毯羅拉的精確配合下，絨紗被刺入地毯底布，在底布上形成絨圈。

2 絨紗路徑與伸縮量關(guān)系分析

在簇絨地毯織造的過程中，隨著簇絨針與毯面位置的變化，絨紗的路徑和其伸縮量也發(fā)生變化。圖2所示為簇絨針與底布位置的紗線路徑示意圖。

圖2中，A表示恒張力導(dǎo)紗羅拉，B為固定導(dǎo)紗器，C和D為隨簇絨針針排運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)紗器，間距不變，Nd為成圈鉤，ln為針腳距離，l1為固定導(dǎo)紗器B與C的距離，l2為導(dǎo)紗器D與簇絨針中心線間的距離，E為簇絨針孔在簇絨針織毯過程中上升的最高點(diǎn)位置，F(xiàn)為簇絨針孔在簇絨針織毯過程中下降的最低點(diǎn)位置，E′為簇絨針剛進(jìn)入底布的接觸點(diǎn)的位置，C′、D′和C″、D″分別為簇絨針下降至與底布相接觸的點(diǎn)位以及最低點(diǎn)的導(dǎo)紗器C與D的位置，α為簇絨針在底布上的最高位置E和導(dǎo)紗器D之間的線段lDE與水平線之間的夾角，Δα′為簇針向下運(yùn)動(dòng)引起lDE角變化量，β為固定導(dǎo)紗器B與可移動(dòng)導(dǎo)紗器C之間的線段lBC與水平線之間的夾角，Δβ′為簇針向下運(yùn)動(dòng)至與底布接觸點(diǎn)位置引起β角的變化量，Δβ″為簇針向下運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)位置引起β角的變化量。

圖1 地毯簇絨裝備系統(tǒng)組成圖

圖2 簇絨針與底布位置的紗線路徑示意圖

H1為簇絨針孔中心至針尖的距離，H2為簇絨針針尖至底布的距離，H3為地毯成圈高度，H4為地毯成圈高度H3與成圈后回彈量的和，因此，簇絨針的總動(dòng)程H＝H1＋H2＋H4。

簇絨針織毯的過程是：首先，簇絨針向下運(yùn)動(dòng)，至最低點(diǎn)時(shí)，底布下方的成圈鉤緊靠著簇針向前運(yùn)動(dòng)鉤住紗線；當(dāng)簇絨針向上運(yùn)動(dòng)退出底布時(shí)，成圈鉤鉤住紗線，在底布下方形成絨圈；當(dāng)簇針再次向下運(yùn)動(dòng)之前，成圈鉤向后運(yùn)動(dòng)退出已形成的絨圈，紗線回彈，這時(shí)地毯毯面上成圈結(jié)束。

下面針對(duì)簇絨地毯的成圈過程，分情況地對(duì)絨紗的路徑進(jìn)行研究。

（1）簇絨針刺入底布成圈前路徑分析。根據(jù)圖2，當(dāng)簇絨針在最高位E時(shí)，紗線的路徑長度為

當(dāng)簇絨針下降至毯面位置E′時(shí)，紗線的路徑長度為

由于C和D為隨簇絨針針排運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)紗器，因此可知，lCD＝lC′D′，lDE＝lD′E′。當(dāng)紗線路徑由L1變?yōu)長2，引起的紗線變化量Δs1為

（2）簇絨針刺入底布成圈后路徑分析。當(dāng)簇絨針穿過毯面由E′下降至最低點(diǎn)F位置時(shí)，成圈鉤勾住紗線。這時(shí)，成圈后的紗線路徑長度L3為

其中，lC′D′＝lC″D″。由于導(dǎo)紗羅拉A 每時(shí)每刻送出紗線，單位時(shí)間內(nèi)的送紗量2（H3＋d）＋ln剛好等于地毯成圈所需紗量。因此，紗線路徑變化引起的紗線變化量只存在于在底布上，則式（4）中的2（H3＋d）＋ln不予考慮。

比較L3與L1可知，當(dāng)簇絨針由毯面位置E′下降至最低點(diǎn)F位置成圈后，紗線的路徑變化量Δs2為

實(shí)測(cè)地毯簇絨機(jī)數(shù)據(jù)，可得α≈31°，β≈13.1°。因此，通過對(duì)簇絨針入底布前后的路徑分析，可繪出圖3所示的簇絨針運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)紗線的伸縮量圖。

圖3 運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)底布上紗線路徑的變化量

主軸旋轉(zhuǎn)一周，簇絨針即可完成一次成圈過程。分析圖3可以得知：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)角θ＝143°時(shí)，簇絨針處于最高位置，紗線路徑長度變化量為0；當(dāng)簇絨針由最高位置下降至毯面時(shí)，主軸轉(zhuǎn)角θ＝205°，紗線路徑變長，紗線變化量為2.32mm；當(dāng)簇絨針由毯面位置下降至最低點(diǎn)位置成圈后，主軸轉(zhuǎn)角θ＝327°，毯面上紗線路徑變化量數(shù)值為0.84mm。因此，簇絨針從最高位置開始，紗線路徑始終大于初始值。當(dāng)紗線路徑達(dá)到最長時(shí)，紗線張力達(dá)到最大；當(dāng)紗線路徑相對(duì)減小時(shí)，紗線松弛，張力變小。在不同的運(yùn)行狀態(tài)，紗線張力也時(shí)刻發(fā)生變化。

3 簇絨地毯紗線力學(xué)特性

由于紗線是一種黏彈性體，纖維兼具彈性固體和黏性流體的變形特征。因此，在一定的負(fù)荷作用下，變形隨時(shí)間而逐漸增大，具有時(shí)間效應(yīng)或時(shí)間依賴性［3］。如果在紗線受力的階段突然停機(jī)，紗線的蠕變特性即會(huì)導(dǎo)致停機(jī)痕跡的形成。

3.1 線性黏彈性力學(xué)模型建立

圖4 紗線四元件模型示意圖

在一般情況下，紗線除了急彈性變形和緩彈性變形外，還會(huì)因分子鏈段間相互滑移產(chǎn)生不可回復(fù)的塑性變形。因此，采用四元件模型描述纖維在小變形條件下的黏彈性力學(xué)性能。四元件模型的示意圖如圖4所示。圖中，σ1為虎克彈簧E2的應(yīng)力，σ2為伏歐脫模型η2的應(yīng)力，σ為牛頓黏壺η3的應(yīng)力。四元件模型的變形ε由虎克彈簧E1的變形ε1、伏歐脫模型E2和η2的變形ε2以及一個(gè)牛頓黏壺η3的變形ε3組成［4-5］。

根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，可得到該模型的本構(gòu)關(guān)系式為

將式（6）進(jìn)行變換，可得

當(dāng)在恒定應(yīng)力作用下，即σ＝σc＝常數(shù)時(shí)，式（7）變?yōu)?/p>

解上述微分方程式，根據(jù)初始條件，即t＝0、

從式（9）可以得知，在恒定應(yīng)力作用下，紗線變形由三個(gè)部分組成，其中緩彈性和塑性變形隨著時(shí)間增加而增大，塑性變形σct／η3是不可回復(fù)的。

3.2 蠕變實(shí)驗(yàn)及分析

為了分析簇絨地毯常用紗線丙綸的蠕變特性，采用AGS－500ND島津萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)丙綸進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)施加恒定力為50cN時(shí)，可得如圖5所示的丙綸隨時(shí)間變化的蠕變曲線。

圖5 模型的蠕變曲線

分析圖5可知，丙綸紗線在變形時(shí)存在著明顯的急彈性變形、緩彈性變形、塑性變形三個(gè)階段。隨著時(shí)間的增加，紗線的蠕變逐漸加大，丙綸對(duì)張力的變化明顯。因此，采用丙綸進(jìn)行地毯織造時(shí)，可以產(chǎn)生停機(jī)痕跡，并在一段時(shí)間內(nèi)逐漸影響絨圈圈高。

4 織毯過程中紗線的受力分析

根據(jù)簇絨針運(yùn)行位置，下面對(duì)簇絨針刺入底布前后的過程，分階段地對(duì)紗線所受張力進(jìn)行分析。具體可分以下幾個(gè)典型階段：

（1）成圈前半程，簇絨針在底布上面，紗線受到拉力T1，運(yùn)動(dòng)范圍在線段h1之間，即簇絨針孔在底布上的最高位置至簇絨針剛進(jìn)入底布的接觸點(diǎn)的位置，如圖6a所示。

（2）成圈前半程，簇絨針從與底布的接觸點(diǎn)起始繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，在底布下運(yùn)行未達(dá)下止點(diǎn)時(shí)鉤未起作用，紗線受到拉力T2，如圖6b所示。運(yùn)動(dòng)范圍在線段h2之間，即簇絨針剛進(jìn)入的位置至送紗量小于等于圈高的位置。

（3）成圈前半程，簇絨針在底布下面，從送紗量等于圈高的位置至下止點(diǎn)的過程中，鉤未起作用，運(yùn)動(dòng)范圍在線段h3之間，紗線受到拉力T3，如圖6c所示。這時(shí)，忽略繼續(xù)送紗的長度，認(rèn)為h3為線段h2受拉獲得。

（4）成圈后半程，簇絨針在底布下面，鉤起作用，針剛好停在圈高與回彈量紗線和的位置，紗線受到拉力T4，如圖6d所示。這時(shí)，T4為包括紗線上一階段的拉力T3以及鉤的作用力的合力。

（5）成圈后半程，鉤剛好脫離紗線，簇絨針在毯面上的最高點(diǎn)位置。這時(shí)，紗線路徑最小，且由于送紗量依舊保持不變，因此紗線松弛，這時(shí)不受任何張力作用。

圖6 紗線路徑與張力變化分析圖

從上述的分析可知，在圖6所示的幾個(gè)階段紗線都受到張力的作用，只有在簇絨針在毯面上最高點(diǎn)位置的時(shí)候，紗線不受任何張力。這時(shí)，簇絨機(jī)進(jìn)行停機(jī)操作和再次啟動(dòng)，將不會(huì)產(chǎn)生停機(jī)痕跡。

5 高位停機(jī)控制方法研究

根據(jù)圖5以及上述分析結(jié)論，可知當(dāng)主軸轉(zhuǎn)角θ＝143°時(shí)，進(jìn)行高位停機(jī)操作，簇絨地毯無停機(jī)痕跡。因此，對(duì)圖7所示的DHGN801D－200型簇絨機(jī)停機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)——實(shí)現(xiàn)高位自動(dòng)停機(jī)。

圖7 DHGN801D－200型簇絨機(jī)

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)到143°時(shí)，將信號(hào)施加到主軸電機(jī)上，即由計(jì)算機(jī)發(fā)出停機(jī)指令，產(chǎn)生控制信號(hào)，加載到主軸位置閉環(huán)系統(tǒng)上。由安裝在主軸高位停機(jī)轉(zhuǎn)角初始點(diǎn)的高精編碼器測(cè)量主軸輸出轉(zhuǎn)角，由主軸閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制，當(dāng)達(dá)到143°時(shí)，主軸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)高位停機(jī)。

采用上述高位停機(jī)原理，進(jìn)行簇絨地毯織毯實(shí)驗(yàn)，可得到如圖8所示的地毯樣品圖片。其中，地毯高圈絨高為5mm，低圈絨高為3mm。在非高位停機(jī)時(shí)進(jìn)行實(shí)測(cè)，可得停機(jī)半小時(shí)的紗線蠕變量為0.25mm。

圖8 高位停機(jī)實(shí)驗(yàn)地毯圖片

分析圖8可以看出，和非高位停機(jī)相比，采用高位停機(jī)方法織造的地毯圖樣沒有停機(jī)痕跡。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明了高位停機(jī)消除停機(jī)痕跡的方法是有效和可行的。

6 結(jié)論

（1）在簇絨針運(yùn)動(dòng)過程中，紗線路徑以及張力隨簇絨針位置交替變化。在不同的停機(jī)位置，由于紗線張力變化所引起的紗線蠕變量不同，因而導(dǎo)致停機(jī)痕跡。

（2）停機(jī)位置不當(dāng)可以產(chǎn)生停機(jī)痕跡。在不同的位置停機(jī)，紗線張力不同。紗線具有蠕變特性，在一段時(shí)間內(nèi)逐漸影響絨圈圈高。

（3）在簇絨針運(yùn)動(dòng)至最高位時(shí)，停機(jī)進(jìn)行運(yùn)作，不會(huì)產(chǎn)生停機(jī)痕跡。這也滿足了實(shí)際的生產(chǎn)需要，便于進(jìn)行更換紗線、補(bǔ)毯等操作。

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