聚纖紡牽伸系統(tǒng)的研究與實踐

程登木

(湖北聚纖紡科技有限公司，湖北 武漢 430062)

環(huán)錠紡細紗機上采用雙膠圈彈性鉗口牽伸系統(tǒng)［1］有100多年的歷史，由于膠圈與紡紗材料之間具有較好的靜、動摩擦因數(shù)，使纖維束在牽伸過程中獲得較合理的握持和滑動，不會產(chǎn)生失控和死控，是解決纖維變速點“前移”問題較好的技術方案?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)環(huán)錠紡、緊密紡［2－3］(包括立達公司的空心羅拉式、緒森公司的三羅拉式和豐田公司的四羅拉式)盡管各自集聚部分結構不同，但牽伸原理是相同的，雙膠圈彈性鉗口之所以能長時間一直被大家采用主要是基于此點。

在實際使用中，雙膠圈彈性鉗口上下膠圈之間的速度差會在牽伸過程中帶來許多問題:1)對纖維束須條形成搓揉;2)會造成牽伸過程中摩擦力界的不穩(wěn)定，從而引起成紗質量波動;3)產(chǎn)生靜電。

綜上所述，如何獲得一個更加合理的牽伸系統(tǒng)，是環(huán)錠紡紡紗系統(tǒng)需要著力解決的問題。本文從負壓集聚、穩(wěn)定握持和梯次牽伸3個方面介紹了聚纖紡牽伸系統(tǒng)，并與其他牽伸形式進行了對比實驗，認為采用聚纖紡牽伸系統(tǒng)紡制的紗線具有更好的成紗質量，該牽伸技術具有產(chǎn)業(yè)化推廣價值。

1 聚纖紡牽伸系統(tǒng)

聚纖紡(condensed spinning) 牽伸系統(tǒng)［4－5］是一種新型紡紗牽伸系統(tǒng)。它的牽伸原理與現(xiàn)有的環(huán)錠紡牽伸系統(tǒng)有較大區(qū)別，圖1示出其牽伸原理。聚纖紡牽伸系統(tǒng)具有負壓集聚、穩(wěn)定握持和梯次牽伸的特點，主要包括負壓吸風系統(tǒng)、異型負壓管、控制棒、網(wǎng)格圈等。

圖1 聚纖紡牽伸系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of condensed spinning drafting system

1.1 負壓機構

負壓機構由負壓吸風系統(tǒng)、負壓異型管和網(wǎng)格圈組成。

1.1.1 負壓集束機制

氣體動力學認為，一束運動氣流在垂直于運動方向的壓強存在壓強梯度。為便于研究，將在負壓區(qū)域內的纖維束橫截面周圍的壓強梯度簡化，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格圈上纖維束截面壓強示意圖Fig.2 Schematic diagram of pressure on fiber bundle cross section

由圖2可知，在負壓管的吸風槽上方，網(wǎng)格圈托持纖維束向前運動，大氣壓強P0均勻地分布在纖維束表面。在纖維束內部存在灰度所示的壓強梯度。對長度為dl的一段等灰度的纖維束薄層進行受力分析可知:

由P(r)的單調性可知

式中:r為吸風槽上方集束流場的半徑;P(r)為壓強;F(r)為纖維束薄層所受合力。式(2)表明聚纖紡牽伸系統(tǒng)獲得了特有的集束纖維的功能。

1.1.2 負壓機構的作用

主牽伸區(qū)以控制棒為界各有1個集束流場(見圖1):中鉗口到控制棒之間為后集束流場，此時纖維束剛進入主牽伸區(qū)，集束氣流及時對纖維束的邊纖維進行有效的集聚，形成聚纖紡特有的先集聚、后牽伸特點;控制棒到前鉗口之間為前集束流場。纖維束在變成快速纖維的同時受到集束氣流連續(xù)不斷地撞擊而集聚，完成聚纖紡特有的邊牽伸、邊集聚過程。

粗紗條進入牽伸區(qū)后，受負壓管吸風槽作用，使纖維集聚在網(wǎng)格圈的表面相互抱合，并隨網(wǎng)格圈向前運動。集束流場使負壓區(qū)域內的集束氣流對纖維進行集束，此時的壓差將直接成為此段纖維束牽伸過程中摩擦力界環(huán)境構成的一部分。

1.2 穩(wěn)定握持

由圖1所示的穩(wěn)定握持區(qū)域可知，此時網(wǎng)格圈與控制棒下壓的凸出部分緊密接觸。使網(wǎng)格圈與控制棒之間的纖維受到穩(wěn)定、持續(xù)的穩(wěn)定控制。

1.2.1 穩(wěn)定握持機制

圖3為穩(wěn)定握持原理示意圖。網(wǎng)格圈托持著纖維束運動，設控制棒的半徑為R，網(wǎng)格圈兩頭的張力均為T。

圖3 穩(wěn)定握持原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of stable grip principle

在由△θ決定的一小段圓弧上，其正壓力和網(wǎng)格圈的張力在豎直方向的受力平衡關系為

考慮到N=△θ×R×α(式中 α為壓強的線密度)，在曲面某一小段圓弧上△θ→0，sinθ→△θ，在此曲面上的網(wǎng)格圈的Tleft=Tright=T。

在平衡條件Fy=0時，式(3)為

將Tleft=Tright=T和N=△θ×R×α代入式(4)有

式(5)簡化為

1.2.2 穩(wěn)定握持產(chǎn)生的摩擦力界

式(6)中壓強的線密度α=T/R，說明穩(wěn)定握持區(qū)域產(chǎn)生的摩擦力界大小僅與穩(wěn)定握持區(qū)域的曲率半徑和網(wǎng)格圈的張力有關，所以聚纖紡的穩(wěn)定握持區(qū)能夠提供一段較長且穩(wěn)定的摩擦力界。

1.2.3 穩(wěn)定握持的作用

聚纖紡牽伸系統(tǒng)的這種穩(wěn)定握持能得到一個比雙膠圈結構平穩(wěn)得多的摩擦力界分布，如圖4所示。

圖4 摩擦力界分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of friction sector distribution

1.3 梯次牽伸機制及受力分析

梯次牽伸區(qū)域由控制棒前鼻和前鉗口組成(見圖1)。此時纖維束在網(wǎng)格圈的托持下從前集束流場區(qū)域輸出，進入梯次牽伸區(qū)域。梯次牽伸設計使縱向摩擦力界向浮游區(qū)擴展，同時此處的摩擦力界得到適當?shù)脑鰪姡欣谔岣叱杉嗁|量。

圖5為梯次牽伸示意圖。圖中的半圓表示控制棒前鼻，下面灰黑條表示微分后的纖維束。

圖5 梯次牽伸示意圖Fig.5 Schematic diagram of echelon drafting

1.3.1 控制棒前鼻徑向纖維束的受力分析

將纖維束按線與其運動垂直的方向(徑向)微分，每層紗線的受力分析如圖6所示(由于摩擦力對徑向沒有影響，故不考慮)。

圖6 梯次牽伸第i層纖維徑向受力分析Fig.6 Radial force analysis of i th layer fiber in echelon drafting

設第i層纖維束所受外層纖維束的壓力為Fi，P，內層纖維束的支持力為Fi，N，向左的引導力為Ti，left，向右的控制力為Ti，right。

由作用力與反作用力的關系有

在徑向滿足關系:

考慮到Ti，left，Ti，right＞0，有:

由式(7)與式(9)的關系歸納可得:

1.3.2 垂直于徑向的紗線受力分析

圖7為控制棒前鼻直徑切向纖維束的受力分析圖。

圖7 梯次牽伸第i層纖維切向受力分析Fig.7 Tangential force analysis of i th layer fiber in echelon drafting

由圖可知，同層纖維束需要克服摩擦力f發(fā)生滑移的條件為

在極端條件下

當fi，N+fi，P=fi，max時，本層發(fā)生滑移。對第i層纖維束而言i層纖維束fi，max= μ(Fi，N+F i，P)，已經(jīng)證明了式(10)和式(11)，所以

由式(14)可知，越靠近內層的纖維束需要的引導力越大，才能使得其發(fā)生相對滑動。圖8直觀地示出這種牽伸方式與普通牽伸方式的區(qū)別。

圖8 不同牽伸后紗線狀態(tài)Fig.8 Yarn status after different drafting forms.(a)Undrawn;(b)Ordinary drafting;(c)Echelon drafting

2 成紗質量測試

為探討聚纖紡的成紗質量，在浙江、山東、湖北等棉紡企業(yè)進行了系統(tǒng)的生產(chǎn)實驗。本文的實驗數(shù)據(jù)有的為正式產(chǎn)品測試結果，有的為在相同原料、紡紗品種及前紡工藝條件下進行的聚纖紡與傳統(tǒng)環(huán)錠紡對比實驗。

在湖北某廠紡制線密度為 14.8 tex的精梳棉紗。原料為3.5級細絨棉，主體長度為28.4 mm，線密度為1.82 dtex，采用聚纖紡設備的成紗質量見表1。表中還列出了 GB/T 398—2008《棉本色紗線》和Uster 2007公報25%水平的相關指標。在相同工藝條件下與普通環(huán)錠紡紗質量對比實驗結果見表2。在相同工藝條件下與普通環(huán)錠紡、緊密紡成紗毛羽情況對比實驗結果見表3。采用陜西長嶺紡織機電科技有限公司的YG172紗線毛羽測試儀測試。

表1 湖北省紡織產(chǎn)品檢測中心檢測報告CJ 14.8Tab.1 Report of Hubei Textile Products Inspection Center

表2 聚纖紡與普通環(huán)錠紡成紗質量對比Tab.2 Quality com parison of yarns by condensed spinning and ordinary ring spinning

表3 聚纖紡與普通環(huán)錠紡、緊密紡的成紗毛羽對比Tab.3 Hairiness com parison of yarns by condensed spinning，ordinary ring spinning and com pact spinning

由表1、2數(shù)據(jù)可知:采用聚纖紡設備紡制的精梳棉紗的質量可以達到Uster 2007公報25%的水平，部分指標遠超國標優(yōu)等品標準;與普通環(huán)錠紡紗相比，其紗線條干均勻度大幅提高，單紗斷裂強度有所提高，單紗斷裂強力 CV值下降明顯，－50%細節(jié)、+50%粗節(jié)明顯減少，但+200%棉結變化不明顯;聚纖紡紗的1 mm及以上毛羽數(shù)下降了6.6%，2 mm及以上毛羽數(shù)下降19.8%，3 mm及以上有害毛羽數(shù)降低了29.4%，聚纖紡成紗的綜合質量優(yōu)于普通環(huán)錠紡成紗。

紗線毛羽指數(shù)CV值高將會給織物的外觀帶來負面影響。由表3數(shù)據(jù)可知，聚纖紡紗線的毛羽指數(shù)CV值雖然比緊密紡紗高，但比普通環(huán)錠紡紗的低，尤其是3 mm及其以上有害毛羽的CV值降幅較大。

為了探討聚纖紡牽伸系統(tǒng)在半精紡工藝［6］的適用性，在山東某廠分別采用聚纖紡和普通環(huán)錠紡紡制了15.4 tex棉 /絹絲 /天絲(55/25/20)、11 tex絹絲 /棉(80/20)、14.76 tex 棉/絹絲/山羊絨(60/30/10)半精紡紗線(分別用 1#、2#、3#表示)，質量對比情況見表4。

表4 聚纖紡與普通環(huán)錠紡半精紡紗質量對比Tab.4 Quality com parison of sem i-w orsted yarns by condensed spinning and ordinary ring spinning

由表4數(shù)據(jù)可知，采用聚纖紡牽伸技術紡制半精紡紗線取得了更好的效果。聚纖紡紗線的條干CV值及外觀疵點比普通環(huán)錠紡紗有大幅改善，尤其是+200%棉結數(shù)下降幅度較大。由于生產(chǎn)的品種還不夠豐富，對于聚纖紡在半精紡紡紗系統(tǒng)的應用效果還不能給出最終定論，但依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)可以認為，聚纖紡技術為半精紡紗線加工開辟了一個新方向。

3 結束語

針對傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗機雙膠圈彈性鉗口牽伸系統(tǒng)的缺陷，介紹了自主研發(fā)的聚纖紡牽伸系統(tǒng)，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)紡紗牽伸系統(tǒng)的較大改進。該牽伸系統(tǒng)具有負壓集聚、穩(wěn)定握持和梯次牽伸的特點，形成了聚纖紡特有的先集聚、后牽伸、邊牽伸、邊集聚牽伸過程。

通過在多個企業(yè)進行實際生產(chǎn)及對比實驗證明，采用聚纖紡設備紡制的精梳棉紗的質量可以達到Uster 2007公報25%的水平，部分指標遠超國標優(yōu)等品標準，與普通環(huán)錠紡紗相比，其紗線條干均勻度大幅提高，單紗斷裂強度有所提高，單紗斷裂強力CV值下降明顯，－50%細節(jié)數(shù)、+50%粗節(jié)數(shù)明顯減少，有害毛羽少，毛羽結構比較合理，有益的短毛羽與環(huán)錠紡成紗接近，但與緊密紡成紗相比還有較大差距?？傮w上說，聚纖紡成紗的綜合質量優(yōu)于普通環(huán)錠紡成紗。采用聚纖紡牽伸技術紡制半精紡紗線其成紗質量比普通環(huán)錠紡有較大提高，尤其是+200%棉結數(shù)下降幅度較大。聚纖紡不僅可以在新型細紗機上配套使用，也可以用于舊機改造，具有較好的應用前景。

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