經(jīng)編紗線張力補償裝置的工作機(jī)制

孫 帥， 繆旭紅， 張靈婕， 胡 瑜

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

在實際生產(chǎn)中，如何把控經(jīng)紗張力，使其處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)，是紡織領(lǐng)域研究人員一直關(guān)注的課題[1]。早在20世紀(jì)80—90年代，宗平生[2]分析了消極式或半積極式送經(jīng)裝置不能適用于高速生產(chǎn)的局限性，并指出使用電子式送經(jīng)解決紗線張力波動幅度不穩(wěn)定的必要性；徐雷麟等[3]對補償裝置建立力學(xué)模型，分析了補償系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，為補償裝置的改進(jìn)奠定了理論基礎(chǔ)；近年來，文獻(xiàn)[4-6]在機(jī)械式經(jīng)編機(jī)上通過改變送經(jīng)變換齒輪研究紗線張力與送經(jīng)量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，紗線送經(jīng)量越大，紗線張力越?。籑ikolajczyk等[7]建立了送紗的數(shù)學(xué)模型，認(rèn)為紗線與張力桿基本垂直時，經(jīng)紗張力最大值相對較?。晃墨I(xiàn)[8-9]通過模擬織造過程中的紗線張力，研究了喂紗角度對紗線張力的影響。目前，已有研究人員從送經(jīng)、喂紗角度等方面考慮減少紗線張力，而對于改變張力補償裝置的補償性能來獲得穩(wěn)定的紗線張力的研究較少，且較多地停留在力學(xué)分析方面。為獲得理想的紗線張力波動，本文首先將有無使用張力補償裝置的紗線張力進(jìn)行對比，進(jìn)一步通過改變張力彈簧的規(guī)格及安裝密度，找尋經(jīng)紗動態(tài)張力波動規(guī)律，探究張力補償裝置的補償機(jī)制。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與儀器

實驗原料：83.3 dtex/36 f滌綸低彈絲(海鹽海利環(huán)保纖維有限公司)。

實驗儀器：E28 KS4-EL型經(jīng)編機(jī)(德國卡爾邁耶公司)；TS1-200-A2-CE1型張力儀(德國SCHMIDT公司)；SCM01型四通道聲振分析儀；LMS TEST.Lab配套分析軟件(LMS公司)；鋼尺；輕質(zhì)量桿；一定質(zhì)量的重物；張力彈簧(2.0、2.5、3.0 mm)；手持式電子稱，扎帶若干。

1.2 實驗方法

1.2.1取樣方法

本文主要研究不同張力補償裝置參數(shù)對紗線張力動態(tài)波動規(guī)律的影響。首先取第1把梳櫛中間位置處的1根紗線進(jìn)行不接觸張力桿的動態(tài)張力測試，然后改變張力彈簧的規(guī)格及安裝密度，對使用補償裝置中間位置的1根紗線進(jìn)行動態(tài)張力測試，其中張力彈簧安裝時均采用均勻配置的方式安裝。為保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，以上每種條件下的紗線動態(tài)張力數(shù)據(jù)至少采集3組，且對同根紗線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后計算其平均值。

1.2.2紗線織造張力測試

搭建由TS1-200-A2-CE1型張力儀、SCM01型四通道聲振分析儀、LMS TEST.Lab配套分析軟件組成的張力測試系統(tǒng)，使紗線按照張力儀要求的紗路經(jīng)過導(dǎo)向輪和測試論，張力采集間隔為0.05 s，采集時長為15 s。

1.2.3張力補償裝置彈性系數(shù)測試

為更加全面分析張力補償裝置的補償作用，需要對不同參數(shù)配置下的彈性系數(shù)進(jìn)行測量。本文實驗借助一定質(zhì)量的重物使得張力桿在豎直方向上產(chǎn)生位移，并用鋼尺測量張力桿下降的豎直距離。根據(jù)胡克定律可知，彈性系數(shù)K=F/X。式中：F為張力桿豎直方向受的力，在本文實驗中為重物自身的重力，大小為33.52 N；X為張力桿豎直方向的位移，mm。

此外，考慮到當(dāng)前張力桿為彈性張力桿，在測量張力桿豎直方向的位移時可能會因重物的重力作用發(fā)生變形，對位移的讀取造成較大的誤差，故附加一個剛度較大的輕質(zhì)量桿輔助測量(見圖1)。每組位移測量3組，然后求平均值?？紤]到重物的位置對張力桿下降的距離造成影響，每次測量時確保重物與扎帶固定位置不變。

1—機(jī)架；2—張力彈簧；3—張力桿；4—輕質(zhì)桿；5—重物。圖1 張力桿位移示意圖Fig.1 Tension bar displacement diagram

1.3 測試工藝參數(shù)

織造工藝參數(shù)：機(jī)速為600 r/min，牽拉密度為14橫列/cm，組織結(jié)構(gòu)為GB1：1-0/3-4//，送經(jīng)量為1 570 mm/臘克。本文實驗在E28的KS4-EL經(jīng)編機(jī)上進(jìn)行，通過改變彈簧的規(guī)格及安裝密度進(jìn)行張力測試，彈簧的直徑分別為2.0、2.5、3.0 mm，且均按照11、8、5、3、2個/m的密度進(jìn)行安裝。

2 結(jié)果與討論

2.1 張力補償裝置作用原理

為探究張力補償裝置的補償作用，對不同參數(shù)配置下的紗線動態(tài)張力進(jìn)行測試，得到關(guān)于經(jīng)編機(jī)主軸角度動態(tài)張力曲線，如圖2所示。其中圖2(a)示出同一安裝密度、不同直徑彈簧下的紗線動態(tài)張力曲線，圖2(b)示出同一直徑、不同安裝密度下的紗線動態(tài)張力曲線。

圖2 不同參數(shù)條件下的動態(tài)張力曲線Fig.2 Dynamic tension curves under different parameter conditions. (a) Mounting density of tenstion element 5 number/m; (b) 2.0 mm tension spring

由圖2(a)看出，在織造過程中，紗線張力有4處較大的波動，這與成圈機(jī)件的運動和紗線的延伸量變化規(guī)律有著密切的關(guān)系。結(jié)合表1梳櫛運動[10]與主軸角度可知，在主軸位于0°位置時，槽針與針芯處于最低位置，導(dǎo)紗針處在針背極限位置，并進(jìn)行針背墊紗，沉降片沿機(jī)前牽拉方向挺進(jìn)，此時經(jīng)紗的延伸量開始上升，因而紗線的張力增大，隨后沉降片擺動至最前方(主軸20°附近)，紗線張力出現(xiàn)極大值，形成張力波峰；接著槽針開始上升，針芯仍處在最低點位置，導(dǎo)紗針開始向針前擺動，紗線延伸量減少，當(dāng)導(dǎo)紗針孔位于張力桿上的紗線接觸點與舊線圈之間的連線時(主軸60°附近)，此時紗線延伸量最小，因而紗線張力達(dá)到最小值，形成張力波谷；隨后導(dǎo)紗針進(jìn)行針背橫移運動，紗線延伸量開始增加，紗線張力增加，繼而針背墊紗結(jié)束，又一次形成張力波峰；在主軸120°附近，導(dǎo)紗針繼續(xù)向針前擺動，槽針繼續(xù)上升，針芯開始上升，此時沉降片后退一定距離，以放松握持的舊線圈，紗線延伸量減少，故而在主軸140°附近形成波谷；隨后導(dǎo)紗針擺動至主軸195°附近進(jìn)行針前墊紗，紗線延伸量增大，直至針前墊紗結(jié)束(主軸200°附近)，紗線延伸量達(dá)到最大，故而紗線張力也達(dá)到最大值，形成最大波峰；之后沉降片放松握持的舊線圈，針芯穿過舊線圈，槽針開始下降，導(dǎo)紗針由針前極限位置處向機(jī)前擺動，紗線延伸量得到緩解，直至導(dǎo)紗針孔再次位于紗線在張力桿接觸點與舊線圈的連線上時(主軸220°附近)，紗線張力出現(xiàn)極小值，形成波谷；隨后導(dǎo)紗梳繼續(xù)向針背擺動，直至擺動到針背極限位置處，槽針繼續(xù)下降，墊入紗線，針芯逐漸升出針槽，此時(主軸270 °附近)紗線被再次被拉緊，紗線張力再次出現(xiàn)極大值，形成波峰；之后沉降片向機(jī)后回退，槽針與針芯下降，并由針芯封閉針口，舊線圈沿著針桿向上移動，紗線延伸量下降，紗線張力下降，在主軸320°附近形成波谷，在主軸330°附近槽針與針芯同時下降到沉降片片腹下面進(jìn)行脫圈，隨后進(jìn)行下一個周期[11]的成圈運動。

表1 梳櫛運動與主軸角度Tab.1 Comb and spindle angle

由圖2(a)可知：在張力波峰處，沒有使用張力補償裝置的紗線動態(tài)張力峰值的張力值大，而張力波谷相對較狹窄；相比之下，使用了補償裝置的曲線，張力值相對較小(主要波峰處最明顯)，張力波谷較寬闊。補償裝置之所以起到“削峰補谷”的作用，主要是受其作用原理影響的。在經(jīng)編機(jī)正常工作的過程中，經(jīng)紗張力是很復(fù)雜的，主要由2部分構(gòu)成：一個分量是平均力，受送經(jīng)機(jī)構(gòu)與織造工藝配合的影響，成圈機(jī)件的瞬息變化使得成圈區(qū)域?qū)?jīng)紗的需求量發(fā)生了急劇的變化，而現(xiàn)有的送經(jīng)機(jī)構(gòu)并不能實現(xiàn)同步送出紗線，使得紗線需求量與實際送經(jīng)量之間存在的差異處于不斷變化中[12]；另一分量是波動部分，因成圈機(jī)件的相互運動、張力彈簧的彈性模量及紗線的流變等而產(chǎn)生波動[13]?，F(xiàn)在經(jīng)編機(jī)上基本都采用積極式送經(jīng)，并配合彈性張力桿輔助控制經(jīng)紗張力。紗線張力的波動是不可能消除的[14]，而張力補償裝置的使用改變了紗線從分紗梳到舊線圈之間紗段的必須長度，緩解了成圈機(jī)件瞬時需紗量和送經(jīng)機(jī)構(gòu)送出量之間的差異。當(dāng)紗線消耗量大于喂入量時，張力補償裝置因彈簧發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生下移，減少了導(dǎo)紗針孔道舊線圈之間的距離，有效地緩解了紗線消耗量與喂入量之間的差異，進(jìn)而達(dá)到了降低波峰高度的目的；當(dāng)紗線消耗量小于喂入量時，張力補償裝置因彈簧的彈性回復(fù)性形變而向上運動，將多余的紗線從導(dǎo)紗針孔拉出，增大了導(dǎo)紗針與舊線圈之間的距離，使紗線維持一定的張力，增大了波谷。

2.2 補償裝置彈性系數(shù)測定結(jié)果與評定

為更加全面地分析張力補償裝置的補償機(jī)制，借助紗線張力的最大值、平均值及變異系數(shù)給予綜合評定[15]，具體參數(shù)如表2所示。

張力最大值表征紗線動態(tài)張力波峰的高低，紗線張力平均值反映張力變化的整體水平，由表2所示紗線張力彈性系數(shù)與最大值、平均值的數(shù)據(jù)可知，隨著彈性系數(shù)的增大，紗線張力最大值增大，平均值也呈現(xiàn)增大的趨勢。由于當(dāng)前送經(jīng)系統(tǒng)采用積極式送經(jīng)，單位時間內(nèi)送出的紗線量是一定的，但是由于耗紗量的增大使得紗線意外伸長，紗線張力增大，而彈性系數(shù)的增大使得補償裝置的阻尼效應(yīng)得以加強，張力桿波動的幅度降低，波動頻率增大。

表2 彈性系數(shù)與評定指標(biāo)Tab.2 Elastic coefficient and evaluation indexes

若紗線張力波動過大，紗線瞬時需紗量與喂紗量之間的差異變化不明顯，系統(tǒng)補償性能下降，導(dǎo)致紗線在弱節(jié)處斷紗形成疵點，因此，理想的紗線張力補償系統(tǒng)存在一個適合生產(chǎn)的最大彈性系數(shù)。此外，隨著彈性系數(shù)的減小，紗線張力減小，然而彈性系數(shù)并非越小越好。結(jié)合圖2(b)可知，2.0 mm的張力彈簧在安裝密度為2個/m時，張力較小，紗線張力波動頻率增加，且布面伴隨有漏針現(xiàn)象發(fā)生。這是因為當(dāng)補償裝置的彈性系數(shù)減少時，補償裝置固有頻率降低，上下擺動的幅度增大，不能及時地將多余的紗線從成圈區(qū)域中拉出，導(dǎo)致墊紗困難，嚴(yán)重時布面出現(xiàn)漏針的現(xiàn)象。紗線張力補償與紗線張力波動之間存在一定的滯后時間，滯后時間的長短與張力元件的轉(zhuǎn)動慣量及外力作用頻率等因素有關(guān)[11]。當(dāng)車速提高時，機(jī)器振動頻率增大，外力作用頻率增大，導(dǎo)致紗線張力波動加劇，紗線張力變大。由此可見，理想的紗線張力補償系統(tǒng)同樣存在一個適合生產(chǎn)的最小彈性系數(shù)。綜上所述，當(dāng)彈性系數(shù)處在一個大小合適的范圍時，補償裝置具有最佳補償效果。

此外，由表2數(shù)據(jù)可知：紗線張力在彈性系數(shù)為0～2 N/mm時增長幅度最大；彈性系數(shù)為2～5 N/mm的張力增長幅度次之；彈性系數(shù)為5～22 N/mm的張力增長幅度最小。這是由于隨著彈性系數(shù)的增大，張力彈簧的個數(shù)增加，雖然系統(tǒng)的阻尼效應(yīng)加強；但是與此同時系統(tǒng)的固有頻率得以提高，張力桿上下擺動的頻率增加，單位時間內(nèi)緩解了喂紗量與需紗量之間補償?shù)牟蛔?，因此，在織造過程中，紗線張力呈現(xiàn)不同的增長趨勢。反之，隨著彈性系數(shù)的減少，此時補償裝置阻尼小，系統(tǒng)共振頻率低，張力桿上下擺動幅度增大，擺動次數(shù)減少，不能及時地將多余的紗線從成圈區(qū)域拉出，紗線張力減少。

變異系數(shù)在一定程度上反映了經(jīng)紗動態(tài)張力的波動程度。隨著彈性系數(shù)的增大，其變化趨勢與張力最大值、平均值的變化趨勢相似，因此同樣驗證了以上結(jié)論。

3 結(jié) 論

本文通過變更張力彈簧的規(guī)格及其安裝密度，測量并比較不同參數(shù)配置下紗線動態(tài)張力的差異，得出以下結(jié)論。

1)通過有無使用補償裝置的紗線動態(tài)張力之間的對比發(fā)現(xiàn)：未使用補償裝置的紗線張力在主軸360°內(nèi)存在4處波峰，其中在主軸198°附近有最大波峰；使用了補償裝置的紗線張力在波峰位置處相對較小(其中主波峰位置處最明顯)，波谷較寬闊，說明補償裝置起到了削峰補谷的作用。

2)紗線張力補償系統(tǒng)補償能力的大小與裝置的彈性系數(shù)有著密切的關(guān)系，彈性系數(shù)的大小受到張力彈簧的規(guī)格、安裝密度的影響。當(dāng)彈簧規(guī)格一定時，其安裝密度越大，系統(tǒng)彈性系數(shù)大，紗線張力峰值相對越大，易形成斷紗疵點，系統(tǒng)補償性能下降。彈簧的安裝密度一定時，彈簧直徑越小，系統(tǒng)彈性系數(shù)小，紗線張力峰值相對越小，并非越小越合適，當(dāng)彈性系數(shù)較小時，紗線張力波動頻繁，布面易產(chǎn)生漏針疵點，系統(tǒng)補償能力減弱。除此之外，張力補償裝置的安裝角度、張力彈簧的材質(zhì)、機(jī)器速度、組織、送經(jīng)量、盤頭的頭紋數(shù)等因素也在影響著補償裝置性能的發(fā)揮。

3)隨著彈性系數(shù)的增大，補償裝置的阻尼效應(yīng)增強，與此同時，系統(tǒng)的共振頻率提高，紗線張力增大的幅度變緩，反之，紗線張力減少。實際正常生產(chǎn)中，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)效率的同時，應(yīng)當(dāng)降低裝置的彈性系數(shù)，提高系統(tǒng)共振頻率，將補償裝置的彈性系數(shù)控制在合適的范圍內(nèi)。

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