紗線截面參數(shù)測(cè)試及截面形狀系數(shù)計(jì)算方法研究*

李姝佳 張海天 張里俊 王生澤,2 王永興 侯 曦,3

1. 東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2. 東華大學(xué)紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620；3. 無(wú)錫宏源機(jī)電科技股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000

紗線是一種特殊的、可壓縮的黏彈性材料，是包含了若干單纖維的集合體。紗線截面形狀不僅涉及單纖維截面形狀，還涉及若干單纖維排列組合形成集合體后相互間的位置關(guān)系。各類紗線，包括傳統(tǒng)棉紗、化纖長(zhǎng)絲紗、金屬纖維混紡紗及其他新型產(chǎn)業(yè)用紗線等，其截面參數(shù)不僅是預(yù)測(cè)紗線力學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)，還是確定織物等產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)的重要參考，如金屬纖維混紡紗編織過(guò)程的參數(shù)設(shè)計(jì)與控制等[1]。對(duì)于更復(fù)雜的紗線，截面面積、截面直徑是其動(dòng)力學(xué)研究或運(yùn)動(dòng)分析不可或缺的參數(shù)。

通常，紗線截面在長(zhǎng)度方向與截面方向的應(yīng)力作用下會(huì)有很多的變化，故獲取紗線真實(shí)的截面形狀和截面面積都較困難。本文設(shè)計(jì)了一種可獲得包含結(jié)構(gòu)因素在內(nèi)的紗線截面參數(shù)的測(cè)試裝置，并以長(zhǎng)絲束為例，測(cè)試了它們的截面參數(shù)，探討了線密度、捻度對(duì)長(zhǎng)絲束截面參數(shù)的影響，提出了截面形狀系數(shù)的計(jì)算方法，還選取了有代表性的產(chǎn)業(yè)用紗線，測(cè)試了它們的截面形狀及截面參數(shù)，以期為這類絲束在后續(xù)加工中動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究及紡織品的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 現(xiàn)有測(cè)試方法及有關(guān)紗線截面的假設(shè)

紗線的截面形狀受諸如纖維類型、紡紗方法、捻度、張力等眾多因素的影響。自然狀態(tài)下的紗線截面形狀的測(cè)試非常繁瑣且不穩(wěn)定?，F(xiàn)有的針對(duì)紗線截面面積或直徑的研究分為兩類：一類是基于紗線線密度或纖維密度等進(jìn)行的單純的理論推導(dǎo)，如Peirce線密度理論等[2]；另一類是基于試驗(yàn)的測(cè)量，具體可分為非接觸式測(cè)量和接觸式測(cè)量?jī)煞N[3]，其中非接觸式測(cè)量應(yīng)用更廣泛，其多借助圖像識(shí)別和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)完成[4-5]，主要用于測(cè)量長(zhǎng)絲或紗線中單纖維的截面面積[6-7]，再輔以紗線的線密度與理想圓柱體紗線直徑的理論關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)。但上述研究都未考慮自然狀態(tài)下單絲或單纖維抱合前后截面的區(qū)別，也未考慮生產(chǎn)中的紗線多為伸直而非松弛的狀態(tài)。因此，現(xiàn)有方法測(cè)得的紗線截面參數(shù)與實(shí)際截面參數(shù)存在差異，亟待開(kāi)發(fā)一種能考慮紗線結(jié)構(gòu)因素并針對(duì)非松弛狀態(tài)下紗線的截面參數(shù)的測(cè)試方法。

長(zhǎng)絲束在結(jié)構(gòu)上是單絲平行排列的集合體，可通過(guò)并絲、加捻來(lái)改變長(zhǎng)絲束的線密度和捻度。本文選擇長(zhǎng)絲束作為紗線截面參數(shù)的測(cè)試樣，其理想的截面形態(tài)如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)絲束理想的截面形態(tài)

2 紗線截面參數(shù)的測(cè)試裝置

2.1 測(cè)試裝置的原理及設(shè)計(jì)

為測(cè)試包含結(jié)構(gòu)因素在內(nèi)的紗線截面參數(shù)，需設(shè)計(jì)出可測(cè)試紗線截面處外形包絡(luò)線的測(cè)試裝置，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 紗線截面參數(shù)測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意

該裝置包含紗線夾持單元、光學(xué)測(cè)量單元及裝置支撐框架三大部分。其中，紗線夾持單元與光學(xué)測(cè)量單元為測(cè)試裝置的核心單元。紗線夾持單元采用紡紗工藝常用的空心圓柱形瓷眼固定紗線，以滿足夾持時(shí)不損害和不改變紗線原有結(jié)構(gòu)的要求。光學(xué)測(cè)量單元繞紗線軸線旋轉(zhuǎn)，通過(guò)繪制外形包絡(luò)線得到紗線實(shí)際的截面形狀。包絡(luò)線封閉區(qū)域的面積即為該紗線截面的測(cè)試面積。由于紗線在研究中常被理想簡(jiǎn)化為圓截面，為使實(shí)際測(cè)量結(jié)果能用于現(xiàn)有研究中的紗線建模，可基于測(cè)得的紗線截面測(cè)試面積計(jì)算得到該截面的當(dāng)量直徑。

2.2 光學(xué)測(cè)量單元

光學(xué)測(cè)量單元配備了高精度的基恩士(KEYENCE)光學(xué)測(cè)量?jī)x(型號(hào)LS-9000)，其測(cè)試原理如圖3所示。基恩士光學(xué)測(cè)量?jī)x可測(cè)試極細(xì)物體的外徑，測(cè)量精度與重復(fù)精度可分別達(dá)到2.0 及0.1 μm，測(cè)試采樣頻率為16 000 Hz，能夠滿足紗線截面參數(shù)測(cè)試要求。

圖3 基恩士光學(xué)測(cè)量?jī)x

3 典型紗線——長(zhǎng)絲束截面參數(shù)的測(cè)試與計(jì)算

3.1 試驗(yàn)方案及測(cè)試

為測(cè)試長(zhǎng)絲束在不同線密度、不同捻度時(shí)的截面參數(shù)，設(shè)計(jì)了如表1所示的試驗(yàn)方案。試驗(yàn)所用長(zhǎng)絲皆為滌綸長(zhǎng)絲(POY)，單束長(zhǎng)絲線密度為220 dtex/72 f，密度為1 320 kg/m3。試驗(yàn)通過(guò)并絲增加長(zhǎng)絲束的線密度，通過(guò)加捻調(diào)整長(zhǎng)絲束的捻度，另外加捻采用S捻向。

表1 試驗(yàn)方案

測(cè)試樣的制備：從卷裝上除去表層絲后，截取一定長(zhǎng)度的長(zhǎng)絲束若干段，并根據(jù)表1對(duì)長(zhǎng)絲束進(jìn)行相應(yīng)的并絲與加捻，以獲得不同的測(cè)試樣。

測(cè)試過(guò)程：(1)將測(cè)試樣穿過(guò)內(nèi)徑約0.5 mm的瓷眼，并使用無(wú)擴(kuò)散性黏合劑黏合測(cè)試樣末端。(2)測(cè)試時(shí)，為盡量減小試驗(yàn)操作引起的誤差，每個(gè)測(cè)試樣分別選取長(zhǎng)度方向上的3個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試；每次測(cè)量時(shí)，光學(xué)測(cè)量?jī)x繞測(cè)試樣軸向做圓周運(yùn)動(dòng)5圈以上，共采集超過(guò)40萬(wàn)個(gè)測(cè)量點(diǎn)。(3)測(cè)試后，采用MATLAB軟件處理測(cè)試數(shù)據(jù)。

3.2 截面參數(shù)的計(jì)算

為更好地描述長(zhǎng)絲束實(shí)際的截面形態(tài)，本文測(cè)試和計(jì)算的長(zhǎng)絲束截面參數(shù)涉及截面測(cè)試直徑dte、截面測(cè)試面積Ste、截面當(dāng)量直徑deq、截面當(dāng)量面積Seq及截面形狀系數(shù)φ等，具體描述和計(jì)算方法：

(1) 截面測(cè)試直徑dte是指光學(xué)測(cè)量?jī)x旋轉(zhuǎn)5圈后獲得的長(zhǎng)絲束截面直徑的平均值；

(2) 截面測(cè)試面積Ste是指光學(xué)測(cè)量?jī)x旋轉(zhuǎn)5圈得到的長(zhǎng)絲束截面外形包絡(luò)線封閉區(qū)域面積的平均值；

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 截面測(cè)試直徑dte與截面測(cè)試面積Ste

圖4反映了長(zhǎng)絲束的截面測(cè)試直徑dte、截面測(cè)試面積Ste與線密度、捻度的關(guān)系。由圖4可知：長(zhǎng)絲束截面測(cè)試直徑和截面測(cè)試面積隨著捻度的增加而減小，隨著線密度的增加而增大；當(dāng)長(zhǎng)絲束線密度較小即絲束較細(xì)時(shí)，捻度對(duì)長(zhǎng)絲束截面測(cè)試直徑和截面測(cè)試面積影響不明顯，當(dāng)長(zhǎng)絲束線密度較大即絲束較粗時(shí)，捻度對(duì)長(zhǎng)絲束截面測(cè)試直徑和截面測(cè)試面積的影響較大。

(a) 截面測(cè)試直徑

(b) 截面測(cè)試面積圖4 長(zhǎng)絲束截面測(cè)試直徑、截面測(cè)試面積 與線密度、捻度的關(guān)系

4.2 截面當(dāng)量直徑deq與截面當(dāng)量面積Seq

圖5反映了長(zhǎng)絲束的截面當(dāng)量直徑、截面當(dāng)量面積與線密度、捻度的關(guān)系。

(a) 截面當(dāng)量直徑

(b) 截面當(dāng)量面積圖5 長(zhǎng)絲束截面當(dāng)量直徑、截面當(dāng)量面積 與線密度、捻度的關(guān)系

由圖5可知：長(zhǎng)絲束截面當(dāng)量直徑和截面當(dāng)量面積隨著捻度的增加而減小，隨著線密度的增加而增大；長(zhǎng)絲束線密度越小即絲束越細(xì)時(shí)，捻度對(duì)長(zhǎng)絲束截面當(dāng)量直徑和截面當(dāng)量面積的影響不明顯，長(zhǎng)絲束線密度越大即絲束越粗時(shí)，捻度對(duì)長(zhǎng)絲束截面當(dāng)量直徑和截面當(dāng)量面積影響明顯。

4.3 截面形狀系數(shù)

圖6歸納了長(zhǎng)絲束截面形狀系數(shù)與線密度、捻度的關(guān)系。

圖6 長(zhǎng)絲束截面形狀系數(shù)與線密度、捻度的關(guān)系

由圖6可知：長(zhǎng)絲束截面形狀系數(shù)隨著捻度的增加而減小，其中當(dāng)長(zhǎng)絲束捻度為100 T/(10 cm)時(shí)截面形狀系數(shù)趨于穩(wěn)定，其值約等于2，即截面測(cè)試面積是理論推導(dǎo)的截面面積的2倍，此時(shí)若使用理論推導(dǎo)的截面面積會(huì)帶來(lái)較大的誤差。

圖7展示了利用本文設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置測(cè)試捻度為50 T/(10 cm)的220、440、660 dtex的長(zhǎng)絲束的外形包絡(luò)線(即截面實(shí)際形狀)與截面測(cè)試面積。

由圖7的測(cè)試結(jié)果可以看出：加捻后長(zhǎng)絲束的截面更接近圓形，但仍然與理論推導(dǎo)的截面面積有較大的區(qū)別(最小截面形狀系數(shù)φmin≈2)，因此當(dāng)使用截面面積參數(shù)計(jì)算彈性模量等力學(xué)性能或進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模時(shí)，建議采用本文設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置確定實(shí)際的參數(shù)。

圖7 長(zhǎng)絲束的截面實(shí)際形狀與截面測(cè)試面積

5 產(chǎn)業(yè)用紗線截面測(cè)試實(shí)例

產(chǎn)業(yè)用紗線的截面形狀、截面面積與截面直徑等參數(shù)也是其在牽伸、卷繞等工藝過(guò)程及紡織品設(shè)計(jì)中研究紗線動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)。

本文以芳綸紗、金屬絲包芯紗、玻璃纖維紗等產(chǎn)業(yè)用紗線為例，利用所設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置和測(cè)試方法獲取它們的截面信息，試樣參數(shù)見(jiàn)表2，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8。其中，金屬絲包芯紗是在直徑為50.0 μm的銅絲外包棉短纖維形成的，紗線中金屬絲體積分?jǐn)?shù)占33.7%，棉短纖維體積分?jǐn)?shù)占66.3%。

表2 產(chǎn)業(yè)用紗線樣本參數(shù)

從圖8可以看出：(1)芳綸紗因纖維排列無(wú)規(guī)則，故其截面呈不規(guī)則形狀；(2)金屬絲包芯紗由于外層包覆的棉短纖維分布不均勻，其截面也呈不規(guī)則形狀；(3)玻璃纖維紗的截面較其他兩種紗線更接近理想的圓形。所得產(chǎn)業(yè)用紗線的實(shí)際截面形狀和截面參數(shù)可為后道的工藝設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的參考。

圖8 產(chǎn)業(yè)用紗線的實(shí)際截面形狀及截面參數(shù)

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)測(cè)試裝置能快速、準(zhǔn)確測(cè)量包含結(jié)構(gòu)因素在內(nèi)的紗線截面參數(shù)，測(cè)試結(jié)果與紗線實(shí)際截面更為一致；利用測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算得到紗線截面當(dāng)量直徑和截面當(dāng)量面積，可為準(zhǔn)確得到紗線彈性模量、紗線黏滯系數(shù)等物理參數(shù)及紗線動(dòng)力學(xué)仿真分析研究提供基礎(chǔ)參數(shù)。