基于纏結法的新型紗線動態(tài)摩擦系數(shù)測量儀器研制

謝 軍，李 莎，蔣銘媛，左召光，劉 皓

(1. 天津工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300387；2. 天津工業(yè)大學 紡織學院，天津 300387；3.智能可穿戴電子紡織品研究所，天津 300387；4.天津工業(yè)大學教育部復合材料重點實驗室，天津 300387)

紗線與紗線之間的動態(tài)摩擦系數(shù)對織物的工藝效果有重要影響[1,2]。只有紗線具有符合要求且摩擦系數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)時針織產品才會不易脫圈和變形[3]。目前國內外有多種紗線摩擦系數(shù)測量儀器。國外，美國勞森公司的CTT恒定張力傳輸系統(tǒng)在EIB和YAS測定儀的基礎上升級了紗線綜合測試項目,具備多項測試功能[4]。Lisini等人在羅德法的基本原理上改進而成的紗線摩擦系數(shù)儀，依據(jù)撓性帶的歐拉公式計算出紗線的動態(tài)摩擦系數(shù)[5]。Elmogahzy和Broughton在Lord提出使用兩種纖維邊緣的接觸和在壓力下的相對運動的測量方法的基礎上研制了基于Lord法的紗線摩擦系數(shù)儀[6]。國內，山東紡織科學研究院研制的LFY-19型紗線動態(tài)摩擦系數(shù)測試儀，主要用于測試紗線及化纖長絲等與金屬或非金屬材料之間的摩擦系數(shù)，但是測試速度不宜過快[7]。天津工業(yè)大學萬振凱團隊研制了一種新型化纖長絲動態(tài)張力與摩擦系數(shù)微機測試儀，其通過測試化纖長絲的張力間接計算出相應的摩擦系數(shù)[8]。河北科技大學趙其明團隊利用羅德法的測試原理研制出漿紗動態(tài)摩擦系數(shù)測定儀，具有恒定張力輸出的優(yōu)點[9]。目前現(xiàn)有的紗線摩擦系數(shù)測量儀器要么價格昂貴，要么具有測試精度不高、測試步驟繁瑣、實驗條件要求高、人工讀數(shù)和計算等缺點。針對以往這些研究中存在的問題，筆者研制出一種基于纏結法的新型紗線動態(tài)摩擦系數(shù)測量儀器。

1 測試方案

目前測試紗線動態(tài)摩擦系數(shù)的儀器常用羅德法[10]，其測試原理如下頁圖1所示：紗線以180°包角包覆在軸輥上，在紗線的一端施加一預加張力T2，在軸輥旋轉時測出另一端的張力T1，根據(jù)公式計算出摩擦系數(shù)。

式中：μ為摩擦系數(shù)，θ為摩擦角。

圖1 羅德法測試原理

羅德法測試紗線的動態(tài)摩擦系數(shù)時，必須使用低速狀態(tài)，否則紗線不易平衡，并且預加張力的更改具有局限性[11,12]。

纏結法的測試原理如圖2所示：紗線在三個導紗羅拉之間纏結2～3圈形成摩擦，測量輸入張力Ti和輸出張力T0，根據(jù)公式

計算紗線的動態(tài)摩擦系數(shù)。式中：u為紗線與紗線的摩擦系數(shù)；T0為輸出張力；Ti為輸入張力；β為紗線相互扭結的角度；n為紗線相互扭結的轉數(shù)。纏結法適用于紗線高速運行狀態(tài)下的測試，可以更方便的更改預加張力和調整運行速度，同時易于保持張力恒定，本文所述的新型紗線動態(tài)摩擦系數(shù)測試系統(tǒng)使用纏結法的測試原理。

圖2 纏結法測試原理

2 儀器的結構組成

紗線動態(tài)摩擦系數(shù)測量儀器包括導紗器、輸入羅拉、張力測量裝置、緩沖裝置、纏結裝置、輸出羅拉、氣泵等主要部件。如圖3(a)所示，紗線從絡筒上退出后進入導紗器，之后進入輸入羅拉，在輸入羅拉纏繞數(shù)圈后紗線進入輸入張力測量裝置。由輸入張力測量裝置引出紗線后進入緩沖裝置，緩沖裝置具有緩沖防斷線、平衡檢測、預加張力調整三項功能。紗線從緩沖裝置引出后進入纏結裝置，紗線在此纏結2～3圈后相互接觸產生摩擦。紗線從纏結裝置引出后進入輸出張力測量裝置，之后再進入輸出羅拉并在此纏繞數(shù)圈后進入輔助器件，服裝器件由連接氣泵的進氣歧管和殘紗簍組成。圖3(b)為實物圖。系統(tǒng)運行時，調整輸入羅拉和輸出羅拉的速度，使緩沖裝置處于平衡狀態(tài)，此時紗線的張力處于恒定狀態(tài)。輸入張力測量裝置和輸出張力測量裝置分別可以測量紗線在纏結裝置左右兩側的張力，計算機可以實時顯示紗線纏結點輸入張力和輸出張力，根據(jù)公式(2)可以計算出紗線的動態(tài)摩擦系數(shù)。以此方式連續(xù)運行完成紗線動態(tài)摩擦系數(shù)的測量,并且可以實時顯示摩擦系數(shù)的變化。

1、紗線絡筒 2、導紗器 3、輸入羅拉 4、輸入張力測量裝置 5、緩沖裝置 6、纏結裝置 7、輸出張力測量裝置 8、輸出羅拉 9、輔助器件

(b)

3 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可重復性測試

穩(wěn)定性和重復性是儀器的重要的性能指標。紗線在運行過程中需要經過多個裝置節(jié)點，通過節(jié)點時，由于摩擦力、電機振動的影響，傳感器測出的紗線張力會出現(xiàn)不同程度的波動。穩(wěn)定性、重復性較好的儀器應該在測量同種紗線后具有較小的變異系數(shù)(CV)，并且在同種環(huán)境和條件下，測量同種紗線，經過多次長時間間隔，依然能保證測量結果的可重復性[13]。

3.1 儀器的穩(wěn)定性測試

在20 ℃、相對濕度為30%的環(huán)境下進行儀器的穩(wěn)定性實驗，選用滌綸(420D)、純棉紗線(28 tex)、芳砜綸(36 tex)三種紗線進行測試。

圖4顯示了5種預加張力情況下滌綸、純棉紗線、芳砜綸三種紗線的摩擦系數(shù)在不同運行速度下的變異系數(shù)的變化情況。圖4(a)為預加張力為6 cN時三種紗線的摩擦系數(shù)隨速度變化的變異系數(shù)曲線圖，從圖中可以看出，滌綸的摩擦系數(shù)的變異系數(shù)為最小，其次是純棉紗線，芳砜綸的摩擦系數(shù)的變異系數(shù)值為最大。(b)至(e)圖中，在速度相同時，摩擦系數(shù)的變異系數(shù)值由大到小均是芳砜綸、滌綸和純棉紗線。芳砜綸的摩擦系數(shù)變異系數(shù)變化較為明顯，預加張力相同時，速度的不同會引起變異系數(shù)的較大增加和減小。預加張力為6 cN、紗線的運行速度為20 m/min時，變異系數(shù)達到最大值且超過14%，而在其他速度時，變異系數(shù)基本處于11%以下。預加張力為10 cN時，變異系數(shù)在紗線的運行速度為50 m/min時達到最大，其值超過14%，而在其他速度時，變異系數(shù)低于11%。預加張力為14 cN和18 cN時，芳砜綸的摩擦系數(shù)的變異系數(shù)在10 m/min至50 m/min的速度范圍內均低于12%。當預加張力達到22 cN時，在紗線運行速度為10 m/min時，其變異系數(shù)均遠大于其他四種速度時的變異系數(shù)，且值達到了14%。純棉紗線和滌綸的摩擦系數(shù)的變異系數(shù)同樣存在隨速度變化的波動，但是變異系數(shù)在所測速度范圍內均低于10%，預加張力不同時，也均未超過10%。從同種紗線在相同預加張力和在不同速度測試的情況來看，變異系數(shù)均有不同程度的波動。在紗線摩擦系數(shù)的測試過程中，由于紗線并不是完全均勻的，在紗線經過纏結處時，若出現(xiàn)較大的結時，紗線纏結處的阻力將增大，導致紗線的輸入張力和輸出張力出現(xiàn)較大的變化，而張力的變化將引起摩擦系數(shù)的變化。不同的運行速度下，不勻的紗線或紗線中的結在經過滑輪和纏結點時，出現(xiàn)的紗線與滑輪及紗線與紗線之間的沖擊也不相同，因此摩擦系數(shù)也將產生波動。

(a)預加張力6 cN

(b)預加張力10 cN

(c)預加張力14 cN

(d)預加張力18 cN

(e)預加張力22 cN

3.2 儀器的可重復性測試

在20℃、相對濕度為30%的環(huán)境下進行儀器的可重復性實驗，選用滌綸(420D)、純棉紗線(28 tex)和芳砜綸(36 tex)作為測試樣本。測量其摩擦系數(shù)的大小。為保證測量精確度，每次測量結束，儀器停機半小時，使其回到初始的開機狀態(tài)。實驗測試時的預加張力設定為14 cN，儀器測試的運行速度設定為10 m/min。

圖5 28 tex純棉紗線

圖6 420D滌綸

圖5是28 tex純棉紗線經過五次測量后，摩擦系數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出，五次測量后的紗線摩擦系數(shù)，五條曲線有較大的重合度，均處于0.21附近上下浮動，且隨著測試時間的進行，變化趨于水平直線。

圖6是420D滌綸經過五次重復性測試后的摩擦系數(shù)變化曲線，從圖中可以看出，滌綸自身間的摩擦系數(shù)要低于純棉紗線自身間的摩擦系數(shù)，且摩擦系數(shù)值低于0.2。滌綸多次測試后的曲線重合度更高，波動率也小于純棉紗線。圖7是36 tex芳砜綸經過五次重復性測試后的摩擦系數(shù)變化曲線，其摩擦系數(shù)在0.23附近浮動，波動幅度大于滌綸的波動幅度，與純棉紗線波動幅度相似，五次測試的曲線重合度也較高。

表1顯示了28 tex純棉紗線、420D滌綸、36 tex芳砜綸在經過五次重復性測試后的摩擦系數(shù)的平均值，從表中可知，對于同種紗線，在經過多次測試后，平均值的變化并沒有出現(xiàn)較大的波動。三種紗線自身之間的摩擦系數(shù)分別在0.21、0.17、0.22附近波動，波動幅度低于0.01。三種紗線在經過五次測試后，儀器依然能較好的表現(xiàn)其真實的摩擦系數(shù)，驗證了儀器具有良好的可重復性。

表1 三種紗線五次測試后的摩擦系數(shù)平均值

3.3 與CTT恒定張力傳輸系統(tǒng)對比測試

下頁圖8是使用28 tex的純棉紗線和420D的滌綸作為測試樣本，設定預加張力為14 cN，分別在本測量系統(tǒng)和CTT恒定張力傳輸系統(tǒng)上進行測試的摩擦系數(shù)曲線圖。圖8(a)為使用28 tex的純棉紗線分別在紗線動態(tài)摩擦系數(shù)測量系統(tǒng)和CTT恒定張力傳輸系統(tǒng)上測試的紗線與紗線之間的摩擦系數(shù)的曲線，從圖中可以看出，隨著速度的變化，兩種儀器測試得出的紗線摩擦系數(shù)非常接近，幾乎處于重合狀態(tài)。圖8(b)顯示了420D滌綸分別在紗線動態(tài)摩擦系數(shù)測量系統(tǒng)和CTT恒定張力傳輸系統(tǒng)上測試的結果對比曲線，從圖中的曲線變化情況來看，兩條曲線在相同速度時的摩擦系數(shù)非常接近，幾乎相等。

(a)28 tex純棉紗線測試對比

(b)420D滌綸測試對比

表2顯示了紗線動態(tài)摩擦系數(shù)測量系統(tǒng)和CTT恒定張力傳輸系統(tǒng)分別測試28 tex純棉紗線的摩擦系數(shù)的變異系數(shù)。從表中可以看出，紗線動態(tài)摩擦系數(shù)測量系統(tǒng)在紗線運行速度10 m/min至50 m/min的范圍內的測量結果的最大變異系數(shù)為6.08%；CTT恒定張力傳輸系統(tǒng)在紗線運行速度10m/min至50 m/min的范圍內的測量結果的最大變異系數(shù)為3.92%。兩種儀器的測量結果均保持了較小的變異系數(shù)，即兩種儀器測量得出的多組摩擦系數(shù)值均呈現(xiàn)較小的波動情況，驗證了本測量系統(tǒng)具有較高的精確性。

表2 兩種儀器測量28 tex純棉紗線的變異系數(shù)(%)對比

4 結論

實驗使用28 tex純棉紗線、420D滌綸和36 tex芳砜綸分別對儀器進行了穩(wěn)定性和重復性測試，在預加張力為6 cN至22 cN的范圍內測量得到的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)曲線表明，三種紗線在多數(shù)情況下的變異系數(shù)低于10%，具有較好的穩(wěn)定性。另外，使用這三種紗線分別進行了五次重復性測試，三種紗線測試得到的的五次測試結果的摩擦系數(shù)曲線幾乎重合，波動率均低于1%，表明儀器具有良好的可重復性。

在對儀器的精確性測試時，紗線動態(tài)摩擦系數(shù)測量系統(tǒng)在與CTT恒定張力傳輸系統(tǒng)的比較中，使用28 tex純棉紗線分別在兩種儀器上進行測試，兩種儀器測量得到的紗線動態(tài)摩擦系數(shù)結果的均值均為0.23，具有較高的重合度，儀器有較高的精確性。

基于纏結法的本測量儀器系統(tǒng)簡單，具有較高的測量精度、良好的穩(wěn)定性能和較低的價格，為紗線性能的定量評價提供了一種可靠的方法。