長(zhǎng)絨棉精梳牽伸工藝優(yōu)化

豆孝坤，任家智，張一風(fēng),2，章 偉,2

(1.中原工學(xué)院 紡織學(xué)院,河南 鄭州 450007;2.中原工學(xué)院 紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450007)

0 引 言

牽伸是紡紗過(guò)程中極其重要的一道工序，主要是將須條抽長(zhǎng)拉細(xì)，使須條逐步達(dá)到預(yù)定的線密度[1]；同時(shí)，被前羅拉握持的快速纖維在從周圍纖維叢中抽出時(shí)，在摩擦力作用下，纖維彎鉤將逐漸消除，須條內(nèi)部纖維伸直，平行度提高，成紗質(zhì)量指標(biāo)明顯改善[2-3]。牽伸工藝參數(shù)的選擇對(duì)須條的牽伸質(zhì)量有直接影響，牽伸工藝配合不當(dāng)，將造成纖維損傷、牽伸不開(kāi)、須條條干均勻度惡化等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)后道工序加工，易造成成紗斷裂強(qiáng)度下降，毛羽數(shù)量增多，成紗條干均勻度下降，成紗千米粗、細(xì)節(jié)，棉結(jié)劇增[4-7]。在牽伸工藝上，張弘強(qiáng)[8]、蒿培建[9]研究了牽伸前、后條子中纖維排列的變化；盧遠(yuǎn)航、陳革等研究了牽伸波對(duì)成紗質(zhì)量的影響[10-11]；朱耀麟等[12]通過(guò)建立自調(diào)勻整系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,對(duì)喂入棉條定量檢測(cè)點(diǎn)和輸出棉條定量檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)分析，最后確定系統(tǒng)的實(shí)時(shí)長(zhǎng)度延遲計(jì)算；宋栓軍[13]、馮清國(guó)[14]研究了細(xì)紗牽伸區(qū)牽伸力的測(cè)量方法和其對(duì)細(xì)紗質(zhì)量的影響；文獻(xiàn)[15-16]分析了纖維在牽伸過(guò)程中的蠕變特性和纖維拉伸倍數(shù)與纖維長(zhǎng)度、工藝參數(shù)間的關(guān)系等。張婉婉等[17]提出了一種基于改進(jìn)平滑濾波和均勻性度量算法的紗線條干均勻度檢測(cè)算法。但是在精梳工序牽伸工藝參數(shù)的優(yōu)化及其對(duì)成紗質(zhì)量的影響方面缺少相應(yīng)研究與分析。本文 采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)對(duì)精梳牽伸工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在精梳及紡紗工藝參數(shù)相同的條件下利用長(zhǎng)絨棉進(jìn)行紡紗試驗(yàn)，對(duì)成紗質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試、建立質(zhì)量指標(biāo)與工藝參數(shù)間的回歸方程，并對(duì)回歸方程和回歸方程系數(shù)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，得出有效回歸方程，最后目標(biāo)規(guī)劃法得出最優(yōu)工藝。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料

采用100%新疆長(zhǎng)絨棉，精梳小卷定量為66 g/m。利用USTER AFIS PRO 2測(cè)試得到精梳棉卷的總棉結(jié)數(shù)80 粒/g，纖維棉結(jié)數(shù)75 粒/g，總雜質(zhì)數(shù)27 粒/g，上四分位長(zhǎng)度38.9 mm，16 mm以下質(zhì)量和根數(shù)短絨率6.9%和21.2%。

1.2 紡紗工藝流程及工藝參數(shù)

紡紗線密度為14.58 tex，紡紗工藝流程如下：JSFA2186型精梳機(jī)→JWF1310并條機(jī)→BHFA498粗紗機(jī)→FA507細(xì)紗機(jī)。各工序工藝參數(shù)設(shè)置如表1～4所示。

表 1 JSFA2186型精梳機(jī)主要工藝參數(shù)

表 2 JWF1310并條機(jī)主要工藝參數(shù)

表 3 BHFA498粗紗機(jī)主要工藝參數(shù)

表 4 FA507細(xì)紗機(jī)主要工藝參數(shù)

1.3 測(cè)試儀器及指標(biāo)

測(cè)試條件：測(cè)試溫度20℃，相對(duì)濕度60%。

利用USTER AFIS PRO 2測(cè)試精梳條棉結(jié)(個(gè)/g)、雜質(zhì)含量(個(gè)/g)，纖維長(zhǎng)度分布以及16 mm以下短纖維含量(%)，測(cè)試次數(shù)10次/試樣；利用電子天平測(cè)量落棉率(%)，測(cè)試次數(shù)5次/試樣。

利用USTER條干儀測(cè)試精梳條條干均勻度，測(cè)試速度50 m/min，測(cè)試時(shí)間2 min，成紗條干CV值、成紗棉(+200%)、千米粗節(jié)(+50%)和千米細(xì)節(jié)(-50%)含量，測(cè)試次數(shù)5次/試樣，測(cè)試速度400 m/min，測(cè)試時(shí)間2.5 min。

利用YG063T全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀測(cè)試成紗斷裂強(qiáng)度(cN/tex)，測(cè)試次數(shù)10次/試樣；利用YG172紗線毛羽測(cè)試儀測(cè)試成紗3 mm毛羽，測(cè)試次數(shù)10次/試樣。

2 工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)前期的試驗(yàn)，設(shè)主牽伸羅拉中心距x1，后區(qū)牽伸羅拉中心距x2，后區(qū)牽伸倍數(shù)x33個(gè)參數(shù)為試驗(yàn)因子，采用三元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)[18]。因子編碼見(jiàn)表5。

表 5 因子水平編碼表

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),在紡紗工藝流程及紡紗各工序參數(shù)相同條件下進(jìn)行20次實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)方案和測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表 6 精梳及成紗質(zhì)量指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2.2 回歸方程的建立

建立牽伸工藝參數(shù)與成紗質(zhì)量指標(biāo)的回歸方程模型如下：

(1)

根據(jù)表6，采用最小二乘法計(jì)算成紗各質(zhì)量指標(biāo)回歸方程的系數(shù)，如表7所示。

在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)前，成紗質(zhì)量指標(biāo)與牽伸工藝參數(shù)之間的線性關(guān)系僅是一種假設(shè)，還需對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

在回歸方程顯著的前提下，對(duì)初始回歸方程的回歸系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，剔除對(duì)回歸方程的結(jié)果影響較小的回歸系數(shù)，在0.3的顯著水平下，剔除不顯著的回歸系數(shù)后回歸方程如表9所示。

表 7 紗線各質(zhì)量指標(biāo)的回歸系數(shù)

表 8 回歸方程顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

表 9 各指標(biāo)的有效回歸方程

2.3 因子交互作用及等高圖分析

因素間的交互作用分析是將其中一個(gè)因素在零水平下固定, 然后將剩余的2個(gè)因素進(jìn)行交互作用分析。 利用 Design-Expert 數(shù)據(jù)處理軟件繪制水平因子和質(zhì)量指標(biāo)之間的關(guān)系。 因本次實(shí)驗(yàn)成紗質(zhì)量指標(biāo)較多, 在此僅以成紗條干為例進(jìn)行分析, 成紗條干與牽伸參數(shù)之間交互作用的三維等高圖如圖1所示。

由圖1(a)可知,主牽伸羅拉中心距較小時(shí)，隨著后區(qū)牽伸羅拉中心距增大，成紗條干CV值增大；主牽伸羅拉中心距較大時(shí)，隨著后區(qū)牽伸羅拉中心距增大，成紗條干CV值減??；在主、后區(qū)牽伸羅拉中心距都較小時(shí)成紗條干CV值達(dá)到最小。這是因?yàn)闋可炝_拉中心距較小，前后羅拉對(duì)須條的控制作用都較大，須條中浮游區(qū)較短，在前后羅拉形成的摩擦力界作用下纖維更易有序輸出，此時(shí)的精梳條及成紗條干均有較大改善。由圖1(b)可知,主牽伸羅拉中心距較小時(shí)，隨著后區(qū)牽伸倍數(shù)增大，成紗條干CV值減??；主牽伸羅拉中心距較大時(shí)，隨著后區(qū)牽伸倍數(shù)增大，成紗條干CV值急劇增大；在兩者均取中間值時(shí)，成紗CV值較??；為了保證成紗條干良好，在主牽伸羅拉中心距較小時(shí)，后區(qū)牽伸倍數(shù)偏大掌握較好。由圖1(c)可知,后區(qū)牽伸羅拉中心距和后區(qū)牽伸倍數(shù)的交互作用對(duì)成紗條干的影響較小，兩者均偏小掌握能降低成紗條干。

(a) 成紗條干與主牽伸羅拉中心距、后區(qū)牽伸羅拉中心距的關(guān)系

(b) 成紗條干與主牽伸羅拉中心距、后區(qū)牽伸倍數(shù)的關(guān)系

(c) 成紗條干與后區(qū)牽伸羅拉中心距、后區(qū)牽伸倍數(shù)的關(guān)系圖 1 成紗條干與牽伸參數(shù)之間的三維等高圖

2.4 工藝參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型及求解

利用最優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)求得的各試驗(yàn)因子與考察指標(biāo)之間的高精度有效回歸方程,可用目標(biāo)規(guī)劃法建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。選取f1(x)=y條干,f2(x)=y斷裂強(qiáng)度,f3(x)=y棉結(jié)為目標(biāo)函數(shù),細(xì)節(jié)、粗節(jié)和毛羽的約束條件為y細(xì)節(jié)≤12個(gè)/km,y粗節(jié)≤51.66個(gè)/km,y毛羽≤3.7根/m。這是約束多目標(biāo)求極值的問(wèn)題。目標(biāo)函數(shù)可構(gòu)造如下:

f(x)=(f1(x)/13.53-1)2+

(f2(x)/24.5-1)2+

(f3(x)/82.5-1)2

(2)

目標(biāo)函數(shù)f(x)越小,得出的方案越優(yōu)。運(yùn)用Design-Expert數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)回歸方程進(jìn)行分析,計(jì)算可得x1=-0.146 37,x2=-0.556 2,x3=-1.208 84。解碼得,主牽伸羅拉中心距為44.74 mm,后區(qū)牽伸羅拉中心距為52.01 mm,后區(qū)牽伸倍數(shù)為1.35倍。

2.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述優(yōu)化數(shù)學(xué)模型所求的最優(yōu)解，以主牽伸羅拉中心距為44.74 mm,后區(qū)牽伸羅拉中心距為52.01 mm,后區(qū)牽伸倍數(shù)為1.35倍，其他工藝參數(shù)不變，進(jìn)行紡紗試驗(yàn)。紗線指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表10所示。

表 10 優(yōu)化結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表10可知,試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值與優(yōu)化結(jié)果十分接近，說(shuō)明擬合較好，優(yōu)化結(jié)果是可靠的，優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型能預(yù)測(cè)成紗質(zhì)量。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)優(yōu)化精梳機(jī)車尾牽伸工藝參數(shù)。在現(xiàn)有原料及試驗(yàn)條件下精梳牽伸最優(yōu)工藝為：主牽伸羅拉中心距44.74 mm,后區(qū)牽伸羅拉中心距52.01 mm,后區(qū)牽伸倍數(shù)1.35。紗線質(zhì)量指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際試驗(yàn)擬合較好，可以用做紗線質(zhì)量指標(biāo)的預(yù)報(bào)。