高速經(jīng)編機(jī)上紗線張力的波動規(guī)律

孫 帥， 繆旭紅， 張 琦， 王 瑾

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

一直以來織造中紗線張力波動水平都是紡織領(lǐng)域人們關(guān)注的焦點[1]。在早期紗線張力研究中，宗平生通過研究單個成圈周期內(nèi)經(jīng)紗的消耗規(guī)律，深化了對經(jīng)編送經(jīng)的認(rèn)識，為積極式送經(jīng)的研究奠定了基礎(chǔ)[2]；Porat等在研究經(jīng)紗張力時發(fā)現(xiàn)在單個成圈周期內(nèi)紗線張力存在較大的張力波動，認(rèn)為導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因主要是成圈機(jī)構(gòu)對紗線需求量的不同，并且在張力補(bǔ)償方面提出了2種補(bǔ)償方式，即傳統(tǒng)張力桿式補(bǔ)償與氣壓式張力補(bǔ)償[3-5]；馮勛偉分析了機(jī)速對紗線張力的影響，認(rèn)為機(jī)速對消極式送紗影響較明顯，并提出了優(yōu)化紗線張力的措施[6]；胡瑜等測試了經(jīng)編低速生產(chǎn)狀態(tài)下的紗線張力，指出隨著機(jī)速的提高，紗線動態(tài)張力分布更加均衡，不同時間段的紗線張力差異較小，織造穩(wěn)定性高[7]。以上理論研究對研究紗線張力波動做出了重要貢獻(xiàn)，但是對高速狀態(tài)下紗線張力的研究較少，為此本文提出以500 r/min為一檔對機(jī)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，對高速經(jīng)編機(jī)的生產(chǎn)速度進(jìn)行高頻動態(tài)測試，探討高速狀態(tài)下速度改變對經(jīng)編織造紗線張力的影響，完善速度對紗線張力影響的理論。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與儀器

第1把梳：41.65 dtex(12 f)錦綸；第2把梳:41.65 dtex氨綸。

E36的HKS2-SE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)。

1.2 實驗方法

本文主要研究高速狀態(tài)下機(jī)速的改變對紗線織造張力的影響。因為紗線補(bǔ)償裝置的剛度對紗線張力波動存在影響，為了實驗數(shù)據(jù)的可靠性，在3臺生產(chǎn)年份、型號相同，補(bǔ)償裝置剛度不同(62.7、114、171 N/mm)的HKS2-SE型經(jīng)編機(jī)上進(jìn)行實驗。首先根據(jù)要求搭建由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紗線張力高頻測試系統(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，采樣間隔設(shè)置為0.05 s，采樣時長為15 s。然后取第1把梳中間1根與彈性張力垂直的紗線根據(jù)張力儀要求的紗路繞在導(dǎo)向輪和測試輪上，測量時為保證實驗的可靠性，每組紗線張力信號至少采集3次。機(jī)器速度可調(diào)節(jié)范圍為1 000～4 000 r/min，且以500 r/min為一檔進(jìn)行調(diào)節(jié)為主，由于不同機(jī)器實際運行的最高機(jī)速不同，部分測試區(qū)間小于500 r/min。

實驗時相關(guān)工藝參數(shù)：第1把梳:2-3/1-0//，送紗量為1 360 mm/臘克；第2把梳:1-0/1-2//，送紗量為520 mm/臘克；牽拉密度為26.5 橫列/cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 紗線張力波動曲線及其常規(guī)分析

2.1.1 紗線張力波動曲線分析

不同剛度和不同速度條件下單周期紗線張力大小及其波動形態(tài)如圖1所示?？梢钥闯?，不同補(bǔ)償裝置剛度下的紗線張力曲線趨勢接近，且隨著機(jī)速的增加，主軸角度為120°～240°(導(dǎo)紗梳針前橫移階段)處波峰降低顯著，紗線張力曲線存在較多的小范圍波動。此外，主軸角度為330°～360°(導(dǎo)紗梳針背橫移階段)、60°～120°(導(dǎo)紗梳由針背向針前擺動階段)、240°～330°(導(dǎo)紗梳由針前向針背擺動階段)處波峰以及波峰的高度逐漸增大，導(dǎo)紗梳針前橫移階段波峰與其他3處波峰高度之間的差異逐漸降低，說明隨著機(jī)速的增加，紗線織造張力波動之間的差異逐漸降低，波動狀態(tài)趨于穩(wěn)定。

圖1 單個成圈周期的紗線張力波動曲線Fig.1 Tension fluctuation curve of yarn in a single cycle

2.1.2 紗線張力波動常規(guī)分析

經(jīng)編織造的過程中，由于橫移機(jī)構(gòu)的左右橫移運動使得紗線張力波動存在大小周期，為了全面評定紗線張力，借助常規(guī)評價指標(biāo)對紗線進(jìn)行分析，使用紗線張力的最大值、平均值描述紗線張力大小水平，使用標(biāo)準(zhǔn)差評價紗線張力之間的差異，具體如圖2所示。

圖2 不同速度下紗線張力評價指標(biāo)Fig.2 Yarn dynamic tension evaluation at different speeds

由圖2可知：隨著機(jī)速的提高，紗線張力的最大值整體呈逐漸下降的趨勢，與單個成圈周期紗線張力曲線得出的結(jié)論基本一致；紗線張力平均值逐漸減小，說明機(jī)速提高，整體張力水平有所降低；標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，表明隨著機(jī)速的提高，紗線張力大小之間的差異逐漸降低，有利于經(jīng)編生產(chǎn)織造。

在織造過程中經(jīng)紗張力是個復(fù)雜的變量，導(dǎo)紗帽界面如圖3(a)所示。紗線受到成圈機(jī)件的拉力F+Δf、導(dǎo)紗帽的支持力Fn、導(dǎo)紗帽對于紗線的摩檫力Ff、導(dǎo)紗帽上游盤頭的拉力F，具體如圖3(b)所示。其中：β為紗線張力與摩擦力之間的夾角；θ為紗線張力之間的夾角。當(dāng)經(jīng)編機(jī)高速運轉(zhuǎn)時，梳櫛做往復(fù)運動，時而加速、時而減速并反復(fù)不斷變化，使得紗線在成圈過程中需紗量與送紗量之間差異急劇變化，瞬時需紗量與瞬時送紗量之間的差異導(dǎo)致紗線張力產(chǎn)生波動[8]。現(xiàn)代經(jīng)編機(jī)均配備有積極式送紗裝置以保證紗線均勻送出，并輔以張力補(bǔ)償裝置緩解紗線張力波動，調(diào)節(jié)紗線張力的波動大小。為了適應(yīng)高速條件下的需求，HKS2-SE型經(jīng)編機(jī)上配備有EBC電子送紗裝置，可以實現(xiàn)多速送紗，有利于減少織造過程中紗線張力之間的差異。

圖3 紗線動力學(xué)分析Fig.3 Yarn dynamics analysis. (a) Interface graphs;(b) Schematic graphs

送紗量的改變可以較大范圍調(diào)節(jié)紗線張力，張力補(bǔ)償裝置剛度的改變則可以實現(xiàn)紗線張力的微調(diào)。經(jīng)紗與張力補(bǔ)償裝置構(gòu)成張力補(bǔ)償系統(tǒng)，分析時將其視為單自由度線性系統(tǒng)，經(jīng)紗作為線彈性體。張力補(bǔ)償裝置通常由1根導(dǎo)紗帽與若干個張力元件組成。在經(jīng)編機(jī)編織的過程中，導(dǎo)紗帽一方面受到來自成圈區(qū)域紗線拉力的驅(qū)動與制約，其受迫運動的頻率與紗線的喂入速度有關(guān)，隨著機(jī)速的提高，導(dǎo)紗帽受迫運動頻率越高；另一方面同時受到來自張力元件的彈力制約與驅(qū)動，其運動與補(bǔ)償裝置的剛度有關(guān)。張力補(bǔ)償裝置補(bǔ)償量大小與補(bǔ)償系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度、阻尼系數(shù)及激勵力有關(guān)。HKS2-SE型高速經(jīng)編機(jī)張力補(bǔ)償裝置配備有輕質(zhì)高模量的張力片，其具有較好的動態(tài)頻率響應(yīng)特性。在其他條件不變的條件下，隨著機(jī)速的提高，導(dǎo)紗帽上下擺幅增大，將更多的紗線輸送至成圈區(qū)域，緩解經(jīng)紗張力大小及波動之間的差異。且機(jī)速越高越有利于張力補(bǔ)償裝置“削峰補(bǔ)谷”作用的發(fā)揮，以及紗線張力波動的穩(wěn)定。

2.2 紗線張力概率密度及峰度和偏度分析

2.2.1 紗線張力概率密度曲線分析

為了更加準(zhǔn)確地分析機(jī)速的提高對紗線張力的影響，取紗線補(bǔ)償裝置剛度為171 N/mm，借助概率密度曲線定性地描述和比較紗線張力整體波動趨勢[9]，由于測試組數(shù)較多，以1 000 r/min為一檔進(jìn)行劃分，如圖4所示?？梢钥闯?，隨著機(jī)速的提高，概率密度曲線的寬度逐漸變窄，概率密度曲線的波峰點的位置與張力概率密度最大值之間的距離減小，這意味著紗線張力之間的差異減少，紗線張力大小趨于一致。

2.2.2 紗線張力峰度和偏度分析

使用峰度、偏度2個統(tǒng)計量定量地表征不同剛度和機(jī)速條件下紗線張力整體波動情況，如圖5所示。

圖4 不同機(jī)速概率密度曲線Fig.4 Probability density curves at different machine speeds

圖5 紗線張力波動峰度和偏度Fig.5 Kurtosis (a) and skewness (b) of yarn fluctuation

由圖5可知，不同補(bǔ)償裝置剛度條件下紗線張力的峰度和偏度變化趨勢一致。峰度小于0，當(dāng)機(jī)速增大至一定程度后，隨著機(jī)速的增大，峰度絕對值呈減少趨勢，說明平均值附近數(shù)據(jù)分部較集中，這與標(biāo)準(zhǔn)差、概率密度曲線得出的結(jié)論一致；偏度大于0，表明極大值數(shù)據(jù)分布相比正態(tài)分布為右偏，在速度為1 000～2 500 r/min之間，隨著機(jī)速的提高，峰度、偏度整體呈下降趨勢，說明紗線張力波動曲線頂端較平緩，張力平均值左右數(shù)據(jù)分布較分散，張力數(shù)據(jù)右側(cè)分布有較多的極大值，表明此速度區(qū)間范圍內(nèi)紗線張力波動較大。此外，當(dāng)速度小于2 500 r/min時，由于單個成圈周期中針前橫移形成的紗線張力波峰較大，導(dǎo)致紗線張力峰度、偏度變化的斜率較大，而當(dāng)速度大于2 500 r/min時，紗線張力波動相對較穩(wěn)定。

當(dāng)速度在2 500～3 000 r/min范圍內(nèi)時，偏度、峰度均不斷增大，表明紗線張力平均值附近的數(shù)據(jù)集中程度逐漸增大，紗線張力平均值右側(cè)的數(shù)值較分散。機(jī)速由3 000 r/min提高至3 500 r/min的過程中，對于剛度較大的補(bǔ)償裝置而言，偏度逐漸降低，峰度繼續(xù)增大，表明紗線張力分布曲線的頂端陡峭程度持續(xù)增大，紗線張力分布曲線右側(cè)的拉長趨勢逐漸減弱，紗線張力波動相對較低。當(dāng)機(jī)速由3 500 r/min增加至4 000 r/min時，峰度與偏度逐漸減小，說明紗線張力分布曲線頂端逐漸變緩，紗線張力分布曲線右端的數(shù)據(jù)逐漸集中，紗線張力波動呈增大的趨勢。由此可知，當(dāng)機(jī)速在2 500～3 500 r/min之間時紗線張力波動相對穩(wěn)定，可為同一型號的經(jīng)編機(jī)在生產(chǎn)時提供參考。

3 結(jié) 論

本文在HKS2-SE型經(jīng)編機(jī)上測試并分析了機(jī)速對紗線張力的影響，主要得出以下結(jié)論。

1)經(jīng)編機(jī)由低速提高至高速的過程中，紗線張力的最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差均減小，紗線張力大小趨于一致。機(jī)速的提高增大了成圈部件對紗線的拉力，增大彈性張力桿張力補(bǔ)償?shù)姆?，同時增大了其工作頻率，降低了紗線張力。

2)當(dāng)機(jī)速在2 500～3 500 r/min之間時，張力分布曲線平均值附近數(shù)據(jù)分布較集中, 紗線張力波動程度較弱，而機(jī)速過大或過小均不利于紗線張力波動，這一速度范圍可為相同機(jī)型經(jīng)編機(jī)的生產(chǎn)提供參考。