異形集聚器對(duì)三角區(qū)纖維運(yùn)動(dòng)調(diào)控機(jī)理的研究

陳 澤 范 航 楊圣明 江 偉 劉可帥

（1.武漢紡織大學(xué)，湖北武漢，430200；2.安徽華茂紡織股份有限公司，安徽安慶，246018）

集聚紡紗是對(duì)傳統(tǒng)環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)進(jìn)行改造而形成的一種新型紡紗技術(shù)，能有效改善和提高成紗質(zhì)量［1］。目前，集聚紡主要分為氣流式集聚和機(jī)械式集聚，其基本原理大致相同，都是通過(guò)集聚裝置的作用對(duì)輸出須條進(jìn)行集聚撫順，以達(dá)到收縮須條寬度，減小或消除紡紗三角區(qū)，促進(jìn)邊緣纖維更有效卷入紗體的目的［2-4］，不同的是，前者主要是利用負(fù)壓氣流進(jìn)行集聚，其中最具代表性的主要有Sussen 公司的Elite 系統(tǒng)、Rieter 公司的COM4 系 統(tǒng)、Toyota 公 司 的RX240NEW-EST 系統(tǒng)以及Zinser 公司的CompACT3 系統(tǒng)，所紡紗線結(jié)構(gòu)緊密、纖維抱合緊密、力學(xué)性能顯著提升，但仍存在成本高、能耗大、網(wǎng)眼及圓孔易堵塞等問(wèn)題［5-6］；而后者則是利用集聚器的緊密通道進(jìn)行集聚，其中最具代表性的主要是Rotorcraft 公司的RoCoS 系統(tǒng)，最大的特點(diǎn)是成本低、無(wú)能耗、便于安裝和維護(hù)，但存在集聚通道容易引發(fā)紗疵，造成細(xì)紗斷頭，適紡紗號(hào)受限等問(wèn)題［7-8］。

本研究在直形機(jī)械集聚器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種具有多重集聚效果的異形集聚器，以多維應(yīng)力控制纖維須條達(dá)到多重集聚效果，克服了直形集聚器的缺陷，提升了集聚器的使用效率以及集聚效果，從而有效提高成紗質(zhì)量。

1 異形集聚器的作用原理

如圖1 所示，在前膠輥前端安裝固定支架，集聚器連接于固定支架，與前膠輥、前羅拉形成接觸弧，紗線從集聚器內(nèi)的集聚通道中穿過(guò)，通過(guò)與集聚通道表面接觸而作用于成紗段，從而改變成紗三角區(qū)結(jié)構(gòu)以調(diào)控纖維成紗狀態(tài)。

圖1 集聚器裝配示意圖

1.1 異形集聚器形態(tài)對(duì)纖維的控制理論

圖2為集聚器形態(tài)結(jié)構(gòu)。如圖2（a）所示，直形集聚方法是對(duì)前鉗口輸出的纖維須條施加多維的摩擦應(yīng)力，對(duì)紗條的縱向和橫向運(yùn)動(dòng)加以約束。纖維須條受到的橫向約束力減小了加捻三角區(qū)的寬度，并縮短了捻合點(diǎn)到前鉗口的距離，使得傳遞到紗條上的扭矩應(yīng)力增大，強(qiáng)化了紗條內(nèi)部纖維的轉(zhuǎn)移及抱合以減少毛羽，而縱向摩擦力界捕捉紗條表層外露纖維，促使纖維緊密抱合［9-11］。這種傳統(tǒng)集聚器的作用分布集中在前端，對(duì)前端的使用負(fù)荷大，而中后端的集聚作用效率低下，因而改善集聚器使用效率分布與提高集聚效果是突破高品質(zhì)成紗瓶頸的關(guān)鍵。

圖2 集聚器形態(tài)結(jié)構(gòu)

如圖2（b）所示，異形集聚器“y”形通道的特殊集合形態(tài)給纖維須條帶來(lái)了多重機(jī)械集聚效果，首先異形集聚器最前端（AO段）的摩擦力界控制加捻三角區(qū)形態(tài)，并以多維應(yīng)力調(diào)控邊緣纖維張力及表層外露纖維轉(zhuǎn)移；接著異形集聚器傾斜通道（OP段）增加了紗條的接觸應(yīng)力與作用面積，對(duì)充分內(nèi)外轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)捻合成形的紗條表層纖維進(jìn)行動(dòng)態(tài)捕捉式集聚，促使纖維有效捻入紗條內(nèi)部，此外，異形集聚器“y”形通道迫使須條發(fā)生傾斜運(yùn)動(dòng)，使須條產(chǎn)生沿軸線的扭轉(zhuǎn)力矩以加強(qiáng)集聚作用［12］；最終經(jīng)集聚點(diǎn)P的靜態(tài)弧面的握持，再次將紗條表層纖維約束撫順，提高纖維排列緊密程度以改善紗條表層光潔度。

集聚器調(diào)控纖維應(yīng)力狀態(tài)分析如圖3 所示。在圖3（a）中，當(dāng)紗條表層或邊緣纖維在摩擦力界應(yīng)力控制下集聚時(shí)，容易在紗條上一點(diǎn)處形成粗節(jié)、棉結(jié)［13］，其在傳統(tǒng)集聚器內(nèi)逐漸收斂的集聚通道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，易增加粗節(jié)或棉結(jié)處纖維與通道間的摩擦，造成纖維難以轉(zhuǎn)移并堆積，惡化成紗質(zhì)量。

圖3 集聚器調(diào)控纖維應(yīng)力狀態(tài)分析

如圖3（b）所示，異形集聚器的通道寬度大于直形集聚器，確保通道不會(huì)因?yàn)殡s質(zhì)或粗節(jié)而造成堵塞。并且傾斜通道加大了纖維運(yùn)動(dòng)受控距離，調(diào)節(jié)紗條內(nèi)部扭矩應(yīng)力來(lái)增強(qiáng)纖維轉(zhuǎn)移效率，從而消除部分纖維因來(lái)不及轉(zhuǎn)移而造成的集聚疵點(diǎn)。殘余的集聚疵點(diǎn)經(jīng)靜態(tài)弧面撫順握持，協(xié)同紗條受異形集聚器形態(tài)而改變的彎曲應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力［14］，有效剝離、分散表層堆積纖維，并重新捻入紗體，在減少毛羽的同時(shí)提高了纖維利用率，因此異形集聚器能更有效適應(yīng)紗條的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1.2 異形集聚器對(duì)纖維控制的力學(xué)模型

須條在成紗三角區(qū)加捻過(guò)程中受到來(lái)自異形集聚器對(duì)纖維的集聚作用力。集聚作用力受力分析如圖4 所示，將與異形集聚器接觸的須條作為受力分析對(duì)象，微分須條單元，以平行于鉗口線的方向?yàn)閄軸，垂直于鉗口線的方向?yàn)閅軸。

圖4 異形集聚器微元段受力分析

如圖4（a）所示，在異形集聚器AO段，由紗線沿X軸、Y軸方向受力分析可得如下方程。

在X軸方向：

在Y軸方向：

如圖4（b）所示，在異形集聚器OP段，由紗線沿X軸、Y軸方向受力分析可得如下方程。

在X軸方向：

在Y軸方向：

其中，s為須條長(zhǎng)度；T為須條受到的牽引力；f為須條受到的總摩擦力；F為須條受到的集聚作用力；N為須條受到的異形集聚器支持力；θ為集聚器AO弧面投影所對(duì)的圓心角；α為集聚器OP斜面與水平面所呈的夾角。

根據(jù)方程（1）～（4）可以推出，纖維受到的集聚作用力F與集聚器形態(tài)的適配關(guān)系，成為了影響集聚器調(diào)控成紗質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

2 試驗(yàn)部分

2.1 紗線制備

為初步探究異形集聚器的雙重機(jī)械集聚作用對(duì)所紡紗線性能的改善，按圖5 所示方法紡紗，將傳統(tǒng)環(huán)錠紡（方案A）、直形集聚器（方案B）與異形集聚器（方案C）所紡的3 組紗線進(jìn)行對(duì)比分析。 其中異形集聚器AO段接觸長(zhǎng)度約6 mm，OP段接觸長(zhǎng)度約10 mm。

圖5 集聚器上機(jī)示意圖

在DSSp-001 型細(xì)紗機(jī)上選取同錠分別紡制14.6 tex 紗線，每錠紡制5 組管紗。細(xì)紗機(jī)工藝參數(shù)：錠速14 125 r/min，粗紗定量6 g/10 m，前羅拉線速度137.3 m/min，鉗口隔距3.0 mm，捻系數(shù)395，后區(qū)牽伸1.15 倍，鋼絲圈型號(hào)W321 28/0，鋼領(lǐng)型號(hào)PG1 4254。

2.2 紗線性能測(cè)試

采用RH-2000 型數(shù)字視頻顯微鏡對(duì)不同紗線的表觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析；以FZ/T 01086—2000《紗線毛羽測(cè)定方法 投影計(jì)數(shù)法》測(cè)試紗線毛羽性能，測(cè)試儀器為H400 型毛羽儀，測(cè)試速度30 m/min，取5 組平均值；以GB/T 3292.1—2008《紗線條干不勻試驗(yàn)方法 第1 部分：電容法》測(cè)試紗線的條干性能，測(cè)試儀器為E500 型條干儀，測(cè) 試 時(shí) 間1 min ，測(cè) 試 速 度400 m/min，取5 組平均值；以GB/T 3916—2013《卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》測(cè)試紗線的強(qiáng)力性能，測(cè)試儀器為YG063C 型單紗強(qiáng)力儀，拉伸速度500 mm/min，取20 組平均值。

3 分析與討論

3.1 紗線表觀特征

3 種方案所紡紗線的表觀形態(tài)特征見(jiàn)圖6。

圖6 不同方案所紡紗線的表觀結(jié)構(gòu)圖

方案A，如圖6（a）所示，環(huán)錠紡原紗表層大量外露纖維；如圖6（b）所示，絡(luò)筒后的紗線毛羽更加明顯。方案B，采用直形集聚器所紡紗線表觀結(jié)構(gòu)有所改善，如圖6（c）所示，在應(yīng)力約束下表層外露纖維明顯減少，纖維脫散較少，紗線結(jié)構(gòu)較為緊密；如圖6（d）所示，絡(luò)筒后又有部分纖維重新裸露出紗體。方案C，異形集聚器所紡紗線的毛羽在多重集聚下捻入紗體，因而表層纖維排列整齊順直，纖維間抱合緊密，如圖6（e）所示，而經(jīng)絡(luò)筒后所紡紗線毛羽依舊能得到較好控制，紗線表觀光潔平整，如圖6（f）所示。

3.2 紗線毛羽

表1 為紗線毛羽測(cè)試結(jié)果。方案A 管紗的各項(xiàng)毛羽根數(shù)最多，原因在于傳統(tǒng)環(huán)錠紡原紗缺少三角區(qū)的摩擦力界控制，三角區(qū)寬度大，邊緣纖維難控制，形成毛羽。與方案A 相比，方案B 和方案C所紡管紗3 mm 毛羽分別減少了17.7% 和52.1%，而1 mm 短毛羽減少了16.0% 和36.9%。直形集聚器僅通過(guò)橫向及縱向約束，對(duì)三角區(qū)轉(zhuǎn)移的纖維進(jìn)行控制，當(dāng)遇到剛性更大的短毛羽時(shí)，集聚器的約束應(yīng)力不足以有效控制邊緣纖維的張力分布，因此對(duì)短毛羽改善效果更弱［15-16］。方案C 中，異形集聚器以多重摩擦力界控制纖維扭轉(zhuǎn)，增加的通道斜面調(diào)整紗條運(yùn)動(dòng)傾角以加強(qiáng)纖維的扭轉(zhuǎn)抱合，并協(xié)同握持點(diǎn)將外露纖維重新捻入紗條內(nèi)部，而剛性大的短纖維在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到多重控制使得被重新捻入紗條的幾率增高，因而其所紡紗線的毛羽性能顯著優(yōu)于直形集聚器所紡紗線。

表1 紗線毛羽測(cè)試結(jié)果

通過(guò)與方案A 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案B 所紡?fù)布喼? mm、2 mm、3 mm 毛羽分別減少了13.2%、9.0% 和15.5%，而方案C所紡?fù)布喼? mm 、2 mm、3 mm 毛羽分別減少了35.5%、35.7% 和36.6%。方案C 所紡紗線各項(xiàng)毛羽減少程度都大于方案B，這表明在異形集聚器多重集聚作用下重新卷入紗體的纖維抱合緊密，在絡(luò)筒工序摩擦下不易外露；與圖6 中紗線的表觀特征相一致，其作用于紗體表面的多重附加摩擦力界調(diào)控邊緣及表層纖維，實(shí)現(xiàn)了成紗表觀光潔、毛羽少。

3.3 紗線條干

表2 為不同方案所紡紗線的條干測(cè)試結(jié)果。與環(huán)錠紡原紗對(duì)比，方案B 所紡紗線條干值惡化了2.7%，且細(xì)節(jié)、粗節(jié)和棉結(jié)皆有所增加，說(shuō)明直形集聚器的約束促使纖維在紗條表層集聚，導(dǎo)致纖維與集聚器間摩擦增大，阻礙纖維充分轉(zhuǎn)移，造成局部纖維堆積現(xiàn)象。方案C 所紡紗線條干和紗疵都得到改善，這是由于纖維沿異形集聚器通道的傾斜運(yùn)動(dòng)，既利用斜面的附加摩擦力界調(diào)控紗條表層纖維排列結(jié)構(gòu)，又加強(qiáng)了紗條捻度傳遞，促進(jìn)纖維間轉(zhuǎn)移抱合以消除纖維局部堆積［17］。最終輸出時(shí)的弧面握持有效固化了表層纖維排列，并將脫散的纖維進(jìn)一步包纏至紗體細(xì)節(jié)處。

表2 紗線條干綜合測(cè)試結(jié)果

各方案所紡?fù)布喌臈l干都有所惡化，條干值較管紗分別增加了0.7%、3.4% 和3.0%，紗疵也明顯增加。說(shuō)明通過(guò)集聚器整束的表層纖維經(jīng)絡(luò)筒工序的各器件摩擦后包纏緊度顯著下降，部分纖維再次裸露、紗線結(jié)構(gòu)有所破壞，同時(shí)與圖6 的表觀結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。

3.4 紗線強(qiáng)力

各方案所紡紗線的斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)如表3 所示。結(jié)果顯示，方案B 與方案C 所紡管紗的斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)皆大于方案A，斷裂強(qiáng)力分別提高了2.2% 和9.0%，這表明異形集聚器的多重集聚作用對(duì)紗條表層纖維實(shí)施的多級(jí)立體式調(diào)控，提高了纖維間的抱合力和摩擦力以實(shí)現(xiàn)抱合緊密的紗線結(jié)構(gòu)。由于異形集聚器可控制外露纖維充分捻入紗體，而不是僅集聚在紗線表層，因而其紗線內(nèi)纖維利用率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的直形集聚器所紡紗線。然而方案C 所紡管紗的斷裂伸長(zhǎng)率要小于方案B 所紡管紗，這可能是異形集聚器多重集聚后紗線內(nèi)部纖維排列更加緊密，纖維間相對(duì)滑移的空間較小造成的［18］。

表3 單紗強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果

絡(luò)筒后方案B 所紡紗線強(qiáng)力與環(huán)錠紡原紗相近，反應(yīng)其直形集聚器所調(diào)控的紗條結(jié)構(gòu)緊度嚴(yán)重受到絡(luò)筒張力及摩擦影響；而多重集聚固化了纖維排列結(jié)構(gòu)及軸向應(yīng)力分布，保障紗線強(qiáng)伸性在絡(luò)筒工序不易惡化。

4 結(jié)論

通過(guò)研究異形集聚器調(diào)控纖維成紗的原理，并與環(huán)錠紡原紗及直形集聚器所紡紗線的表觀形態(tài)和性能特征進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)得出以下結(jié)論。

（1）直形集聚器對(duì)三角區(qū)纖維有應(yīng)力約束和減小加捻三角區(qū)寬度的作用，有效捕捉表層纖維，減少外露毛羽，提高成紗強(qiáng)力；但是局限于前端的摩擦力界難以提高集聚效果，易出現(xiàn)纖維局部集聚導(dǎo)致條干惡化，甚至造成集聚器的堵塞。

（2）異形集聚器通過(guò)其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維的多重集聚調(diào)控，多維摩擦力界的分層控制調(diào)整成紗扭矩分布，提高了纖維的轉(zhuǎn)移效率，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部纖維充分轉(zhuǎn)移；多維立體式撫順握持既改善了表層纖維的排列結(jié)構(gòu)，又可消除出現(xiàn)的纖維局部集聚現(xiàn)象，協(xié)同加捻力矩將外露纖維重新卷入紗體，實(shí)現(xiàn)了外層纖維緊密纏繞。最終成紗毛羽、強(qiáng)力和條干性能都得到大幅改善，并且紗體結(jié)構(gòu)固化緊密，經(jīng)絡(luò)筒后不易脫散、惡化。

（3）本研究提供了一種異形聚集器調(diào)控纖維成紗的可行性方案，通過(guò)異形聚集器尺寸設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的原料適應(yīng)性和廣泛的紗號(hào)選擇性。采用該異形聚集器成本較低，對(duì)調(diào)控纖維成紗，改善紗線毛羽、強(qiáng)力和條干性能，具有重要的指導(dǎo)意義和參考意義。