熱熔漿料漿紗機設(shè)計

衛(wèi)晉波， 楊敏鴿， 劉江南， 王俊勃， 馬 榛， 孫國梁

(1.西安工程大學(xué) 材料工程學(xué)院， 陜西 西安 710048；2.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

在紡織品的生產(chǎn)過程中，上漿是極其關(guān)鍵的工藝，其形成的漿膜對經(jīng)紗起到保護(hù)作用，能提高紗線的力學(xué)性能。我國是紡織服裝生產(chǎn)大國，紡織漿料的年消耗量高達(dá)百萬噸[1]，目前所用漿料主要有淀粉漿料、PVA漿料和丙烯酸漿料等。這些漿料都是水溶性漿料，上漿后需要烘干，而烘干所用能耗占到整個上漿過程的67%以上[2]，同時也制約著上漿速度的提升。

熱熔漿料無需烘干，工藝流程短，但存在熔融溫度和合成成本高等問題。經(jīng)過本課題組長期探索研究，對用于棉纖維[3]、滌棉[4-7]和毛纖維[8]的熱熔漿料均有重大突破，已經(jīng)基本解決了制約工業(yè)化應(yīng)用的問題。為實現(xiàn)熱熔漿料上漿的工業(yè)化，需要解決配套的上漿設(shè)備，本課題組曾為研發(fā)的熱熔漿紗機申請了發(fā)明專利[9]，但對于熱熔漿料的性能考慮不全面，需要對熱熔漿紗機進(jìn)行重新設(shè)計。

因此，課題組從熱熔漿料本身性能入手，確定適合的上漿方式，設(shè)計熱熔漿紗機各部分機械結(jié)構(gòu)，引入自動化技術(shù)設(shè)計熱熔漿紗機的控制方案，實現(xiàn)熱熔漿料自動化上漿。

1 漿料性能與上漿工藝

漿料的性能決定其上漿工藝，主要體現(xiàn)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏度2方面。熱熔漿料常溫下為100%的固體漿料，不存在質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，因此需要從漿料的黏度探究合適的上漿工藝。

1.1 漿料黏度對漿紗性能的影響

漿液黏度對漿紗性能的影響主要在于被覆率和浸透率[10]。團(tuán)隊前期研究中對熱熔漿料黏度及漿紗性能進(jìn)行了實驗測試，結(jié)果顯示熱熔漿料黏度在160～220 MPa·s之間，與常用的淀粉漿料相比黏度較大，被覆率較高。圖1為熱熔漿料黏度與漿紗性能的折線圖，所用紗線為13 Tex滌棉紗，主要考慮上漿率、毛羽數(shù)和耐磨性3個較為重要的參數(shù)。從圖中來看，起初上漿率隨著黏度的增大而提高，耐磨次數(shù)先下降后升高；黏度超過170 MPa·s后，上漿率和耐磨次數(shù)呈下降趨勢，這是由于黏度增大、流動性降低造成的內(nèi)部浸透減少，同時紗線表面覆蓋的漿膜厚度也會變薄，造成耐磨性下降。毛羽數(shù)未呈現(xiàn)明顯規(guī)律，但黏度170 MPa·s左右時處于較低水平?？梢姛崛蹪{料黏度在170 MPa·s左右時漿紗性能最佳。對于其它不同規(guī)格和種類的紗線，雖未進(jìn)行實驗，但漿液黏度對漿紗性能影響的機理不變，因此變化趨勢應(yīng)基本相同。

圖1 熱熔漿料黏度與漿紗性能的折線圖Figure 1 Line diagram of hot melt slurry viscosity and slurry performance

熱熔漿料的黏度會隨著溫度的降低而變大，因此需要嚴(yán)格控制漿料的溫度波動范圍，根據(jù)黏度與溫度的變化規(guī)律，溫度控制精度應(yīng)該保持在±4 ℃以內(nèi)，避免因黏度波動過大造成漿紗性能下降。

1.2 漿紗方式的選擇

熱熔上漿曾采用過溝槽輥上漿[11]的方式，但溝槽內(nèi)部加工困難，溝槽光滑度不足會造成紗線表面漿膜粗糙，因此課題組選用浸壓上漿，通過壓漿使紗線表面漿膜平整。

目前主要有單浸單壓、單浸雙壓、雙浸雙壓和雙浸四壓等浸壓方式[12]。熱熔漿料黏度較大，紗線表面容易吸附漿料[13]，因此應(yīng)該減少紗線的浸漿時間，加快上漿速度，然后進(jìn)行多次壓漿，壓漿力先小后大，提高紗線的內(nèi)部浸透率，同時壓出多余漿料，有效控制上漿質(zhì)量。

經(jīng)過對比上述浸壓方式的適用范圍，并結(jié)合熱熔上漿工藝要求，設(shè)計中選擇單浸雙壓逐步加壓的漿紗方式。

圖2為漿紗方式原理圖。浸漿輥位于漿料液面下方，壓漿輥位于漿料液面上方，紗線進(jìn)入漿槽后首先從浸漿輥下方經(jīng)過進(jìn)行1次浸漿，隨后經(jīng)過上漿輥和壓漿輥的2次壓漿即可完成漿紗。浸漿可以使?jié){料初步覆蓋在紗線表面，只有小部分漿料進(jìn)入紗線內(nèi)部，壓漿則是通過壓力提高紗線的浸透率并使毛羽平伏。

圖2 漿紗方式原理Figure 2 Schematic of sizing method

1.3 浸漿時間與漿紗速度的關(guān)系

漿紗過程中漿槽中的漿液高度會逐漸降低，從而影響紗線在漿液中的浸漿長度，在漿紗速度一定時，浸漿時間也會隨著浸漿長度的縮短而變短。單浸雙壓較之其它浸壓方式，浸漿時間已經(jīng)縮短，再縮短的話會影響紗線的上漿率進(jìn)而影響紗線最終的織造性能，因此需要在浸漿長度變化時，通過改變漿紗速度來保證所需的浸漿時間。

圖3為紗線浸漿示意圖。浸漿長度被分為3段，分別用虛線、粗實線和點畫線表示，浸漿輥直徑為80 mm，浸漿輥到漿槽底部距離為25 mm，左側(cè)紗線與液面右側(cè)夾角為110.09°(固定值)，右側(cè)紗線與液面左側(cè)夾角為107.22°(固定值)，γ=142.69°。

圖3 紗線浸漿示意圖Figure 3 Schematic diagram of yarn impregnation

隨著漿液高度的變化，紗線與液面2個接觸點到浸漿輥軸心連線和豎直方向形成的2個夾角也時刻在變化，根據(jù)已知條件，可得出如下關(guān)系：

(1)

(2)

式中：h為漿液高度，α和β分別為紗線與液面2個接觸點到浸漿輥軸心連線和豎直方向形成的2個夾角。

浸漿長度在漿槽中按走紗路線大致可以分為3段，根據(jù)圖3所示可得到下列式子：

(3)

(4)

(5)

式中：l1為紗線與液面左側(cè)接觸點到紗線與浸漿輥相切的左側(cè)切點的長度，l2為紗線與浸漿輥貼合的圓弧長度(近似為圓弧)，l3為紗線與液面右側(cè)接觸點到紗線與浸漿輥相切的右側(cè)切點的長度，d為浸漿輥直徑。

綜合式(3)～(5)，可得漿紗速度

(6)

式中：v為漿紗速度，L為浸漿總長度，t為浸漿時間。

可以進(jìn)行正常上漿的液面高度最低為205 mm，代入得最小浸漿總長度Lmin=422.28 mm，液面高度最高為245 mm(即液面處于上漿輥的中心水平線上)，代入得最大浸漿總長度Lmax=506.55 mm。液面高度最高時，上漿輥能將更多的漿液帶入擠壓區(qū)進(jìn)行壓漿，提高紗線的浸透程度。目前傳統(tǒng)漿紗機漿紗速度為60 m/min時，浸漿時間為0.55～0.91 s，考慮到熱熔漿料比較容易附著在紗線上，課題組將浸漿時間設(shè)定為0.25 s，得到熱熔漿紗機的最佳漿紗速度約為121.57 m/min，滿足熱熔上漿要求的同時大大加快了上漿速度。

2 熱熔漿紗機的整體控制方案

2.1 傳動控制方案

圖4是傳動控制流程示意圖。根據(jù)熱熔上漿所采用的漿紗方式及實際需求，熱熔漿紗機分為送紗、漿紗、卷紗和供漿4個部分。人機界面顯示設(shè)備運行狀況，PLC通過程序控制變頻器調(diào)節(jié)3個電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對送紗、漿紗和卷紗3部分的傳動控制；供漿部分的閥門開關(guān)單獨控制。該方案采用多輸入多輸出方式控制，實現(xiàn)各工位協(xié)調(diào)工作，簡化機械結(jié)構(gòu)，提高設(shè)備自動化程度。

圖4 傳動控制流程圖Figure 4 Schematic diagram of transmission control process

2.2 溫度控制方案

此外，由于漿槽溫度需要精確控制在±4 ℃以內(nèi)，采用溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。圖5為溫度閉環(huán)控制原理圖。

圖5 溫度閉環(huán)控制原理Figure 5 Temperature closed-loop control schematic

從人機界面發(fā)出指令使PLC打開加熱器開關(guān)對漿料進(jìn)行加熱，溫度傳感器監(jiān)測漿液的溫度并通過人機界面顯示，隨著溫度向目標(biāo)值接近，利用PID來調(diào)節(jié)加熱器占空比，降低加熱器的加熱速度，使溫度緩慢上升，逐漸達(dá)到目標(biāo)溫度，并保持不變。

3 熱熔漿紗機的設(shè)計

3.1 送紗與卷紗部分

送紗部分主要是將整經(jīng)機的紗線運送到漿紗部分，由于整經(jīng)機是從筒子架上引出的紗線，為了減少紗線之間的纏繞，整經(jīng)機加大了紗線的張力，使其完全繃緊。如果直接進(jìn)入漿紗會加大紗線斷頭的風(fēng)險，所以在進(jìn)行漿紗之前，需要對紗線進(jìn)行退繞以適當(dāng)減小張力，之后張力保持恒定。而卷紗部分則是使上漿完成后的紗線繼續(xù)保持一定的張力，避免紗線之間互相粘連，為后續(xù)的織造做好準(zhǔn)備。

如圖6所示，通過在送紗和卷紗過程中加裝恒張力控制器實現(xiàn)紗線張力的控制，其工作原理為張力傳感器檢測紗線的張力大小，當(dāng)送紗部分張力過小時，磁粉制動器開始制動，送紗輥減慢送紗速度，紗線張力逐漸增大，張力上升到標(biāo)準(zhǔn)值后，磁粉制動器停止制動，送紗輥加快送紗速度，紗線張力又會逐漸減小，磁粉制動器重新開始制動，如此循環(huán)往復(fù)，卷紗部分同理。選用采樣間隔為100 ms、誤差小于±1 N的張力傳感器，從而實現(xiàn)張力控制的快速響應(yīng)，使紗線的張力保持在一個較為穩(wěn)定的水平，同時也使紗線之間保持一定的間距，降低纏繞斷頭的風(fēng)險。

圖6 送紗卷紗部分示意圖Figure 6 Schematic diagram of yarn feeding roll part

3.2 漿紗部分設(shè)計

圖7為漿紗部分結(jié)構(gòu)簡圖。漿槽壁分為3層，內(nèi)外2層為鋼結(jié)構(gòu)，中間層為保溫材料，保溫層的設(shè)計在減少漿槽散熱的同時保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。漿槽壁開口處通過密封板進(jìn)行密封，防止?jié){槽中的漿料進(jìn)入到中間保溫層。漿槽內(nèi)部安裝有加熱器、溫度傳感器和液位傳感器，分別用來加熱漿料以及監(jiān)測漿液的溫度和液面高度。

1—漿槽外壁；2—保溫層；3—漿槽內(nèi)壁；4—浸漿輥；5—溫度傳感器；6—擋板；7—上漿輥；8—壓漿輥；9—加壓臂；10—進(jìn)紗輥；11—分絞針；12—送漿管道；13—出紗輥；14—液位傳感器；15—氣缸；16—加熱器。

漿槽2側(cè)進(jìn)紗口和出紗口分別設(shè)有進(jìn)紗輥和出紗輥，實現(xiàn)紗線的入槽和出槽。漿槽2側(cè)外壁上安裝有可轉(zhuǎn)動的分絞針，分絞針直徑為1 mm，之間間距僅有1～3 mm，在紗線進(jìn)入漿槽后下拉分絞針，使之穿入紗線間隙中。這樣既保持了紗線的間距，又減小了漿槽內(nèi)部與外界熱交換的面積，減少熱量的散失。

紗線進(jìn)入漿槽后首先經(jīng)過浸漿輥，使紗線浸沒在漿料中，浸漿輥為組合花籃式，對漿料起攪拌作用，上方安裝有擋板，防止浸漿輥快速轉(zhuǎn)動時漿料飛濺；浸漿輥2端軸承處安裝專用軸承罩，該軸承罩位于漿槽內(nèi)，與軸承和漿槽內(nèi)壁緊貼，防止?jié){料浸入軸承。隨后紗線經(jīng)過2次壓漿，通過出紗輥離開漿槽。壓漿機構(gòu)由上漿輥、壓漿輥、加壓臂及氣缸組成，通過控制氣缸的拉力準(zhǔn)確調(diào)節(jié)壓漿力。

3.3 供漿部分

如圖8所示，供漿部分對漿料進(jìn)行預(yù)加熱并通過供漿管道與漿紗部分漿槽連接，連接處設(shè)置電動閥門?？赏ㄟ^放置在漿槽中的液位傳感器監(jiān)測液面高度，當(dāng)液面下降到230 mm時，閥門打開，供漿槽開始供漿；當(dāng)液面達(dá)到245 mm后，閥門關(guān)閉，供漿槽停止供漿。供漿槽內(nèi)同樣也安裝液位傳感器，當(dāng)供漿槽內(nèi)液面高度小于40 mm時，接近傳感器向PLC輸送信號激發(fā)報警裝置，提醒操作工向供漿槽中添加固體的熱熔漿料，同時氣壓伸縮桿伸長，推開滑軌上的供漿槽蓋。

1—供漿槽底座；2—供漿管道；3—閥門；4—供漿槽；5—供漿槽蓋；6—把手；7—氣壓伸縮桿；8—氣缸支架；9—滑軌。

4 結(jié)語

為解決現(xiàn)有上漿工藝中存在的高能耗、高污染以及低效率的問題，在熱熔漿料發(fā)展成熟的基礎(chǔ)上，課題組對熱熔漿紗機各部分機械結(jié)構(gòu)和控制方案進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)熱熔漿料自動化上漿。與傳統(tǒng)水溶性上漿設(shè)備比較，熱熔漿紗機的性能有較大提升，主要體現(xiàn)在以下方面：

1) 熱熔漿料的最佳漿紗黏度為170 MPa·s，選擇單浸雙壓的上漿方式，浸漿時間縮短為0.25 s，同時去除烘干工序，上漿速度在120 m/min以上。

2)花籃式的浸漿輥浸入漿料中可以實現(xiàn)對漿料的攪拌，使?jié){料受熱均勻；送紗和卷紗過程中采用恒張力控制器，漿槽進(jìn)出口處安裝分絞針，大大降低紗線纏繞、斷頭的風(fēng)險，提高整機工作效率。

3) 漿槽中間保溫層的設(shè)計在減少漿槽散熱的同時保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；去除傳統(tǒng)水溶性漿紗機中能耗占比67%以上的烘干裝置，達(dá)到減少能耗的目的。