數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)構(gòu)建及紡紗工藝實踐

劉禹辰,朱文碩,薛 元,陳國方,石煥強

(1.江南大學 紡織科學與工程學院,江蘇 無錫 214122; 2.泰坦股份有限公司,浙江 紹興 312500)

轉(zhuǎn)杯紡紗是自由端紡紗中技術最成熟、推廣應用最廣泛、發(fā)展最迅猛的一種新型紡紗方法。轉(zhuǎn)杯紡紗通過高速回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯及杯內(nèi)負壓完成纖維的輸送、凝聚、并合、加捻成紗,具有紡紗流程短、使用原料廣泛、紡紗速度與生產(chǎn)效率高的特點。

目前,世界上擁有轉(zhuǎn)杯紡紗機已超過900萬頭,轉(zhuǎn)杯紡生產(chǎn)的紗線在一定線密度范圍與用途上替代了環(huán)錠紗[1]。我國從20世紀50年代開始經(jīng)歷近70余年的發(fā)展,從引進國外轉(zhuǎn)杯紡設備并逐步掌握轉(zhuǎn)杯紡紗技術到自主研發(fā)和生產(chǎn)轉(zhuǎn)杯紡紗設備,目前國內(nèi)轉(zhuǎn)杯紡紗機規(guī)模已達400萬頭,成為世界上轉(zhuǎn)杯紡的生產(chǎn)大國[2]。紡織作為傳統(tǒng)行業(yè),存在生產(chǎn)工序多、流程長、紡紗設備智能化水平低等問題,亟需在紡紗車間管理的信息化、紡紗流程的連續(xù)化以及紡紗單機臺的柔性數(shù)字化等層面進行突破創(chuàng)新。

東華大學汪軍課題組[3]提出了雙喂給雙分梳的雙通道紡紗方法,由2個相互獨立的喂給裝置和2個相互獨立的分梳裝置組成,轉(zhuǎn)杯紡紗由原來的單根纖維條喂入梳理變?yōu)殡p根纖維條喂入梳理,從而克服了轉(zhuǎn)杯紡混紡紗及生產(chǎn)新型紗線方面的弱點。江南大學薛元課題組[4]提出了多通道異步喂給同步分梳的多通道紡紗方法(包括喂給分梳機構(gòu)、凝聚加捻機構(gòu)、卷繞成型機構(gòu)),其特征在于喂給分梳機構(gòu)包括3個回轉(zhuǎn)自由度的組合式給棉羅拉、多級分梳輥,實現(xiàn)了隨機調(diào)控轉(zhuǎn)杯紡成紗及混紡比。數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗技術[5-6]是在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)中創(chuàng)新設計三通道并行式牽伸-梳理機構(gòu)作為紡紗執(zhí)行機構(gòu),通過多電動機多自由度柔性驅(qū)動模式進行伺服驅(qū)動系統(tǒng)的創(chuàng)新,通過時序化控制紡紗執(zhí)行機構(gòu)的運動進行控制系統(tǒng)的創(chuàng)新,提出一種可調(diào)控成型紗線形態(tài)(線密度)變化、結(jié)構(gòu)(纖維排列及捻合松緊度)變化、3組分有色纖維混合比(混合色彩)變化的柔性化轉(zhuǎn)杯紡紗模式,使轉(zhuǎn)杯紡紗技術向多組分復合紡紗線、多色彩混色紡紗線、多功能疊加特種紗線等領域不斷拓展。

本文針對三通道數(shù)控轉(zhuǎn)杯紡紗機運行過程的特點,系統(tǒng)地介紹了數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)的組成及其工藝計算方法,通過設計及實施紡紗試驗,進一步明晰成紗機制,驗證三通道數(shù)控轉(zhuǎn)杯成紗的可行性,分析三通道纖維條的喂入及分梳分離工藝對成型紗線質(zhì)量的影響,為今后優(yōu)化紡紗工藝參數(shù),提升成紗質(zhì)量和紡紗效率奠定基礎。

1 數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 數(shù)控轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)的組成

數(shù)控轉(zhuǎn)杯紡紗是以多根棉條異步牽伸(多個通道)為本質(zhì)特征,能對所紡制紗線的混紡比、線密度及捻度的變化進行在線調(diào)控的紡紗方法。圖1所示的數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)主要由紡紗機械系統(tǒng)、紡紗控制系統(tǒng)和紡紗伺服系統(tǒng)構(gòu)成。紡紗機械系統(tǒng)是轉(zhuǎn)杯紡機最基本的系統(tǒng),其分梳機構(gòu)、凝聚加捻機構(gòu)、卷繞機構(gòu)使棉條成為紗線。紡紗控制系統(tǒng)與紡紗伺服系統(tǒng)通過數(shù)字化與信息化技術控制紡紗機械系統(tǒng)使成紗過程操作更加簡易、精確、智能。數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗機主要由觸摸屏、可編程邏輯控制器(PLC)、伺服驅(qū)動器、變頻器、編碼器以及變頻電動機、伺服電動機等組成。

圖1 數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)Fig.1 CNC three-channel rotor spinning system

1.2 紡紗機械系統(tǒng)

三通道轉(zhuǎn)杯紡紗機械系統(tǒng)包括多通道牽伸機構(gòu)、加捻機構(gòu)與卷繞成型機構(gòu)[7]。數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗機械系統(tǒng)如圖2所示,其中1、5、6為傳動齒輪,2、3、4為喂給羅拉,7、8、9為纖維條,10、11、12為膠輥,13為集棉器,14、15為中羅拉,16為分梳輥,17為轉(zhuǎn)杯,18為引紗膠輥,19為引紗羅拉,20為卷繞羅拉,21為紗管。

圖2 數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)Fig.2 CNC three-channel rotor spinning system

與單通道轉(zhuǎn)杯紡紗不同,數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)具有精巧的多自由度并行的牽伸機構(gòu)[8]。多通道牽伸機構(gòu)包括一級牽伸機構(gòu)和二級牽伸機構(gòu),其中一級牽伸機構(gòu)是由3個獨立驅(qū)動的同線握持鉗口與中羅拉組成,二級牽伸機構(gòu)是由中羅拉、分梳輥、轉(zhuǎn)杯、引紗羅拉等構(gòu)成。由3個伺服電動機獨立驅(qū)動的3個同軸心、同外徑的嵌套羅拉作為喂給羅拉與3個同軸心、同外徑的膠輥組成3個同線握持鉗口。3個獨立驅(qū)動的鉗口握持3根棉條并以獨立變化的速度將3根纖維條喂入一級牽伸區(qū),經(jīng)一級牽伸的3根纖維條由中羅拉喂入二級牽伸區(qū),經(jīng)分梳輥的分梳分離,一方面將來自不同纖維條的纖維進行橫向混合,另一方面在提升其伸直度、平行度及分離度的基礎上,將喂入的3根纖維條分離成單纖維流,經(jīng)由氣流通道進入轉(zhuǎn)杯后先分離再凝聚,由引紗羅拉引出完成二級牽伸。由此通過對3根纖維條的異步牽伸和混合分梳及轉(zhuǎn)杯凝聚,使紗線成型達到預定的線密度與混合比。三通道轉(zhuǎn)杯紡紗的加捻過程與單通道轉(zhuǎn)杯紡紗基本相同,是由轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速與引紗羅拉線速度相互配合完成加捻,使紡紗成型達到預定的捻度。三通道轉(zhuǎn)杯紡紗的卷繞成型過程與單通道轉(zhuǎn)杯紡紗基本相同,是由筒管的卷繞轉(zhuǎn)速與導紗橫動速度相互配合完成卷繞成型,使紡紗成型達到預定的卷裝形式。

1.3 紡紗伺服系統(tǒng)

如圖1中所示,數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)的牽伸運動、加捻運動、卷繞運動是上位機PLC控制3個喂給羅拉、中羅拉、分梳輥、轉(zhuǎn)杯、引紗羅拉、卷繞及橫動導紗裝置的伺服驅(qū)動器實現(xiàn)的。操作員通過人機交互界面發(fā)送指令到PLC,PLC將指令轉(zhuǎn)化為伺服驅(qū)動器可以識別并接收的數(shù)據(jù)模擬量,伺服驅(qū)動器根據(jù)模擬量發(fā)送模擬信號到伺服電動機進而控制伺服電動機的運轉(zhuǎn),編碼器再將電動機運轉(zhuǎn)情況反饋給中央處理器完成9軸聯(lián)動的三通道轉(zhuǎn)杯紡紗工作循環(huán),限位開關設計為機器操作按鈕進行開、停紡紗機。

1.4 紡紗控制系統(tǒng)

數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗的控制系統(tǒng)由控制系統(tǒng)硬件與控制系統(tǒng)軟件組成?？刂葡到y(tǒng)硬件由上位機、下位機及通訊接口等組成[9]。根據(jù)人機交互模式需求,上位機可由遠程電腦、中央控制室或本地工控機、觸摸屏等組成。上位機主要完成人機交互功能,通過鍵盤或觸摸屏輸入運行轉(zhuǎn)杯紡紗機所需要初始參數(shù)(設備初始參數(shù)、原料初始參數(shù)、運行初始參數(shù))、紗線的規(guī)格參數(shù)(線密度、混紡比、捻度、分段長度)和設備運行參數(shù)(3個喂給羅拉速度、中羅拉速度、分梳輥轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速、引紗速度、卷繞速度、橫動速度、氣流速度與壓力)等。下位機可選用可編程控制器PLC或單片機,下位機接受上位機的指令并將其轉(zhuǎn)換成相應時序的信號后分別發(fā)送至相應的驅(qū)動器,驅(qū)動器再將其轉(zhuǎn)換成脈沖電壓(或電流)信號,進而對數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)進行精確控制[10]。上位機與下位機之間的通訊方式有多種,如以觸摸屏為上位機,采用RS232串口通信或RS485串行通信;以微型計算機為上位機,則采用傳統(tǒng)形式的串行通信或PROFIBUS-DP形式的雙線通信,使用程序開發(fā)工具實現(xiàn)PLC和上位機的通信;以遠程計算機或運維平臺為上位機,采用工業(yè)用5 G路由器[11],并以Modbus-RTU通信協(xié)議完成相關數(shù)據(jù)傳送,聯(lián)網(wǎng)寶利用SIM卡撥號連網(wǎng)與內(nèi)部平臺連接,智能云端管理平臺通過虛擬串口并以TCP/IP通信協(xié)議與內(nèi)部平臺連接,實現(xiàn)PLC可編程控制器到聯(lián)網(wǎng)寶、聯(lián)網(wǎng)寶到智能云端管理平臺的無線、雙向、準確、安全的數(shù)據(jù)通信。在下位機硬件的搭建中,PLC設備控制伺服驅(qū)動器從而控制羅拉的速度,通過SVDS模塊,將輸入端口(CN6/IN)與輸出端口(CN6/OUT)相互連接通信,實現(xiàn)對羅拉速度的控制。

控制系統(tǒng)軟件包括上位機觸摸屏程序和下位機PLC程序。上位機觸摸屏通過軟件計數(shù)器賦值,將工藝參數(shù)進行調(diào)整,通過觸摸屏的使用、SD卡讀取的方式將模擬量傳遞給A/D轉(zhuǎn)換裝置,A/D轉(zhuǎn)換裝置的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換為可以被PLC控制器識別的數(shù)字量從而進行數(shù)模轉(zhuǎn)換,完成信息的傳遞。在軟件功能的設計中,編寫羅拉速度賦值的程序,完成中斷程序的設計,編寫對基本工藝參數(shù)賦值的程序,從而保證工藝流程的順利進行[12]。

2 轉(zhuǎn)杯紡紗結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)控機制構(gòu)建

設3根粗紗線密度為ρ0,RGB顏色值分別為Cα(Rα,Gα,Bα)、Cβ(Rβ,Gβ,Bβ)、Cγ(Rγ,Gγ,Bγ),3個喂給羅拉線速度為V0α、V0β、V0γ(m/min),中羅拉線速度為Vz(m/min),分梳輥轉(zhuǎn)速為ω1(r/min),轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速為ω2(r/min),引紗羅拉線速度為Vy(m/min),卷繞速度為Vj(m/min),成紗線密度為ρy(tex),成紗后3根棉條的線密度分別為ρα、ρβ、ργ(tex),混紡比為φα:φβ:φγ。

2.1 轉(zhuǎn)杯紡基本原理

2.1.1 轉(zhuǎn)杯紡牽伸比

①一級牽伸比:設中羅拉相對3個喂給羅拉線速度之比為3個通道的一級牽伸比E1α、E1β、E1γ,則:

(1)

②二級牽伸比:設引紗羅拉相對中羅拉線速度之比為二級牽伸比E2,則:

E2=Vy/Vz

(2)

③各通道總牽伸比:設引紗羅拉分別相對3個喂給羅拉線速度之比分別為3個通道總牽伸比Eα、Eβ、Eγ,則:

(3)

2.1.2 轉(zhuǎn)杯紡成紗線密度

轉(zhuǎn)杯紡成紗線密度為:

(4)

(5)

2.1.3 轉(zhuǎn)杯紡成紗混紡比

轉(zhuǎn)杯紡成紗混紡比為:

(6)

2.1.4 轉(zhuǎn)杯紡成紗色彩

(7)

2.1.5 轉(zhuǎn)杯紡成紗捻度

設成紗捻度為Nw,則:

Nw=ω2/Vy

(8)

2.2 紡紗成紗結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)控機制

轉(zhuǎn)杯紡成紗結(jié)構(gòu)參數(shù)包括紗線的線密度、捻度、混合比及色彩顏色值。假定紡紗過程中粗紗線密度ρ0,轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速ω2,引紗羅拉線速度Vy為常量,通過調(diào)控3個喂給羅拉線速度V0α、V0β、V0γ和中羅拉線速度Vz等參數(shù),從而調(diào)控轉(zhuǎn)杯紡紗線成型結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.2.1 成紗線密度調(diào)控機制

假定粗紗線密度ρ0和由混合比確定的3個通道的一級牽伸比E1α、E1β、E1γ為常量,由式(5)可知,依托二級牽伸比(E2+ΔE2)的變化可調(diào)控紡紗成型線密度(ρy+Δρy)的變化,具體如下:

(9)

假定粗紗線密度ρ0和引紗速度Vy為常量,由式(5)可知,依托三通道喂給羅拉速度的變化(V0α+ΔV0α)、(V0β+ΔV0β)、(V0γ+ΔV0γ),可調(diào)控紡紗成型線密度的變化(ρy+Δρy),具體如下:

(10)

2.2.2 成紗混紡比調(diào)控機制

由式(6)可知,根據(jù)喂給羅拉速度的變化(V0α+ΔV0α)、(V0β+ΔV0β)、(V0γ+ΔV0γ),可調(diào)控紡紗成型混合比的變化(φα+Δφα)、(φβ+Δφβ)、(φγ+Δφγ),具體如下:

(11)

2.2.3 成紗色彩調(diào)控機制

由式(7)可知,根據(jù)3個喂給羅拉速度的變化(V0α+ΔV0α)、(V0β+ΔV0β)、(V0γ+ΔV0γ),可調(diào)控紡紗成型色彩的變化(Cr+ΔCr)、(Cg+ΔCg)、(Cb+ΔCb),具體如下:

(12)

2.2.4 成紗捻度調(diào)控機制

假定轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速ω2為常量,由式(8)可知,根據(jù)引紗速度的變化(Vy+ΔVy),可調(diào)控成紗捻度的變化(Nw+ΔNw),具體如下:

Nw+ΔNw=ω2/(Vy+ΔVy)

(13)

3 數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡工藝實踐

3.1 基本紡紗工藝參數(shù)的選擇

數(shù)控三通道紡紗的優(yōu)勢是可以時序化調(diào)控成紗的線密度、混合比、捻度等結(jié)構(gòu)參數(shù),實現(xiàn)紡紗加工的柔性化。但由于三通道異步喂入纖維條速度的時序變化,出現(xiàn)一個動態(tài)且不穩(wěn)定的牽伸與分梳分離過程,導致紡紗過程不穩(wěn)定,使最終成型紗線的均勻性顯著下降,頻繁出現(xiàn)的紡紗斷頭降低了紡紗效率,為數(shù)控三通道紡紗技術的產(chǎn)業(yè)化增添了難度。為了發(fā)揮柔性紡紗可時序化調(diào)控紡紗成型線密度、混合比及捻度的優(yōu)勢,普及數(shù)控三通道紡紗技術,有必要進行紡紗工藝的優(yōu)化。

在試紡過程中發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速、分梳輥轉(zhuǎn)速、引紗速度、中羅拉速度、三通道纖維混合比等參數(shù)對紡紗過程的穩(wěn)定性及成紗質(zhì)量具有顯著的影響[13]。一般紡紗成型的線密度、捻度和混合比例等參數(shù)是根據(jù)客戶的需求確定的。根據(jù)成型紗線的線密度和混合比可以確定3根纖維條喂給速度與引紗羅拉線速度之間的牽伸比,根據(jù)成型紗線的捻度可以確定轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速與引紗速度之間的加捻比例[14]。為了確保紗線成型質(zhì)量和紡紗效率,通常選擇適紡轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速的上限作為轉(zhuǎn)杯的轉(zhuǎn)速;分梳輥轉(zhuǎn)速在考慮分梳與混合效果的基礎上一般也設為常量,為了確保產(chǎn)品所需要的紡紗成型捻度,引紗速度也設置為常量。

使用HFX-03-T型數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗機(華飛紡織科技有限公司),推薦三通道轉(zhuǎn)杯紡紗機轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速為18 000～25 000 r/min,轉(zhuǎn)杯口徑為35 mm、型號為42杯,分梳輥轉(zhuǎn)速為5 000～6 200 r/min,齒條為0K21。假捻盤為國產(chǎn)R7假捻盤。以線密度32 tex、捻度800 捻/m混色紗的紡制為例,喂入的纖維條定量為450 tex的純棉粗紗(安徽巢湖雅戈爾色紡有限公司),選擇機器基本工藝參數(shù)如表1所示。

表1 三通道轉(zhuǎn)杯紡紗機基本工藝參數(shù)Tab.1 Basic process parameters of three-channel rotor spinning machine

3.2 紡紗工藝參數(shù)的優(yōu)化

在三通道轉(zhuǎn)杯紡紗機基本工藝參數(shù)的基礎上,對其他紡紗工藝參數(shù)進行優(yōu)化,主要以三通道喂給羅拉速度、中羅拉速度、卷繞羅拉與引紗羅拉速比的優(yōu)化為目標。

3.2.1 三通道喂給速度的優(yōu)化

在三通道喂給速度之和確定的前提下,三通道喂給速度的大小主要取決于三通道纖維的混合比例。為探究三通道纖維的混合比例對紡紗過程及成紗質(zhì)量的影響,在其它工藝參數(shù)不變的前提下設計11組對比試驗,具體試驗方案如表2中試驗1～11所示。

表2 三通道轉(zhuǎn)杯紡紗工藝參數(shù)優(yōu)化試驗方案Tab.2 Three-channel rotor spinning process parameters optimization test program

按照設定的工藝參數(shù)進行紡紗,在紡紗過程中發(fā)現(xiàn),當3種纖維的混合比例相接近時,成紗過程的穩(wěn)定性較好,試驗6～9的紡紗斷頭頻率分別為4.6、4.2、4.0、4.5 次/(24 h);當3種纖維的混合比例相差較大時,成紗的穩(wěn)定性較差,紗線斷頭頻率增加,試驗2～5的紡紗斷頭頻率分別為30.0、8.2、8.0、7.2 次/(24 h);當纖維的混合比例減小到0時,如試驗1和11,成紗過程的穩(wěn)定性明顯變好,斷頭頻率分別為1和1.2 次/(24 h)。由此可認為,采用3組分纖維進行紡紗時,3組分纖維混合比例相接近時的成紗穩(wěn)定性最好[15]。

3.2.2 中羅拉速度的優(yōu)化

與傳統(tǒng)單通道轉(zhuǎn)杯紡相比,數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗機增加了3個異步喂入的喂給羅拉。三通道喂給羅拉與中羅拉的速度差異對纖維條形成一級牽伸,該牽伸倍數(shù)的大小對成紗過程的穩(wěn)定及成紗質(zhì)量有著顯著的影響。三通道轉(zhuǎn)杯紡紗的3個通道具有不同牽伸比,一般將混合比最大、牽伸比最小的通道作為主牽伸通道,設主牽伸通道的一級牽伸為E1min,則在三通道混合比例確定的情況下,中羅拉速度主要由E1min決定。

為探究中羅拉速度對成紗過程及成紗質(zhì)量的影響,在其它工藝參數(shù)不變的前提下設計了3組對比試驗,具體試驗方案如表2中試驗序號12～14所示。按照設定的工藝參數(shù)進行紡紗,在紡紗過程中發(fā)現(xiàn),當主通道一級牽伸倍數(shù)E1min為1.05時,纖維條在中羅拉喂入處易出現(xiàn)擁堵,導致紡紗不能正常進行,頻繁斷頭;當牽伸倍數(shù)E1min為1.15和1.25時,紡紗過程均能夠穩(wěn)定進行,紗線斷頭頻率分別為3.8和4.6 次/(24 h),由此可認為當牽伸倍數(shù)E1min為1.15時,紗線質(zhì)量較優(yōu)。

3.2.3 卷繞羅拉與引紗羅拉速比的優(yōu)化

卷繞羅拉與引紗羅拉速比在紗線上形成了一定的卷繞張力,該力的大小直接對紗線的彈性、伸長率和卷繞成形產(chǎn)生影響,從而影響成紗過程的穩(wěn)定性和成紗質(zhì)量[16]。為探究卷繞羅拉與引紗羅拉的速比對成紗過程及成紗質(zhì)量的影響,在其它工藝參數(shù)不變的前提下設計了3組對比試驗,具體試驗方案如表2中試驗序號15～17所示。

按照設定的工藝參數(shù)進行紡紗,在紡紗過程中發(fā)現(xiàn),當卷繞羅拉與引紗羅拉的速比vj/vy為1.005時,能夠進行正常紡紗,但是紗線卷繞成形比較松散,不利于后續(xù)的絡筒加工;當vj/vy為1.010時,紡紗過程能夠穩(wěn)定進行,斷頭頻率為3.6 次/(24 h);當vj/vy為1.015時,紡紗過程能夠穩(wěn)定進行,斷頭頻率為4.2 次/(24 h),相比1.010的速比,斷頭頻率增加。由此可認為,當卷繞羅拉與引紗羅拉的速比vj/vy為1.010時,紗線質(zhì)量較優(yōu)。

3.3 紡紗實踐

設計轉(zhuǎn)杯紗的線密度為32 tex,捻度為800 捻/m,紅、黃、藍3色纖維混合比為0.30∶0.35∶0.35。試驗采用的原料為新疆細絨棉(二級鋸齒白棉、長度29 mm、馬克隆值A級,安徽巢湖雅戈爾色紡有限公司),經(jīng)過染色、開松除雜、梳理、并條、粗紗工序制成定量為450 tex,捻度為68 捻/m的粗紗。三通道纖維條定量為450 tex,RGB顏色值為Cα(158,35,52)、Cβ(252,182,77)、Cγ(240,238,233)。在上述工藝參數(shù)選擇和優(yōu)化的基礎上,設定紡紗工藝參數(shù)如表3所示。

表3 紡紗工藝參數(shù)Tab.3 Spinning process parameters

按照設定的工藝參數(shù)進行紡紗,紡紗過程能夠穩(wěn)定進行,紗線斷頭頻率為3.2 次/(24 h)。利用VHX-5000型超景深三維顯微鏡(基恩士(中國)有限公司)對紗線的縱截面和橫截面進行觀察,紗線縱截面的照片如圖3(a)所示,紗線橫截面的照片如圖3(b)所示。3種纖維在紗體中混合均勻,能夠使紗線形成均勻穩(wěn)定的呈色效果;紗線短片段條干均勻,捻度適中,優(yōu)化后的紡紗工藝能夠在三通道數(shù)控轉(zhuǎn)杯紡紗機上較好地紡制混色紗。

圖3 紗線橫縱截面照片(×50)Fig.3 Picture of yarn and its cross section(×50). (a)Cross section; (b) Longitudinal section

對紗線的力學性能和條干、毛羽情況進行測試。測試前,將紡制的紗線置于標準大氣條件下48 h(濕度(65±2)%、溫度(20±2)℃)。選用XL-2型紗線強力儀(上海新纖儀器有限公司),依據(jù)ISO 2062—2009《紡織品 卷裝紗 單紗斷裂強力和斷裂伸長率的測定》對紗線的力學性能進行測試,測試時設定預加張力為16 cN,夾持距離為500 mm,拉伸速度為500 mm/min[15]。選用YG133B/PRO-H條干均勻度測試儀(蘇州長風紡織機電科技有限公司),依據(jù)標準ISO 16549—2021《紡織品 紡織紗線的不均勻性 電容法》對紗線的條干均勻度進行測試,測試速度為200 m/min,測試時間為2.5 min。選用YG172A紗線毛羽測試儀(陜西長嶺紡織機電科技有限公司),依據(jù)FZ/T 01086—2000《紗線毛羽測定方法》對紗線毛羽進行測試,測試時測試速度為30 m/min,設置10個片段長度,每個片段長度為10 m(紗線毛羽測定方法中規(guī)定棉類紗線3 mm以上為毛羽設定長度)。紗線條干及力學性能測試結(jié)果如表4所示,紗線毛羽測試結(jié)果如表5所示,紡制的混色紗斷裂強度為9.53 cN/tex、單紗斷裂強力變異系數(shù)為8.76%、條干均勻度變異系數(shù)為19.04%、3 mm以上毛羽數(shù)量為17.5 根/(10 m),具有良好的力學性能和條干均勻性,毛羽較少,基本可以達到轉(zhuǎn)杯紡棉本色紗FZ/T 12001—2015《轉(zhuǎn)杯紡棉本色紗》二級的質(zhì)量指標(單紗斷裂強度大于9 cN/tex、單紗斷裂強力變異系數(shù)小于16.5%、條干均勻度變異系數(shù)小于21%)。

表4 混色紗條干及力學性能測試結(jié)果Tab.4 Testing results of evenness and mechanical properties of blended yarn

表5 混色紗毛羽測試結(jié)果Tab.5 Test results of mixed yarn hairiness

4 結(jié) 論

以實現(xiàn)柔性數(shù)字化紡紗為目標,介紹轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)的纖維條喂入機構(gòu)及其整機控制模式和伺服驅(qū)動模式,基于構(gòu)建的數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)對時序化調(diào)控成型紗線的形態(tài)(線密度)、結(jié)構(gòu)(纖維排列及捻合松緊度)、3組分色纖維混合比(混合色彩)的機制進行了研討。通過轉(zhuǎn)杯紡紗試驗對紡紗效率、成紗質(zhì)量及紗線力學性能進行了分析,基于優(yōu)選的紡紗系統(tǒng)參數(shù)與紡紗工藝參數(shù)紡制了32 tex,800 捻/m,紅、黃、藍3色纖維混合比為0.30∶0.35∶0.35的混色色紡紗。紡制的混色紗強度為9.53 cN/tex、單紗斷裂強力變異系數(shù)為8.76%、條干均勻度變異系數(shù)為19.04%、3 mm以上毛羽數(shù)量為17.5 根/(10 m),基本可以達到FZ/T 12001—2015《轉(zhuǎn)杯紡棉本色紗》二級的質(zhì)量指標。通過數(shù)控三通道轉(zhuǎn)杯紡紗系統(tǒng)對紗線結(jié)構(gòu)參數(shù)進行可控性調(diào)控,可以有效提高成紗質(zhì)量。