賽絡(luò)紡加捻三角區(qū)內(nèi)纖維的受力分析

劉 娜， 徐伯俊， 劉新金

(江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 無錫 214122)

賽絡(luò)紡是一種新型的紡紗方式，它是由2根粗紗平行喂入細(xì)紗機(jī)雙喇叭口，經(jīng)牽伸系統(tǒng)在前羅拉鉗口輸出并復(fù)合，通過鋼絲圈和錠子的加捻卷繞成紗[1]。由于賽絡(luò)紡單股紗以及成紗均具有一定的捻度，類似于紗線合股，因此其具有表面光潔和耐磨性能良好等諸多優(yōu)良性能。賽絡(luò)紡成紗三角區(qū)類似于股線加捻三角區(qū)，三角區(qū)內(nèi)單股紗受力以及纖維的受力分布情況較為復(fù)雜，因此，對(duì)賽絡(luò)紗成紗三角區(qū)的研究也越來越多，一般使用的方法為理論計(jì)算和模擬，如余燕平[2]對(duì)Siro系列紡紗復(fù)合三角區(qū)的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，安降龍[3]研究了賽絡(luò)紗三角區(qū)動(dòng)態(tài)力學(xué)特征和非對(duì)稱三角區(qū)的力學(xué)性能，劉新金等[4]通過研究賽絡(luò)紗加捻三角區(qū)纖維的受力分析了賽絡(luò)紗的扭矩，而利用有限元模擬的方法對(duì)賽絡(luò)紗加捻三角區(qū)的研究還較少。

影響賽絡(luò)紗三角區(qū)內(nèi)纖維受力性能的因素眾多，如紗線捻度、紗線中纖維細(xì)度、紗線線密度、錠速、鋼絲圈型號(hào)等。由于紗線張力對(duì)成紗三角區(qū)的結(jié)構(gòu)具有重要影響，三角區(qū)結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致三角區(qū)內(nèi)纖維受力的變化，從而引起纖維在三角區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)移發(fā)生改變，進(jìn)而影響成紗性能，而紗線捻度、錠速以及鋼絲圈型號(hào)對(duì)紗線張力的影響較為顯著?；诖耍疚睦貌煌募喚€捻度、錠速以及鋼絲圈型號(hào)改變紡紗張力，采用有限元方法研究賽絡(luò)紗三角區(qū)內(nèi)纖維受力分布。

1 加捻三角區(qū)模型建立

1.1 加捻三角區(qū)幾何模型

賽絡(luò)紡紡紗過程中，2根須條同時(shí)從前羅拉前鉗口輸出，繼而通過鋼絲圈和錠子的加捻作用合股成紗，加捻三角模型如圖1所示。圖中：D為三角區(qū)的寬度；H為三角區(qū)高度；F為作用在加捻點(diǎn)O上的紡紗張力；α、β為單股紗與成紗三角區(qū)中心線的夾角，紡紗角α+β與紗線的捻度和紗線的直徑有關(guān)，滿足tan(α+β)=2πdT[5]。式中：d為紗線直徑；T為紗線捻度。

圖1 賽絡(luò)紗成紗三角區(qū)纖維幾何模型Fig.1 Fibers geometry model in Sirospun spinning triangle

賽絡(luò)紗單股紗成紗三角區(qū)纖維幾何排列如圖2所示。圖中：θ表示第τ根纖維與垂直于前羅拉鉗口線纖維之間的夾角；D1、D2為單股紗成紗三角的寬度；H1、H2為單股紗成紗三角的高度；F1、F2為單股紗成紗三角區(qū)的張力，其方向由紡紗角決定。

圖2 左、右側(cè)單股紗成紗三角纖維幾何排列Fig.2 Fiber distribution at left (a) and right (b) yarn spinning triangle

1.2 模擬條件

假設(shè)纖維為具有彈性變形的細(xì)長(zhǎng)圓柱體，纖維一端均勻排列并固定在前羅拉鉗口線上，另一端匯聚成加捻點(diǎn)，纖維均勻分布在前羅拉鉗口線與加捻點(diǎn)之間，纖維無重疊現(xiàn)象。垂直于前羅拉鉗口線的纖維初始應(yīng)變?yōu)榱悖植荚谄鋬蛇叺睦w維初始應(yīng)變根據(jù)θ計(jì)算得到，纖維在成紗三角區(qū)的坐標(biāo)分布如圖2所示。在模擬纖維受力時(shí)，不考慮纖維彎曲，纖維應(yīng)力應(yīng)變遵循胡克小變形原則，加捻三角區(qū)在被紡紗張力拉伸過程中，若纖維受到的拉力大于由初始應(yīng)變產(chǎn)生的力，則纖維被繼續(xù)拉長(zhǎng)，若小于或等于，則纖維出現(xiàn)負(fù)伸長(zhǎng)狀態(tài)即被壓縮狀態(tài)或者保持伸長(zhǎng)不變狀態(tài)。

賽絡(luò)紗成紗三角區(qū)中，左右兩側(cè)的單股紗成紗三角區(qū)關(guān)于三角區(qū)中心線對(duì)稱分布，假設(shè)α=β，F(xiàn)1=F2，H1=H2，D1=D2，本文只對(duì)左側(cè)單股紗成紗三角區(qū)內(nèi)纖維受力進(jìn)行分析。

以精梳棉18.2 tex賽絡(luò)紗為例探討賽絡(luò)紗成紗三角區(qū)內(nèi)纖維受力分布。其中，假設(shè)纖維線密度為0.15 tex，纖維彈性模量為5 N/tex，紗線橫截面內(nèi)纖維根數(shù)為128根。分別采用8 000、11 000、14 000 r/min 的錠速和6/0、4/0、5/0的鋼絲圈進(jìn)行紡紗實(shí)驗(yàn)。在濕度為50%，溫度為32 ℃車間環(huán)境下進(jìn)行紡紗，從空管始紡到紡至紗管長(zhǎng)度的三分之一處的過程中，在鋼領(lǐng)板上升階段時(shí)測(cè)試紡紗張力F。測(cè)試紡紗張力儀器為YG2301輪式03120310-單紗張力計(jì)，利用該儀器沿紗線行進(jìn)方向夾持住紡紗段處的紗線，并讀取張力數(shù)值，每管紗測(cè)試20次，取其平均值得到該管的紡紗張力。測(cè)試結(jié)果如表1所示。另外，實(shí)際紡紗時(shí)，在前膠輥表面涂上少量滑石粉，紡紗完成后，利用直尺測(cè)量前膠輥長(zhǎng)度方向上滑石粉脫落的寬度，得出單股紗加捻三角區(qū)的寬度(D1)，然后根據(jù)β計(jì)算出單股紗加捻三角區(qū)的高度(H1)。文中只考慮捻系數(shù)對(duì)三角區(qū)幾何結(jié)構(gòu)的影響，不考慮鋼絲圈質(zhì)量以及錠速對(duì)其的影響作用。加捻三角區(qū)的幾何參數(shù)見表2。

表1 紡紗張力Tab.1 Spinning force

表2 紡紗三角區(qū)的幾何參數(shù)Tab.2 Spinning triangle parameters

1.3 有限元模型的建立

有限元方法是采用數(shù)學(xué)的方法模擬解決復(fù)雜的實(shí)際問題，有限元軟件提供了接近實(shí)際的單元使其解決實(shí)際問題更為準(zhǔn)確[6]。文中采用三維彈性梁?jiǎn)卧M(jìn)行線性結(jié)構(gòu)靜力分析模擬纖維在三角區(qū)內(nèi)的受力。三維彈性梁?jiǎn)卧W(xué)性質(zhì)和纖維力學(xué)特性十分接近，是拉、壓、彎、扭的單軸線受力單元，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上具有6個(gè)自由度，X、Y、Z這3個(gè)方向的線位移，X、Y、Z這3個(gè)軸的角位移，選擇適合彈性力學(xué)分析的矩陣分析法進(jìn)行模擬分析[7]。該梁結(jié)構(gòu)屬于自然離散結(jié)構(gòu)，其分析過程是將節(jié)點(diǎn)位移作為基本變量，先對(duì)梁?jiǎn)卧M(jìn)行分析，建立單元內(nèi)力與位移之間的關(guān)系，然后再對(duì)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的變形協(xié)調(diào)條件和靜力平衡條件建立結(jié)構(gòu)上的節(jié)點(diǎn)載荷和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，形成結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣和總剛度方程。解出各節(jié)點(diǎn)位移值后，再由單元內(nèi)力與位移之間的關(guān)系求出梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力[8]。

根據(jù)上述的紡紗三角區(qū)的幾何尺寸以及有限元提供的單元，建立如圖3所示的賽絡(luò)紡單股紗加捻三角區(qū)有限元模型。

圖3 左側(cè)單股紗加捻三角區(qū)有限元模型Fig.3 Finite element model of left single yarn spinning triangle

2 有限元分析結(jié)果

根據(jù)表1提供的參數(shù)，采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行模擬分析，根據(jù)模擬條件設(shè)置彈性梁?jiǎn)卧某跏紤?yīng)變，設(shè)置材料類型和材料屬性，分析類型設(shè)置為線性靜力分析，利用結(jié)果后處理器里的單元表功能提取纖維的張力。

2.1 紡紗張力對(duì)三角區(qū)內(nèi)纖維受力的影響

根據(jù)表1中實(shí)驗(yàn)編號(hào)為1，2，3和4，5，6以及表2提供的參數(shù)進(jìn)行有限元模擬，圖4示出錠速與三角區(qū)內(nèi)纖維張力分布之間的關(guān)系，圖5示出鋼絲圈型號(hào)與三角區(qū)內(nèi)纖維張力分布之間的關(guān)系。其中，X軸方向表示纖維在三角區(qū)中的位置，左側(cè)加捻三角區(qū)中最左側(cè)的纖維定義為第1根纖維，Y軸方向表示纖維張力。由圖4、5中的曲線圖變化趨勢(shì)可得知，加捻三角區(qū)的幾何參數(shù)不同，三角區(qū)內(nèi)纖維受力的分布也會(huì)有差別。由圖4可知，當(dāng)錠速從8 000 r/min增加至14 000 r/min時(shí)，三角區(qū)內(nèi)纖維受到的最大拉伸力從0.717 cN增加至1.499 cN，最大壓縮力由0.276 cN增加至0.776 cN。另外，由圖4可知，隨著錠速的增加，三角區(qū)內(nèi)兩側(cè)相同位置的纖維受到的力有明顯變大現(xiàn)象，但對(duì)位于三角區(qū)中部纖維的受力影響不大。如圖5所示，采用4/0、5/0、6/0 3種不同質(zhì)量鋼絲圈進(jìn)行紡紗時(shí)，三角區(qū)內(nèi)纖維張力變化范圍分別為1.041～-0.163 cN、0.956～-0.168 cN、0.914～-0.17 cN，變化量分別為1.204、1.124、1.084 cN。從上述分析易得，紡紗張力越大，三角區(qū)內(nèi)最左側(cè)纖維受力越大，且整個(gè)三角區(qū)內(nèi)纖維受力變化量越大。

圖4 錠速與三角區(qū)內(nèi)纖維張力分布的關(guān)系Fig.4 Fiber tension distributions at left single yarn spinning triangle with different spindle speed

圖5 鋼絲圈型號(hào)和三角區(qū)內(nèi)纖維張力分布的關(guān)系Fig.5 Fiber tension distributions at left single single yarn spinning triangle with different traveller

2.2 捻系數(shù)對(duì)三角區(qū)內(nèi)纖維受力的影響

當(dāng)細(xì)紗捻系數(shù)發(fā)生變化時(shí)，紡紗角度會(huì)隨之改變，三角區(qū)的高度和寬度也會(huì)變化。根據(jù)表2提供的參數(shù)進(jìn)行有限元分析，在相同的紡紗張力F為31.0 cN時(shí)，模擬不同紗線捻系數(shù)下三角區(qū)內(nèi)纖維受力分布。圖6示出捻系數(shù)和三角區(qū)內(nèi)纖維受力分布之間的關(guān)系。由圖中曲線可知，捻系數(shù)的變化對(duì)三角區(qū)內(nèi)呈拉伸狀態(tài)或壓縮狀態(tài)的纖維根數(shù)影響較大。捻系數(shù)為400、450、500時(shí)，三角區(qū)中承受壓縮力的纖維根數(shù)分別為37、24、20根，其中當(dāng)捻系數(shù)為400時(shí)，由于加捻三角區(qū)的高度和寬度均較大，在紡紗張力的作用下，三角區(qū)右側(cè)的纖維受到的拉力不足以克服因初始應(yīng)變產(chǎn)生的軸向力而呈現(xiàn)出負(fù)的軸向力狀態(tài)，三角區(qū)內(nèi)呈壓縮狀態(tài)的纖維根數(shù)較多，當(dāng)捻系數(shù)增加時(shí)，三角區(qū)的高度與寬度均出現(xiàn)較小趨勢(shì)，成紗三角區(qū)最左側(cè)和最右側(cè)的纖維受到的均是拉力作用，其中，捻系數(shù)為500時(shí)，三角區(qū)最右側(cè)纖維受到的拉伸作用較為明顯，右側(cè)受到拉伸作用的纖維根數(shù)較多，并且纖維在三角區(qū)內(nèi)受到的最大拉伸力與最大壓縮力之間的差異最大。

圖6 捻系數(shù)和三角區(qū)內(nèi)纖維張力分布的關(guān)系Fig.6 Fiber tension distributions at left single yarn spinning triangle with twist factor

2.3 結(jié)論分析

根據(jù)上述分析，若紡制中特紗精梳棉18.2 tex，采用捻系數(shù)為400時(shí)，捻系數(shù)相對(duì)較小，三角區(qū)內(nèi)相同位置纖維受力較小且纖維受力差異較小，纖維在三角區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)移幅度較小導(dǎo)致紗線內(nèi)纖維的抱合力較小，為減少紡紗過程中紗線斷頭，適合采用較低紡紗張力，即選擇較低的錠速，較輕的鋼絲圈型號(hào)；采用捻系數(shù)為450和500時(shí)，捻系數(shù)相對(duì)較大，紗體內(nèi)纖維之間的抱合力大，紡紗過程中不易斷頭，適合采用較高的紡紗張力，大的紡紗張力使三角區(qū)內(nèi)不同纖維的受力差異較大，轉(zhuǎn)移幅度大，在紗體內(nèi)形成自鎖結(jié)構(gòu)的可能性增加，有利于提高紗線強(qiáng)力，減少紗線毛羽。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

本文實(shí)驗(yàn)選用FA507B型細(xì)紗機(jī)紡制精梳棉18.2 tex賽絡(luò)紗，粗紗定量為4.0 g/10 m，細(xì)紗捻系數(shù)分別為400、450、500，前區(qū)牽伸加帶壓力棒的3.0隔距塊，加壓方式為螺旋彈簧搖架加壓，鋼絲圈為4/0，喇叭口間距為2.1 mm，紡紗速度分別為8 000、11 000、14 000 r/min。捻系數(shù)為450時(shí)，采用4/0、5/0、6/0 這3種不同的鋼絲圈進(jìn)行紡紗實(shí)驗(yàn)。

3.2 成紗強(qiáng)力與毛羽分析

選用YG063全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀測(cè)試紗線的拉伸性能，測(cè)試溫度為20 ℃，濕度為65%，測(cè)試試樣用每種實(shí)驗(yàn)方案紗管數(shù)為3，每管測(cè)試10次，設(shè)置預(yù)加張力為9.1 cN，試樣夾持長(zhǎng)度為0.5 m，采用等速拉伸方式進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。采用YG172A型紗線毛羽測(cè)試儀測(cè)試紗線毛羽，測(cè)試速度為30 m/min，每管測(cè)試長(zhǎng)度為100 m。通過測(cè)試得到斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂強(qiáng)度、不同長(zhǎng)度的紗線毛羽根數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 紗線強(qiáng)力與毛羽Tab.3 Yarn strength and yarn hairiness

紡紗張力、錠速以及捻系數(shù)、鋼領(lǐng)、鋼絲圈的變化對(duì)紗線性能有著重要的影響[9-11]。若只考慮錠速變化對(duì)紗線強(qiáng)力、毛羽的影響效果，由表3可得，紗線捻系數(shù)為400時(shí)，紗線強(qiáng)力在錠速為11 000 r/min時(shí)最大，斷裂強(qiáng)力變異系數(shù)較小，有害毛羽的數(shù)量也較小。由圖4模擬分析結(jié)果可看出，當(dāng)錠速為11 000 r/min時(shí)，三角區(qū)內(nèi)纖維受力較錠速為8 000 r/min時(shí)的纖維受控制性較好，纖維不易滑脫，三角區(qū)左右側(cè)的纖維張力差異較大，纖維之間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的相互轉(zhuǎn)移和包纏而且纖維不易因受力過大而斷裂形成有害毛羽，而且纖維強(qiáng)力的利用率較高，且在紗線受到外界拉伸力時(shí)，纖維不易相互滑移，有利于紗線強(qiáng)力的增加。當(dāng)錠速達(dá)到14 000 r/min時(shí)，纖維在三角區(qū)內(nèi)以及三角區(qū)左右兩側(cè)的纖維受力差異較大，纖維可能發(fā)生斷裂形成毛羽或飛花，一定長(zhǎng)度內(nèi)紗線截面內(nèi)的根數(shù)會(huì)有很大的差別，減少了紗截面內(nèi)的纖維根數(shù)，紗線發(fā)生細(xì)節(jié)現(xiàn)象，降低了紗線強(qiáng)力，增大了紗線強(qiáng)力的變異系數(shù)。

若在同一錠速和捻系數(shù)條件下，選擇不同的鋼絲圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)紡紗。由表3可見，鋼絲圈選擇較重時(shí)，紗線的強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)率較大，但同一批次的紗中紗線的強(qiáng)力變異系數(shù)較大，鋼絲圈過重或過輕均會(huì)引起有害毛羽的增加。由圖5給出的模擬結(jié)果可知，3種鋼絲圈下纖維受力在三角區(qū)內(nèi)的分布趨勢(shì)是一致的，但鋼絲圈偏重時(shí)，纖維受力較大，纖維之間的相互作用力增加，有利于紗線強(qiáng)力。選擇較重的鋼絲圈，三角區(qū)內(nèi)纖維受力及纖維相互作用增加，可能會(huì)使纖維發(fā)生斷裂形成毛羽，但若鋼絲圈過輕，纖維在三角區(qū)內(nèi)的相互作用較弱，纖維之間的相互控制力減少，部分纖維易不受控制而散落在紗體表面形成毛羽。

由表3可知，若在其他條件相同時(shí)，選擇不同的捻系數(shù)進(jìn)行紡紗實(shí)驗(yàn)，紗線強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)隨之增大，但有害毛羽會(huì)增加。由表2可知不同捻系數(shù)下加捻三角區(qū)的幾何形態(tài)會(huì)有很大差別。由圖6所示的模擬結(jié)果分析可知，捻系數(shù)增大時(shí)三角區(qū)內(nèi)左右兩側(cè)處于拉伸狀態(tài)的纖維根數(shù)會(huì)增加，左右兩側(cè)的纖維同時(shí)控制位于三角區(qū)中間的纖維，纖維間相互轉(zhuǎn)移幅度及頻率增加，纖維之間的抱合能力增加，呈獨(dú)立狀態(tài)的纖維數(shù)量減少，纖維之間的相互滑移減少，紗線的強(qiáng)力會(huì)提高，但在其轉(zhuǎn)移過程中，部分纖維也可能發(fā)生斷裂或被擠出紗體形成毛羽。若三角區(qū)內(nèi)纖維受力過小，纖維之間的相互控制力較小，三角區(qū)內(nèi)纖維呈獨(dú)立狀態(tài)的根數(shù)增加，纖維在三角區(qū)內(nèi)易滑脫致使其頭端浮于紗體表面形成毛羽。

4 結(jié) 論

通過有限元模擬結(jié)果分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得知：賽絡(luò)紗單股紗成紗三角區(qū)幾何形態(tài)對(duì)三角區(qū)內(nèi)纖維受力大小以及分布有著重要作用，當(dāng)三角區(qū)的高度減小時(shí)，三角區(qū)內(nèi)處于壓縮狀態(tài)的纖維根數(shù)具有明顯減少趨勢(shì)。三角區(qū)幾何形態(tài)一定時(shí)，當(dāng)紡紗張力增加時(shí)，纖維張力在三角區(qū)內(nèi)的分布規(guī)律不變，但纖維張力會(huì)呈增大趨勢(shì)，纖維張力的變化范圍也逐漸增大。

紡紗過程中，其他條件一定時(shí)，鋼絲圈、錠速和捻系數(shù)這3種因素中，錠速對(duì)紡紗張力和成紗三角區(qū)的纖維受力影響作用最為顯著。

本文結(jié)合上述有限元模擬結(jié)果分析和實(shí)際的紡紗實(shí)驗(yàn)，對(duì)紗線性能進(jìn)行了定性分析，經(jīng)分析可知，三角區(qū)內(nèi)纖維受力大小以及其在三角區(qū)內(nèi)的分布對(duì)紗線性能影響作用顯著。

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