轉(zhuǎn)杯紡假捻盤捻陷作用分析

王 姜，傅 婷，楊建平，汪 軍，2

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620;2.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

假捻盤是轉(zhuǎn)杯紡紗過程中不可或缺的重要元件，假捻盤的存在不僅賦予了紗條一定的假捻［1－3］，不同類型的假捻盤也會(huì)帶來不同的假捻效果［4－6］，同時(shí)對(duì)加捻區(qū)域紗條的捻度傳遞有著一定影響，捻陷便是其中可能存在的一種現(xiàn)象。有關(guān)轉(zhuǎn)杯紡假捻盤的假捻作用，研究者的觀點(diǎn)達(dá)成一致，但是對(duì)于其是否存在捻陷或者阻捻，并未達(dá)成統(tǒng)一［7－8］。同時(shí)，同樣認(rèn)同捻陷作用的研究人員，對(duì)捻陷作用的作用效果也有著不同的看法［9－11］。本文系統(tǒng)研究了與假捻盤相互作用的紗條區(qū)域的捻度分布情況，并設(shè)計(jì)了模擬實(shí)驗(yàn)來分析其捻陷作用。

1 假捻盤兩端紗條的運(yùn)動(dòng)分析

轉(zhuǎn)杯紡紗正常進(jìn)行的過程中，假捻盤兩端的紗條(此處僅指凝聚槽與導(dǎo)紗羅拉之間的紗條)會(huì)呈現(xiàn)2種回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。圖中PQ段連接轉(zhuǎn)杯的凝聚槽，A端被導(dǎo)紗羅拉握持，圖中條紋狀圖形代表紗條，而黑色填充區(qū)域?yàn)榧倌肀P截面形狀，其與紗條的接觸區(qū)域?yàn)镚BO段，是一段1/4圓弧(在轉(zhuǎn)杯工作過程中，OA段并不與假捻盤接觸)，B點(diǎn)為此圓弧上任意一點(diǎn)，G點(diǎn)與O點(diǎn)為此圓弧的2個(gè)端點(diǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，首先會(huì)帶動(dòng)杯內(nèi)的紗條(即PG段紗條)繞著假捻盤軸線轉(zhuǎn)動(dòng);其次，因?yàn)榧啑l與假捻盤相接觸，接觸產(chǎn)生的摩擦力會(huì)作用于紗條使得整個(gè)紗條繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 假捻盤作用下的紗條形態(tài)Fig.1 Form of yarn under effect of navel

在本文中，將紗條繞假捻盤軸線的運(yùn)動(dòng)稱之為公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將紗條繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)稱之為自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)必然會(huì)使得紗條的各個(gè)區(qū)域獲得一定捻度，而捻度在紗條不同區(qū)域之間傳遞，就有可能出現(xiàn)捻陷或者阻捻現(xiàn)象。

2 加捻區(qū)紗條捻度變化模型建立

在研究加捻區(qū)(與凝聚槽和導(dǎo)紗羅拉之間的紗條有相互作用的區(qū)域)紗條的捻度情況時(shí)，本文首先討論公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響，而后結(jié)合自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一分析紗條的捻度分布。

2.1 公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)加捻區(qū)紗條捻度影響

紗條的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)整個(gè)加捻區(qū)的紗條產(chǎn)生作用，而其對(duì)不同區(qū)域紗條的捻度影響會(huì)存在一定差異，如圖2所示。

圖2 公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下的紗條受力示意圖Fig.2 Yarn stress during revolution motion

圖中C點(diǎn)為假想的假捻盤與紗條相互作用的圓弧區(qū)域的圓心，此作用區(qū)域的半徑為r0。過點(diǎn)B作圓弧GBO的切線，過P點(diǎn)作此切線的垂線，交于B'點(diǎn)。同時(shí)，過P點(diǎn)作線段BC的垂線，交線段BC的延長(zhǎng)線于D點(diǎn)。過G點(diǎn)分別作線段PD和線段BC的垂線，交線段PD于E'點(diǎn)，交線段BC于E點(diǎn)。此外，線段AO長(zhǎng)度為S，線段PG的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。

現(xiàn)令∠OCB=θ，可知∠E'GP與∠EGC同為θ，而四邊形DEGE'為矩形，故線段DE的長(zhǎng)度等于線段E'G的長(zhǎng)度。

為使紗臂公轉(zhuǎn)，P端加一作用力F(垂直于紙面向里)，F(xiàn)對(duì)斷面B施加的扭矩為

而

式中:LPB'為線段PB'的長(zhǎng)度;LCD為線段CD的長(zhǎng)度;LCE為線段CE的長(zhǎng)度;LDE為線段DE的長(zhǎng)度。故可得:

當(dāng) θ=0時(shí)，M0=F× (r0+L);當(dāng) θ=π/2時(shí)，Mπ/2=0。

故整個(gè)AO端紗條承受的扭矩為M0，而施加在PG段紗條的扭矩為Mπ/2，恒等于0。紗條的捻度獲得是與被施加的扭矩呈正相關(guān)的，即 Tw∝M，可得到:

由此可知，紗條的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不會(huì)使得PG端紗條產(chǎn)生任何捻度，而AO段紗條捻度的變化最大，與假捻盤1/4圓弧相接觸的紗條的捻度情況符合式(4)的計(jì)算。

綜上所述，PG段紗條不會(huì)存在任何真捻，也必然不存在捻度傳向OA段的情況，故假捻盤沒有阻捻作用。而OA段會(huì)隨著公轉(zhuǎn)圈數(shù)的不同獲得不同程度的真捻，當(dāng)其捻度達(dá)到一定范圍時(shí)，必然會(huì)傳向PG段，假捻盤的捻陷現(xiàn)象會(huì)隨之出現(xiàn)。

2.2 加捻區(qū)紗條的捻度分布

上節(jié)提到紗條有2種運(yùn)動(dòng)，都會(huì)對(duì)紗條的捻度產(chǎn)生影響，所以加捻區(qū)紗條的最終捻度分布情況是2種運(yùn)動(dòng)作用效果的疊加。

當(dāng)紗條做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)(如圖1所示)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向順著OA方向看是逆時(shí)針，則OA端會(huì)獲得Z向捻度。而PG端在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中又受到假捻盤摩擦力的作用，摩擦力矩的方向順著OA方向看便是順時(shí)針，沿OP的方向看，摩擦力矩的方向是逆時(shí)針，PG段紗條同樣會(huì)獲得Z向捻度。而假捻盤摩擦力矩的作用使得紗條做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的是假捻，所以O(shè)A端出現(xiàn)的假捻捻向?yàn)镾捻。

由此可知，在不考慮OA段紗條的真捻向PG段傳遞時(shí)，OA段與GBO段紗條的最終捻度是公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的真捻與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的假捻的疊加，而PG段的捻度完全是因假捻作用產(chǎn)生的。

綜上所述，當(dāng)紗條進(jìn)行公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其不同區(qū)域會(huì)隨著公轉(zhuǎn)圈數(shù)的增加出現(xiàn)不同情況的捻度變化，而紗條不同區(qū)域的捻度的變化情況以及假捻盤的捻陷作用對(duì)紗條的捻度情況產(chǎn)生的影響，則在實(shí)驗(yàn)部分進(jìn)行驗(yàn)證。

3 模擬實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)正常工作時(shí)，轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速每分鐘在數(shù)萬至十?dāng)?shù)萬之間，在運(yùn)行的轉(zhuǎn)杯上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)顯然不切實(shí)際，所以本文采用的是模擬實(shí)驗(yàn)的方法。

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，首先制作可近似模擬紗條公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特定實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Experimental facility

把中軸固定于支架上，假捻盤連接在中軸底部，皮帶盤與中軸同軸心且可繞軸心線轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)紗圈固定于皮帶盤上，而紗線經(jīng)由中軸穿過假捻盤，再穿過導(dǎo)紗圈后連接重錘。假捻盤右側(cè)紗條長(zhǎng)度L=10 cm(紗條離開假捻盤位置至金屬圈的長(zhǎng)度)，上部紗條長(zhǎng)度S=30 cm(紗條離開假捻盤位置至頂部握持端的長(zhǎng)度)。

本文實(shí)驗(yàn)采用的紗條為并列的黑白2色紗線，當(dāng)紗條有捻度時(shí)，黑白2色紗線扭轉(zhuǎn)成1股，通過肉眼便可清晰地觀測(cè)出紗條的捻回?cái)?shù)，同時(shí)也可方便地計(jì)算出紗條的捻度大小。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，外接電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶盤及導(dǎo)紗圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，假捻盤右端紗條隨之發(fā)生繞假捻盤軸心線的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，給予假捻盤上端紗條一定捻度，捻度增加到一定程度，會(huì)向下傳遞至假捻盤右側(cè)紗條。但因?yàn)榧啑l是固定的(即無導(dǎo)紗運(yùn)動(dòng))，所以此類捻度傳遞過程并非真正意義上的捻陷現(xiàn)象，但紗條捻度的傳遞過程與捻陷現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的捻度傳遞情況是相同的，所以本文實(shí)驗(yàn)可在一定程度上研究假捻盤所造成的捻陷現(xiàn)象。

本文采用了3種質(zhì)量的重錘，控制皮帶盤勻速緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)不同的圈數(shù)，此時(shí)重錘的質(zhì)量近似等于紗條所受的張力。然后再分別觀測(cè)整根紗條上的捻度分布情況，找出假捻盤捻陷作用的一般規(guī)律。

3.2 結(jié)果分析

首先，實(shí)驗(yàn)采用的重錘質(zhì)量為5 g，所得到的紗條不同區(qū)域的捻度情況如表1所示。

表1 5 g重錘下的紗條捻度分布Tab.1 Distribution of yarn twist under 5 g weight

表中N為公轉(zhuǎn)圈數(shù)，T1為PG段紗條捻度，T2為OA段紗條捻度，yT為捻陷百分率，其數(shù)值為(1－T1/T2)×100%。紗條各區(qū)域的捻度大小分布情況以及公轉(zhuǎn)不同圈數(shù)的捻陷百分率如圖4所示。

圖4 5 g重錘下的紗條捻度分布Fig.4 Distribution of yarn twist under 5 g weight

通過圖4可看出，無論P(yáng)G段還是OA段，紗條的捻度都呈上升趨勢(shì)。PG段捻度剛開始增大緩慢，當(dāng)公轉(zhuǎn)圈數(shù)達(dá)到27轉(zhuǎn)時(shí)，捻度突增，而此時(shí)OA段的捻度并未增加，所以可肯定OA段的捻回在此時(shí)大幅度地傳向PG段。此外，捻陷百分率曲線剛開始呈現(xiàn)負(fù)值，也就是說OA段捻度小于PG段，所以此時(shí)PG段紗條的捻度并非來自O(shè)A段紗條的傳遞，而是因假捻盤的假捻作用產(chǎn)生的。

隨后，采用的重錘質(zhì)量分別升至10 g與15 g，所得的紗條不同區(qū)域的捻度情況及捻陷百分率如圖5所示。

圖5 10 g和15 g重錘下的紗條捻度分布Fig.5 Distribution of yarn twist under 10 g and 15 g weight

從圖5中可看出，紗條捻度的變化趨勢(shì)與圖4折線類似，不同的是當(dāng)紗條的公轉(zhuǎn)圈數(shù)均達(dá)到了36轉(zhuǎn)左右時(shí)，PG段捻度才發(fā)生突增。這是由于過大的張力使得紗條與假捻盤的摩擦力變得更大，捻度的傳遞更加困難。

4 結(jié)論

1)紗條的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)紗條的不同區(qū)域所加的捻度不相同，其不會(huì)給予PG段真捻，所以假捻盤不存在阻捻作用。同時(shí)，紗條與假捻盤相接觸區(qū)域獲得的真捻分布符合式(4)所示，而假捻盤施加在OA段紗條的扭矩是最大的。

2)在給予紗條一定張力的情況下，當(dāng)公轉(zhuǎn)圈數(shù)達(dá)到一定時(shí)，便會(huì)發(fā)生捻陷現(xiàn)象，在不同張力下，假捻盤的捻陷作用程度是不同，紗條處于大張力下時(shí)，捻陷現(xiàn)象更不易出現(xiàn)。

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