集聚紡紗用網(wǎng)格圈研究

陸宗源

(上海天問(wèn)紡織新技術(shù)研究中心，上海　200125)

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·綜合述評(píng)

集聚紡紗用網(wǎng)格圈研究

陸宗源

(上海天問(wèn)紡織新技術(shù)研究中心，上海200125)

針對(duì)網(wǎng)格圈的功能要求、工作機(jī)理、機(jī)械特性等認(rèn)識(shí)的誤區(qū)，詳細(xì)分析網(wǎng)格圈的性能指標(biāo)及其內(nèi)外摩擦差異、受力、傳動(dòng)等性能；指出：空隙率是網(wǎng)格圈透氣性指標(biāo)的可行參數(shù)，網(wǎng)格圈內(nèi)外摩擦不同是因?yàn)槠湔疵娼M織結(jié)構(gòu)不同，網(wǎng)格圈的負(fù)荷取決于其周向抗彎剛度，變密度網(wǎng)格圈可以改善普通網(wǎng)格圈的傳動(dòng)穩(wěn)定性；提出節(jié)能網(wǎng)格圈的構(gòu)想。

集聚紡紗；網(wǎng)格圈；空隙率；速度補(bǔ)償；密度；節(jié)能

0　引言

網(wǎng)格圈是氣流集束型集聚紡紗裝置的重要器材。集聚紡紗技術(shù)發(fā)展10年來(lái)，中國(guó)已成為網(wǎng)格圈生產(chǎn)大國(guó)，生產(chǎn)能力超過(guò)需求；然而，學(xué)術(shù)界對(duì)網(wǎng)格圈的功能要求、工作機(jī)理、機(jī)械特性等的認(rèn)識(shí)上還存在一些誤區(qū)，制造、使用和維護(hù)方面也有一定的盲目性。筆者認(rèn)為，對(duì)網(wǎng)格圈的研究應(yīng)從其工作環(huán)境、功能定位和相關(guān)零部件的作用進(jìn)行分析；然后探討網(wǎng)格圈的結(jié)構(gòu)，才能對(duì)網(wǎng)格圈有全面、深刻的理解。

1　網(wǎng)格圈的功能定位

1.1網(wǎng)格圈的作用與要求

在集聚紡紗裝置中，網(wǎng)格圈承載已經(jīng)完成牽伸過(guò)程的須條，并以前羅拉表面線速度同步運(yùn)轉(zhuǎn)，氣流對(duì)須條集束作用提高成紗條干質(zhì)量，直到進(jìn)入加捻區(qū)[1]；而紡紗工藝對(duì)網(wǎng)格圈的要求如：① 與前羅拉有相同的輸出線速度且無(wú)波動(dòng)，保持須條在被集束的過(guò)程中無(wú)意外牽伸；② 能夠保證氣流穩(wěn)定、均勻地通過(guò)，使纖維在穩(wěn)定氣流作用下，適當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生橫向位移，以利集束；③ 集束作用主要是負(fù)壓管集聚槽上的氣流與纖維相互作用的結(jié)果，而不是網(wǎng)格圈的功能，網(wǎng)格圈僅僅是將纖維縱向輸送。

1.2網(wǎng)格圈標(biāo)志指標(biāo)探討

紡紗工藝對(duì)網(wǎng)格圈的性能要求是其透氣性，而用何指標(biāo)來(lái)標(biāo)志網(wǎng)格圈的規(guī)格最為科學(xué)合理，目前還沒(méi)有完全統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[2]。

篩網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中用“目數(shù)”作為唯一的規(guī)格指標(biāo)，它與網(wǎng)孔的大小是逐一對(duì)應(yīng)的。術(shù)語(yǔ)目數(shù)的定義是“篩網(wǎng)1英寸長(zhǎng)度中的線數(shù)”，必須注意它是用線性而不是用面積計(jì)量的技術(shù)指標(biāo)。因?yàn)樗木W(wǎng)孔必須為正方形，經(jīng)、緯兩個(gè)方向的線徑和線密度必須是相同的，因此規(guī)定了線也就確定了面。所以標(biāo)準(zhǔn)中每一個(gè)目數(shù)，還規(guī)定了線的直徑，這樣一個(gè)目數(shù)指標(biāo)就將這一規(guī)格的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定了，具有唯一性。

表1為篩網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中目數(shù)、孔徑、絲徑對(duì)照表(截選，取在網(wǎng)格圈相當(dāng)規(guī)格范圍)。確定目數(shù)的依據(jù)是孔徑篩選顆粒大小，目數(shù)對(duì)應(yīng)孔徑，因而單絲直徑也唯一地確定了。

表1目數(shù)、孔徑、絲徑對(duì)照

現(xiàn)在業(yè)內(nèi)采用目數(shù)來(lái)標(biāo)志網(wǎng)格圈規(guī)格，這是不科學(xué)的，因?yàn)榫W(wǎng)格圈主要功能是其透氣性，而不要求其網(wǎng)孔是嚴(yán)格的正方形，事實(shí)上國(guó)產(chǎn)網(wǎng)格圈的經(jīng)向和緯向的線密度也是不同的。

國(guó)產(chǎn)網(wǎng)格圈的經(jīng)、緯絲基本都采用直徑為0.08 mm的尼龍單絲。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用空隙率作為網(wǎng)格圈的主要技術(shù)規(guī)格參數(shù)?？障堵实挠?jì)算公式中包含了經(jīng)、緯絲直徑和經(jīng)、緯線密度4個(gè)參數(shù)，這和網(wǎng)格圈的透氣性大致對(duì)應(yīng)，比較科學(xué)。在無(wú)法測(cè)量透氣性的情況下，用空隙率代替網(wǎng)格圈的透氣性指標(biāo)，是比較適當(dāng)?shù)倪x擇。當(dāng)然這也不理想，因?yàn)橥笟庑赃€和網(wǎng)孔的形狀有關(guān)，同樣的空隙率，孔大而孔數(shù)少的則是透氣性更大些。

最理想的方法當(dāng)然是研制集聚紡網(wǎng)格圈透氣性測(cè)試儀，用透氣性指標(biāo)作為網(wǎng)格圈參數(shù)最為科學(xué)。

另一方面，網(wǎng)格圈是一種對(duì)速度有嚴(yán)格要求的特種傳送帶，其寬度方向上應(yīng)有較好的剛度，不易折皺；在周長(zhǎng)方向上要求彈性伸長(zhǎng)應(yīng)很小，還要求有很好的柔度，易彎曲，以利于傳動(dòng)阻力盡可能小[3]。

2　網(wǎng)格圈的透氣性

2.1空隙率

須條纖維在網(wǎng)格圈上被氣流推動(dòng)得到集聚，必須有適當(dāng)而且穩(wěn)定的氣流速度，這就必須具備兩個(gè)條件：① 供氣系統(tǒng)(或稱負(fù)壓系統(tǒng))有穩(wěn)定的壓力差；② 網(wǎng)格圈有穩(wěn)定的空氣阻力。

在壓力差不變的情況下，流量(透氣性)和網(wǎng)格圈的空氣阻力成反比。

網(wǎng)格圈的透氣性在無(wú)適當(dāng)儀器可以測(cè)試的條件下，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用了一個(gè)和透氣性正相關(guān)的空隙率參數(shù)，定義為“網(wǎng)格圈單位面積未被經(jīng)、緯絲覆蓋的空隙百分?jǐn)?shù)”。

空隙率和透氣性有相當(dāng)?shù)恼P(guān)聯(lián)性，而且可以根據(jù)經(jīng)、緯絲的直徑和經(jīng)、緯向線密度4個(gè)參數(shù)來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算或用儀器(工具顯微鏡)測(cè)量。

網(wǎng)格圈的空隙率計(jì)算公式：

空隙率/%=(10-經(jīng)絲直徑×經(jīng)絲線密度)×(10-緯絲直徑×緯絲線密度)

式中，絲直徑單位為mm，線密度單位為根/cm。

如果結(jié)合孔型對(duì)它進(jìn)行適當(dāng)修正，可以比較科學(xué)地代表透氣率指標(biāo)，所以在網(wǎng)格圈設(shè)計(jì)中它也是一個(gè)體現(xiàn)透氣率的重要參數(shù)。

到目前為止，集聚紡工藝上還沒(méi)能提出網(wǎng)格圈透氣性的定量技術(shù)指標(biāo)，因此在實(shí)際使用中存在著相當(dāng)?shù)拿つ啃浴?/p>

21世紀(jì)初我國(guó)引進(jìn)網(wǎng)格圈式集聚紡設(shè)備的有3家公司的機(jī)型：德國(guó)的緒森公司(SUESSEN)、日本的豐田公司(TOYOTA)、意大利的馬佐里公司(MARZOLI)，共有4種規(guī)格的網(wǎng)格圈。

4種初期進(jìn)口網(wǎng)格圈樣品的規(guī)格見(jiàn)表2。

表2初期進(jìn)口網(wǎng)格圈樣品規(guī)格

表2中4種初期進(jìn)口網(wǎng)格圈的規(guī)格，其單絲直徑、目數(shù)、孔數(shù)都相差懸殊，但是空隙率卻基本相同，即透氣性相近[3]。

可以得出結(jié)論：在目前條件下，用空隙率來(lái)定義網(wǎng)格圈的透氣性指標(biāo)是唯一可行的。

目前，市場(chǎng)上關(guān)于網(wǎng)格圈的規(guī)格參數(shù)表示比較混亂。雖然行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用空隙率，但大部分網(wǎng)格圈制造企業(yè)并沒(méi)有采用，還是錯(cuò)誤地采用目數(shù)或孔數(shù)作為網(wǎng)格圈透氣性參數(shù)，這是沒(méi)有意義的。

2.2空隙率與其它指標(biāo)的關(guān)系

表3列舉了常見(jiàn)國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口網(wǎng)格圈各種指標(biāo)間的關(guān)系，從中可以看出除了空隙率之外，所謂的目數(shù)和孔數(shù)相對(duì)于透氣性都具有不確定性。

表3不同網(wǎng)格圈指標(biāo)

空隙率和透氣性究竟還有哪些差異呢？這就需要研究空氣流動(dòng)的阻力特性[2]。

空氣動(dòng)力學(xué)關(guān)于空氣在一個(gè)風(fēng)道里流動(dòng)的阻力系數(shù)有這樣的規(guī)律：阻力和風(fēng)道的面積成反比，和風(fēng)道壁的周長(zhǎng)成正比。

如果將網(wǎng)孔看作一個(gè)很短的矩形通道，其兩邊長(zhǎng)度分別為b和h(見(jiàn)圖1)，那么一個(gè)網(wǎng)孔的阻力系數(shù)ζ應(yīng)為：

(1)

rq，在風(fēng)道計(jì)算中它稱為風(fēng)管的水力半徑。k是包括風(fēng)道長(zhǎng)度在內(nèi)的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，與本研究無(wú)關(guān)，就歸結(jié)為常數(shù)。

如果將網(wǎng)孔放大1倍，即邊長(zhǎng)分別為2b和2h，其面積則是原來(lái)的4倍，其阻力系數(shù)為：

(2)

相同面積的網(wǎng)格圈，1個(gè)大孔和4個(gè)小孔阻力系數(shù)之比為：

(3)

就是說(shuō)如果相同空隙率的網(wǎng)格圈，將矩形孔放大1倍，那么阻力就減小為原來(lái)的1/8。所以，網(wǎng)格圈孔型設(shè)計(jì)成經(jīng)、緯方向都是雙線并合的大方孔形式(見(jiàn)圖2)，在空隙率相同的情況下可以明顯減小阻力系數(shù)，提高透氣性，而且還具有一定的排屑功能[2]。

根據(jù)該原理，可通過(guò)計(jì)算和結(jié)合實(shí)驗(yàn)確定網(wǎng)格圈不同孔型的修正系數(shù)，用空隙率加孔型修正系數(shù)的方法來(lái)標(biāo)志網(wǎng)格圈的透氣性參數(shù)就科學(xué)合理了。

3　網(wǎng)格圈內(nèi)外摩擦因數(shù)不同的誤區(qū)

很多用戶將網(wǎng)格圈內(nèi)外摩擦因數(shù)不同作為一個(gè)重要的質(zhì)量指標(biāo)，甚至認(rèn)為“網(wǎng)格圈內(nèi)外摩擦因數(shù)相差10倍”。

這種說(shuō)法并不科學(xué)。摩擦因數(shù)的兩個(gè)必要前提是相互摩擦的材料性質(zhì)和摩擦表面狀態(tài)。網(wǎng)格圈在工作時(shí)，其外表面受上壓輥的摩擦傳動(dòng)，而內(nèi)表面是在金屬的光滑表面上滑動(dòng)，因摩擦材料不同，當(dāng)然摩擦因數(shù)有明顯差別，相差10倍之多并不意外。但是，脫離摩擦副的材料和表面狀態(tài)，妄言網(wǎng)格圈內(nèi)外的摩擦因數(shù)不同是不科學(xué)的。

當(dāng)然，網(wǎng)格圈內(nèi)外表面手感會(huì)有明顯差異，這是因?yàn)槟壳爸圃斓木W(wǎng)格圈的織物組織都是2上1下的斜紋組織，每根經(jīng)紗都有2個(gè)浮點(diǎn)(即長(zhǎng)浮點(diǎn))，和1個(gè)沉點(diǎn)；而反面則正好相反。這樣就有經(jīng)面和緯面之分，造成手感不同。

如圖3所示，網(wǎng)格圈的外表面(白色)是經(jīng)面斜紋，長(zhǎng)浮點(diǎn)都是網(wǎng)格圈寬度方向，相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，短浮點(diǎn)表面顯得凹凸不平(見(jiàn)圖3左下角)；內(nèi)表面(灰色)是緯面斜紋，緯紗長(zhǎng)浮點(diǎn)都是圓周方向，面對(duì)面滑動(dòng)時(shí)則顯然要平滑得多(見(jiàn)圖3右上角)。這就是摩擦表面狀態(tài)不同，使兩面摩擦手感產(chǎn)生明顯差異的原因，這是所有斜紋組織都有的特性。

網(wǎng)格圈工作時(shí)，其外表面與橡膠、內(nèi)表面與光滑金屬的摩擦完全不同，即分別是尼龍—橡膠和尼龍—金屬摩擦，和網(wǎng)格圈本身的摩擦毫無(wú)關(guān)聯(lián)；因此，將網(wǎng)格圈內(nèi)、外摩擦因數(shù)不同作為其檢驗(yàn)的一個(gè)性能指標(biāo)是不科學(xué)的。

4　網(wǎng)格圈受力分析

4.1摩擦阻力

網(wǎng)格圈的工藝載荷很小，可以忽略不計(jì)，唯一的阻力是它和負(fù)壓管之間的摩擦。機(jī)械摩擦力的產(chǎn)生源于正壓力，而網(wǎng)格圈在運(yùn)行中除了在傳動(dòng)點(diǎn)上有壓輥壓力之外，并無(wú)其他正壓力。

網(wǎng)格圈套在負(fù)壓管上，傳動(dòng)方式有外傳動(dòng)和內(nèi)傳動(dòng)兩類。緒森是外傳動(dòng)方式，豐田是內(nèi)傳動(dòng)方式(國(guó)內(nèi)分別稱為三羅拉和四羅拉)。無(wú)論何種傳動(dòng)，原動(dòng)力都是由前羅拉經(jīng)過(guò)壓輥或羅拉的摩擦傳動(dòng)，而且必須有一個(gè)壓力點(diǎn)產(chǎn)生摩擦力來(lái)傳動(dòng)；負(fù)載也只有一個(gè)，就是網(wǎng)格圈和負(fù)壓管的摩擦阻力。

外傳動(dòng)方式網(wǎng)格圈在工作時(shí)的受力分析如圖4所示，壓輥的壓力P和上壓輥的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩是原動(dòng)外力，負(fù)壓管(或內(nèi)傳動(dòng)羅拉)必然產(chǎn)生方向相反，大小相同的反作用力N。由P產(chǎn)生的摩擦力Q是對(duì)網(wǎng)格圈的驅(qū)動(dòng)力；由N產(chǎn)生的摩擦力F是網(wǎng)格圈運(yùn)行阻力之一(內(nèi)傳動(dòng)方式正好相反，Q是驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)是阻力，因?yàn)檫@里是滾動(dòng)摩擦，摩擦因數(shù)要小得多)。顯然，由于內(nèi)外不同材料的摩擦因數(shù)相差懸殊，Q和F相差也很大，所以網(wǎng)格圈就能夠被傳動(dòng)。

Q和F的相差數(shù)還必須要克服網(wǎng)格圈其他部位和負(fù)壓管之間的摩擦阻力，在無(wú)正壓力的情況下，產(chǎn)生摩擦阻力來(lái)自于柔性網(wǎng)格圈的張力形成的對(duì)負(fù)壓管表面的壓力。因?yàn)樨?fù)壓管各處的曲率不同，網(wǎng)格圈各部位的張力都不一樣，摩擦力也不一樣，張力和摩擦阻力之間有比較復(fù)雜的相互影響的關(guān)系。

要分析非平面的摩擦阻力，必須取一小段網(wǎng)格圈(稱為“微元”)來(lái)分析它的受力情況，如圖5所示。

網(wǎng)格圈和被包容體(負(fù)壓管或羅拉)之間的摩擦力，除了摩擦因數(shù)以外，取決于網(wǎng)格圈的張力和包圍弧的曲率。

(4)

式中：C為網(wǎng)格圈微元兩端的內(nèi)應(yīng)力(張力)，靜止?fàn)顟B(tài)兩端應(yīng)力相等；Ch是兩端應(yīng)力C的合力(矢量和)，合力和分布在被包容體的微元弧上的反作用力相平衡，成為一個(gè)靜力系。式(4)表明，被包容體的曲率愈大(半徑r愈小)，合力Ch就愈大。

圖6為網(wǎng)格圈的曲率和摩擦阻力的關(guān)系。假設(shè)網(wǎng)格圈張力不變，包圍弧的曲率越大，被網(wǎng)格圈微元包圍(弧長(zhǎng)S不變)的負(fù)壓管表面的反作用力就越大，該反作用力是分布在弧S上的壓強(qiáng)，壓強(qiáng)在弧上分布的總面積在數(shù)值上等于合力Ch，該壓強(qiáng)產(chǎn)生摩擦力也就越大。即使網(wǎng)格圈的張力不變，摩擦阻力也將隨著曲率的增大而增大。

另一方面，網(wǎng)格圈具有抗彎剛度，要使它在一個(gè)圓弧上彎曲，必須要有張力；彎曲程度越大(曲率半徑小)，張力也越大。由于網(wǎng)格圈的連續(xù)性(無(wú)端)，這種張力表現(xiàn)為內(nèi)應(yīng)力,因此，網(wǎng)格圈所受的的摩擦阻力取決于兩個(gè)因素：① 網(wǎng)格圈的周向抗彎剛度；② 被包容體表面的曲率(半徑)。這兩者是相互影響，互為因果的。張力的變動(dòng)會(huì)引起摩擦力的變動(dòng)，而摩擦力的增減又會(huì)影響張力的變化。

4.2摩擦阻力變化規(guī)律

圖7是網(wǎng)格圈張力分布和摩擦阻力分布示意。網(wǎng)格圈張力和摩擦阻力均為周向，為了表示其大小和分布情況，圖中將它們的方向旋轉(zhuǎn)了90°。

從網(wǎng)格圈傳動(dòng)點(diǎn)A開(kāi)始，第一個(gè)摩擦力是由壓輥壓力P的反作用力N所產(chǎn)生的摩擦力F(或Q)，這是傳動(dòng)需要的壓輥壓力P引起的，是原動(dòng)力。

網(wǎng)格圈向下離開(kāi)傳動(dòng)點(diǎn)后，走上負(fù)壓管(或羅拉)的下圓弧部分，在這里的網(wǎng)格圈呈松馳狀態(tài)，所受的張力很小，因此這部分的摩擦力很小，而由于要克服摩擦力，張力是逐漸增大的。

再往后網(wǎng)格圈進(jìn)入直線區(qū)，即使存在張力，也無(wú)曲率，摩擦力為零，在這一區(qū)段網(wǎng)格圈的張力也不會(huì)增加。

隨著網(wǎng)格圈進(jìn)入曲率很大的尖角區(qū)，在繞過(guò)這個(gè)尖角的時(shí)候，從直線狀態(tài)突然變成曲率很大的彎曲狀態(tài)，必然會(huì)增大張力來(lái)克服自身的抗彎力，因而網(wǎng)格圈對(duì)負(fù)壓管尖角的壓力也顯著加大，于是摩擦阻力增大，反過(guò)來(lái)又增大了網(wǎng)格圈的張力，摩擦阻力的正反饋?zhàn)饔迷俅渭哟?，造成了整個(gè)網(wǎng)格圈的最大的摩擦阻力區(qū)域，這里可以稱它為尖角阻力，用J來(lái)代表。這個(gè)“尖角”在集聚紡紗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上是很重要的，它越“尖”，負(fù)壓管上集聚槽的上開(kāi)口就越接近輸出羅拉的鉗口，對(duì)須條的控制就越好。

再往后，網(wǎng)格圈繞過(guò)尖角進(jìn)入集聚區(qū)，盡管網(wǎng)格圈張力達(dá)到最大，但是由于曲率很小，因此摩擦力也很小。張力大則使網(wǎng)格圈緊貼負(fù)壓管，網(wǎng)格圈的表面平服，速度均勻，有利于纖維集聚，保證條干均勻。

負(fù)壓管的尖角是必需的，是紡紗工藝的要求，這是集聚紡紗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)不可調(diào)和的矛盾，不能指望用大的曲率半徑來(lái)減小尖角阻力；當(dāng)然，設(shè)計(jì)負(fù)壓管時(shí)應(yīng)仔細(xì)地研究其外形曲線的形狀，避免出現(xiàn)曲率特別大的尖角。

通過(guò)以上分析，可以歸納如下[3]。

a)網(wǎng)格圈的負(fù)荷，取決于它本身的機(jī)械特性——周向抗彎剛度，抗彎剛度大，使其彎曲的張力大、摩擦阻力大、傳動(dòng)張力增大，反過(guò)來(lái)又增大摩擦力，這是一個(gè)正反饋的惡性循環(huán)。

b)尖角阻力是網(wǎng)格圈負(fù)荷的主要因素，產(chǎn)生的原因是負(fù)壓管的尖角，這是無(wú)法改變的紡紗工藝要求，降低尖角阻力，唯一的辦法是盡量減小網(wǎng)格圈的周向彎曲剛度，可以采取措施：① 采用較細(xì)的緯線，如需要可以適當(dāng)增加線密度以補(bǔ)償拉伸強(qiáng)度，因?yàn)榫暰€拉伸強(qiáng)度與直徑呈平方關(guān)系，而抗彎剛度與直徑呈3次方關(guān)系；② 采用較粗的經(jīng)線，減小經(jīng)線密度，因?yàn)榻?jīng)線粗可以增加網(wǎng)格圈軸向剛度，而小密度可以降低網(wǎng)格圈的周向剛度；③ 不宜采用滌綸單絲，因?yàn)闇炀]的相對(duì)剛度是錦綸的4.4倍。

c)目前市場(chǎng)為適應(yīng)粗號(hào)紗集聚紡，出現(xiàn)粗經(jīng)、粗緯的網(wǎng)格圈(還有豐田集聚紡、緒森毛集聚紡網(wǎng)格圈)采用直徑為0.16 mm的單絲，明顯加大了網(wǎng)格圈的抗彎剛度和運(yùn)行阻力，是不適當(dāng)?shù)摹?/p>

5　網(wǎng)格圈的速度補(bǔ)償

集聚紡工藝中有個(gè)重要參數(shù)是集聚牽伸，規(guī)定網(wǎng)格圈理論線速度比前羅拉線速度提高5%～7%。然而理論上集聚紡應(yīng)做到集束區(qū)不牽伸，因?yàn)闋可鞎?huì)破壞條干均勻度。細(xì)紗機(jī)是紡紗工程的最終工序，集束區(qū)產(chǎn)生的條干不勻再也無(wú)法得到糾正而被帶到成紗上。集束區(qū)如果真的有5%牽伸，有害而無(wú)益，將對(duì)成紗的條干均勻度產(chǎn)生負(fù)面影響。

那么，這個(gè)集聚牽伸的實(shí)質(zhì)是什么呢？須條是在集聚區(qū)受到5%的牽伸了嗎？

網(wǎng)格圈裝置采用線接觸摩擦傳動(dòng)網(wǎng)格圈的方法，這在機(jī)械傳動(dòng)方式中是一種最簡(jiǎn)單的,也是最不可靠的傳動(dòng)方式。其傳動(dòng)功率受到限制，傳動(dòng)速比不能保證，肯定存在打滑問(wèn)題，對(duì)速度要求很嚴(yán)格的集聚紡網(wǎng)格圈傳動(dòng)不是合格的選擇，它犧牲了集聚紡最重要的原則——集束時(shí)須條速度和前羅拉線速度要保持絕對(duì)一致,這是一個(gè)結(jié)構(gòu)原理上的缺陷[4]。

為彌補(bǔ)這一缺陷，補(bǔ)償打滑引起的速度損失，機(jī)構(gòu)上設(shè)置了傳動(dòng)速比補(bǔ)償量見(jiàn)圖8。

在緒森機(jī)構(gòu)(EliTe?)設(shè)計(jì)中，紡細(xì)號(hào)紗時(shí)，k=1.05～1.07(即網(wǎng)格圈理論線速度要比前羅拉線速度提高5%～7%)。通過(guò)精密磨削，控制兩個(gè)膠輥r1/r2的比值來(lái)保證合適的k值。因?yàn)橄鹉z制的膠輥容易磨損，所以磨削膠輥成為集聚紡車間的一項(xiàng)非常重要的日常維護(hù)工作。

目前國(guó)內(nèi)把它叫做集聚牽伸是不適當(dāng)?shù)?，容易使人誤解。實(shí)際上，這是因?yàn)樵跈C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上不可解決的缺陷而采取的補(bǔ)救措施，目的并不是為了牽伸，而是為了讓須條保持適當(dāng)?shù)木o張狀態(tài)，以便加工。

對(duì)集聚紡的集束區(qū)而言，也有這種要求。立達(dá)的卡摩紡，須條在一個(gè)剛性滾筒表面，前、后兩個(gè)壓輥之間圓周方向的線速度是完全一樣的。為了使須條很好的貼緊羅拉表面，不會(huì)發(fā)生須條堆積，就要讓須條有微小的張力。在等速前進(jìn)的多孔羅拉表面上要實(shí)現(xiàn)前方速度略快的辦法是讓紗路有一定的傾斜，在氣流和羅拉的聯(lián)合作用下，須條在斜邊上前進(jìn)，速度v就自然比直角邊上的須條速度vh要快，參見(jiàn)圖9。

速度的增量來(lái)自于須條的水平位移速度vq(矢量和)；但是，當(dāng)須條到達(dá)前壓輥鉗口后又回到原方向，vq消失了，須條回復(fù)到原來(lái)的方向后的輸出速度仍然是羅拉線速度，而一出阻捻鉗口的須條立刻受到加捻而發(fā)生收縮，實(shí)際上不發(fā)生牽伸。

網(wǎng)格圈裝置也用了傾斜紗路的形式，若傾斜角為10°則傾斜紗路上須條的速度已經(jīng)獲得1.54%以上的增量(見(jiàn)圖9右)，這對(duì)于維持須條必要的張力已經(jīng)足夠了，5%的速度增量顯然偏大。當(dāng)然，這種不可靠的點(diǎn)摩擦傳動(dòng)方式不可避免地出現(xiàn)打滑造成的速度損失需要得到補(bǔ)償，確保集聚區(qū)須條的輸出速度不低于輸入速度，那么，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上的k值應(yīng)稱之為速度補(bǔ)償。

為了深入一步弄清楚這種摩擦傳動(dòng)的實(shí)質(zhì)，需要來(lái)詳細(xì)觀察研究網(wǎng)格圈傳動(dòng)中影響打滑問(wèn)題的各種因素。

6　網(wǎng)格圈傳動(dòng)

6.1網(wǎng)格圈打滑問(wèn)題

緒森集聚紡紗裝置(EliTe?)的網(wǎng)格圈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采取了用膠輥點(diǎn)接觸摩擦傳動(dòng)網(wǎng)格圈的最簡(jiǎn)單化方法，對(duì)速度要求嚴(yán)格與前羅拉同步的網(wǎng)格圈是不合理的，也是最不可靠的，不可能保證須條速度和前羅拉線速度絕對(duì)一致。

點(diǎn)接觸摩擦傳動(dòng)存在打滑問(wèn)題，尤其是采用高彈性的膠輥?zhàn)鳛橹鲃?dòng)力。膠輥的彈性使傳動(dòng)半徑隨著壓力的變化而變化，而這個(gè)壓力又是傳動(dòng)網(wǎng)格圈摩擦力的主動(dòng)力，這就產(chǎn)生了矛盾：正壓力小則摩擦力不足，網(wǎng)格圈易打滑；正壓力大則橡膠發(fā)生變形致傳動(dòng)半徑減小，網(wǎng)格圈速度損失；加之不穩(wěn)定因素很多，橡膠硬度、摩擦因數(shù)、紗號(hào)粗細(xì)和條干不勻等，使網(wǎng)格圈速度很難保持穩(wěn)定。

還有一個(gè)更不合理的因素，在傳動(dòng)膠輥和網(wǎng)格圈間還存在纖維須條，所以上壓輥給予網(wǎng)格圈的線壓力經(jīng)過(guò)須條的壓強(qiáng)是最大的。雖然在紡細(xì)號(hào)紗時(shí)，須條纖維量很少，不至于引起明顯的打滑，因而掩蓋了其不合理性；但是，纖維的存在相當(dāng)于在摩擦傳動(dòng)副中增加了固體潤(rùn)滑劑纖維間滑移；所以在壓輥和網(wǎng)格圈間的纖維呈半游離狀態(tài)成為潤(rùn)滑劑，引起摩擦力的明顯減小，增加了打滑可能。

緒森集聚紡紗裝置上，將膠輥的理論線速度比前羅拉線速度提高5%，并把它叫做集聚牽伸，其目的是保證打滑率在不大于5%的情況下，網(wǎng)格圈的速度不會(huì)低于前羅拉的線速度，在網(wǎng)格圈上的須條前進(jìn)速度也不會(huì)低于前羅拉輸出速度，不會(huì)發(fā)生堆積問(wèn)題而使集束過(guò)程中斷。

6.2網(wǎng)格圈傳動(dòng)

豐田公司的集聚紡紗裝置傳動(dòng)方式，據(jù)稱克服了緒森的缺點(diǎn)，事實(shí)上并非如此。

雖然網(wǎng)格圈是由羅拉傳動(dòng)，看起來(lái)有很大的包角，似乎類似于皮帶傳動(dòng)，但是它和皮帶傳動(dòng)的原理是完全不同的，見(jiàn)圖10。

皮帶傳動(dòng)必須有較大的初張力，沒(méi)有任何外來(lái)壓力，只靠皮帶張力形成對(duì)皮帶輪的壓力產(chǎn)生摩擦力來(lái)傳動(dòng)；而網(wǎng)格圈不可能有大的初張力。因?yàn)榫W(wǎng)格圈初張力大則尖角阻力也大，這是一種惡性循環(huán)，只能采用小的初張力，傳動(dòng)是靠上壓輥的正壓力，上壓輥壓力F使傳動(dòng)羅拉產(chǎn)生反作用力N，于是在網(wǎng)格圈內(nèi)表面上產(chǎn)生摩擦力Q，這是網(wǎng)格圈的驅(qū)動(dòng)力；在Q的驅(qū)動(dòng)下，包圍在羅拉上的網(wǎng)格圈處于松邊狀態(tài)，對(duì)羅拉幾乎沒(méi)有壓力，不會(huì)產(chǎn)生多少摩擦力，所謂的包角不起傳動(dòng)作用，它仍然是一種點(diǎn)摩擦傳動(dòng)，和三羅拉無(wú)太大差別。只是它的傳動(dòng)件是剛性的，無(wú)變形因素影響傳動(dòng)比；還有傳動(dòng)副中間無(wú)纖維的固體潤(rùn)滑作用，影響較小，所以它沒(méi)有所謂的集聚牽伸。實(shí)際上它也有速度補(bǔ)償，不過(guò)因?yàn)橛绊懸蛩厣?，所以比較小，而且是固定不變的。

6.3變密度網(wǎng)格圈

由于有須條存在而使網(wǎng)格圈中部壓力較大，因此在紡粗號(hào)紗時(shí)網(wǎng)格圈中部被壓壞的問(wèn)題經(jīng)常出現(xiàn)。為此，采用加粗一倍的尼龍單絲織造，但新問(wèn)題是網(wǎng)格圈的周向彎曲剛度提高4倍而使運(yùn)行阻力增大，有損于設(shè)備使用壽命，科學(xué)的辦法是使用兩邊加厚的變密度網(wǎng)格圈。

變密度網(wǎng)格圈是在其寬度上劃分為3個(gè)功能區(qū)域：兩側(cè)為傳動(dòng)區(qū)，高密度織造的厚度大、強(qiáng)度高，能承受摩擦傳動(dòng)的機(jī)械外力作用；中部工作區(qū)即集聚區(qū)，經(jīng)、緯密度和透氣性按照紡紗工藝要求設(shè)計(jì)[6]。

變密度網(wǎng)格圈的最大特點(diǎn)在于：當(dāng)紡細(xì)號(hào)紗時(shí)上壓輥對(duì)網(wǎng)格圈的線壓力分布呈馬鞍形，主要壓力集中在兩側(cè)的傳動(dòng)區(qū)、摩擦力也集中在兩側(cè)，傳動(dòng)穩(wěn)定性優(yōu)于普通網(wǎng)格圈。

紡9.7 tex棉紗的須條厚度約為0.06 mm，變密度網(wǎng)格圈的傳動(dòng)區(qū)厚度比工作區(qū)大0.05 mm；因此，工作區(qū)內(nèi)須條還能受到小壓力控制。由于纖維的固體潤(rùn)滑劑作用徹底消失，不會(huì)影響傳動(dòng)摩擦力的變化，因此傳動(dòng)穩(wěn)定性優(yōu)于普通網(wǎng)格圈。

紡粗號(hào)紗(29.2 tex以上的紗)專用網(wǎng)格圈傳動(dòng)區(qū)厚度比工作區(qū)約大0.15 mm(工作區(qū)厚度為0.15 mm，傳動(dòng)區(qū)厚度為0.30 mm)，也能滿足紡紗要求[6]。

7　網(wǎng)格圈的使用壽命

網(wǎng)格圈的使用壽命是網(wǎng)格圈制造者和使用者共同關(guān)心的，目前的進(jìn)口網(wǎng)格圈為1 a～1.5 a，國(guó)產(chǎn)為3個(gè)月～6個(gè)月。實(shí)踐表明，在正常使用情況下，網(wǎng)格圈的失效并非其拉伸強(qiáng)度問(wèn)題，也并非疲勞，而是因?yàn)槠淠p、變形所致。

在21世紀(jì)初，緒森公司要求我國(guó)用戶對(duì)其網(wǎng)格圈必須每隔3 d～5 d清洗一次，且半年后要強(qiáng)制淘汰；否則，不保證成品紗的質(zhì)量。可見(jiàn)網(wǎng)格圈的使用壽命取決于成紗質(zhì)量[7]，當(dāng)普遍使用國(guó)產(chǎn)抗靜電，特別是超聲波切割邊網(wǎng)格圈以后，網(wǎng)格圈可以水洗了，則不再?gòu)?qiáng)制規(guī)定了；經(jīng)常清洗還是必須的，清洗周期與網(wǎng)格圈性能和車間的清潔程度有關(guān)；當(dāng)然，影響成紗質(zhì)量，是其淘汰的標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)際上，網(wǎng)格圈網(wǎng)孔上洗不掉的不是污物，而是尼龍絲起毛導(dǎo)致，這在顯微鏡下可以觀察得清清楚楚，起毛是無(wú)法洗掉的，這種狀態(tài)下網(wǎng)格圈也就無(wú)法再使用了。

通常，網(wǎng)格圈磨損狀態(tài)可以分為3種類型：無(wú)毛型、絨毛型(短毛)，長(zhǎng)毛型。實(shí)踐表明，3種磨損類型的使用壽命明顯不同：長(zhǎng)毛型的不超過(guò)3個(gè)月；無(wú)毛型的壽命最長(zhǎng)，絨毛型次之，約為1 a。

初步分析產(chǎn)生上述不同的原因，歸結(jié)于原絲的質(zhì)量和生產(chǎn)工藝的合理性。

8　網(wǎng)格圈磨損試驗(yàn)

為了評(píng)定網(wǎng)格圈的耐磨損能力，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《織物磨損試驗(yàn)方法》進(jìn)行，然而得出的結(jié)論卻往往和實(shí)際使用情況相左，最早被磨破的網(wǎng)格圈的實(shí)際使用壽命卻是最長(zhǎng)的。這是因?yàn)槟Σ猎囼?yàn)不適用于網(wǎng)格圈，不能得出正確結(jié)論。

正確的試驗(yàn)方法，應(yīng)模擬網(wǎng)格圈工作條件，研制摩擦試驗(yàn)儀。摩擦試驗(yàn)儀由標(biāo)準(zhǔn)負(fù)壓管、張力輥、驅(qū)動(dòng)膠輥和計(jì)數(shù)器組成，原理如圖11所示，其中M是傳動(dòng)輥轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，r是傳動(dòng)輥的傳動(dòng)半徑，F(xiàn)是傳動(dòng)網(wǎng)格圈的摩擦力。實(shí)驗(yàn)時(shí)將膠輥壓力調(diào)到標(biāo)準(zhǔn)值(如為20 N)，速度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值(如為200 r/min)；計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到規(guī)定數(shù)值(如為10 kr)，取下網(wǎng)格圈，用放大鏡觀察并和樣本對(duì)比得出耐磨級(jí)別，或者用專用的網(wǎng)格圈透氣性測(cè)試儀來(lái)衡量。

9　網(wǎng)格圈的變形

網(wǎng)格圈在使用過(guò)程中，變形是免不了的。微小變形并不影響使用，嚴(yán)重變形才會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格圈失效。

圖12a)是進(jìn)口緒森的五星網(wǎng)格圈在使用幾個(gè)月以后的變形情況(右側(cè)是內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的)，有明顯的“荷葉邊”；圖12b)是國(guó)產(chǎn)天問(wèn)新結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圈使用相同時(shí)間后的情況，網(wǎng)格圈外形基本保持平整，無(wú)荷葉邊。變形原因如下。

a)浸水變形

上海天問(wèn)紡織新技術(shù)研發(fā)中心開(kāi)發(fā)的專利產(chǎn)品NWQ66型新結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圈，只要是不高于40℃的水溫浸泡，就不會(huì)發(fā)生變形。毛紡網(wǎng)格圈因?yàn)橛杏椭仨氂盟逑?，采?天問(wèn))網(wǎng)格圈是最合適的，不必采用既粗又硬的進(jìn)口毛紡專用網(wǎng)格圈，后者明顯影響使用性能。推薦使用超聲波清洗機(jī)清洗，可以徹底清除網(wǎng)孔中間的細(xì)微污物、油污，還保護(hù)網(wǎng)格圈，自動(dòng)化程度高，效果良好[8]。

一般的網(wǎng)格圈(包括緒森五星網(wǎng)格圈)浸水就會(huì)產(chǎn)生荷葉邊而不能用水清洗，只能用壓縮空氣清洗，也容易損傷網(wǎng)格圈，且不如用水清洗的效果好。

b)伸長(zhǎng)變形

塑性伸長(zhǎng)是在使用過(guò)程中逐漸發(fā)生的，優(yōu)質(zhì)材料與合理的處理方法可以使塑性變形最小。高分子材料的產(chǎn)品發(fā)生塑性變形是難以完全避免的，若網(wǎng)格圈周長(zhǎng)的伸長(zhǎng)是均勻的話，那么微小的塑性伸長(zhǎng)不會(huì)引起明顯的變形；網(wǎng)格圈發(fā)生扭曲變形是由于其周長(zhǎng)上的變形不一致，兩側(cè)的塑性伸長(zhǎng)大于中部，則即使伸長(zhǎng)的絕對(duì)值很小，也會(huì)產(chǎn)生荷葉邊，這顯然會(huì)影響網(wǎng)格圈的使用壽命。

網(wǎng)格圈的起毛和變形問(wèn)題是影響其使用壽命的主因，但在網(wǎng)格圈行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中還未作出規(guī)定，因此無(wú)法形成網(wǎng)格圈質(zhì)量指標(biāo)。

10　節(jié)能網(wǎng)格圈

網(wǎng)格圈可以節(jié)能，但不是網(wǎng)格圈本身能量消耗的減小，而是通過(guò)氣流作用，因此要從集聚氣流的運(yùn)動(dòng)原理來(lái)研究[10]。

觀察集聚槽的一個(gè)斷面發(fā)現(xiàn)，集聚氣流是負(fù)壓管中低氣壓在集聚槽口形成的，見(jiàn)圖13。流體力學(xué)告訴我們：氣流是由于壓強(qiáng)梯度造成的。壓強(qiáng)梯度可以理解為空間兩個(gè)臨近的點(diǎn)上的壓力差在兩點(diǎn)距離無(wú)限縮短時(shí)的極限值。壓強(qiáng)梯度是一個(gè)矢量，有大小和方向兩個(gè)要素，表示一個(gè)氣流場(chǎng)的壓強(qiáng)梯度的方法是畫(huà)出等強(qiáng)線，即將空間壓力相等的點(diǎn)連成的一條曲線(曲面)。壓強(qiáng)梯度的方向是等強(qiáng)線的法線方向，大小是兩條等強(qiáng)線的距離。氣流的大小、方向與壓強(qiáng)梯度是一致的。

集聚槽截面上，在無(wú)纖維的情況下，等強(qiáng)線是以集聚槽中心為圓心的一個(gè)個(gè)同心半圓，壓強(qiáng)梯度都沿著圓弧的半徑方向，須條是從右側(cè)進(jìn)入，而且由于集聚槽的傾斜始終貼在槽的右側(cè)前進(jìn)；因此，右側(cè)阻力加大，等強(qiáng)線發(fā)生變形且向左遷移。壓強(qiáng)梯度和氣流跟著發(fā)生變化，在須條周圍形成了旋轉(zhuǎn)氣流，并一直伴隨著須條，一方面推動(dòng)須條向左滾動(dòng)，一方面使須條表層纖維的自由端部向左漂移翻滾，形成有一定捻度的包覆層。

推動(dòng)纖維運(yùn)動(dòng)的能量來(lái)自于氣流的動(dòng)量轉(zhuǎn)移，動(dòng)量D只與流速v和流量(質(zhì)量m)有關(guān)(D=mv)，與壓強(qiáng)無(wú)直接關(guān)系；只要流經(jīng)須條周圍的氣流有足夠的動(dòng)量，就可以完成須條的整體滾動(dòng)和表層纖維包覆層的形成，要控制的是流量和流速，而不是負(fù)壓；如果能夠在保證流量和流速的前提下降低負(fù)壓，就能達(dá)到節(jié)能的目的。

流量和壓強(qiáng)的關(guān)系取決于通道阻力，若網(wǎng)格圈線密度大，則空氣通過(guò)的阻力大，導(dǎo)致需要的負(fù)壓大；所以，若大幅度地減小網(wǎng)格圈的風(fēng)阻，就可以在保證一定流量情況下大幅度地降低負(fù)壓，就意味著降低能耗。節(jié)能網(wǎng)格圈正在積極的研制中。

11　結(jié)語(yǔ)

近10年來(lái)，有關(guān)集聚紡紗的討論很多，有知名教授發(fā)表的論文，有高等學(xué)府學(xué)報(bào)刊載的博士論文、碩士論文，有大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的研究論文，有運(yùn)用諸如場(chǎng)論之類的高深理論、用國(guó)外引進(jìn)的先進(jìn)軟件來(lái)分析集聚紡紗氣流場(chǎng)的綜述；但是，對(duì)集聚紡集聚原理的理解仍然集中在“消除紡紗三角”的實(shí)踐里。

筆者對(duì)網(wǎng)格圈的研究也還僅僅在定性的階段，進(jìn)一步深入定量研究，需要試驗(yàn)儀器來(lái)取得各種數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證定性研究中的正與誤，使集聚紡在理論研究上有所突破，這不是一個(gè)人的力量能做到的，希望業(yè)界同仁共同努力。

[1] 陸宗源.集聚紡網(wǎng)圈的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新[J].紡織器材,2007,34(3):17-19.

[2] 陸宗源.評(píng)定網(wǎng)圈性能的一個(gè)重要指標(biāo)：彎曲剛度[J].紡織器材,2008,35(2):5-6,37.

[3] 陸宗源.集聚紡網(wǎng)圈的設(shè)計(jì)制造和使用維護(hù)[J].紡織器材,2007,34(6):23-26.

[4] 陸宗源.集聚紡氣流集束原理和紗線結(jié)構(gòu)[J].紡織器材,2011,38(1):17-20.

[5] 陸宗源.淺析集聚紡網(wǎng)格圈傳動(dòng)原理的缺陷[J].紡織器材,2010,37(6):6-9.

[6] 陸宗源.緊密紡變密度網(wǎng)圈的科學(xué)性[J].國(guó)際紡織導(dǎo)報(bào),2008(8):39-41.

[7] 陸宗源.網(wǎng)格圈破壞模式和使用壽命的研究[J].紡織器材,2010,37(2):13-16.

[8] 陸宗源，陸立秋，NWQ系列新結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圈[J].紡織器材,2012,39(1):63-64.

[9] 陸宗源.兩款網(wǎng)圈專利產(chǎn)品的特點(diǎn)和應(yīng)用[J].紡織器材,2009,36(1):60-63.

[10] 陸宗源.集聚紡紗用網(wǎng)格圈節(jié)能原理初探[J].紡織器材,2012,39(6):6-9.

Research of the Lattice Apron in Compact Spinning Application

LU Zongyuan

(The R&D Center Shanghai Tianwen New Textile Technology,Shanghai 200125,China)

As to the misconception in the requirement of the performance,working mechanism,mechanical properties of the lattice apron,a detailed analysis is done to the performance index and the inner and the outer friction difference,force and transmission performance with the lattice apron.It is pointed out that the voidage is an important index of the lattice apron.The difference in the friction of the outer layer and the inner layer results from the difference in the structure of the both sides of the lattice apron.The loading of the lattice apron depends on circumferential bending resistance.The lattice apron with variable density improves the transmission stability of the conventional product.An idea is put forth with the energy saving lattice apron.

compact spinning;lattice apron;voidage;speed offset;density;energy saving

2015-05-15

陸宗源(1936—)，男，上海人， 高級(jí)工程師，主要從事集聚紡紗等新技術(shù)的研究。

TS103.82+3

A

1001-9634(2016)01-0058-09