包芯紗集合器的結(jié)構(gòu)分析及其應(yīng)用效果

許 多 龔偉明 樂(lè)鵬濤 張又青 劉可帥

(1.武漢紡織大學(xué)，湖北武漢，430073；2.武漢裕大華紡織服裝集團(tuán)有限公司，湖北武漢，430415； 3.東莞德永佳紡織制衣有限公司，廣東東莞，523138)

環(huán)錠紡是目前包芯紗實(shí)際生產(chǎn)中最主要的紡紗方式，但是環(huán)錠紡包芯紗一直存在著包覆不勻，露絲、露芯，紗線(xiàn)性能差等問(wèn)題，導(dǎo)致其無(wú)法有效提高包芯紗的附加值, 限制了包芯紗的應(yīng)用[1]。

一些學(xué)者針對(duì)這些問(wèn)題已經(jīng)進(jìn)行了相應(yīng)研究。BABAARSLAN O等研究了長(zhǎng)絲在紗線(xiàn)中所處位置對(duì)其包芯紗的表觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)強(qiáng)力的影響[2]；劉榮清等對(duì)包芯紗紡制工藝的探究得出長(zhǎng)絲芯紗定位對(duì)其成紗質(zhì)量的重要作用[3]；薛元等通過(guò)改變長(zhǎng)絲與須條結(jié)合的相對(duì)位置變化，分析其長(zhǎng)絲與短纖復(fù)合狀態(tài)及內(nèi)外轉(zhuǎn)移的機(jī)理[4]。這些研究發(fā)現(xiàn)包芯紗長(zhǎng)絲與短纖難以精準(zhǔn)定位，其偏移影響紗線(xiàn)表觀結(jié)構(gòu)與性能。后來(lái)錢(qián)軍等通過(guò)紡紗過(guò)程中長(zhǎng)絲與短纖相距位置大小來(lái)找出對(duì)紡制紗線(xiàn)質(zhì)量的影響[5]；王靜榮等發(fā)現(xiàn)改變長(zhǎng)絲與短纖在平衡點(diǎn)的相對(duì)位置可以提高包芯紗成紗質(zhì)量[6]；王同勇利用自制的導(dǎo)絲定位裝置來(lái)確定長(zhǎng)絲與短纖聚合點(diǎn)位置對(duì)包芯紗結(jié)構(gòu)和性能影響[7]。這些研究都強(qiáng)調(diào)了芯紗長(zhǎng)絲與短纖的相對(duì)位置對(duì)包芯紗成紗質(zhì)量的關(guān)鍵作用。

在針對(duì)長(zhǎng)絲與短纖位置的定位上，本文將采用3種包芯紗紡紗工藝進(jìn)行對(duì)比。為了解決傳統(tǒng)包芯紗成紗質(zhì)量差、包覆性不良等問(wèn)題，采用后區(qū)集合器和前區(qū)集合器，即在上銷(xiāo)與前膠輥、前膠輥與前羅拉之間分別配置包芯紗集合器裝置，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)絲與短纖精確定位。分析其包芯紗集合器結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，并且與傳統(tǒng)包芯紗長(zhǎng)絲與短纖的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和相對(duì)位置進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)采取了多種對(duì)照性紡紗試驗(yàn)，對(duì)比分析了環(huán)錠紡、后區(qū)集合器和前區(qū)集合器包芯紗的成紗質(zhì)量和包覆性能。本文研究對(duì)于改進(jìn)包芯紗技術(shù)，提高包芯紗品質(zhì)，增加包芯紗產(chǎn)品附加值，提高生產(chǎn)效率有指導(dǎo)作用。

1 模型建立及試驗(yàn)方案

1.1 集合器模型建立及有限元分析

在細(xì)紗機(jī)上銷(xiāo)與前膠輥之間安放如圖1(a)所示的包芯紗集合器。集合器三角區(qū)受到羅拉轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的摩擦和前膠輥的支持力，使集合器受力平衡保持相對(duì)穩(wěn)定。粗紗須條從集合器下方集聚槽口穿過(guò)，對(duì)其須條有整束作用。芯紗長(zhǎng)絲經(jīng)過(guò)集合器上方保護(hù)弧，由集合器槽口上方集合窄口穿過(guò)，與從槽口穿過(guò)的須條形成精確定位。

(a)裝配模型圖 (b)網(wǎng)格劃分圖

圖1 后區(qū)包芯紗集合器模型圖

用SolidWorks軟件構(gòu)建出的包芯紗集合器模型，并對(duì)其紡紗過(guò)程中受力狀況進(jìn)行有限元分析，對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型采用0.7 mm的六面體網(wǎng)格劃分。經(jīng)過(guò)劃分后，集合器模型如圖1(b)所示，模型由43 616個(gè)節(jié)點(diǎn)和26 065個(gè)網(wǎng)格單元組成，設(shè)定集合器三角區(qū)一側(cè)與前膠輥相接觸。其中包芯紗集合器材料屬性定義：張力強(qiáng)度為3×107N·m2，彈性模量為2×109N·m2，泊松比為0.394，抗剪模量為3.18×108N·m2。

根據(jù)包芯紗實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)其長(zhǎng)絲與短纖須條經(jīng)過(guò)的集合窄口、集聚槽口和保護(hù)弧添加壓力載荷，芯紗方向的載荷力為15 cN,須條方向分別施加20 N、30 N、40 N和50 N的載荷力，探究不同載荷力下包芯紗集合器應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。圖2為包芯紗集合器在不同載荷力下的受力云圖。

包芯紗集合器不同載荷力下的最大與最小應(yīng)力如表1所示。

表1 不同牽伸載荷力下集合器所受應(yīng)力

牽伸載荷力/N最小應(yīng)力/N·m-2最大應(yīng)力/N·m-220304050177.86183.70187.06188.384.54×1086.81×1089.08×1081.13×109

由表1結(jié)合圖2可以看出，牽伸載荷力的增大，集合器對(duì)須條的作用力也增加，對(duì)須條的整束效果提高。芯紗的張力由保護(hù)弧分散至集合器和膠輥結(jié)合處，使得芯紗在集合器內(nèi)部作用下重新配重，賦予芯紗新的作用力，與須條精確匯聚。

1.2 試驗(yàn)方案及成紗結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

圖3分別代表不同紡紗方案下長(zhǎng)絲與短纖在紡制過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

其中圖3(a)為方案A，傳統(tǒng)環(huán)錠紡包芯紗不配置集合器。芯紗經(jīng)導(dǎo)絲輪定位，沿前羅拉膠輥形成包圍弧，在加捻三角區(qū)鉗口線(xiàn)處與粗紗須條相結(jié)合，到達(dá)平衡點(diǎn)后，粗紗須條沿著芯紗發(fā)生纖維間的內(nèi)外轉(zhuǎn)移。由于定位的導(dǎo)絲輪離鉗口線(xiàn)有較遠(yuǎn)距離，在加捻三角區(qū)內(nèi)的纖維產(chǎn)生的向心轉(zhuǎn)移力，使得芯紗會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移，對(duì)包芯紗的包覆效果有所惡化。

圖3(b)為方案B，后區(qū)集合器裝配在前膠輥后。集合器下方集聚槽口對(duì)粗紗須條起到整束和定位作用，集聚槽口上方細(xì)小集合窄口則是對(duì)芯紗張力重新配重，并將芯紗長(zhǎng)絲定位于下方整束須條的正中間。紗中纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移,同時(shí)須條在經(jīng)過(guò)集聚槽后將須條游離的纖維整束進(jìn)入須條本體中，在收縮形成加捻三角區(qū)時(shí),更多的邊緣纖維會(huì)參與內(nèi)外轉(zhuǎn)移。同時(shí)在加捻作用下，位于須條中心的長(zhǎng)絲只會(huì)自行加捻，不會(huì)與周?chē)鷥?nèi)外轉(zhuǎn)移的纖維形成纏繞結(jié)構(gòu)。這時(shí)長(zhǎng)絲就會(huì)保持在紗線(xiàn)中間，包覆效果達(dá)到最佳。

圖3(c)為方案C，前區(qū)集合器上配置磁鐵，磁力吸附在前羅拉出口處。包芯紗的長(zhǎng)絲是經(jīng)過(guò)前羅拉與前膠輥前的集合器進(jìn)入紗線(xiàn)中，當(dāng)芯紗長(zhǎng)絲進(jìn)入集合器時(shí)，長(zhǎng)絲處于加捻三角區(qū)的最底部，參與內(nèi)外轉(zhuǎn)移的纖維已經(jīng)所剩不多，向長(zhǎng)絲方向轉(zhuǎn)移的纖維數(shù)量很少，處于加捻三角區(qū)內(nèi)的須條段的部分短纖維可能發(fā)生滑移，與長(zhǎng)絲形成復(fù)合包纏的螺旋結(jié)構(gòu)，其包芯紗結(jié)構(gòu)受影響。

(a)方案A (b)方案B (c)方案C

圖3 不同紡紗方案下包芯紗長(zhǎng)絲與短纖集聚運(yùn)動(dòng)過(guò)程

1.3 長(zhǎng)絲與短纖運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力平衡分析

圖4為包芯紗長(zhǎng)絲與短纖力學(xué)平衡模型。其中方案A無(wú)集合器包芯紗受力模型如圖4(a)所示，分析其紗線(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下芯紗受力模型。可得方案A無(wú)集合器時(shí)芯紗的受力方程，見(jiàn)式(1)。

(1)

方案A包芯紗芯紗與紗條在鉗口線(xiàn)相結(jié)合。處在加捻三角區(qū)內(nèi)的長(zhǎng)絲由于偏移平衡點(diǎn)O會(huì)產(chǎn)生向軸心位移的向心力，長(zhǎng)絲在向心壓力作用下與纖維相互擠壓，會(huì)在三角區(qū)內(nèi)產(chǎn)生向心振動(dòng)，與外層包覆短纖相互交錯(cuò)。長(zhǎng)絲需要與牽伸拉力成傾斜角，其拉力才能保證紗線(xiàn)的受力平衡，因此這類(lèi)包芯紗的長(zhǎng)絲位置隨著長(zhǎng)絲向心力大小而振動(dòng)。

前區(qū)及后區(qū)集合器包芯紗動(dòng)態(tài)平衡模型相同，以圖4(b)為例，可得芯紗受力的平衡式方程，見(jiàn)式(2)。

(2)

公式(1)、(2)中，F(xiàn)1為芯紗長(zhǎng)絲在平衡點(diǎn)O之前所受拉力，單位N；FT為芯紗長(zhǎng)絲在平衡點(diǎn)O之后所受到的拉力，單位N；Fx為芯紗長(zhǎng)絲在平衡點(diǎn)O所受到的向心力，單位N；Fn為芯紗長(zhǎng)絲在平衡點(diǎn)O所受到集合器的作用力，單位N。

由于θ角無(wú)限趨近于90°，來(lái)自集合器的作用力消除了芯紗長(zhǎng)絲來(lái)回振動(dòng)的向心力，可以使長(zhǎng)絲保持于須條中央，減少長(zhǎng)絲與包覆短纖的內(nèi)外交錯(cuò)，提高了外層短纖的包覆性能，減少紗線(xiàn)露芯狀況。但是方案C中芯紗所受拉力的方向和芯紗喂入速度與方案A、方案B中芯紗不同。因此方案C的芯紗在纖維轉(zhuǎn)移過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)內(nèi)外起伏包纏狀態(tài)，影響包覆結(jié)構(gòu)和成紗性能[8]。

(a)無(wú)集合器芯紗動(dòng)態(tài)平衡 (b)有集合器芯紗動(dòng)態(tài)平衡

圖4 包芯紗芯紗力學(xué)平衡模型

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料與工藝

試驗(yàn)采用定量為300 tex的滌綸短纖粗紗和定量為125 dtex的滌綸長(zhǎng)絲進(jìn)行3種方案包芯紗試驗(yàn)。在JWFA1520型細(xì)紗機(jī)上紡制兩種號(hào)數(shù)包芯紗。主要工藝參數(shù)：粗紗定量3 g/10 m，品種1為24.6 tex(125 dtex)，品種2為9.8 tex (125 dtex)，錠速8 000 r/min，牽伸分別為12.2倍和30.6倍，前羅拉速度150 r/min，捻系數(shù)分別為212和350。

2.2 紗線(xiàn)測(cè)試

將不同紡紗工藝的包芯紗紡制完成后，在標(biāo)準(zhǔn)條件[溫度為(20±2)℃，濕度為(65±2)%]下放置48 h進(jìn)行預(yù)調(diào)濕，并在相同條件下測(cè)試紗線(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)。

采用JEOL JSM-5800型掃描電鏡儀，對(duì)紗線(xiàn)放大30倍拍攝其表觀結(jié)構(gòu)；根據(jù) GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗線(xiàn)條干不勻試驗(yàn)方法 第 1 部分:電容法》，采用E500型條干均勻度儀測(cè)試條干，以400 m/min速度測(cè)試1 min，每管紗線(xiàn)測(cè)試10次，取平均值；根據(jù)FZ/T 01086—2000《紡織品 紗線(xiàn)毛羽測(cè)定方法 投影計(jì)數(shù)法》，采用H400型毛羽測(cè)試儀測(cè)試毛羽，測(cè)試片段長(zhǎng)度為30 m/次，測(cè)試速度為30 m/min，每組樣品測(cè)試10次，取其平均結(jié)果；根據(jù) GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》，采用YG063C型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀測(cè)試強(qiáng)力，預(yù)加張力為0.5 cN/tex，以500 mm/min拉伸速度測(cè)試1 min，每管紗線(xiàn)測(cè)試20次，取其平均值。

3 結(jié)果分析

3.1 包芯紗表觀結(jié)構(gòu)分析

紗線(xiàn)性能與紗線(xiàn)表觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密[9]。所紡3種包芯紗的表觀結(jié)構(gòu)(30倍SEM圖)如圖5所示，其中紅色虛線(xiàn)處表示包覆露縫的情況，同時(shí)不同方案下紗線(xiàn)在高速攝像機(jī)下的運(yùn)動(dòng)軌跡方案如圖5所示。方案A環(huán)錠紡包芯紗毛羽呈發(fā)散狀，毛羽多而長(zhǎng)；方案B包芯紗有所收斂，外露的毛羽較少，集合器對(duì)芯紗的精確定位，在一定程度上減少邊緣纖維未能進(jìn)入紗線(xiàn)本體而產(chǎn)生的毛羽；方案C的包芯紗表面光潔，毛羽數(shù)量很少，集合器集聚作用可減少三角區(qū)面積，明顯改善了紗線(xiàn)毛羽和表觀結(jié)構(gòu)。

由圖5明顯看出，方案B包芯紗中包覆效果最好，紅色露縫情況最少，外包紗對(duì)芯紗充分包覆。而方案A露縫情況明顯，縫隙較多且長(zhǎng)，外包紗并不能充分包覆芯紗，這與芯紗受轉(zhuǎn)移向心力波動(dòng)、相對(duì)位置不穩(wěn)定、邊緣纖維不能有效內(nèi)外轉(zhuǎn)移有關(guān)。在加捻成包芯紗的過(guò)程中，長(zhǎng)絲會(huì)間斷性地與兩側(cè)的粗紗須條發(fā)生纏結(jié)，由內(nèi)層轉(zhuǎn)移到外層，造成露絲現(xiàn)象。方案C包芯紗露縫情況同樣明顯，并且部分還出現(xiàn)包纏現(xiàn)象，這是因?yàn)樾炯嗊M(jìn)入時(shí)已經(jīng)位于加捻三角區(qū)邊緣，參與內(nèi)外中轉(zhuǎn)的纖維數(shù)量少，與三角區(qū)底部相互糾纏形成抱纏結(jié)構(gòu)。

3.2 包芯紗條干分析

不同紡紗工藝下包芯紗的條干不勻率測(cè)試結(jié)果如表2所示。在紡制9.8 tex包芯紗時(shí)，紗線(xiàn)的粗節(jié)、棉結(jié)較多，集合器的應(yīng)用可有效改善紗疵的問(wèn)題。

表2 不同紡紗方案下包芯紗紗線(xiàn)條干測(cè)試結(jié)果

紗線(xiàn)類(lèi)型紡紗方案條干CV/%細(xì)節(jié)/個(gè)·km-1粗節(jié)/個(gè)·km-1棉結(jié)/個(gè)·km-1品種1品種1品種1品種2品種2品種2方案A方案B方案C方案A方案B方案C7.877.897.3212.7712.4610.883.80 0 1 1 1 6.83.83.5100.525.518.0 5.0 4.8 3.5659.5147.241.0

方案C包芯紗是3組包芯紗里條干均勻度最好的，其原因是其集合器集聚纖維的作用明顯改善了紗線(xiàn)均勻度。方案B包芯紗定位芯紗于須條中心，因此在紗體中的伸直狀態(tài)良好，外包短纖維包覆效果均勻，條干性能優(yōu)于環(huán)錠紡包芯紗。方案A包芯紗長(zhǎng)絲與短纖維須條在集聚點(diǎn)相對(duì)位置不穩(wěn)定，結(jié)合不夠緊密，外層纖維對(duì)芯絲的包覆不良，影響紗線(xiàn)均勻度。而集合器的定位很大程度消除了這一問(wèn)題。

3.3 包芯紗毛羽分析

表3為不同紡紗方案下包芯紗的紗線(xiàn)毛羽性能。由表3可以看出，方案A包芯紗的毛羽數(shù)量最多，方案C的包芯紗毛羽數(shù)量最少，方案B包芯紗毛羽數(shù)量也明顯減少。其原因在于，方案A包芯紗芯紗位置的偏移導(dǎo)致離芯紗較遠(yuǎn)一側(cè)纖維受到的控制力小，在加捻時(shí)受到的張力更大，會(huì)率先斷裂并滑脫從而形成毛羽，而離芯紗更近的纖維則可以充分內(nèi)外轉(zhuǎn)移包覆芯紗[10-11]。方案B的集合器底部集聚槽在定位粗紗的同時(shí)對(duì)須條也起到整束效果，減少須條表面游離纖維，使得紡紗過(guò)程中毛羽有效減少。集合器集合窄口對(duì)芯紗的定位使得芯紗固定于須條中央，紡紗過(guò)程中加捻三角區(qū)對(duì)稱(chēng)平衡，須條對(duì)位于中心的長(zhǎng)絲起到卷捻作用，帶動(dòng)纖維充分內(nèi)外轉(zhuǎn)移，可有效增加毛羽包纏量。方案C的包芯紗毛羽最少，前羅拉出口處的集合器有效減小加捻三角區(qū)，減少邊緣纖維，使邊緣纖維盡可能加捻扭轉(zhuǎn)進(jìn)入紗體。

表3 不同紡紗方案下包芯紗紗線(xiàn)毛羽測(cè)試結(jié)果

紗線(xiàn)類(lèi)型紡紗方案不同長(zhǎng)度毛羽數(shù)/根·(10 m)-11 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 6 mm品種1品種1品種1品種2品種2品種2方案A方案B方案C方案A方案B方案C4 023.63 111.22 209.03 356.02 752.81 672.2827.5576.8517.7874.0687.6308.0224.2155.2104.3279.7196.569.275.349.529.792.274.323.629.421.514.743.531.53.212.16.03.011.39.60

3.4 包芯紗強(qiáng)力分析

對(duì)3種紡紗方案所得包芯紗的拉伸斷裂性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表4所示。

表4 不同紡紗方案下包芯紗紗線(xiàn)強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果

紗線(xiàn)類(lèi)型紡紗方案斷裂強(qiáng)力/cN斷裂伸長(zhǎng)率/%斷裂強(qiáng)度/cN·tex-1品種1品種1品種1品種2品種2品種2方案A方案B方案C方案A方案B方案C1 229.281 278.601 236.28 439.11 464.34 449.3414.8215.0214.7014.4815.1814.8949.9751.9750.2544.8147.3845.85

由表4可以看出，包芯紗在捻度提高后，紗線(xiàn)強(qiáng)力有明顯下降，是由于加捻程度引起的內(nèi)外受力不勻過(guò)大導(dǎo)致紗線(xiàn)提前斷裂解體，強(qiáng)力未得到充分利用[12]。在斷裂強(qiáng)力方面，3個(gè)方案所紡管紗中方案B包芯紗強(qiáng)力最高，是因?yàn)樵诩徶萍喚€(xiàn)過(guò)程中，長(zhǎng)絲定位不與短纖相互擠壓產(chǎn)生相對(duì)位移，可穩(wěn)定提供紗線(xiàn)軸向應(yīng)力；左右兩側(cè)的纖維以長(zhǎng)絲為軸相互對(duì)稱(chēng)，穩(wěn)定了包覆纖維在長(zhǎng)絲上轉(zhuǎn)移幅度及頻率，提高了纖維之間的抱合，使得纖維之間的相互滑移減少，因此紗線(xiàn)的強(qiáng)力顯著提高。而方案A包芯紗由于纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移的向心力和膠輥摩擦力，使得長(zhǎng)絲不斷偏移導(dǎo)致長(zhǎng)絲表面包覆不勻，出現(xiàn)包覆露縫情況，使得紗線(xiàn)軸向上受力不勻，拉伸斷裂伸長(zhǎng)時(shí)在紗線(xiàn)露縫的最薄弱處率先斷裂。方案C包芯紗強(qiáng)力也有所提高，集聚槽將盡可能多的邊緣纖維捻合到紗體上，有效增加毛羽包纏量和纏繞緊度，極大提高了纖維利用率[13]。但方案C包芯紗強(qiáng)力不及方案B，其原因是方案C芯紗在加捻三角區(qū)底部進(jìn)入，可供內(nèi)外轉(zhuǎn)移的纖維較少，外層纖維無(wú)法有效包覆內(nèi)層芯紗，很大程度上形成部分包纏的結(jié)構(gòu)[14]。

4 結(jié)論

本文探究了包芯紗集合器的結(jié)構(gòu)和其不同牽伸力下的有限元分析。并且將后區(qū)集合器包芯紗和前區(qū)集合器包芯紗對(duì)比環(huán)錠紡包芯紗的表觀特征和紗線(xiàn)性能，得出以下結(jié)論。

(1)后區(qū)集合器可以對(duì)須條有效整束，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有效分散芯紗張力，并且通過(guò)自身作用力對(duì)芯紗精確定位，使其芯紗有效定位于須條中心。而前區(qū)集合器可以減少加捻三角區(qū)寬度，但是參與內(nèi)外轉(zhuǎn)移的纖維較少。

(2)集合器實(shí)現(xiàn)的精確定位使得包芯紗三角區(qū)纖維可以充分內(nèi)外轉(zhuǎn)移包覆芯紗，前區(qū)集合器則可以更有效減少有害毛羽，而后區(qū)集合器則使包芯紗表觀包覆結(jié)構(gòu)更好，紗線(xiàn)質(zhì)量也有所提高。