并條混合仿真與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 豪，曹巧麗，李佳蔚，韓振寧，郁崇文,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)

混紡紗中各組分纖維的混合均勻程度決定了混紡紗的成紗性能，不同顏色纖維組分的混合與分布決定了成紗的外觀顏色特性，因此纖維混合情況是生產(chǎn)混紡紗時(shí)關(guān)注的重點(diǎn)。在混紡紗的實(shí)際生產(chǎn)中，常用的纖維混合方式主要分為纖維混合和條混。其中條混是指并條混合，各組分散纖維在梳理機(jī)上分別制成一定線密度的條子后，再通過并條機(jī)并合實(shí)現(xiàn)混合的方法[1]。該方法對(duì)纖維品種的適應(yīng)性強(qiáng)，且混紡比相對(duì)容易控制，但在并條的牽伸與集束過程中纖維運(yùn)動(dòng)規(guī)律較為復(fù)雜，目前難以對(duì)其分布進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，導(dǎo)致無法快速確定合適的工藝條件。尤其是對(duì)色紡紗生產(chǎn)廠家來說，在批量小、品種多、變化大的情況下，打樣環(huán)節(jié)會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物料成本。

為改善這一現(xiàn)狀，在研究了各組分纖維在紗條中的排列方式和牽伸與集束過程中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上[2-5]，本文構(gòu)建了混紡紗并條混合過程中纖維排列的三維模型，并利用MatLab進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和計(jì)算。根據(jù)輸入的紗條參數(shù)和牽伸工藝參數(shù)，可以三維呈現(xiàn)輸出紗條的縱向形態(tài)和橫截面圖像，并計(jì)算得到各道并條后紗條的混合不勻率和條干不勻率數(shù)值。該系統(tǒng)可直觀、快速地反映出各項(xiàng)工藝條件對(duì)紗條形態(tài)及其中纖維混合情況的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)并條混合過程中纖維排列分布和混合效果的模擬。這有助于對(duì)混紡紗的性能進(jìn)行調(diào)控和設(shè)計(jì)，以數(shù)字化、智能化的計(jì)算機(jī)模擬機(jī)制替代傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)生產(chǎn)模式，可大大減少混紡紗生產(chǎn)過程中優(yōu)化工藝參數(shù)所需的時(shí)間，降低人力和物料成本，提高生產(chǎn)效率。

1 并條混合仿真與控制系統(tǒng)

并條混合仿真與控制系統(tǒng)構(gòu)建的核心是對(duì)多組分纖維在紗條并條混合過程中運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建，主要涉及2部分內(nèi)容：一是紗條中纖維隨機(jī)排列三維模型的構(gòu)建；二是對(duì)并條混合過程中纖維運(yùn)動(dòng)情況的模擬。模擬流程如圖1所示，圖中：T表示并條道數(shù)；Ei、Gi分別表示第i道并條時(shí)并條機(jī)的牽伸倍數(shù)和羅拉中心距。在運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建完成的基礎(chǔ)上，使用MatLab軟件中的GUIDE設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，在該界面上可輸入并條混合過程中的相關(guān)參數(shù)并模擬并條混合過程，根據(jù)初始紗條中纖維的坐標(biāo)，依次得到經(jīng)牽伸、集束運(yùn)動(dòng)模擬后的纖維坐標(biāo)，從而獲得混合紗條中纖維的排列模型，計(jì)算混合不勻率等。

圖1 模擬流程圖

1.1 模型構(gòu)建和計(jì)算理論基礎(chǔ)

采用蒙特卡洛方法和理想堆砌理論分別確定每根纖維的坐標(biāo)位置，構(gòu)建多組分紗條中伸直纖維的三維排列模型，如圖2所示。

圖2 紗條中纖維分布示意圖

以紗條的長(zhǎng)度方向?yàn)閄軸，紗條橫截面上任意正交的2個(gè)方向分別為Y軸和Z軸建立坐標(biāo)軸?；谇叭说难芯縖6-9]，將X軸方向的纖維排列和紗條圓形截面上纖維分布視作隨機(jī)分布，因此可確定每根纖維左頭端在紗條中的唯一位置坐標(biāo)(X,Y,Z)。此外，還可結(jié)合實(shí)際紗條中纖維長(zhǎng)度、線密度隨機(jī)性的模擬[2]，使得紗條模型更加接近實(shí)際情況。將生成的S根紗條作為輸入紗條以一定次序排列，按照其喂入并條機(jī)的位置從左到右依次標(biāo)記為1、2、…、S，并將紗條中的纖維位置坐標(biāo)儲(chǔ)存在纖維位置坐標(biāo)(X,Y,Z)對(duì)應(yīng)的列中，這S根紗條中的纖維組分標(biāo)記為P=[Q1，Q2，Q3，…，QS]T，其中Qn代表第n(1≤n≤s)根紗條組分特征值(顏色或纖維種類)，用于計(jì)算紗條的混合不勻率。

纖維在并條混合過程中的運(yùn)動(dòng)主要分為牽伸和集束2個(gè)階段?；谏熘崩w維在紗條中排列模擬和羅拉牽伸理論，建立伸直纖維的牽伸運(yùn)動(dòng)模型[4,10]。在牽伸時(shí)，由于前、后羅拉速度的差異，導(dǎo)致纖維在牽伸區(qū)發(fā)生變速運(yùn)動(dòng)，紗條被牽伸變細(xì)，纖維僅在X軸方向產(chǎn)生位移差。紗條經(jīng)過一個(gè)羅拉中心距為G、牽伸倍數(shù)為E的牽伸區(qū)時(shí)，假設(shè)每根纖維在該牽伸區(qū)的變速點(diǎn)距離羅拉鉗口的距離為L(zhǎng)(mm)，每根纖維在該牽伸區(qū)內(nèi)與未發(fā)生變速運(yùn)動(dòng)的纖維之間的X軸和Y軸位移差分別為Sx1、Sy1。

Sx1=(E-1)×L

Sy1=0

基于Qian等[11]的研究，建立了并條混合過程中的集束運(yùn)動(dòng)模型。在集束階段，S根經(jīng)過牽伸的紗條集束為1根紗條，實(shí)現(xiàn)紗條間的混合。由于從前羅拉輸出的S根須叢匯聚為1根紗條的寬度，導(dǎo)致纖維位移方向發(fā)生變化，其速度假設(shè)為前羅拉輸出速度，因此在X軸和Y軸產(chǎn)生不同的分速度，設(shè)纖維在X軸和Y軸位移差分別為Sx2、Sy2。

式中:h為喇叭口距離前羅拉鉗口的距離，mm；k為S根紗條的寬度與喇叭口直徑之比；d為喇叭口直徑，mm；ld為喇叭口中心軸距離紗條邊緣的距離，mm；lo為該根纖維距離喇叭口中心軸的距離，mm；H為前羅拉鉗口到集束運(yùn)動(dòng)結(jié)束點(diǎn)的距離，mm。

一般情況下混紡紗的制備需要經(jīng)過3～4道并條混合以提高其混合均勻度，即需將上一道輸出的紗條再次喂入并條機(jī)進(jìn)行下一道混合。在喂入過程中，紗條會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)旋轉(zhuǎn)，因此在模擬時(shí)，將上道輸出紗條沿其紗軸方向隨機(jī)旋轉(zhuǎn)某一角度，再將此旋轉(zhuǎn)后的紗條按照所需的并合數(shù)排列作為下一道的喂入紗條。重復(fù)并條混合步驟，最終得到多道并條混合后的輸出紗條。根據(jù)混合后紗條內(nèi)纖維的分布，基于Cao等[12]計(jì)算并條后紗條的混合不勻率C。

1.2 并條混合仿真與控制系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

并條混合仿真與控制系統(tǒng)的主要輸入輸出界面設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖4示出圖3(a)中紗條縱向形態(tài)旋轉(zhuǎn)不同角度后得到的模擬圖像。通過旋轉(zhuǎn)角度可更加全面地了解輸出紗條的形態(tài)。圖中θAz和θEI分別表示觀察物體時(shí)對(duì)應(yīng)的方位角和仰角。

2 混紡紗的并條混合模擬實(shí)例與分析

改變并條工藝參數(shù)，將系統(tǒng)模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)選用上海德福倫新材料科技有限公司提供的黑、白二色同規(guī)格的粘膠生條，纖維平均線密度為1.33 dtex，纖維長(zhǎng)度為38 mm，紗條定量為4 g/(5 m)(為便于實(shí)驗(yàn)切片和計(jì)算，特選用較輕的定量)。

2.1 不同混紡比例下的混合均勻程度

選用白、黑二色同規(guī)格的粘膠纖維進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)，設(shè)置喂入紗條的根數(shù)為6根，并條道數(shù)為3道。除混紡比外，其他工藝參數(shù)均設(shè)置相同。具體牽伸工藝參數(shù)為：3道并條的后區(qū)牽伸倍數(shù)為1.5、前區(qū)牽伸倍數(shù)為4、后區(qū)羅拉中心距為50、前區(qū)羅拉中心距為48。

表1列出了以上3個(gè)混紡比例經(jīng)過不同并條道數(shù)的混合不勻率。對(duì)比可得，二組分纖維混合比例越接近，即混紡比越接近50∶50，混合不勻率值越低，越容易混合均勻。將模擬計(jì)算的混合不勻率結(jié)果與實(shí)測(cè)值相對(duì)比，二者趨勢(shì)較為一致。但由于未考慮纖維在紗條中的彎曲變形；模擬中假設(shè)所有纖維是均質(zhì)體，但實(shí)際中纖維之間也存在細(xì)度、長(zhǎng)度等差異；無法準(zhǔn)確控制實(shí)驗(yàn)混紡比等實(shí)驗(yàn)誤差原因，系統(tǒng)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，仍存在一定的誤差。

表1 不同混紡比例下混合不勻率的模擬與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖5分別示出了喂入白、黑條子數(shù)為1、5，2、4，3、3，即白色纖維與黑色纖維混紡比例分別為16.7∶83.3、33.3∶66.7、50∶50時(shí)經(jīng)3道并條混合后紗條的模擬圖與實(shí)測(cè)圖(左為橫截面模擬圖，中為橫截面實(shí)測(cè)圖，右上為縱向模擬圖，右下為縱向?qū)嵟膱D)。其中橫截面實(shí)測(cè)圖像是經(jīng)哈氏切片器制樣，在顯微鏡下觀察得到。由圖5中橫截面圖像可以看出，模擬圖和實(shí)測(cè)圖均顯示混紡比例差異越大，同色纖維越容易聚集，混合效果越差，二者結(jié)論具有很好的一致性。

2.2 頭道并條紗條排列方式的混合均勻程度

設(shè)置紗條喂入根數(shù)為8根，后區(qū)牽伸倍數(shù)為2，前區(qū)牽伸倍數(shù)為4，其他工藝參數(shù)設(shè)置與2.1相同。對(duì)比頭道并條紗條分別采用間隔排列(WBWBWBWB)、兩兩間隔排列(WWBBWWBB)、四四并列排列(WWWWBBBB)等排列方式時(shí)紗條的混合效果(W表示白色條子，B表示黑色條子)。

不同頭道并條紗條排列方式下的模擬混合不勻率與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示，模擬計(jì)算的混合不勻率結(jié)果與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)具有較好的吻合性。在其他參數(shù)不變的情況下，頭道并條中兩組分紗條交替排列時(shí)，2種纖維的混合更加均勻。隨著并條道數(shù)的增加，混合不勻率逐漸降低，且3種排列方式的混合效果逐漸接近，尤其是經(jīng)第3道并條后，3種排列方式下輸出紗條的混合不勻率逐漸趨于一致。這說明增加并條道數(shù)，可以有效降低因排列方式導(dǎo)致的混合不勻問題。但并條道數(shù)的增多不僅會(huì)增加生產(chǎn)成本，而且導(dǎo)致纖維過度牽伸，發(fā)生纖維斷裂損傷等，因此在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)要盡量在較少的并條道數(shù)下實(shí)現(xiàn)混合均勻。系統(tǒng)模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果均顯示，間隔排列能夠使得混紡紗條在更少的并條道數(shù)下達(dá)到更小的混合不勻率，說明在條混時(shí)，將不同品種的紗條盡可能間隔排列，可提高混合效果，從而減少并條道數(shù)。

表2 不同頭道并條紗條排列方式下的混合不勻率模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3 結(jié) 論

本文所設(shè)計(jì)的并條混合仿真與控制系統(tǒng)基于對(duì)運(yùn)動(dòng)紗條中纖維分布模型的構(gòu)建進(jìn)行分析和計(jì)算，能夠根據(jù)輸入的不同纖維性能、紗條定量、喂入紗條的排列方式、牽伸工藝等參數(shù)條件，快速地模擬出混紡紗條中纖維分布情況及其最終的三維形態(tài)，并計(jì)算出其混合不勻率等數(shù)值。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)具有很好的一致性，說明該模型可用于紗條混合質(zhì)量的預(yù)測(cè)。

該仿真系統(tǒng)快速、直觀可視化，有助于對(duì)混紡紗熟條的形態(tài)和質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與調(diào)控。在開發(fā)新型混紡紗時(shí)，使用該仿真系統(tǒng)可對(duì)并條混合過程進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，有利于指導(dǎo)其生產(chǎn)，從而大大降低時(shí)間、人力和物料成本，提高生產(chǎn)效率。另一方面可用于紡紗類課程的教學(xué)，使學(xué)生能在系統(tǒng)界面通過輸入不同的工藝參數(shù)，自主設(shè)計(jì)各種規(guī)格的混合條，從而加深對(duì)并條混合過程的理解。