纱线摩擦系数测量方法与仪器研究进展

谢 军，李 莎，左召光，蒋铭媛，刘 皓

(1.天津工业大学 机械工程学院，天津 300387；2.天津工业大学 纺织学院,天津 300387；3.智能可穿戴电子纺织品研究所，天津 300387；4.天津工业大学教育部先进复合材料重点实验室，天津 300387)

1 引言

纺织材料间摩擦系数是一个重要物理量，影响了纺织材料和产品的加工、性能[1]。纤维与纤维间的摩擦系数直接影响了纤维的可纺性[2]，而纱线与纱线间的摩擦系数影响了机织过程中经纱的开口和经纱密度，当纱线的表面摩擦系数大，并且经纱密度大的时候会导致打纬过程中开口不清，而容易导致经纱断裂，影响织造的速度和效率[3]。为了定量测量纱线的表面摩擦系数，研究人员设计了多种纱线表面摩擦系数测量方法和仪器。这些测量方法和仪器为纱线性能的定量评价和纱线质量的改进和评级提供了客观依据[4]。

表1为测量纱线与纱线、纱线与金属之间摩擦系数的几种测量方法优缺点比较，从表中可以看出，不同的测量方法，对应的测量重点不同。下文详细介绍了多种测量方法，并且简述了以这些方法为基本原理研制出的各种纱线摩擦系数测试仪器的应用及研究进展。

表1纱线摩擦系数测量方法的优缺点比较

测量方法优点缺点罗德法可测纱线与金属、非金属摩擦系数不宜测纱线与纱线的摩擦系数缠结法最大程度模拟纱线实际运行状态操作复杂斜面法简单易操作不够精确，纱线不易均匀包覆附着滑动法有较高的精度不易操作水平附着滑动法操作简单纱线易拱起变形影响测量结果基于Howell和Majur原理的方法测量纱线与金属的摩擦，精度高不能测纱线与纱线的摩擦系数CTT测试纱线与金属摩擦系数法操作简便机构较复杂

2 测量方法

纱线的摩擦系数可以是纱线与纱线之间的摩擦系数，也可以是纱线与其他材料之间的摩擦系数，纱线与纱线之间的摩擦系数能够为纱线在织造过程中的工艺参数设计和调整提供参考依据，其测量方法主要有罗德法、缠结法、斜面法、附着滑动法和水平附着滑动法。而纱线与金属丝或其他材料表面之间的摩擦系数则能为不同的纱线在织造过程中配件材料的选择提供参考。

2.1 纱线与纱线之间的摩擦系数测量方法

2.1.1罗德法

罗德法又称绞盘法，由荷兰科学家罗德(Roder)于1953年首先提出[5]，广泛应用于测定纤维和纱线的动态和静态摩擦系数，也可用于测量纱线与纱线、纱线与金属或非金属等材料的摩擦系数[6]。如图1所示，将纱线均匀包覆在金属摩擦辊上，呈180°包角，当摩擦辊保持恒定速度运动时，纱线与摩擦辊之间呈现相对运动。通过测量T0和T1的值来间接计算纱线与纱线或纱线与其他材料之间的摩擦系数。摩擦辊开始运动时测得的F最大值即为最大静摩擦力，当摩擦辊匀速转动时，测得的F值为滑动摩擦力[7]。

图1 罗德法测量方法示意图

根据挠性带的欧拉公式：

T2=T1eμθ

式(1)

且

F=T0+F

式(2)

推算出动摩擦系数：

μd=0.733(log(T+Fs)-logT)

式(3)

静摩擦系数：

μs=0.733(log(T+Fk)-logT)

式(4)

式中T为固定张力，Fk和Fs分别为测得的滑动摩擦力和最大静摩擦力，即F的值。

使用罗德法测试纱线与纱线之间的动态摩擦系数时，由于纱线与纱线之间存在摩擦，运行时包覆在摩擦辊上的纱线易拱起变形和发生退捻等情况，对测试结果的稳定性和精确性产生影响，有较大的测量误差[8]。一般罗德法用于测量纱线与金属或非金属等材料、纤维与金属或非金属等材料的动态和静态摩擦系数[9]。

2.1.2缠结法

缠结法通过测量纱线的输入张力与输出张力间接计算出纱线与纱线之间的摩擦系数[10]。如图2所示，纱线从导纱轮A进入后在导纱轮B上缠绕不足一圈，然后使AB纱线与BC纱线扭结2～3圈，最后再从导纱轮C引出。利用张力传感器测量输入纱线张力Ti和输出纱线张力To，根据如下公式计算纱线与纱线的动态摩擦系数：

式(5)

式中：μ为纱线对纱线的摩擦系数；To为输出张力，cN；Ti为输入张力，cN；β为纱线相互扭结的角度(一般为35°)；n为纱线相互扭结的圈数。

图2 缠结法示意图

2.1.3斜面法

斜面法的原理是利用摩擦系数与正压力的关系。如图3所示，把一块底面积固定且质量一定的滑块的底面均匀地铺满纱线，斜面上也均匀地铺满纱线，将滑块置于斜面上，改变斜面与水平面之间的夹角α，使滑块开始滑动，此时α的正切值就是滑动摩擦系数，滑块刚开始滑动一瞬间的α正切值为静摩擦系数。斜面法测试纱线与纱线之间的摩擦系数时操作较为简单，不需要复杂的仪器。这种方法也有不足之处，例如在铺设滑块和斜面板上的纱线时不能保证张力一致；纱线排列密度的稀疏面不够均匀；滑块上的纱线与斜面板上的纱线相互镶嵌，具有较大的粘滞力，而且容易导致纱线拱起变形和退捻等情况的发生，对测试结果有较大的影响，不能保证测试结果的准确性[11]。

图3 斜面法示意图

2.1.4附着滑动法

附着滑动法克服了斜面法的缺点，采用与斜面法相同的基本原理来测量纱线与纱线之间的摩擦系数[11]。如图4(a)所示，将一固定质量的砝码与纱线的一端连接，另一端置于固定墙面或机架上，纱线XX′与悬挂砝码的纱线呈十字交叉，向右平行移动纱线XX′直到悬挂砝码的纱线出现滑动，此时摩擦系数μ=y/x。

图4(b)显示了纱线平衡受到破坏时的受力情况。对A′点进行受力分析，可得：

Tsinαsinβ=μTsinαcosβ

式(6)

根据内错角关系可得：

μ=tanβ=y/x

式(7)

式中：f为摩擦力，cN；N为正压力，cN；T为纱线的张力，cN。

2.1.5水平附着滑动法

水平附着滑动法相较于本节2.1.4中的附着滑动法具有操作简单、可执行性强的优点。如图5(a)所示，将小滑块的下表面和大滑块的上表面均匀铺设紧密的纱线，并且保持纱线匀整不变形。将弹簧的一端固定于墙面上，另一端固定于小滑块上，大滑块放置于水平面上后将小滑块置于大滑块的上表面。实验开始前要求小滑块下表面铺设的纱线与大滑块上表面铺设的纱线均匀接触，对大滑块施加图5(a)所示方向的力，使用刻度尺记录弹簧的伸长量[12]。

滑块移动一瞬间的弹簧伸长量记为Xs，滑块匀速移动后的弹簧伸长量记为Xd。滑块移动时的弹簧伸长量变化曲线如图2(b)所示，根据弹簧弹力公式：

F=kx

式(8)

可得静摩擦力：

Fs=kXs

式(9)

滑动摩擦力：

Fd=k(Xs+Xd)/2

式(10)

式中：k为弹簧的弹性系数；X为弹簧伸长量，m；

根据摩擦力与正压力之间的关系即可换算出纱线与纱线之间的静态摩擦系数和动态摩擦系数。

图4 附着滑动法示意图

图5 水平附着滑动法示意图

2.2 纱线与金属或非金属材料之间的摩擦系数测量方法

2.2.1基于Howell和Majur原理的方法

在纺织过程中，纱线与金属部件的接触是必不可少的[13]。纱线与金属之间的摩擦系数过大会加速金属部件的损坏，因此，测量纱线与金属之间的动态摩擦系数成为生产环节必不可少的内容[14]。如图6所示，通过摇动手轮使滑轮P随滑块M移动，纱线与水平面之间的倾角随手轮的转动而变化。不断增加纱线的倾角，直至钢丝圈在纱线上滑动时为止，此时立刻读水平刻度值l，测量出滑轮P顶端至与O水平面的距离h，则h/l就是纱线与钢丝圈之间的动态摩擦系数[15-16]。

图6 纱线摩擦系数测定仪示意图

2.2.2CTT测试纱线与金属摩擦系数法

CTT恒定张力传输系统采用了图7所示的方法，纱线自左向右通过两个导纱罗拉后与两个水平放置的金属棒接触，再通过导纱罗拉输出纱线[17]。纱线以一定的张力和速度匀速运行，根据式(11)计算纱线与金属之间的动态摩擦系数：

式(11)

其中：μ为纱线对纱线的摩擦系数；To为输出张力，cN；Ti为输入张力，cN；θ为纱线包围金属棒弧度数。

图7 CTT纱线与金属摩擦系数测定示意图

3 基于测量方法的应用研究

3.1 国外仪器应用研究

欧美等发达国家对纱线动态摩擦系数的研究起步较早，相继研制出了多种仪器，如瑞士的R-1182型直读式电子摩擦系数测试仪、日本Ⅴ-夕-氏摩擦系数试验机[18]以及美国CTT恒定张力传输系统等。

3.1.1CTT恒定张力传输系统

美国劳森公司在EIB和YAS测定仪基础上升级了纱线综合测试项目。CTT具备多项测试功能，不仅可以测试纱线与纱线、纱线与金属、纱线与陶瓷之间的动态摩擦系数，还可以对纱线的条干不匀率、直径、毛羽等进行测试。CTT在运行中可以最大程度地模拟纱线实际运行状态，并且运行速度和纱线张力可以进行任意改变[19]。由于CTT具有多项测量优势，且具有较高的测试精度，受到许多科研人员的青睐，也是国外纱线动态摩擦系数测量领域较为先进的仪器之一。

3.1.2Lisini纱线摩擦系数仪

Lisini等人在1981年开始使用图8所示的方法测定纱线的摩擦系数，其利用的基本原理依然是基于罗德法改进而来[20]。纱线经输入罗拉进行匀张力后进入张力测试装置，测量松边和紧边的张力后根据挠性带的欧拉公式即可计算出纱线的动态摩擦系数。

3.1.3基于Lord法的纱线摩擦系数仪

Lord提出了一种使用两种纤维边缘的接触和在压力下相对运动的测量方法，El Mogahzy和Broughton在Lord提出的方法的基础上进行了改进，其原理与Lord采用的方法相同[21]。如图9所示，上下两根纱线对齐，使其夹在压块P和N之间并紧密接触，对压块P和N施加相同大小的力，拉动下方纤维向下滑动至匀速运行状态。测量匀速运行时的拉力，根据摩擦力与正压力的关系式即可计算出纱线与纱线之间的动态摩擦系数。

图8 Lisini提出的纱线摩擦系数测量方案

图9 基于Lord法仪器的纱线摩擦系数仪

3.1.4罗氏摩擦系数仪

为有效测定纱线的摩擦系数，罗氏摩擦系数仪及MLT仪也常用于针织纱线的摩擦系数测定[22]。MTL仪并不能直接测量纱线与纱线之间的动态摩擦系数，但是可以确定纱线是否被润滑[23]。

3.2 国内仪器应用研究

我国科研人员根据国内研究现状和需要，在国外仪器基础上研制出了多种纱线动态摩擦系数测试仪。由于国外同类仪器价格较为昂贵，国内并没有得到推广使用[24]。目前国内使用较多的多为国产纱线摩擦系数测试仪。

3.2.1LFY-19型纱线动态摩擦系数测试仪

LFY-19型纱线动态摩擦系数测试仪由山东省纺织科学研究院在瑞士R-1182型直读式电子摩擦系数测试仪基础上改进而来，主要用于测定纱线及化纤长丝等与金属或非金属之间的摩擦系数[25]。在测试纱线与纱线之间的摩擦系数时，需要将纱线均匀地包覆在绞盘(即摩擦辊)上，测试速度不宜过快。同时还可以测试各种张力器或导纱器件的性能。

3.2.2LFY-110 型纱线动态摩擦系数测试仪

LFY-110型纱线动态摩擦系数测试仪在LFY-19型纱线动态摩擦系数测试仪基础上发展而来，采用罗德法的测试原理，具有气动式的残纱处理和计算机控制及数据处理的特点，测试精度高、预加张力可调、全自动测试控制系统。

3.2.3化纤长丝动态张力与摩擦系数微机测试仪

天津工业大学万振凯团队研制了一种新型化纤长丝动态张力与摩擦系数微机测试仪[26]。其通过测试化纤长丝的张力来间接计算出相应的摩擦系数，并且提出了新的测试方法和测试机构。如图10所示，纱线由卷绕筒退出后被引入初张力均匀盘，纱线在此获得初始均匀张力。由初张力盘引出的纱线与摩擦杆1接触后经输出辊牵引进入另一端的卷绕筒。在传感器H1处可以测得长丝与摩擦杆摩擦后的张力，通过测量张力的方式来间接计算化纤长丝与化纤长丝或金属之间的动态摩擦系数。

3.2.4浆纱动态摩擦系数测定仪

河北科技大学赵其明团队利用罗德法的测试原理，提出了一种新的测试方案[27]。如图11所示，压纱辊和拖引辊作为系统的动力源，使纱线以恒定速度运行，纱线的张力为恒定值T0。通过张力传感器测量纱线的输出张力T1，利用挠性带的欧拉公式T1=T0eμθ可以计算出纱线的动态摩擦系数。包角α可以通过导向轮3的位置变化来更改。此系统具有恒定张力输出的优点并且降低了仪器的成本。

图10 化纤长丝动态张力与摩擦系数微机测试仪原理

图11 浆纱动态摩擦系数测定仪注：1-法码；2-摩擦辊；3-导向轮；4-导向轮；5-传感器测力探杆；6-拖引辊；7-压纱辊；8-绕纱框

3.2.5利用万能材料试验机改进的纱线摩擦系数仪

为研究纱线摩擦系数及其影响因素，葛秀贞在现有DCS—500型万能材料试验机的基础上通过添加附件的方式，制作了一台纱线摩擦系数测试仪[28]。如图12所示，其采用罗德法的基本原理，当主机横梁下降时，纱线与摩擦辊之间发生相对运动，从而产生相对摩擦。由仪器最上端的测力传感器测量此时纱线的张力，再根据挠性带的欧拉公式计算出纱线与摩擦辊之间的摩擦系数。

图12 利用现有仪器改进的摩擦系数仪原理图

4 结语

随着经济社会的发展和人民生活水平的提高，人们对织物及服装的服用等性能提出了更高的要求。纱线与纱线之间以及纱线与金属材料之间所具有的摩擦系数是纺织生产不可忽略的重要内容。本文综述了近年来纱线动态摩擦系数测量方法的研究进展及其在生产和实验中的应用情况，包括国内外多种创新方法的研究与改进，以及在基本测量原理基础上研制的用于生产实验的测量仪器。为解决目前多数纱线摩擦系数测量仪器存在价格昂贵、测试精度不够高、测试步骤繁琐、实验条件要求高、人工读数和计算等缺点，首先，需要突破传统测量方式和方法，提高测量的范围和精度，满足不同实验场合的要求；其次，提升仪器的自动化程度和测试精度，减少人为因素和系统误差的影响；再次，发展无线传输、互联网及云计算技术，使仪器终端能接入数据库，降低实验人员工作量；最后，降低仪器的市场价格，提高仪器生产的技术水平，使其不仅能满足实验室需要，还要能满足工厂使用要求。随着技术的提升，纱线摩擦系数测量方法和测量仪器将会不断突破，从而使纺织工业得到质的提升。

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