三通道环锭数码细纱机纺制竹节纱的机理及工艺优化

2018-03-28薛元魏晓婷刘曰兴张国清

中国纤检 2018年3期

文/薛元魏晓婷刘曰兴张国清

1 引言

竹节纱是指粗细、混纺（色）比、捻度等纱线结构参数沿其长度方向变化和随机分布的纱线，也称为粗细纱。基于这种结构及形貌随机变化而生产的竹节纱织物，会带来一些出其不意的美感和丰富的布面纹理，将竹节纱应用于牛仔布、高档衬衣、时装及装饰用纺织品的生产，提升了纺织品的附加值和技术内涵，受到广大消费者的青睐。

2 竹节纱及其特征参数

2.1 竹节纱发展历程

传统的竹节纱是在纱线长度方向上随机或规律性排列着粗节或细节的纱线，最早生产竹节纱的方法是采用不完全齿轮的机械式变牵伸机构纺制竹节纱，一般是用缺齿齿轮传动中后罗拉，或直接改造牵伸机构的皮辊实现竹节纱的纺制，此方法结构简单便于安装，但此装置纺制品种单一，变换工艺复杂，且装置寿命短不易维护。后来采用离合器的电子式牵伸机构纺制竹节纱，大多用单片机或PLC控制变速电机或电磁离合器控制中后罗拉变速实现竹节纱的纺制，装置运行比较稳定，控制方便、费用较低，但寿命短、维护费用大，调整和改变工艺参数较复杂，循环周期有限，且竹节纱参数控制精度差，品种变化少，很难满足高质量的需求。随着科技的不断进步，采用数字控制的电脑式执行机构纺制竹节纱。利用微电脑在线智能控制中后罗拉变速，实现有规律或随机变化的竹节纱的纺制。装置结构简单，抗干扰能力强，自动化程度高，可生产出各种规格的竹节纱，开发出风格各异的竹节纱织物，控制精度与生产效率大大提高。但此方法生产的竹节纱颜色和组分变换具有局限性，最多只能实现两色变化。

本课题组原创发明并研制了三通道数码环锭细纱机，可通过伺服控制三通道数码牵伸系统，可调控纱线横向粗细、纵向长度、多组分混纺比和纱线混色比等结构参数。利用该设备生产的竹节纱，不仅能控制竹节粗细和长度的变化，而且能控制原料组分（或色纤维混色比）呈现分段及周期性变化，生产原有竹节纺纱技术不能生产的竹节纱，实现竹节纱的数码生产。

2.2 竹节纱特征参数

竹节纱具有粗细变化和色彩变化等特征，为了定量描述表达竹节纱结构、外观形貌及色彩分布规律，定义如下特征参数：竹节纱的基准线密度，有时以平均线密度或最小线密度表示；竹节线密度或粗节线密度；细节线密度，有时也称基纱线密度；平均线密度：在公定回潮率下，一个或若干个竹节周期长度内，纱线所具有的重量除以此时纱线的长度；基纱长度（L1）、竹节长度（L= L2+L3+L4）、竹节头段长度（L2）、竹节主干长度（L3）、竹节尾端长度（L4）和竹节纱周期长度（T）、粗节混色比、细节混色比、竹节倍率（粗节线密度与细节线密度的比值）等。

图1 竹节纱结构示意图

3 不同喂入方式纺制竹节纱的原理

三通道数码环锭细纱机的牵伸机构如图2所示，3个平行的后罗拉分别由不同的伺服电机控制，因此可以实现同轴不同步控制，令3个后罗拉的表面线速度分别是Vh1、Vh2、Vh3，3根不同的纱线分别经3个后罗拉同步喂入、异步牵伸之后，经中罗拉、前罗拉牵伸之后，在前罗拉处形成加捻三角区，最终形成纱线。

图2 数码纺纱机三罗拉牵伸机构示意图

设三通道各根粗纱的线密度分别是ρ1、ρ2、ρ3，后罗拉的表面线速度分别为 Vh1、 Vh2、Vh3，前罗拉的表面线速度为Vq，则成纱线密度

竹节纱的基准线密度可用平均线密度或最小线密度表示，为了方便选择前者，以ρyo表示，同时设纱线粗节线密度为ρyc，细节线密度为ρyxo，则竹节纱线密度的变化可以理解为在基准线密度ρyo的基础上叠加波动线密度 Δρy形成竹节。设与基准线密度对应的3个后罗拉的表面线速度为 Vh1、 Vh2、Vh3，3个后罗拉的表面线速度的增量为ΔVh1、ΔVh2、ΔVh3，竹节段对应的3个后罗拉的表面线速度为 Vh1+ ΔVh1、Vh2+ ΔVh2、Vh3+ ΔVh3，令后罗拉的表面线速度之和Vohi、ΔVohi，且则竹节纱的基准纱的线密度：

竹节纱的波动线密度为：

因此，最终纺制的竹节纱的线密度可以表示为：

当或，纱线上分别会出现基准线密度、粗节线密度和细节线密度。

竹节纱基纱部分的混纺比：

3.1 单通道变速喂入粗纱纺制竹节纱

在三通道数码纺纱机中，设Vh1=Vh3=0；ΔVh1=ΔVh3=0。在后罗拉2处喂入一根粗纱，改变后罗拉2的喂入速度即可达到产生竹节纱的目的。此时式（1）可表达为：

式（7）中，某时刻当ΔVh2=0，则纱线的线密度为基准线密度；当ΔVh2＞0，则在纱线上出现粗节，其线密度大于基准线密度；当ΔVh2＜0，且｜ΔVh2｜＜Vh2，则纱线上出现细节。由此，则单粗纱纺制竹节纱可以有以下几种形式：①粗纱喂入量波动式增加，可纺制以粗节为斑的竹节纱；②粗纱喂入量波动式递减，可纺制以细节为斑的竹节纱；③粗纱喂入量忽增忽减式波动，可纺制以粗、细节为斑的竹节纱。

图3 单通道喂入纺制纯色粗竹节纱的结构示意图

3.2 双通道变速喂入粗纱纺制竹节纱

三通道数码纺纱机中设在后罗拉1、后罗拉3处各喂入一根粗纱，通过改变后罗拉1、3的喂入时间与速度纺制竹节纱，此时式（1）为：

设置纺制基纱的时间段为t1，纺制竹节的时间段为t2，在t1时间段内，若Voh1=0，Voh2≠0 ，即后罗拉1保持静止状态，后罗拉2以恒定的速度运动，在t2时间段内，Voh1=Voh2≠0，ΔVoh1≠0，ΔVoh2=0 后罗拉1由静止状态转变为运动状态，后中罗拉保持运动状态不变，则可形成两种颜色复合的竹节部分，如图4所示。

图4 双通道喂入粗纱纺制彩节竹节纱的结构示意图

以此类推，假定双通道分别喂入粗纱1、3的纤维种类分别为a和b，通过以下几种形式实现双组分竹节纱的纺制：

①匀速喂入粗纱a、断续喂入粗纱b，可纺制以a为基纱、以b为粗节的竹节纱；匀速喂入粗纱b、断续喂入粗纱a，可纺制以b为基纱、以a为粗节的竹节纱。以此类推，在连续纺纱时，某时段匀速喂入粗纱a、断续喂入粗纱b，在下一时段切换成匀速喂入粗纱b、断续喂入粗纱a，由此可纺制一段以a为基纱、以b为粗节，另一段以b为基纱、a为粗节的竹节纱。

②以指定且不变的比例喂入粗纱a、b，根据基纱线密度确定喂入粗纱a、b速度之和，当喂入的a、b粗纱速度之和等于该常量、大于该常量、小于该常量时，可分别纺制竹节纱的基纱、粗节及细节。以此类推，在连续纺纱时，某时段喂入的粗纱a、b速度之和大于该常量，下一时段喂入的粗纱a、b速度之和等于该常量，再下一时段喂入的粗纱a、b速度之和小于该常量，由此可纺制双组分比例不变条件下的包含了粗节、细节随机分布的竹节纱。

③以任意变化的比例喂入粗纱a、b，同样也根据基纱线密度确定喂入粗纱a、b速度之和。同样可类推得出，在连续纺纱时，当某时段喂入的粗纱a、b速度之和大于该常量，下一时段喂入的粗纱a、b速度之和等于该常量，再下一时段喂入的粗纱a、b速度之和小于该常量，由此可纺制双组分比例变化且粗节、细节随机分布的竹节纱。

3.3 三通道变速喂入粗纱纺制竹节纱

在后罗拉1、后罗拉2、后罗拉3处各喂入一根粗纱，改变后罗拉1、2、3的喂入时间与速度，达到产生竹节纱的目的，则细纱线密度的公式表达为：

设置纺制基纱的时间段为t1，纺制竹节的时间段为t2；在t1时间段，若后罗拉1、3保持静止状态，后罗2以恒定的速度运动，即Vh1= Vh3=0，Vh2≠0 ，则基纱部分有一种颜色，在t2时间段， ΔVh1≠0 且 ΔVh2= ΔVh3=0 ，后罗拉1由静止状态转变为运动状态，后罗拉2仍以恒定的速度运动，后罗拉3仍处以静止状态，在下一个t2时间段，后罗拉1处以静止状态，后罗拉2仍以恒定的速度运动，后罗拉3由静止状态转变为运动状态，则可形成3种颜色交替变换的复合竹节部分，如图5所示。

图5 三通道喂入粗纱纺制三色竹节纱的结构示意图

假定三通道分别喂入粗纱1、2、3的纤维种类分别为a、b和c，通过以下几种形式实现三组分竹节纱的纺制：①匀速喂入粗纱b，同步且断续喂入粗纱a、c，可纺制以b组分为基纱，以（a+c）组分为粗节的竹节纱；匀速喂入粗纱b，断续且交替喂入粗纱a、c，可纺制以b组分为基纱，交替以a组分或c组分为粗节的竹节纱。②匀速喂入粗纱a、c，断续喂入粗纱b，可纺制以(a+c)组分为基纱，以b组分为粗节的竹节纱。③以指定且不变的比例喂入粗纱a、b、c，根据基纱线密度确定喂入粗纱a、b、c速度之和，当喂入粗纱a、b、c的速度之和等于该常量、大于该常量或小于该常量时，可分别纺制竹节纱的基纱、粗节及细节。以此类推，在连续纺纱时，某时段喂入的粗纱a、b速度之和大于该常量，下一时段喂入的粗纱a、b速度之和等于该常量，再下一时段喂入的粗纱a、b速度之和小于该常量，由此可纺制三组分比例不变条件下的包含了粗节、细节随机分布的竹节纱。④以任意变化的比例喂入粗纱a、b、c，同样也根据基纱线密度确定喂入粗纱a、b、c速度之和，当喂入粗纱a、b、c的速度之和等于该常量、大于该常量或小于该常量时，可分别纺制竹节纱的基纱、粗节及细节。以此类推，在连续纺纱时，某时段喂入的粗纱a、b速度之和大于该常量，下一时段喂入的粗纱a、b速度之和等于该常量，再下一时段喂入粗纱a、b速度之和小于该常量，由此可纺制三组分比例变化且粗节、细节随机分布的竹节纱。

4 竹节纱工艺优化分析

4.1 试验原料及设备

试验选用的原料：棉纤维（27×1.75dtex）制备的白色纯棉粗纱，粗纱定量为5.0g/10m；经活性黑染料制备黑棉粗纱，粗纱定量为5.0g/10m。

纺纱设备：使用江南大学与经纬股份榆次分公司联合研制的FA1551三通道环锭数码细纱机。

4.2 纺纱工艺参数设定

为了分析三通道数码环锭细纱机纺制的竹节纱的竹节长度和基纱长度与理论设计的是否一致，试验以双通道变速喂入纺制竹节纱为例设计试验方案，设定试验以基纱长度和竹节长度为变量，竹节长度为5.14cm、7.19cm、9.25cm。设定彩节竹节纱基准线密度为30s（19.4tex），捻度为648捻/10m，锭子转速为7500r/min，前罗拉转速为9.48m/min。

经过一系列的试验发现：实际所纺制的竹节长度总是大于理论设计的竹节长度，而且竹节部分存在分布不匀的现象；其中，竹节头端会出现一小段少量黑色纤维缠绕在纱线上，然后黑色纤维逐渐增多并均匀缠绕在纱线上，以稳定比例出现在竹节主干部分；在达到设定的竹节长度后，黑色纤维还会出现一定的拖尾现象，黑色纤维在纱线上逐渐减少，在竹节末端有一定长度的延伸。

图6 双通道数码环锭纺纺制竹节纱外观图

理论上粗纱在经过后罗拉喂入进入后牵伸区的长度l0与后罗拉点动时间t有关， l0=Vh2×t；在后牵伸区经中罗拉与后罗拉的共同牵伸作用，黑色纤维的长度 l1=l0×e1=Vh2×t ×e1；黑色纤维经过中罗拉进入前区牵伸，经前罗拉和中罗拉的共同牵伸作用使纱条抽长拉细，黑色纤维在纱线中被进一步伸直平行排列，输送到前罗拉出口的长度为

在牵伸过程中产生拖尾的原因：在后罗拉点动喂入黑色纤维的过程中，后罗拉由运动状态变为静止状态时，末端的黑色纤维会有一个抽拔过程，那些没有被后罗拉握持，或浮游在后罗拉与中罗拉之间的纤维会随着中罗拉的运动进入前牵伸区，即当后罗拉停止喂入时，中罗拉仍以稳定速度转动，此时须条内纤维的运动情况如下：因后区牵伸隔距大于须条内纤维的主体长度，①被中罗拉钳口握持，但未被后罗拉钳口握持的纤维仍以中罗拉的速度前进。②被后罗拉钳口握持，但未被中罗拉钳口握持的纤维则停止运动。③未被后罗拉握持，也未被中罗拉握持的纤维会浮游在后牵伸区，经过牵伸、拉扯作用须条最终被拉断。因此进入前区牵伸的竹节长度为l1= Vh2×t×e1+ δ。

表1 双通道变速喂入纺制竹节纱试验参数设定

表2 双通道变速喂入纺制竹节纱长度参数对比

4.3 竹节纱竹节长度的修正方法

由上述分析可知，无论改变竹节纱的竹节长度还是竹节段混纺比，目前出现的主要问题都是竹节存在一定拖尾现象，经试验验证得出，利用双通道或三通道数码环锭细纱机纺制竹节纱时，在竹节段部分出现一定程度拖尾现象是必然存在的。本课题针对该现象，对竹节段纤维在牵伸区的纵向移动建立模型进行分析，对纺制竹节纱的工艺参数进行重新修正，具体计算方法如下。

竹节纱中竹节长度的计算方法：由于竹节长度是通过控制后罗拉的点动时间确定的，为了得到理论竹节长度与实际理论长度一致的段彩纱，因此对后罗拉的点动时间进行修正，由上述公式 l2= l1×e2=(Vh2×t×e1+ δ)×e2=Vh2×t×e1×e2+ δ×e2知，竹节段的主体长度l0和拖尾的竹节部分l0'即 l2'= l0+ l0'。已知目标竹节长度，对后罗拉点动修正后的后罗拉点动时间t'其中l2'是目标设定的竹节长度，也就是客户所要求的竹节长度，l0'= δ ×e2，产生拖尾的拖尾长度。