基于缠结法的新型纱线动态摩擦系数测量仪器研制

谢 军，李 莎，蒋铭媛，左召光，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复合材料重点实验室，天津 300387)

纱线与纱线之间的动态摩擦系数对织物的工艺效果有重要影响[1,2]。只有纱线具有符合要求且摩擦系数处于稳定状态时针织产品才会不易脱圈和变形[3]。目前国内外有多种纱线摩擦系数测量仪器。国外，美国劳森公司的CTT恒定张力传输系统在EIB和YAS测定仪的基础上升级了纱线综合测试项目,具备多项测试功能[4]。Lisini等人在罗德法的基本原理上改进而成的纱线摩擦系数仪，依据挠性带的欧拉公式计算出纱线的动态摩擦系数[5]。Elmogahzy和Broughton在Lord提出使用两种纤维边缘的接触和在压力下的相对运动的测量方法的基础上研制了基于Lord法的纱线摩擦系数仪[6]。国内，山东纺织科学研究院研制的LFY-19型纱线动态摩擦系数测试仪，主要用于测试纱线及化纤长丝等与金属或非金属材料之间的摩擦系数，但是测试速度不宜过快[7]。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，其通过测试化纤长丝的张力间接计算出相应的摩擦系数[8]。河北科技大学赵其明团队利用罗德法的测试原理研制出浆纱动态摩擦系数测定仪，具有恒定张力输出的优点[9]。目前现有的纱线摩擦系数测量仪器要么价格昂贵，要么具有测试精度不高、测试步骤繁琐、实验条件要求高、人工读数和计算等缺点。针对以往这些研究中存在的问题，笔者研制出一种基于缠结法的新型纱线动态摩擦系数测量仪器。

1 测试方案

目前测试纱线动态摩擦系数的仪器常用罗德法[10]，其测试原理如下页图1所示：纱线以180°包角包覆在轴辊上，在纱线的一端施加一预加张力T2，在轴辊旋转时测出另一端的张力T1，根据公式计算出摩擦系数。

式中：μ为摩擦系数，θ为摩擦角。

图1 罗德法测试原理

罗德法测试纱线的动态摩擦系数时，必须使用低速状态，否则纱线不易平衡，并且预加张力的更改具有局限性[11,12]。

缠结法的测试原理如图2所示：纱线在三个导纱罗拉之间缠结2～3圈形成摩擦，测量输入张力Ti和输出张力T0，根据公式

计算纱线的动态摩擦系数。式中：u为纱线与纱线的摩擦系数；T0为输出张力；Ti为输入张力；β为纱线相互扭结的角度；n为纱线相互扭结的转数。缠结法适用于纱线高速运行状态下的测试，可以更方便的更改预加张力和调整运行速度，同时易于保持张力恒定，本文所述的新型纱线动态摩擦系数测试系统使用缠结法的测试原理。

图2 缠结法测试原理

2 仪器的结构组成

纱线动态摩擦系数测量仪器包括导纱器、输入罗拉、张力测量装置、缓冲装置、缠结装置、输出罗拉、气泵等主要部件。如图3(a)所示，纱线从络筒上退出后进入导纱器，之后进入输入罗拉，在输入罗拉缠绕数圈后纱线进入输入张力测量装置。由输入张力测量装置引出纱线后进入缓冲装置，缓冲装置具有缓冲防断线、平衡检测、预加张力调整三项功能。纱线从缓冲装置引出后进入缠结装置，纱线在此缠结2～3圈后相互接触产生摩擦。纱线从缠结装置引出后进入输出张力测量装置，之后再进入输出罗拉并在此缠绕数圈后进入辅助器件，服装器件由连接气泵的进气歧管和残纱篓组成。图3(b)为实物图。系统运行时，调整输入罗拉和输出罗拉的速度，使缓冲装置处于平衡状态，此时纱线的张力处于恒定状态。输入张力测量装置和输出张力测量装置分别可以测量纱线在缠结装置左右两侧的张力，计算机可以实时显示纱线缠结点输入张力和输出张力，根据公式(2)可以计算出纱线的动态摩擦系数。以此方式连续运行完成纱线动态摩擦系数的测量,并且可以实时显示摩擦系数的变化。

1、纱线络筒 2、导纱器 3、输入罗拉 4、输入张力测量装置 5、缓冲装置 6、缠结装置 7、输出张力测量装置 8、输出罗拉 9、辅助器件

(b)

3 系统的稳定性和可重复性测试

稳定性和重复性是仪器的重要的性能指标。纱线在运行过程中需要经过多个装置节点，通过节点时，由于摩擦力、电机振动的影响，传感器测出的纱线张力会出现不同程度的波动。稳定性、重复性较好的仪器应该在测量同种纱线后具有较小的变异系数(CV)，并且在同种环境和条件下，测量同种纱线，经过多次长时间间隔，依然能保证测量结果的可重复性[13]。

3.1 仪器的稳定性测试

在20 ℃、相对湿度为30%的环境下进行仪器的稳定性实验，选用涤纶(420D)、纯棉纱线(28 tex)、芳砜纶(36 tex)三种纱线进行测试。

图4显示了5种预加张力情况下涤纶、纯棉纱线、芳砜纶三种纱线的摩擦系数在不同运行速度下的变异系数的变化情况。图4(a)为预加张力为6 cN时三种纱线的摩擦系数随速度变化的变异系数曲线图，从图中可以看出，涤纶的摩擦系数的变异系数为最小，其次是纯棉纱线，芳砜纶的摩擦系数的变异系数值为最大。(b)至(e)图中，在速度相同时，摩擦系数的变异系数值由大到小均是芳砜纶、涤纶和纯棉纱线。芳砜纶的摩擦系数变异系数变化较为明显，预加张力相同时，速度的不同会引起变异系数的较大增加和减小。预加张力为6 cN、纱线的运行速度为20 m/min时，变异系数达到最大值且超过14%，而在其他速度时，变异系数基本处于11%以下。预加张力为10 cN时，变异系数在纱线的运行速度为50 m/min时达到最大，其值超过14%，而在其他速度时，变异系数低于11%。预加张力为14 cN和18 cN时，芳砜纶的摩擦系数的变异系数在10 m/min至50 m/min的速度范围内均低于12%。当预加张力达到22 cN时，在纱线运行速度为10 m/min时，其变异系数均远大于其他四种速度时的变异系数，且值达到了14%。纯棉纱线和涤纶的摩擦系数的变异系数同样存在随速度变化的波动，但是变异系数在所测速度范围内均低于10%，预加张力不同时，也均未超过10%。从同种纱线在相同预加张力和在不同速度测试的情况来看，变异系数均有不同程度的波动。在纱线摩擦系数的测试过程中，由于纱线并不是完全均匀的，在纱线经过缠结处时，若出现较大的结时，纱线缠结处的阻力将增大，导致纱线的输入张力和输出张力出现较大的变化，而张力的变化将引起摩擦系数的变化。不同的运行速度下，不匀的纱线或纱线中的结在经过滑轮和缠结点时，出现的纱线与滑轮及纱线与纱线之间的冲击也不相同，因此摩擦系数也将产生波动。

(a)预加张力6 cN

(b)预加张力10 cN

(c)预加张力14 cN

(d)预加张力18 cN

(e)预加张力22 cN

3.2 仪器的可重复性测试

在20℃、相对湿度为30%的环境下进行仪器的可重复性实验，选用涤纶(420D)、纯棉纱线(28 tex)和芳砜纶(36 tex)作为测试样本。测量其摩擦系数的大小。为保证测量精确度，每次测量结束，仪器停机半小时，使其回到初始的开机状态。实验测试时的预加张力设定为14 cN，仪器测试的运行速度设定为10 m/min。

图5 28 tex纯棉纱线

图6 420D涤纶

图5是28 tex纯棉纱线经过五次测量后，摩擦系数的变化曲线。从图中可以看出，五次测量后的纱线摩擦系数，五条曲线有较大的重合度，均处于0.21附近上下浮动，且随着测试时间的进行，变化趋于水平直线。

图6是420D涤纶经过五次重复性测试后的摩擦系数变化曲线，从图中可以看出，涤纶自身间的摩擦系数要低于纯棉纱线自身间的摩擦系数，且摩擦系数值低于0.2。涤纶多次测试后的曲线重合度更高，波动率也小于纯棉纱线。图7是36 tex芳砜纶经过五次重复性测试后的摩擦系数变化曲线，其摩擦系数在0.23附近浮动，波动幅度大于涤纶的波动幅度，与纯棉纱线波动幅度相似，五次测试的曲线重合度也较高。

表1显示了28 tex纯棉纱线、420D涤纶、36 tex芳砜纶在经过五次重复性测试后的摩擦系数的平均值，从表中可知，对于同种纱线，在经过多次测试后，平均值的变化并没有出现较大的波动。三种纱线自身之间的摩擦系数分别在0.21、0.17、0.22附近波动，波动幅度低于0.01。三种纱线在经过五次测试后，仪器依然能较好的表现其真实的摩擦系数，验证了仪器具有良好的可重复性。

表1 三种纱线五次测试后的摩擦系数平均值

3.3 与CTT恒定张力传输系统对比测试

下页图8是使用28 tex的纯棉纱线和420D的涤纶作为测试样本，设定预加张力为14 cN，分别在本测量系统和CTT恒定张力传输系统上进行测试的摩擦系数曲线图。图8(a)为使用28 tex的纯棉纱线分别在纱线动态摩擦系数测量系统和CTT恒定张力传输系统上测试的纱线与纱线之间的摩擦系数的曲线，从图中可以看出，随着速度的变化，两种仪器测试得出的纱线摩擦系数非常接近，几乎处于重合状态。图8(b)显示了420D涤纶分别在纱线动态摩擦系数测量系统和CTT恒定张力传输系统上测试的结果对比曲线，从图中的曲线变化情况来看，两条曲线在相同速度时的摩擦系数非常接近，几乎相等。

(a)28 tex纯棉纱线测试对比

(b)420D涤纶测试对比

表2显示了纱线动态摩擦系数测量系统和CTT恒定张力传输系统分别测试28 tex纯棉纱线的摩擦系数的变异系数。从表中可以看出，纱线动态摩擦系数测量系统在纱线运行速度10 m/min至50 m/min的范围内的测量结果的最大变异系数为6.08%；CTT恒定张力传输系统在纱线运行速度10m/min至50 m/min的范围内的测量结果的最大变异系数为3.92%。两种仪器的测量结果均保持了较小的变异系数，即两种仪器测量得出的多组摩擦系数值均呈现较小的波动情况，验证了本测量系统具有较高的精确性。

表2 两种仪器测量28 tex纯棉纱线的变异系数(%)对比

4 结论

实验使用28 tex纯棉纱线、420D涤纶和36 tex芳砜纶分别对仪器进行了稳定性和重复性测试，在预加张力为6 cN至22 cN的范围内测量得到的摩擦系数数据的变异系数曲线表明，三种纱线在多数情况下的变异系数低于10%，具有较好的稳定性。另外，使用这三种纱线分别进行了五次重复性测试，三种纱线测试得到的的五次测试结果的摩擦系数曲线几乎重合，波动率均低于1%，表明仪器具有良好的可重复性。

在对仪器的精确性测试时，纱线动态摩擦系数测量系统在与CTT恒定张力传输系统的比较中，使用28 tex纯棉纱线分别在两种仪器上进行测试，两种仪器测量得到的纱线动态摩擦系数结果的均值均为0.23，具有较高的重合度，仪器有较高的精确性。

基于缠结法的本测量仪器系统简单，具有较高的测量精度、良好的稳定性能和较低的价格，为纱线性能的定量评价提供了一种可靠的方法。