双针床经编机间隔距离对纱线需求量的影响分析

2019-08-29徐云龙夏风林

纺织学报 2019年8期

徐云龙，夏风林

(江南大学教育部针织技术工程研究中心，江苏无锡 214122)

经编织造加工过程中的纱线张力控制尤为重要，张力过大易造成断纱问题，严重时还会损伤织针，张力过小则无法正常垫纱和成圈[1]。为保证生产出质地均匀、平滑的经编面料，必须把纱线张力波动控制在规定的范围内[2]。经编纱线张力产生波动的根本原因在于瞬时需纱量与送经量之间的差值[3]。单个横列内的送纱均匀，但需纱不均，送纱量和实际需纱量之间会存在一定的差值，因此，导致实际生产中出现纱线张力不稳定的问题[4-5]。

为控制纱线张力的波动，应先研究纱线需求及其消耗规律。在成圈过程中，导纱针与织针的相对距离瞬息万变[6-7]，导致成圈区域的需纱量急剧变化，而送经量并不能和纱线的瞬时需求量实时吻合，因此，还需要张力补偿装置对缺失和多余的纱线进行调节。当需纱量大于送经量时，张力补偿装置应迅速通过改变位移来补偿缺少的送经量；当需纱量小于送经量时，纱线余量也应该及时被拉出，这样才能减小纱线张力的波动[8]。

双针床经编机可生产不同厚度的间隔织物，其栅状脱圈板的间隔距离(以下简称为“间隔距离”)往往不同[9]。当间隔距离较大时，其梳栉摆幅也会相应增加，这将增大成圈过程中纱线需求量的波动，并在很大程度上加剧纱线张力的波动，因此，间隔距离和梳栉摆幅对双针床经编机的纱线稳定具有很大的影响。目前国内外学者对双针床经编机间隔距离与需纱量及纱线张力关系的研究较少，本文将双针床经编机间隔距离和梳栉摆幅作为结构变量，分析不同隔距的双针床经编机对纱线需求的影响，建立双针床经编机需纱波动量与间隔距离的数学模型，并提出应对张力波动问题的方案。

1 实验部分

1.1 设备与仪器

实验测试平台为德国卡尔迈耶RD6N E22型双针床经编机，机器幅宽为136 cm，脱圈板隔距为3 mm；以线密度为20 tex(36 f)阳离子涤纶纱作间隔纱线，垫纱工艺为1-0-1-0//；测试仪器为KEYENCE VW-6000型动态分析三维显微系统(以下简称为“显微系统”)，包括微距变焦镜头、镜头支架、动态三维分析仪和显微系列软件。

1.2 测试方法

测试时，将显微系统各部分连接完毕，将镜头固定在机器尾部与织针处于同一高度。打开显微系统进入“easy recording”界面并调焦，使成圈区域在视频面板正中，同时使机器处于主轴0°。点击显微系统界面的“Rec Start”开始记录，同时慢车运行双针床经编机。待机器主轴转到360°时点击记录界面的“Stop”停止记录。然后打开记录视频，使用动态分析功能追踪织针和导纱针的位移，最后导出位移数据。

2 结果与讨论

2.1 织针位移曲线及模型建立

图1示出成圈机件位移曲线，根据捕捉到的动画和位移量绘出成圈机件运动模型，如图2所示。坐标系中，以前后织针最低时针孔连线的中心为原点，垂直于针床的水平方向为x轴，平行于针床的方向为y轴，以原点的竖直方向为z轴，z轴以前后织针最低位移为O点。图2(a)为全部梳栉摆过织针时的最小安全摆幅；图2(b)为在满足工艺要求及织造前提下的最小安全摆幅。

图1 成圈机件位移曲线Fig.1 Displacement curve of loop-forming parts

J—导纱针宽； j—梳栉间隙； I—织针宽； i—摆出间隙； g—间隔距离； f—导纱针摆幅。图2 机件运动示意图Fig.2 Schematic diagram of movement of parts. (a) All crossed knitting needle;(b) Partly crossed knitting needle

2.2 间隔距离对梳栉摆幅的影响

编织经编间隔织物时，采用GB1、GB2、GB5和GB6形成织物的两表面层，GB3和GB4形成间隔层。实际生产中为减小摆幅造成的不良影响，编织前(后)表层的最外侧导纱针可不必摆过后(前)针床的织针。当梳栉数量为n时，图2(a)梳栉的摆幅见式(1)，图2(b)梳栉的摆幅见式(2)。

f=g+2I+2i+nJ+(n-1)j

(1)

f=g+2I+2i+(n-2)J+(n-3)j

(2)

式中：f为摆幅，mm；g为间隔距离，mm；I为织针宽，mm；i为摆出间隙[10]，mm；J为导纱针宽，mm；j为梳栉间隙，mm。

以图2(b)方式为例，讨论梳栉摆幅与间隔距离的配置关系。在该双针床经编机上，J为2.2 mm；j为1.5 mm；I为2.1 mm；i为3.0 mm。由于本文实验机型的梳栉数为6，则摆幅计算公式为

f=g+23.5

(3)

本文机型g为3.0 mm，f为26.5 mm。由于测试机型的梳栉摆幅未必最小，因此，后文摆幅数值参照式(2)进行计算。

2.3 间隔距离对需纱波动的影响

从图1分析可以发现，前后针床的成圈过程相同、动作对称，因此，只在0°～180°范围内讨论间隔距离对需纱量的影响。由导纱针的运动规律可知，前针床成圈过程中导纱针摆向机后2次，摆向机前1次。这3次往复摆动一共包括6个分解动作，如表1所示。间隔层的成圈过程如图3所示，图中导纱针a距脱圈板19.0 mm，间隔距离为3.0 mm，梳栉摆幅为26.5 mm，需纱量为导纱针纱线握持点a至旧线圈上纱线的连接点c之间的纱线量。

表1 前针床成圈分解动作及相关特征Tab.1 Knitting action of front needle bed and related feature

a—导纱针针孔坐标；b—前织针针头坐标；c—后针床旧线圈坐标。图3 间隔层成圈需纱图Fig.3 Yarn demand of spacer layer

主轴位于0°时导纱针位于原点上方，织针处于最低位置状态，如图3(a)所示。导纱针摆动近似水平运动，a点坐标为(0，0，19)，此时成圈区域的需纱量为Lac，在直角△aoc中计算Lac为19.05 mm(后文的需纱量均以该基准位置时的19.05 mm为初始值进行分析)。

0°～30°成圈过程中，导纱针从原点上方向机后摆动，主轴位于30°时到达机后极限位置，前织针开始上升，但未达到最高状态，如图3(b)所示。此时导纱针纱线握持点a，与后针床旧线圈上纱线的连接点c的相对距离不随栅状脱圈板隔距变化而变化，可计算得需纱量Lac为22.3 mm。

30°～60°成圈过程中，织针从机后极限位置向前摆动，主轴位于60°时导纱针位于原点上方，前织针上升到最高位置，如图3(c)所示。此时需纱量Lac为19.05 mm，a点坐标为(0，0，19)。

60°～90°成圈过程中，前织针从原点上方向机前摆动，主轴位于90°时织针达到机前极限位置，如图3(d)所示。此时需纱量Lac为24.0 mm。

织针垫纱时，织针上升到最高位置，其针孔和导纱针针孔处于同一水平线。图3(d)处梳栉横移，当横移针数为1时，纱线在织针处仅轻微弯曲，并没有明显的转向。主轴角度在110°位置时，导纱针与织针平齐，其针孔恰好对应织针针孔，织针垫纱时纱线落在针钩处，此时可视织针针孔为垫纱点，如图3(e)所示。

在120°时导纱针摆到原点上方，织针垫纱结束，如图3(f)所示。根据织针位移曲线可知，主轴位于120°时织针距脱圈板仍为19.0 mm，则此时需纱量为Labc，计算为20.73 mm。

120°～150°成圈过程中，前织针开始成圈，导纱针继续后摆，主轴位于150°时到达机后极限位置，如图3(g)所示。根据位移曲线，主轴位于120°之前织针没有下降，主轴位于150°时织针下降约5.0 mm。此时需纱量Labc为30.57 mm。

150°～180°成圈过程如图3(h)所示。主轴位于180°时前织针完成成圈并下降到最低形成1个线圈，旧线圈握持点c′到针钩b的距离Lbc′为 2.0 mm，则线圈的纱线量为4.0 mm，此时需纱量为Lac′c加上旧线圈纱线量，即26.0 mm。

由于后针床的成圈动作与前针床对称，成圈过程和前针床相同，所以二者需纱量的波动趋势一致，因此，通过以上方法可得到后针床的需纱量。同理，当间隔距离分别为6、9、12、15 mm时，也可得出相应的需纱量。表2示出5种隔距(3、6、9、12、15 mm)典型位置间隔层的需纱量，分别为L1、L2、L3、L4、L5。

分析图3和表2的需纱量可见，梳栉在1个成圈过程中做3次往返摆动，但每次摆动引起需纱量的波动都不同。其中前针床在图3(e)～(g)过程中

表2 不同隔距典型位置的需纱量Tab.2 Requirement of yarn in typical position of different spacing

会出现需纱量波动的最大值，这里称为最大波动量。前针床最大波动量是主轴位于150°与120°时的需纱量之差，而后针床最大波动量则为主轴位于330°与300°时需纱量的差值，且前、后针床最大波动量相等。根据以上分析得出，5组需纱量波动的最大值分别为9.85、11.40、13.10、14.73、16.56 mm，趋势如图4所示。成圈区域最大波动量与间隔距离的函数关系为

S1=0.55g+8.199

(4)

式中，S1为导纱针与旧线圈的最大波动量，mm。

图4 成圈区域最大需纱波动量Fig.4 Maximum fluctuation of yarn demand in loop-forming region

在适当的针床隔距范围内，根据式(4)可求出其他不同间隔距离双针床的最大波动量。

2.4 梳栉摆动对需纱波动的影响

间隔层需纱量的波动受到导纱针与旧线圈距离的影响，还可受到分纱筘与张力杆间距的影响。图5示出梳栉分纱筘与张力杆间纱线长度的关系。可知，假设c点固定，梳栉摆幅为f，梳栉摆动时只有bc线段发生变化，这段长度的变化可反映部分需纱量的变化，因此，除成圈区域外，线段bc的变化也是造成需纱量波动的重要因素。在图5(b)中，b点是梳栉在针床中间时分纱筘的位置，可以看作固定点，b1和b2分别是梳栉向后和向前摆动时分纱筘的位置。线段bd和bc的夹角近似为120°。当导纱针从a1摆到a2，分纱筘从b1摆到b2，摆弧a1a2、b1b2可近似看作直线，b为b1b2的中点。由几何定理得

(5)

a—导纱针坐标；b—分纱筘坐标；c—张力杆坐标；d—梳栉摆轴坐标。图5 梳栉摆动与经纱线路Fig.5 Guide-bar swing and path of yarn. (a) Yarn path;(b) Yarn path with guide-bar swinging

S2=0.6g+14

(6)

式中，S2为经轴与导纱针间的最大波动量，mm。

3 纱线波动量的补偿

由以上分析可知：主轴位于150°和330°时，成圈区域需纱波动量均达到最大值S1。分析图5可得，梳栉从O点上方摆到机后极限位置(150°)过程中，线段bc增加S2/2；梳栉从O点上方摆到机前极限位置(330°)过程中，线段bc减小S2/2。综上可得，总体波动量在主轴位于150°时为S1与S2/2之和，在主轴位于330°时为S1与S2/2之差。式(7)为机器总体需纱量的最大波动量与间隔距离的函数关系，不同隔距的总体最大波动量如图6所示。

(7)

式中,S为机器总体的最大波动量，mm。

图6 整体需纱波动量Fig.6 Overall fluctuation demand of yarn demand

送经量是根据工艺计算和生产调节总结出来的相对理想的纱线喂送量，其实质是纱线的实际消耗量。在1个编织横列内，送经量和平均需纱量相等，但与瞬时需纱量具有实时变动的差值，也正是由于这个差值导致了纱线张力的波动，是自身位移量的2倍，因此，减小张力波动的本质就是调节送纱量与需纱量的差值。当瞬时需纱量大于送经量时，纱线暂时出现不足，此时需要利用张力杆的位移来补偿缺失的纱线量；瞬时需纱量小于送经量时，张力杆必须能够及时拉出多余的纱线，以保证纱线量和需纱量的一致，因此，当隔距较大时，要求张力杆具备较大的补偿能力。普通弹簧片张力杆的补偿范围较小，体积较大，只适合于单针床或隔距较小的双针床经编机。图7示出活动杆式张力杆模型，其原理基于整经机张力装置和张力盘[11]。

图7 活动杆张力杆及其补偿原理Fig.7 Tension rod of spring piece(a) and principle of compensation (b)

相比于普通弹簧片张力杆，活动杆式张力杆具有体积小、补偿范围大的优势。由图7(b)可知，假设图7(b)左侧导纱杆与纱线相对静止，当活动杆向上移动的距离为L时，其两侧纱线长度的减小量约为L，则右侧纱线拉动的距离约为2L，即该装置可以补偿约2L的纱线量，因此，活动杆式张力杆能够满足需纱量和纱线张力波动较大的机型纱线补偿的要求。