同步测量线密度的纱线条干测试系统研究

周 彬 王慧玲 周红涛 袁春雷 王韶辉

[1.盐城工业职业技术学院，江苏盐城，224005；2.浙江理工大学，浙江杭州，310018；3.江苏省生物质功能纺织纤维开发与应用工程研究中心，江苏盐城，224000；4.南通三思机电科技有限公司，江苏南通，224005；5.法国国际检验局（法国BV）南京办事处，江苏南京，210000]

条干均匀度是衡量纱线长度方向粗细均匀程度的指标，是反映纱线成纱结构和外观的重要参数，它是纱线评等定级的重要指标，直接影响纺纱后道各工序正常进行及最终产品外观质量，分为短片段不匀和长片段不匀，需要分别采用不同的仪器和方法进行测试。短片段不匀一般采用电容式条干均匀度仪测试，以纱线条干均匀度变异系数作为表征指标，纱线穿过电容时，可将电容器等效成一个多层介质（空气与纱线）串联的平板电容器，纱样的电容量与纱线集合体的体积或外观形态有极大相关性，并非与纱线质量呈正比，而与纱线的加捻程度、体积差异具有一定的密度效应[1⁃3]。条干均匀度测试属于常规测试，测试量较大，试验材料耗费大，而传统仪器没有设置试验样品回收机构，导致大量的试验样品浪费，经济损失较大[4]。长片段不匀率采用百米重量变异系数作为表征指标，按照GB/T 4743—2009《纺织品卷装纱绞纱法线密度的测定》、ISO 2060《纺织品 卷装纱线线密度（单位长度的质量）的测定》等标准，要求采用缕纱测长机通过“测长切断称重”测试不同片段长度（50 m、100 m、200 m等）纱线的质量差异。这种测试结果不同于受地球引力影响的重量，因此其不是重量不匀率，而是质量不匀率。目前采用质量不匀率替代重量不匀率，一般测试片段长度不全是100 m，为回避“重量”及“百米”的概念，新规中用线密度变异系数来替代百米重量变异系数[5⁃6]。但这种测试方法存在一定缺陷。一是计长不准。采用周长1 m的缕纱框绕纱，当绕纱圈数较大时，纱线重叠非常严重，导致样品实际测试长度偏大，最终试验结果也偏大。二是计长和计重需要分开操作。绕纱达到设定圈数后要将缕纱从纱框上剪断，然后放到电子天平上称重，过程复杂，容易造成二次误差，劳动强度高。三是原料无法回收再用，浪费严重。缕纱从纱框上扯断后进行称重，一般会扭成一团，基本没有什么回收利用价值，造成原料的极大浪费。

只有结合长片段不匀和短片段不匀两类指标才能更加全面综合的反映纱线的条干均匀度情况，两种指标分开测试时，测试纱线样品不是严格意义上的同一段试样样品，使得测试结果不能很好的反映纱线条干情况，也增加了纱线的耗费量。同时分开测试两个指标工作量大，检测效率低。

本研究对现有电容式条干均匀度测试仪器进行改进设计，在电容测试前端设置纱线重量变化（线密度变化）跟踪测试单元，基于重量变化和电容变化同步测试来表征纱线片段不匀率，降低纱线长片段测试的不准确度，为纺纱生产提供更准确的参考依据。

1 仪器设计原理及结构单元

图1为仪器设计框架图，图2为仪器结构图。按照对“同一段纱线的质量变化和电容变化同步测试”的原理来设计测试仪器，质量变化测试单元通过对纱线电子计重和电子计长来实时反映不同长度纱线的质量，根据测试值来计算线密度变异系数，电容测试单元采用极板电容器来测试通过两个电容板之间的纱线的电容值，根据电容值的变化情况来计算条干均匀度。整个测试过程可以同时获取纱线的线密度值、中长片段不匀率和短片段不匀率，达到“一机多用”的目的，同时，纱线回收单元采用自动络筒机的槽筒卷绕成形结构，回收连续无损纱线[7]。仪器主要有4个单元，分别是质量变化测试单元、电容测试单元、纱线回收单元和计算控制单元IPC。

图1 仪器设计框架图

图2 仪器结构图

1.1 质量变化测试单元

电子计重。该单元核心部件为电子天平，其作用是将绕纱前后待测管纱或筒子纱质量数值传输到工业控制计算机IPC上。其精度为0.00001 g，灵敏度高，稳定性好，能满足常规筒子纱或者其他卷装纱线的质量称量要求。在计重单元外围为金属层密闭设置，可以有效屏蔽外界电磁等可能引起纱线波动的其他外在干扰，确保电子天平计量精确。电子天平上有纱座和纱管，当绕纱长度达到设定值绕纱结束，电子天平开始计重前落纱器下落使张紧的纱线松弛，避免纱线张力对计重结果产生影响。

电子计长。落纱器前方固定安装一导纱孔，导纱孔前面固定安装一计长圆盘，计长圆盘替代了缕纱测长机上的缕纱框，避免了纱线重叠带来的误差，如图3所示。计长圆盘外周为凹槽设计，其凹槽周长（30±0.1）cm，凹槽内部摩擦因数较大，防止绕在凹槽里的纱线打滑。一般来讲，只要控制好纱线张力，纱线不打滑，纱线只接触计长圆盘左侧，避免了纱线重叠带来的误差。旋转编码器连接计长圆盘计数其转数，该转数与凹槽周长相乘便可得到试验纱线的长度。编码器分辨率为50，结果可精确至0.02 r，也可以根据不同的测试精度要求使用不同分辨率的编码器。

图3 电子计长单元原理图

1.2 电容变化测试单元

电容测试单元上端固装一定位孔，定位孔与导纱孔、走纱孔和计长圆盘在同一水平线上，定位孔正下方固装电容检测器，电容检测器正下方固装一对胶辊，纱线由定位孔和胶辊控制，保证纱线在电容检测器中间位置固定不变，防止纱线位置变化引起介电常数的意外变化。

1.3 纱线回收单元

该单元是整个测试过程中的动力来源，与自动络筒机上的槽筒卷绕机构原理完全一样，如图4所示，该单元包括槽筒、纱筒和变频电机。

图4 纱线回收单元

1.4 计算控制单元

采用工业控制计算机进行程序控制，用于设置基本试验参数，配置的专家分析软件系统实时对纱线质量、电容值和纱线片段长度进行数据汇总并进行计算分析。

2 测试流程

纱线条干的测试过程主要包括如下步骤。

（1）参数设置。首先通过工业控制计算机设置基本试验参数，试验前测试纱管质量、纱管空管质量和纱筒质量分别记为G纱管、G管、G筒，纱线公定回潮率Wk，这些数据均存储在工业控制计算机中，设定测试片段长度L，测试次数n等。对恒温恒湿箱、电子天平、旋转编码器、电容检测器进行调零，待系统稳定后，按照GB/T 3292.1—2008《纺织品纱线条干不匀试验方法第1部分：电容法》以及GB/T 6529—2008《纺织品调湿和试验用标准大气》要求，通过工业控制计算机设置恒温恒湿箱的温湿度。

（2）纱线引绕。将纱座上的纱管引出纱头穿过落纱器、导纱孔、在计长圆盘的凹槽里环绕1周，再依次穿过走纱孔、定位孔、电容检测器的两个极板中间，由胶辊夹持，经槽筒卷绕到纱筒上。

（3）样品检测。通过工业控制计算机启动检测程序，胶辊和槽筒在变频电机的带动下，将纱线缓缓引出纱管，电子天平上纱管的质量变化值、旋转编码器的转数值、电容检测器中纱线电容值实时传输到工业控制计算机，在测试纱线条干均匀度过程中，工业控制计算机可以获取片段长度L的纱线与之对应的纱线重量G L，G L为绕取片段长度为L纱线前后纱管的质量之差。

（4）测试结束。当纱管上的纱线退完即天平计重稳定后，数据采集立即结束，最终纱线全部回收卷绕到纱筒上，可以作为其他用途。

（5）纱线线密度计算。纱管上纱线的湿重G湿=（G纱管-G管），当纱线全部绕到纱筒上时，取下纱筒烘干称重，其重量记为G纱筒，则纱筒上纱线的干重G干=（G纱筒-G筒），该纱线实际回潮率WS计算公式见公式（1）。纱线的线密度Ntex计算公式见公式（2）。

（6）纱线条干均匀度计算。工业控制计算机中配置的专家分析软件系统实时对纱线质量变化值、电容变化值和绕纱长度的变化情况进行分析计算及自动纠错拟合，确定纱线的条干均匀度C V值、不匀率U等指标[8]。

3 测试分析

分别选择几种不同线密度的涤棉混纺纱线进行测试分析，片段长度分别设为50 m、100 m和200 m，测试组数为30组，测试其线密度、线密度变异系数、条干均匀度、条干不匀率等指标，结果如表1所示。

表1 试验结果

从表1可以看出，待测纱线经过仪器测试，可以同时测试纱线的线密度值、长片段不匀率及短片段不匀率，以便于对同一段纱线进行综合评价，短片段不匀率采用条干均匀度和条干不匀率两个指标来表征，从结果上可以看出，对于不同线密度和不同片段长度的纱样，其变化规律比较吻合，线密度变异系数反映的是纱线的长片段不匀率，分别选取不同片段长度各连续测试30组，计算可得其线密度变异系数，从4组纱线的变化规律可以看出，线密度变异系数随着纱线片段长度的增大有变小的趋势，线密度变异系数随着纱线线密度的增大有减小的趋势，这种趋势比较明显，而条干均匀度受到纱线质量、外观形态及捻度等多种因素的影响，因此其变化与线密度的变化没有明显的规律性，整个测试结束后，纱线样品全部回收到纱筒，不影响其作为正常原料使用，整个测试过程一次完成，中间无需其他操作，节约了人力，提高了试验效率。

4 结论

设计开发的条干均匀度测试仪器可同时测量同一段纱样的长片段不匀率和短片段不匀率，弥补了现有测试方法需要分步进行测试的弊端，解决了原位检测问题，试验结果更具有代表性和准确性。同时解决了缕纱测长机不能连续测试多组纱样、纱线绕纱重叠及无法回收再利用等缺陷，试验效率大大提高，检测成本大大降低，而且纱线可回收再利用，节约了大量资源，因此其具有较高的产业化和推广价值，为现有测试仪器的改进和提高提供了一个新的思路。