氨纶包芯纱生产装置设计及传动参数规划

乔生红，张 蔚

(常州纺织服装职业技术学院，江苏 常州 213164)

弹力织物具有弹性好、无压迫感且质地柔软等特点，市场前景十分广阔。弹性纤维种类很多，可分为聚氨酯纤维(如氨纶)、聚醚酯弹性纤维(如PET/PEO)、聚酯类弹性纤维、聚烯烃弹性纤维和硬弹性纤维等[1]。弹性纤维条干均匀、弹性好、强度高，但吸湿性差、手感硬、易起毛、产生静电、易老化，因此较少单独使用，常与其他纤维组合成包芯纱、包覆纱、变形纱等。另外弹力长丝价格要比一般纤维高出数倍，多种纤维组合应用，既可取长补短，又可节省成本[2]。

包芯纱是以弹力长丝为芯丝，外包无弹性的短纤维制得。氨纶包芯纱的纺纱工艺不同于普通纱，目前国内并无专门设备，主要依赖于在普通纺纱设备上进行结构改造。本文以细纱机改造实践为基础，探讨了氨纶包芯纱生产装置的标准化和系列化，可为氨纶包芯纱纺纱工艺提升提供借鉴。

1 生产装置功能

1.1 细纱机的作用

细纱工序的主要任务是将输入细纱机的粗纱进行牵伸、加捻和卷绕。细纱机纺纱流程：粗纱管→粗纱→导纱杆→喇叭口→牵伸装置→前罗拉→导纱钩→钢丝圈→筒管，如图1所示。

图1 细纱机纺纱流程图(改造前)

1.2 改造

氨纶包芯纱是在具弹性的氨纶芯丝外面包上一束短纤维，经过加捻卷绕后形成。成纱需具备一定的弹性，并确保芯丝无任何外露以免影响后期染色，成纱的重量偏差、条干均匀度、单纱断裂强度均需符合标准要求，改造的总体思路如图2所示。

图2 改造总体思路

改造需要解决的问题：(1)外包短纤维：按照原细纱机的工艺流程，形成符合重量规格的短纤维束。(2)传动机构：从细纱机的动力源，加装传动机构，将动力传至氨纶丝筒。(3)芯丝送出装置：将芯丝放置在托架上，以一定的方式送出。(4)芯丝预牵伸：为使成纱具有一定的弹性，对氨纶丝进行预牵伸。(5)芯丝导向和喂入：将芯丝准确导入至短纤维束的中心，并随着短纤维的左右微量移动而移动。(6)加捻卷绕：将芯丝和外包纤维合并后进行加捻，使捻度符合要求，并卷绕在筒管上。

2 改造装置

改造后装置的纺纱路线如图3中实线所示，在细纱机的上方加装氨纶丝托架，氨纶丝从丝辊输出后，经导丝轮、集合器，与经过牵伸装置的短纤维束合并，进入前罗拉，从前罗拉输出后经导纱钩、钢领钢丝圈进行加捻成氨纶包芯纱。

图3 纺纱路线示意图(改造后)

2.1 送出装置

送出装置放置在粗纱架的上方，位于整个细纱机的最高处。送出装置的作用一是作为托架用以放置氨纶丝筒，二是将氨纶丝以恒定速度均匀输出。氨纶丝筒为圆柱型，中间为空心，每一根氨纶包芯纱对应一个氨纶丝筒，由于细纱机是两面纺纱，每面需放置200多个氨纶丝筒。

结构方面，采用两根平行的丝辊，丝辊轴线与细纱机主轴方向平行，氨纶丝筒按序放置在两丝辊上。为增加摩擦力，丝辊表面需制作一定的花纹或外套橡胶辊。由于丝辊长度较长，每根丝辊由多节短辊连接而成。为保证旋转过程的同心度，丝辊采用多支点支承方式，选用调心滚子轴承支承。为防止氨纶筒沿轴向游动，在丝辊上加装隔丝片将每个氨纶筒隔开，隔丝片可采用厚1 mm左右的钢片。

机构运动方面，采用积极方式送出氨纶丝，即通过一定的传动方式，使两丝辊作同向回转，在两丝辊的摩擦驱动下送出氨纶丝。

2.2 预牵伸装置

预牵伸装置的作用是使氨纶丝在与短纤维合并前，进行预牵伸，以确保成纱(氨纶包芯纱)有一定的弹性。根据纺织品的一般要求，预牵伸倍数通常在2.5～5，因此前罗拉和丝辊的表面线速度比值在2.5～5倍左右。采取的措施是在前罗拉的一端(靠近车头的传动端)，通过传动机构，将运动传至丝辊轴端，保证其表面线速度比值在规定的范围内。

2.3 导向装置

导向装置的作用是确保每根氨纶丝对准包覆短纤维的中心，经过加捻后的成纱的芯丝不外露，以确保成纱的包覆效果。采取的措施是，在纺纱路线上位于前罗拉的上方安装一个导丝轮，导丝轮安装在一个可调节的托架上。导丝轮是确保所纺氨轮包芯纱包覆效果的关键性部件，其形状为V形沟槽轮，导丝轮必须回转灵活，与氨纶丝接触部分表面光滑、不摩擦氨纶丝，导丝轮采用非金属材料即可。

在细纱机的原有结构中，粗纱喂入前需先经过一个横动装置，此横动装置能够带动粗纱作缓慢的横向往复运动，能经常改变喂入点的位置，使纱条通过牵伸胶辊表面时，纱条与胶辊间的摩擦不会集中在一点上，胶辊表面磨损均匀，防止胶辊表面起凹槽，以保持胶辊对须条的稳定握持，提高成纱条干均匀度。

为配合外包短纤维的左右缓慢往复移动，氨纶丝在喂入前罗拉前也需作横向移动，因此，只需将导丝轮的托架连接到细纱机原有的横动装置上即可。在开机纺纱前，对导丝轮要逐只校正，保证氨纶丝在包覆纤维的中心。

2.4 喂入装置

喂入装置的作用是将短纤维与氨纶丝进行合并后喂入前罗拉。主要采用的器材是集合器，由于氨纶丝及牵伸后的纤维同时经过集合器，故其对包覆质量影响也较大，只需在纺普通纱的集棉器基础上，在其开口的中间，设计一条梯形槽，使芯丝进入集棉器后能导向定位于外包纤维束的中间，以保证前罗拉吐出的氨纶丝轴向为外包纤维加捻三角区的角顶处，有利于包覆均匀。

2.5 加捻装置

在细纱机上纺制氨纶包芯纱无需专门的加捻机构，只要调整其中的钢领和钢丝圈的参数即可。在纺普通纱的基础上，钢领仍保留同特数棉纱的钢领。对于钢丝圈，如其选配不当，便会在纱条表面产生毛羽。试制中发现，其重量比同特棉纱重两档左右，周期缩短三分之一，对改善毛羽效果、减少断头率效果显著。若过分增加重量，将会增大纺纱张力，反而会使断头增加。

3 传动方案确定

传动机构位于前罗拉与氨纶丝辊之间，主要作用为：(1)实现前罗拉与氨纶丝辊之间的运动和动力传递；(2)传动比(或牵伸倍数)符合纺纱要求；(3)保证牵伸倍数可调。

传动方案如图4所示，动力来源于细纱机的前罗拉，为减速传动。传动机构的形式可采用齿轮传动、链传动、带传动。考虑到传输的距离较远，目前采用的是套筒滚子链传动。因单级链传动的传动比范围为2～4，根据前罗拉与丝辊之间的牵伸倍数为2.5～5，故采用Z1/Z2、Z3/Z4两级传动。其中，Z2、Z3安装在中间过渡轴上。此外，Z5/Z6是为了保证一对丝辊的同向、等速回转，取Z5=Z6。

为保证氨纶包芯纱的牵伸倍数在一定范围内可调，需要设置变换轮，从而能根据纱线的规格调整传动链轮(或齿轮)的齿数，其调节范围应能满足纺制各种规格纱条的工艺要求，并要符合重量偏差、牵伸倍数的规定。牵伸变换轮可以安排在传动系统中的适当位置，可采用变换其中一个或者同时变换两个链轮，必要时还可再变换其他一级的链轮，以求得更大的变换范围。图4中轮ZA、ZB为主变换轮，必要时可变换ZC。

图4 传动方案图

4 传动参数规划

根据传动方案，需确定各链轮的齿数及牵伸变换轮ZA、ZB、ZC的变换只数。已知前罗拉直径d1=25 mm，前罗拉中罗拉最小隔距为19 mm，取丝辊直径d2=35 mm，氨纶丝预牵伸倍数E=2.5～5倍。

4.1 主动链轮齿数Z1

Z1安装于前罗拉一端，综合考虑前罗拉直径以及前罗拉和中罗拉之间的隔距，故链轮1的齿顶圆直径Da≤63 mm，考虑到链轮1不得与中罗拉相干涉，需留有2～3 mm的间隙，因此，Da≤60 mm，依据经验选链号为08A，查得链条节距p=12.7 mm，根据链轮齿顶圆计算公式

Da=p[0.54+cot(180°/Z1)]≤60

式1

经计算得Z1≤13.38，由于链条的链节数通常是偶数，为使链条和链轮磨损均匀，常取链轮齿数为奇数，并尽可能与链节数互质，因此取Z1=13[3]。

4.2 牵伸倍数

以E表示牵伸倍数，本传动机构E=2.5～5，牵伸倍数的数列E1、E2、E3……Ej，Ej+1……En各档之间应按等比数列递增，共有n档，档数越多，牵伸变换差异率越小。

根据图4的传动关系可得牵伸倍数E的计算公式为

式2

式中：d前=d1=25mm，d丝=d2=35mm，Z1=13，Emin=2.5，EmaX=5代入，则

式3

4.3 变换轮设计

以ZA、ZB为主变换轮，为获得更大的变换范围，适当时还可以变换ZC，ZC设为四档，即ZC=15、16、17、18。以E、ZC的最大、最小值，求ZA和ZB的最大、小值。

表1 牵伸倍数(部分)

将ZC=16、17、18代入计算，能实现的牵伸倍数范围为2.063～6.157，共能实现约180档，其调节范围能满足纺制各种规格纱条的工艺要求，可实现的变换档数多，牵伸变换差异率低。

5 结语

通过对FA506细纱机的改造，试制生产了三种规格氨纶包芯纱，成纱指标均符合质量要求，改造成本较低，在传动机构中增设变换轮扩大了牵伸倍数的范围和档数，适用于不同型号的细纱机，利于生产装置标准化和系列化。

改造中的不足之处是传动系统中的链传动速度不均匀，瞬时传动比不恒定，纺制纱的支数不能太高，限制了产品档次的提升，后期可考虑用同步齿形带传动或者伺服电机来替代。