模拟织造状态下的浆纱耐磨性能测试方法

2021-11-29高卫东刘建立郭明瑞

纺织学报 2021年11期

郭敏，高卫东，朱博，刘建立，郭明瑞

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学), 江苏无锡 214122)

经纱在织造过程中受到多种拉伸应变和摩擦作用，且其所受载荷具有交变循环的特点。拉伸应变作用主要来源于经纱所受开口和打纬运动而引起的张力变化；摩擦作用主要来源于经纱与后梁、停经片、综眼、钢筘等接触机件以及相邻经纱之间的相对运动。对经纱上浆的要求近年来发生了显著变化，一方面纺纱和络纱技术不断进步[1-3]，纱线质量得到明显提高，纱线细节和强力不匀得到改善，经纱抗拉强力对织造效率的影响下降；另一方面织机速度大大提高，使得经纱受到的摩擦作用加剧，纱线的耐磨性成为影响织造效率的主要因素[4-6]，有关浆纱织造耐磨性能的研究受到关注[7-9]。由于浆纱在织机上受到的是复杂的循环载荷，为客观评价浆纱的耐磨性能，浆纱耐磨寿命测试需要模拟织造开口、打纬、送经和卷取等运动对浆纱的摩擦作用，在此情形下测得的结果可为改善浆纱所涉及的浆料和浆纱工艺提供参考。

测试纱线耐磨性能的仪器种类繁多[10]，具有代表性的纱线耐磨性能测试仪主要有德国Zweigle公司生产的G552型纱线耐磨仪和山东纺织科学研究院生产的LFY-109A型电脑纱线耐磨仪。但现有耐磨测试仪并不能满足浆纱耐磨性的测试要求，存在的主要问题包括：1)纱线受到的载荷没有全面反映纱线的织造状态，即缺乏对织机开口、打纬、送经、卷取等作用的多重仿真；2)测试仪通过悬挂砝码对纱线施加张力，伴随磨料对纱线的往复作用，造成砝码无规律跳动，扰乱了纱线的受载状态。

为了满足浆纱耐磨性测试的特定要求，研制了JN-01浆纱耐磨测试仪。该测试仪模拟了浆纱在织机上匀速运动状态下受到的多种载荷作用，并可在一定范围内对模拟的主要条件参数进行设定，对纱线张力实行全过程电子测控，并自动统计分析浆纱耐磨寿命(耐磨次数)。本文首先介绍了JN-01浆纱耐磨测试仪的组成及测试方法，并在该测试仪与LFY-109A型电脑纱线耐磨仪上测试了3种线密度的浆纱和原纱，验证其性能。

1 JN-01浆纱耐磨测试仪

1.1 测试仪组成

JN-01浆纱耐磨测试仪如图1所示，由送经机构、卷取机构、开口机构、打纬机构、张力感应装置和经停装置组成。

1、18—砝码导槽；2、6、16—有槽导辊；3—被测纱线；4—送经压辊；5—送经辊；7—张力杆；8、11—光导杆；9—停经片；10—停经杆；12—限位杆；13—滚花钢辊；14—磨料筘杆；15—光筘杆；17—卷取辊；19—卷取压辊。图1 JN-01浆纱耐磨测试仪Fig.1 JN-01 Sizing Abrasion Tester

1.1.1 送经和卷取机构

如图1所示，送经和卷取机构各采用1对钢辊5、17和橡胶压辊4、19，由独立的电动机驱动，钢辊为主动辊，橡胶辊由气动装置控制加压和脱开钢辊。纱线速度在0～20 mm/min范围内可调。测试过程中，卷取辊以设定的卷取速度回转，而送经辊则根据浆纱的张力状态自动调节回转量。

1.1.2 开口机构

如图1所示，开口机构由1对滚花钢辊13及其支架与传动装置组成。被测纱线3在2个辊之间的缝隙中穿过，通过步进电动机正反转带动支架上下往复运动，使得所有被测浆纱同步上下运动。开口动程可在10～60 mm范围内设定。开口的工作频率在40～240 r/min范围内进行设定。

1.1.3 打纬机构

打纬机构由独立的电动机驱动，其工作频率与开口机构相同，2个机构同步。如图2所示，1列不锈钢滚花磨料筘杆1及其前后两侧各1列的光滑导杆2安装在筘座4上。被测纱线在磨料筘杆上形成一定的包角，包角可通过磨料筘杆底座3的位置独立调节。筘座前后摆动时，磨料筘杆模拟和强化了织机上浆纱受到的摩擦作用，随筘座不断往复摆动(摆角可在5°～30°范围内设定)，浆纱在经受若干次摩擦作用后发生断裂，耐磨次数即为浆纱耐磨寿命。

1—磨料筘杆；2—光滑导杆；3—磨料筘杆底座；4—筘座。图2 对纱线施加摩擦的磨料筘杆及其筘座Fig.2 Abrasive reed rod and its sley seat applied to yarn

1.1.4 张力感应装置

如图1所示，被测纱线绕过张力杆形成力矩，张力感应装置通过杠杆传递使得拉伸应变传感器受力(见图3)，通过张力标定建立传感器信号处理器输出数据与纱线张力的关系，实现对浆纱张力的实时检测，检测结果被用于对纱线送出量的反馈控制，保持纱线张力恒定。

1—张力杆；2—拉簧；3—张力传感器。图3 张力感应与检测机构Fig.3 Tension induction and testing device

1.2 测试过程

1.2.1 测试准备工作

1)通过测试仪人机交互界面进行测试参数(工作频率、开口动程、筘座摆角、卷取速度、上机张力)的设置；2)将10根纱线逐一置入各测试通道就位，为保持纱线张紧,在每根纱的两端悬挂砝码，待10根浆纱全部就位后，气动加压将卷取辊和送经辊的橡胶压辊压上，插上停经片。

1.2.2 测试状态

1)开口机构和打纬机构同频率动作，卷取辊以设定的纱线速度恒速回转，送经辊根据综平时刻纱线张力状态检测结果变速回转，通过调整送经量保持设定的张力不变，浆纱在此状态下受到磨料筘杆的摩擦作用；2)一旦发生断纱，经停装置发动停车，自动记录浆纱通道序号和耐磨次数，随即根据留存的浆纱根数自动调整纱线张力，保持每根纱线的上机张力恒定，继而自动启动后续测试，直至完成全部10根浆纱的测试。

1.2.3 测试数据处理显示

借助于Visual Studio 2019平台设计的交互界面(见图4)，能在测试过程中显示每根浆纱的工位和磨断次数，完成全部10根浆纱测试后，系统显示和存储本组浆纱耐磨次数均值和CV值。

图4 人机交互界面Fig.4 Human-computer interaction interface

2 验证实验

为验证测试仪器和方法，采集南通某纺织公司的9.7 tex纯棉浆纱纱样A以及无锡某纺织公司的14.5 tex纯棉原纱和浆纱纱样，9.7 tex纯棉原纱和浆纱纱样和5.8 tex纯棉原纱和浆纱纱样进行耐磨性测试。

2.1 实验方法

采用JN-01浆纱耐磨测试仪分别对以上纱样在恒温恒湿(温度为20 ℃，相对湿度为65%)状态下测试，每个纱样测试5组，每组10根，以磨断次数(耐磨寿命)表征其耐磨性能。

同时，采用LFY-109A型电脑纱线耐磨测试仪对无锡某纺织公司的14.5、9.7、5.8 tex 3种线密度的纯棉浆纱和原纱进行耐磨性测试。

2.2 测试参数设置

JN-01浆纱耐磨测试仪的可调参数分别是工作频率、开口动程、筘座摆角、卷取速度和上机张力。

2.2.1 测试参数对纱线耐磨的影响

1)工作频率。测试仪的工作频率模拟了织机的速度，随着工作频率的增大，运动部件的加速度增大，纱线表面受到的摩擦作用加剧，纱线的耐磨寿命下降。受测试仪器运动平稳所限，工作频率不易过高。

2)开口动程。开口动程对应织机上的综框开口高度。纱线在耐磨测试过程中，反复拉伸摩擦导致纱线内的纤维发生滑移，随着开口动程的增大，满开造成的纱线张力增加[11-12]，纱线受到的摩擦作用加剧，耐磨寿命下降。

3)筘座摆角。筘座的往复摆动形成磨料筘杆与纱线在水平和垂直2个方向上的摩擦，随着筘座摆角的增大，浆纱与磨料筘杆在2个方向上的摩擦动程均增大，使得筘齿对纱线的摩擦作用增强，纱线的耐磨次数减少。

4)卷取速度。在摩擦测试过程中，卷取速度越快，即纱线前进的线速度越大，磨料筘杆对纱线同一部位的摩擦作用就越弱，因此，随着卷取速度的增加，纱线的耐磨寿命也会增加。

5)上机张力。纱线在综平时的张力称之为上机张力。确定上机张力时要考虑纱线线密度，高支纱的上机张力应低于低支纱。对于同一线密度的纱线，增大测试时的上机张力，纱线与磨料筘杆间的摩擦作用加剧，纱线越易磨损，纱线耐磨次数随着上机张力的增加而减少。

2.2.2 测试参数的确定

开口动程、工作频率、筘座摆角、卷取速度、上机张力5个参数对纱线耐磨性能均有影响。依据仪器运行平稳，耐磨次数CV值较小的原则，选择工作频率200 r/min、开口动程25 mm、筘座摆角20°、卷取速度3 mm/min、上机张力2.0 cN/tex为测试设定参数。

LFY-109A型电脑纱线耐磨仪的测试参数设定为：摩擦频率60次/min，重锤质量20 g，砂纸号数600。

3 结果分析

3.1 纱样A测试结果分析

纱样A测试了10组(共100根)，分别对前30、40、50、60、70、80、90和100根浆纱测试结果进行统计分析，见表1。

表1 不同样本容量的浆纱耐磨测试结果Tab.1 Test results of abrasion resistance of sizing yarn with different sample sizes

由表1可知，当测试组数达到4组(40根)浆纱后，浆纱耐磨寿命均值较10组(100根)时的相对偏差均小于1.4%，因此，测试仪以5组共50根浆纱为测试样本，测试结果就可以反映所测浆纱的耐磨性能。随着测试组数的增加，所测浆纱耐磨寿命的CV值没有大的波动，表明测试的可靠性和稳定性。

3.2 其他纱样测试结果分析

其他6个纱样在2种仪器上分别测试5组(共50根纱)，其耐磨寿命均值、CV值和浆纱耐磨提高率如表2所示。

表2 纱线耐磨寿命测试结果Tab.2 Results of abrasion resistance life of yarn

由表2可知:5.8 tex原纱耐磨寿命最高，9.7 tex原纱与5.8 tex的相近，14.5 tex原纱耐磨寿命最短，这是由于上机张力是按线密度高低等比例设定的，降低了纱线线密度对耐磨寿命的影响，并且高支纱的配棉优于低支纱；与对应原纱相比，3种浆纱的耐磨寿命较原纱均有所提高，其中9.7 tex浆纱增加最多(提高了81.93%)，5.8 tex浆纱次之，14.5 tex浆纱最低，这种提高很大程度上取决于织物品种对经纱上浆的要求，通过浆料和上浆工艺实现的；LFY-109A型电脑纱线耐磨仪测定的浆纱耐磨提高率高达2倍以上，而JN-01浆纱耐磨测试仪测定结果均在1倍以内；对于JN-01浆纱耐磨测试仪测得的3种线密度纱线的浆纱耐磨寿命CV值显著低于LFY-109A型电脑纱线耐磨仪。