两通道环锭纺单区牵伸纺制段彩竹节纱的方法及其特点

郭明瑞，高卫东

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学),江苏 无锡 214122)

花式纱线以其独特的结构和外观效果成为具有广泛用途的产品，占据纱线市场一定份额[1]，但专用花式纱线生产设备存在成本较高的问题，使得基于环锭纺纱技术的花式细纱纺制技术应运而生，其中段彩竹节纱是基于改进环锭纺纱装置生产的，是具代表性的花式细纱[2-4]。目前，市场上普遍应用的段彩竹节纱装置，均为改变环锭细纱机牵伸装置驱动形式和2根粗纱输入方式，在中罗拉连续输入基纱纤维形成纱线主体，控制后罗拉间歇输入段彩饰纱纤维，与基纱复合形成段彩竹节片段。这种方式段彩饰纱须条需要经过后区和前区2个牵伸区，属于双区牵伸环锭纺装置。双区牵伸纺制段彩竹节纱存在彩节长度和节距偏差较大的问题[5-6]，产生这个问题的根本原因是双区牵伸纺制段彩竹节纱时，纤维集合体在后区的拉伸断裂位置不一致，并且纤维集合体以片段形式进入皮圈牵伸区，须条尾端纤维在牵伸过程中所受控制力较弱，导致彩节长度和节距波动。

为提高花式细纱产品的品种适应性和产品种类，近年来出现了基于双区牵伸的两通道环锭数码纺技术，该技术将后罗拉改为具有2个独立控制部分的横向并置工作齿环，形成2个等效的牵伸通道[7-9]。这种机型可在线转换基纱和饰纱的角色，纺制出双色变换段彩纱[10-11]；但其仍属双区牵伸，纺制段彩竹节纱时，彩节长度和节距偏差问题未能得到解决。

本文针对现有双区牵伸环锭纺段彩竹节纱存在彩节长度和节距偏差较大的问题，研发单区牵伸两通道环锭纺新装置，纺制结构精确控制的段彩竹节纱新产品，分析彩节复合片段长度和分布的影响因素及其变化规律。同时，开发了相应的纱线图像连续采集装置，建立了配套的图像处理方法，对段彩竹节纱新产品的复合片段长度及其分布进行自动测量、表征与分析。

1 段彩竹节纱纺制

1.1 段彩竹节纱结构

段彩竹节纱由基纱片段和段彩竹节片段组成，其对应的长度分别称为基纱长度和段彩竹节长度，2个段彩竹节中点间距为节距，结构示意图如图1(a)所示。段彩竹节长度、倍率和节距是其主要结构参数。图1(b)为由Canon 9000D Mark II扫描仪得到的段彩竹节纱片段扫描图像。

图1 段彩竹节纱外观Fig.1 Appearance of section color slub yarn.(a)Yarn diagram;(b)Yarn physical image

表征段彩竹节纱的参数包括：基纱线密度T0、基纱片段长度dj、段彩竹节长度dc和段彩竹节倍率β。对于基纱线密度、片段长度和段彩竹节倍率不变的段彩竹节纱，基纱片段参数可用数组(dj，T0)表达，而段彩竹节片段参数可用数组(dc，βT0)表达。

1.2 双区牵伸纺制段彩竹节纱

现有传统双区牵伸环锭纺装置纺制段彩竹节纱示意图如图2所示。基纱纤维喂入中罗拉形成纱线主体，饰纱纤维由间歇转动的后罗拉喂入，间断的饰纱须条与基纱须条复合形成段彩竹节。饰纱须条经过前、后2个牵伸区，后罗拉间歇运动使得饰纱在后区断裂，进入到中罗拉与前罗拉形成的前牵伸区，经过中罗拉输入的饰纱须条尾端不受后续粗纱控制，牵伸效果不理想；同时由于基纱须条与饰纱须条共用前牵伸区，饰纱须条经后区和前区2个牵伸区，其牵伸倍数无法小于基纱牵伸倍数，若要纺制高倍率的段彩竹节纱，则需通过调整基纱或饰纱的粗纱定量来实现。

图2 传统双区牵伸纺制段彩竹节纱示意图Fig.2 Diagram of section color slub yarn spun by traditional double-zone drafting

1.3 单区牵伸两通道纺制段彩竹节纱

本文提出的单区牵伸两通道环锭纺纱装置原理如图3所示。该装置只有1个皮圈牵伸区，仅有前罗拉和后罗拉，其后罗拉为两通道双列并置型，后上胶辊也为两通道胶辊，即后罗拉的每个工作单元由双列同轴并置的活套罗拉环组成：其中一个活套罗拉环与后罗拉轴径向固定，由后罗拉轴驱动；另一个活套罗拉环侧边带有同轴传动齿轮，由同步带连接至后方传动轴。通过伺服系统、可编程控制器和触摸屏分别驱动后罗拉轴和传动轴。2列并置后罗拉分别与前罗拉形成各自的牵伸通道，实现基纱须条和饰纱须条独立输入，基纱须条与饰纱须条都只经过一个牵伸区。通过集聚纺装置，实现前罗拉输出的基纱与饰纱横向汇聚成纱。纺制段彩竹节纱时，基纱须条连续恒速输入，饰纱须条间歇输入形成段彩竹节。

图3 单区牵伸两通道环锭纺装置示意图Fig.3 Diagram of two-channel ring spinning with single-zone drafting

单牵伸区两通道环锭纺装置中，由于基纱与饰纱具有独立的牵伸通道，牵伸倍数没有相互制约，在粗纱定量确定的条件下，仍然可以通过改变基纱与饰纱的相对牵伸量实现纺制不同倍率的段彩竹节纱。并且这种单区牵伸两通道环锭纺装置可在线转换基纱与饰纱的角色，纺制出双色变换段彩竹节纱，拓展纱线品类。

2 饰纱片段牵伸原理

2.1 双区牵伸饰纱牵伸模型

传统双区牵伸纺制段彩竹节纱是将后罗拉独立控制，通过后罗拉的间歇转动实现饰纱的断续喂入。双区牵伸纺制段彩竹节纱时，饰纱纤维束的运动状态如图4所示。饰纱片段大致经过喂入、拉断、牵伸和输出4个阶段。如图4所示：在时序1，后罗拉处于回转状态，被后罗拉握持的粗纱头端通过中罗拉；在时序2，后罗拉回转一定量后停止转动，粗纱被拉断，粗纱片段整体进入前牵伸区；在时序3，喂入前牵伸区的粗纱片段经过前罗拉与中罗拉之间的牵伸，从前罗拉钳口输出；在时序4，牵伸后的粗纱片段完全从前罗拉钳口输出，在成纱上形成一段饰纱。在时序1和2纺制基纱片段，在时序3和4纺制段彩竹节片段。

图4 传统双区牵伸段彩竹节纱饰纱牵伸过程示意图Fig.4 Diagram of drafting process of decorative roving for spinning section color slub yarn in traditional double-zone drafting

基于粗纱拉伸断裂原理形成饰纱片段有2个不利因素：一是饰纱粗纱需要在后牵伸区中拉断，而将粗纱拉断所需牵伸力要远大于将单纤维从粗纱中抽出，为了能够在后牵伸区将粗纱拉断，需要将后牵伸区的罗拉隔距放大到一定程度，这时后牵伸区罗拉隔距为纤维长度的1.5～2倍，这种后牵伸区罗拉隔距的设置虽然满足了牵伸力的要求，但是会使后牵伸区粗纱断裂位置波动增大，进而导致段彩竹节片段长度不稳定；二是以粗纱片段形式喂入前牵伸区的饰纱，进入前牵伸区需经过较高倍数的牵伸，由于纤维束已经断裂，粗纱尾端纤维无后续粗纱的约束，在牵伸过程中仅依靠弹性皮圈握持，纤维变速点分散，牵伸状态不够稳定，所形成的段彩竹节尾端纤维分布不精确，易出现纤维拖尾现象，影响段彩竹节尺寸精度。

2.2 单区牵伸两通道饰纱牵伸模型

针对双区牵伸纺制段彩竹节纱时，饰纱成形原理存在的不利因素，本文通过分析单区牵伸两通道环锭纺技术纺制段彩竹节纱，阐述其饰纱成形原理的优势。单区牵伸两通道环锭纺技术纺制段彩竹节纱时，饰纱成形原理不再是粗纱拉伸断裂形式，变为前区纤维须条牵出和静止形式，饰纱须条只经过单一牵伸区，间歇喂入。饰纱成形过程如图5所示。饰纱片段大致经过喂入、牵伸、分离和输出4个阶段。如图5所示：在时序1，在纺制基纱片段时，后罗拉处于静止状态，被后罗拉握持的粗纱处于停喂状态；在时序2，后罗拉转动喂入饰纱片段，粗纱须条头端进入前罗拉钳口，纤维由慢速纤维转变为快速纤维，实现纤维须条的牵伸；在时序3，当后罗拉停止喂入，受前罗拉握持的快速纤维与粗纱头端须条分离；在时序4，全部快速纤维从前罗拉钳口输出，在成纱上形成段彩节竹。

图5 单区牵伸段彩竹节纱饰纱牵伸过程示意图Fig.5 Diagram of drafting process of decorative roving for spinning section color slub yarn in single-zone drafting

基于此种饰纱成形原理，在牵伸区中纤维从粗纱须条头端按顺序牵出，牵伸力较小，罗拉隔距较小，有利于减小牵伸区中纤维浮游区间，在后罗拉纤维须条停喂时，只有极少数长度较短的浮游纤维受快速纤维影响而变速，对段彩竹节长度和形态影响小，克服了双区牵伸纺制段彩竹节纱中饰纱成形原理的不足。

3 实验部分

3.1 实验方案

双区牵伸环锭纺段彩竹节纱由CCZ-X全伺服控制集聚纺细纱机纺制，单区牵伸两通道环锭纺段彩竹节纱采用改造后的CCZ-X全伺服控制集聚纺细纱机纺制。纺纱实验所用原料均采用定量为4.2 g/(10 m)的黑、白两色精梳纯棉粗纱，将黑色粗纱作为基纱、白色粗纱作为饰纱，纺制出基纱线密度为29.2 tex，段彩竹节倍率为2，基纱长度为1 000 mm，段彩竹节长度分别为20、30、40、50、60、70和80 mm的Z捻黑/白段彩竹节纱，基纱牵伸倍数为14.38，纱线特克斯制捻系数为340，纺纱锭速为8 000 r/min。每个品种纺制5管。

3.2 段彩竹节纱结构参数测量方法

3.2.1 纱线图像采集装置

由于段彩竹节纱颜色、规格种类繁多，目前还没有针对段彩竹节纱特征参数测量的通用仪器设备。本文采用图像法对段彩竹节纱的部分结构参数进行测量与表征。采用的纱线图像采集装置如图6所示。该装置包括MER-132-30GC型数码相机(中国大恒(集团)有限公司)、MLM3X-MP型镜头(COMPUTAR公司)、光源、电脑、纱线张力盘(2个)和自动卷绕装置。

图6 图像采集装置Fig.6 Image acquisition unit

为使采集的图像背景灰度尽量一致，位于图像采集区的纱线距离背景30 mm，以使背景虚化。纱线卷绕装置的2个卷绕辊采用定速交流电动机驱动，绕纱辊置于卷绕辊上，利用摩擦作用驱动绕纱辊匀速转动，实现图像采集过程中纱线运行速度恒定。为便于图像中段彩竹节和基纱片段的识别，需保证纱线径向在图像中具有一定行数的像素点，同时为避免段彩竹节中偶然性出现的短片段无彩段被误判为基纱片段，单张图像中纱线长度不能太短。本文所采集单张纱线图像对应纱线长度为14.0 mm，基纱径向约占像素点行数为20～30。所对应纱线运行速度为3 276 mm/min，图像采集频率为3.9 帧/s，单张图像曝光时间为500 μs。

3.2.2 段彩竹节纱结构参数算法

本文根据段彩竹节纱的外观特征，即段彩竹节中饰纱颜色与基纱颜色存在明显区别，饰纱与基纱在图像中具有不同的灰度值，选取像素点灰度值作为分类参数。通过识别图像中是否存在饰纱纤维来判断图像中纱线为段彩竹节还是基纱片段，鉴于段彩竹节中饰纱纤维数量由中间位置向两端逐渐减少，段彩竹节两端的图像中饰纱纤维识别难度较高，本文选取像素点分类阈值所用图像为段彩竹节端部图像，如图7(a)所示。采用人工对比不同灰度阈值对纱线中饰纱和基纱的分类效果，选定合适的灰度值作为测量阈值，本文选定灰度分割阈值为100(0～255)，将原纱图像处理为二值化图像，如图7(b)所示。由于纱线结构、毛羽和纤维光学特性的原因，阈值分割后的二值图像中存在一些被误判为饰纱的小面积噪点。为避免这些小面积噪点对识别结果的影响，需再对二值化图像进行去噪处理，去除图像中小面积连通区域。本文选定小面积连通区域像素点数为50，效果如图7(c)所示。

图7 纱线图像处理效果比对Fig.7 Comparison of processing effect of yarn image.(a)Original yarn drawing；(b)Binary image；(c)Binary image of removing small area noise

基于上述原理，通过判断序列图像属于基纱片段或段彩竹节片段，并进行累加记长，便可得到初步的段彩竹节和基纱长度及其在纱线上的分布次序。因为段彩竹节头、尾端图像中可能同时包含段彩竹节和基纱片段，此时整张图像会被归类为段彩竹节片段而影响测量准确性，所以，针对段彩竹节头、尾端图像需做进一步处理。首先，寻找与基纱相邻的头、尾端段彩竹节图像；然后，从其去除小面积噪点区域后的二值化图像中基纱一侧对整张图像逐列判断，直到出现饰纱纤维的1列停止，则以该列将图像细分为基纱部分和段彩竹节部分，并换算为相应的长度，分别计入基纱长度和段彩竹节长度，进而实现对头、尾端段彩竹节长度的精准测量。

本文段彩竹节纱结构参数测试条件：纱线运行速度为3 276 mm/min，图像采集频率为3.9 帧/s，单张图像对应纱线长度为14.0 mm，图像曝光时间为500 μs。每个品种纱线测试长度为200 m。

4 实验结果与分析

4.1 2种纺纱方法的段彩竹节长度对比

段彩竹节纱中段彩竹节长度和分布是其最主要的指标。受牵伸过程中纤维束内浮游纤维的影响，在机器参数恒定的情况下，所纺纱线的段彩竹节长度仍存在一定的偏差和波动，这就使得衡量段彩竹节纱的首要指标为段彩竹节的长度精度及其波动范围。对比本文所采用的单区牵伸两通道环锭纺装置和现有双区牵伸环锭纺装置纺制段彩竹节纱，段彩竹节长度测试结果见表1。可以看出，所纺制的段彩竹节纱其段彩竹节长度偏离机器设定值较小，同时波动范围也小。对于20 mm短片段的段彩竹节，单区牵伸两通道环锭纺段彩竹节纱的长度变异系数为16.3%，小于双区牵伸的30.5%；对于80 mm中长片段的段彩竹节，单区牵伸所纺纱线的段彩竹节长度变异系数为6.2%，也小于双区牵伸的10.1%。段彩竹节长度偏离设定长度越大，说明相同喂入量的饰纱纤维会分散到更长的区间内，这必然导致段彩竹节倍率的不足，进而使得竹节形态不够饱满；段彩竹节长度波动范围大，反映出所采用的纺纱装置对段彩竹节长度的精准度调控能力较弱。由2种段彩竹节纱织制的纬编针织物如图8所示。图中纱线的段彩竹节设计长度均为20 mm，段彩竹节倍率为2，用HC21K型16G单路纬编圆机织制成纬平针织物，线圈长度为0.6 mm，横密为49纵行/(5 cm)，纵密为80横列/(5 cm)。显然单牵伸区两通道环锭纺装置在纺制段彩竹节纱方面具有更高的调控精度。

表1 2种纺纱方式段彩竹节纱的段彩竹节长度Tab.1 Section color slub length of two spinning ways

图8 段彩竹节纱纬编针织物Fig.8 Weft knitted fabric of section color slub yarn.(a)Traditional double-zone drafting；(b)Two-channel ring spinning with single-zone drafting

4.2 2种纺纱方法的段彩竹节倍率对比

段彩竹节纱的段彩竹节倍率也是该纱线的重要指标。从段彩竹节的成形原理分析可知，由于纤维在粗纱中均匀随机分布，牵伸断裂的头、尾端呈楔形，这种形态的粗纱片段经过牵伸，在细纱中仍然呈纺锤状形态(见图1(b))。通常，理论设计的段彩竹节倍率是通过控制饰纱的牵伸倍数来实现的，这种方法只能从理论上使段彩竹节的最粗段达到设计的段彩竹节倍率，并未从严格意义上考虑段彩竹节形态，也未考虑纤维长度对饰纱喂入长度的影响。

本文以段彩竹节实测平均长度为基础，通过测得的饰纱平均喂入长度结合粗纱定量换算成饰纱喂入纤维质量，再由饰纱喂入纤维质量与段彩竹节平均长度计算出段彩竹节平均倍率，结果见表2。可以看出，在设定段彩竹节倍率不变(等于2)的情况下，随着所纺段彩竹节长度的增大，实际段彩竹节倍率越接近设定倍率。这是由于所纺段彩竹节长度越长，其喂入片段中头、尾端楔形片段对总体段彩竹节的影响比例越小。同时，对比 2种不同纺纱装置所纺段彩竹节纱的平均倍率可知，单区牵伸两通道环锭纺纱装置所纺纱线的段彩竹节倍率更接近设定倍率，这是由于单牵伸区对饰纱牵伸过程的控制精度高，实际段彩竹节长度短，喂入相同饰纱量时对应的段彩竹节倍率大。而较大的段彩竹节倍率能使段彩竹节在后道织物上显示出更明显的段彩和竹节效应。

表2 不同段彩竹节长度段彩竹节纱的段彩竹节倍率Tab.2 Section color slub yarn of different slub lengths and related machine operation parameters

5 结 论

本文通过分析单区牵伸两通道环锭纺纱装置与传统双区牵伸环锭纺装置纺制的2种段彩竹节纱的成纱原理和实验结果，得出以下主要结论：

1)基于后端握持的纤维须条起、停喂入形式的单区牵伸两通道环锭纺装置纺制段彩竹节纱，优于基于粗纱拉伸断裂形式的双区牵伸环锭纺装置纺制段彩竹节纱。单区牵伸两通道环锭纺从原理上减小了饰纱喂入片段与后续粗纱的分离点波动，改善了饰纱片段尾端纤维控制力弱的状况，减小了段彩竹节长度波动幅度，提升了段彩竹节长度和倍率的准确性。其中20 mm短片段的段彩竹节长度变异系数由30.5%降低至16.3%；80 mm中长片段的段彩竹节长度变异系数由10.1%降低至6.2%。

2)单区牵伸两通道环锭纺装置中，基纱与饰纱具有独立的牵伸通道，饰纱牵伸倍数不受基纱牵伸倍数的约束，在粗纱定量确定的条件下，能够灵活调整饰纱牵伸倍数，纺制不同段彩竹节倍率的纱线。

3)单区牵伸两通道环锭纺装置具有等价而独立的2个牵伸通道，饰纱与基纱能够在线互换，丰富了纱线外观效果，拓展了纱线品类。

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