簇绒地毯停机痕迹机理及控制方法的研究

徐 洋 孙志军 孟 婥 吴海涛 朱姿娜

东华大学，上海，201620

0 引言

自19世纪40年代以来，簇绒地毯以其丰富的品种迅速占领了市场［1－2］。簇绒地毯质量等级的评定有很多严格的要求，若地毯稍有瑕疵，等级就会降低，甚至成为废品。其中，停机痕迹是影响簇绒地毯外观质量等级的重要因素。由于在地毯织造过程中，存在补接断线、补毯等重要工序，因此不可避免地存在停机的状况。在簇绒机停机和再次启动的过程中，原有纱线会处于非正常工作状态，使得新织出的毯面部分绒圈与原有绒圈存在不均匀的现象，产生停机痕迹。

本文以DHGN801D－200型簇绒机为分析对象，研究了簇绒地毯停机痕迹形成原因，提出了合理解决停机痕迹的方法，并对该方法进行了验证。

1 簇绒装备系统组成及纱线路径

地毯簇绒装备系统主要由进布部件、出毯部件、平圈送纱部件、提花部件、卷毯部件、刺针传动部件、成圈钩部件、机架部件等组成。图1所示为地毯簇绒装备示意图。

纱线首先从纱架上的纱筒出发，经过穿纱管、顶穿纱板后，到达分线架，随后纱线分别进入平圈送纱系统和提花系统。经过提花路径的纱线，通过导纱器1进入提花部件，穿过导纱器2、集纱箱、恒张力导纱罗拉以及三层导纱器3～5后，最终到达簇绒针。在主轴系统驱动的针、钩以及进布、出毯罗拉的精确配合下，绒纱被刺入地毯底布，在底布上形成绒圈。

2 绒纱路径与伸缩量关系分析

在簇绒地毯织造的过程中，随着簇绒针与毯面位置的变化，绒纱的路径和其伸缩量也发生变化。图2所示为簇绒针与底布位置的纱线路径示意图。

图2中，A表示恒张力导纱罗拉，B为固定导纱器，C和D为随簇绒针针排运动的导纱器，间距不变，Nd为成圈钩，ln为针脚距离，l1为固定导纱器B与C的距离，l2为导纱器D与簇绒针中心线间的距离，E为簇绒针孔在簇绒针织毯过程中上升的最高点位置，F为簇绒针孔在簇绒针织毯过程中下降的最低点位置，E′为簇绒针刚进入底布的接触点的位置，C′、D′和C″、D″分别为簇绒针下降至与底布相接触的点位以及最低点的导纱器C与D的位置，α为簇绒针在底布上的最高位置E和导纱器D之间的线段lDE与水平线之间的夹角，Δα′为簇针向下运动引起lDE角变化量，β为固定导纱器B与可移动导纱器C之间的线段lBC与水平线之间的夹角，Δβ′为簇针向下运动至与底布接触点位置引起β角的变化量，Δβ″为簇针向下运动至最低点位置引起β角的变化量。

图1 地毯簇绒装备系统组成图

图2 簇绒针与底布位置的纱线路径示意图

H1为簇绒针孔中心至针尖的距离，H2为簇绒针针尖至底布的距离，H3为地毯成圈高度，H4为地毯成圈高度H3与成圈后回弹量的和，因此，簇绒针的总动程H＝H1＋H2＋H4。

簇绒针织毯的过程是：首先，簇绒针向下运动，至最低点时，底布下方的成圈钩紧靠着簇针向前运动钩住纱线；当簇绒针向上运动退出底布时，成圈钩钩住纱线，在底布下方形成绒圈；当簇针再次向下运动之前，成圈钩向后运动退出已形成的绒圈，纱线回弹，这时地毯毯面上成圈结束。

下面针对簇绒地毯的成圈过程，分情况地对绒纱的路径进行研究。

（1）簇绒针刺入底布成圈前路径分析。根据图2，当簇绒针在最高位E时，纱线的路径长度为

当簇绒针下降至毯面位置E′时，纱线的路径长度为

由于C和D为随簇绒针针排运动的导纱器，因此可知，lCD＝lC′D′，lDE＝lD′E′。当纱线路径由L1变为L2，引起的纱线变化量Δs1为

（2）簇绒针刺入底布成圈后路径分析。当簇绒针穿过毯面由E′下降至最低点F位置时，成圈钩勾住纱线。这时，成圈后的纱线路径长度L3为

其中，lC′D′＝lC″D″。由于导纱罗拉A 每时每刻送出纱线，单位时间内的送纱量2（H3＋d）＋ln刚好等于地毯成圈所需纱量。因此，纱线路径变化引起的纱线变化量只存在于在底布上，则式（4）中的2（H3＋d）＋ln不予考虑。

比较L3与L1可知，当簇绒针由毯面位置E′下降至最低点F位置成圈后，纱线的路径变化量Δs2为

实测地毯簇绒机数据，可得α≈31°，β≈13.1°。因此，通过对簇绒针入底布前后的路径分析，可绘出图3所示的簇绒针运动周期内纱线的伸缩量图。

图3 运动周期内底布上纱线路径的变化量

主轴旋转一周，簇绒针即可完成一次成圈过程。分析图3可以得知：当主轴转角θ＝143°时，簇绒针处于最高位置，纱线路径长度变化量为0；当簇绒针由最高位置下降至毯面时，主轴转角θ＝205°，纱线路径变长，纱线变化量为2.32mm；当簇绒针由毯面位置下降至最低点位置成圈后，主轴转角θ＝327°，毯面上纱线路径变化量数值为0.84mm。因此，簇绒针从最高位置开始，纱线路径始终大于初始值。当纱线路径达到最长时，纱线张力达到最大；当纱线路径相对减小时，纱线松弛，张力变小。在不同的运行状态，纱线张力也时刻发生变化。

3 簇绒地毯纱线力学特性

由于纱线是一种黏弹性体，纤维兼具弹性固体和黏性流体的变形特征。因此，在一定的负荷作用下，变形随时间而逐渐增大，具有时间效应或时间依赖性［3］。如果在纱线受力的阶段突然停机，纱线的蠕变特性即会导致停机痕迹的形成。

3.1 线性黏弹性力学模型建立

图4 纱线四元件模型示意图

在一般情况下，纱线除了急弹性变形和缓弹性变形外，还会因分子链段间相互滑移产生不可回复的塑性变形。因此，采用四元件模型描述纤维在小变形条件下的黏弹性力学性能。四元件模型的示意图如图4所示。图中，σ1为虎克弹簧E2的应力，σ2为伏欧脱模型η2的应力，σ为牛顿黏壶η3的应力。四元件模型的变形ε由虎克弹簧E1的变形ε1、伏欧脱模型E2和η2的变形ε2以及一个牛顿黏壶η3的变形ε3组成［4-5］。

根据应力与应变之间的关系，可得到该模型的本构关系式为

将式（6）进行变换，可得

当在恒定应力作用下，即σ＝σc＝常数时，式（7）变为

解上述微分方程式，根据初始条件，即t＝0、

从式（9）可以得知，在恒定应力作用下，纱线变形由三个部分组成，其中缓弹性和塑性变形随着时间增加而增大，塑性变形σct／η3是不可回复的。

3.2 蠕变实验及分析

为了分析簇绒地毯常用纱线丙纶的蠕变特性，采用AGS－500ND岛津万能试验机对丙纶进行试验。当施加恒定力为50cN时，可得如图5所示的丙纶随时间变化的蠕变曲线。

图5 模型的蠕变曲线

分析图5可知，丙纶纱线在变形时存在着明显的急弹性变形、缓弹性变形、塑性变形三个阶段。随着时间的增加，纱线的蠕变逐渐加大，丙纶对张力的变化明显。因此，采用丙纶进行地毯织造时，可以产生停机痕迹，并在一段时间内逐渐影响绒圈圈高。

4 织毯过程中纱线的受力分析

根据簇绒针运行位置，下面对簇绒针刺入底布前后的过程，分阶段地对纱线所受张力进行分析。具体可分以下几个典型阶段：

（1）成圈前半程，簇绒针在底布上面，纱线受到拉力T1，运动范围在线段h1之间，即簇绒针孔在底布上的最高位置至簇绒针刚进入底布的接触点的位置，如图6a所示。

（2）成圈前半程，簇绒针从与底布的接触点起始继续向下运动，在底布下运行未达下止点时钩未起作用，纱线受到拉力T2，如图6b所示。运动范围在线段h2之间，即簇绒针刚进入的位置至送纱量小于等于圈高的位置。

（3）成圈前半程，簇绒针在底布下面，从送纱量等于圈高的位置至下止点的过程中，钩未起作用，运动范围在线段h3之间，纱线受到拉力T3，如图6c所示。这时，忽略继续送纱的长度，认为h3为线段h2受拉获得。

（4）成圈后半程，簇绒针在底布下面，钩起作用，针刚好停在圈高与回弹量纱线和的位置，纱线受到拉力T4，如图6d所示。这时，T4为包括纱线上一阶段的拉力T3以及钩的作用力的合力。

（5）成圈后半程，钩刚好脱离纱线，簇绒针在毯面上的最高点位置。这时，纱线路径最小，且由于送纱量依旧保持不变，因此纱线松弛，这时不受任何张力作用。

图6 纱线路径与张力变化分析图

从上述的分析可知，在图6所示的几个阶段纱线都受到张力的作用，只有在簇绒针在毯面上最高点位置的时候，纱线不受任何张力。这时，簇绒机进行停机操作和再次启动，将不会产生停机痕迹。

5 高位停机控制方法研究

根据图5以及上述分析结论，可知当主轴转角θ＝143°时，进行高位停机操作，簇绒地毯无停机痕迹。因此，对图7所示的DHGN801D－200型簇绒机停机系统进行改进——实现高位自动停机。

图7 DHGN801D－200型簇绒机

当主轴转到143°时，将信号施加到主轴电机上，即由计算机发出停机指令，产生控制信号，加载到主轴位置闭环系统上。由安装在主轴高位停机转角初始点的高精编码器测量主轴输出转角，由主轴闭环系统实现位置闭环控制，当达到143°时，主轴实现自动高位停机。

采用上述高位停机原理，进行簇绒地毯织毯实验，可得到如图8所示的地毯样品图片。其中，地毯高圈绒高为5mm，低圈绒高为3mm。在非高位停机时进行实测，可得停机半小时的纱线蠕变量为0.25mm。

图8 高位停机实验地毯图片

分析图8可以看出，和非高位停机相比，采用高位停机方法织造的地毯图样没有停机痕迹。实验的结果证明了高位停机消除停机痕迹的方法是有效和可行的。

6 结论

（1）在簇绒针运动过程中，纱线路径以及张力随簇绒针位置交替变化。在不同的停机位置，由于纱线张力变化所引起的纱线蠕变量不同，因而导致停机痕迹。

（2）停机位置不当可以产生停机痕迹。在不同的位置停机，纱线张力不同。纱线具有蠕变特性，在一段时间内逐渐影响绒圈圈高。

（3）在簇绒针运动至最高位时，停机进行运作，不会产生停机痕迹。这也满足了实际的生产需要，便于进行更换纱线、补毯等操作。

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