竹节纱的数控纺纱原理及其捻度分布规律研究

赵洋洋，薛 元，徐志武，曾德军

(1.生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏 无锡 214122； 2.巢湖雅戈尔色纺科技有限公司，安徽 合肥 253000)

竹节纱具有丰富的表现力和独特的外观效应，竹节纱织物已成为一种时尚符号流行于市[1-2]。由于竹节纱在纱线长度方向上的粗细变化对竹节纱的捻回分布具有影响，因此影响竹节纱的强力分布。目前对竹节纱捻度分布的研究已有报道[3-5],但大多是对竹节部分、过渡部分、基纱部分的平均捻度进行研究，对捻回分布状态未见研究。本文基于自主研发的三通道数码环锭细纱机创新平台进行实验，介绍该细纱机纺制竹节纱的纱线结构，借助杆件扭转模型分析影响竹节纱捻回分布的因素及其规律，纺制并测量不同设定捻度，不同竹节倍率、不同竹节长度与基纱长度比值下的竹节两端每1 cm处的捻回分布规律，揭示竹节纱捻回分布的规律，为竹节纱的生产开发提供参考。

1 三通道数码纺纺制竹节纱的原理

1.1 纺制原理

数码纺纱是一种能对所纺制纱线的纤维比例及纱线细度进行在线变化控制的纺纱方法，它以多根粗纱异速喂入(多个通道)为本质特征[6]。三通道数码环锭细纱机具有3个后罗拉，且由伺服电动机独立控制，通过对3根粗纱对应的后罗拉速度进行调节，异步牵伸，实现对纱线细度、混纺比等参数的调控。利用该设备生产的竹节纱，不仅能控制竹节纱粗细和竹节长度的变化，而且可进一步控制原料组分(或色纤维混色比)，分段或渐变呈现出具有周期性变化的规律，生产原有竹节纺纱技术无法生产的竹节纱，实现了竹节纱的数码生产[7-8]。三通道数码细纱机牵伸示意图如图1所示。

1、2、3—后罗拉；4—集合器；5—中罗拉；6—皮圈；7—前罗拉。图1 三通道数码细纱机牵伸示意图

3根粗纱分别喂入由伺服电动机独立控制的后罗拉“1”“2”“3”，3根粗纱经过集合器“4”进入中罗拉“5”，经过嵌套在中罗拉处的皮圈“6”，最后经过前罗拉“7”完成牵伸过程。三通道数码纺纱通过调控三通道喂入粗纱的速度使三通道喂入粗纱质量产生波动，由此生产粗细变化的竹节纱[9]。由于3个后罗拉相互独立，该细纱机可以通过单通道、双通道以及三通道变速喂入3种方式纺制竹节纱产品[10]。设成纱线密度为ρy(t)，细节线密度为ρy，纺制时间为tj,粗节(竹节)长度为l1,细节(基纱)长度为l2,后、中、前罗拉表面线速度为Vh、Vz、Vq，纺制粗节时后、中、前罗拉表面线速度相对于纺制细节时的变化量为ΔVh、ΔVz、ΔVq，i通道后罗拉表面线速度为Vhi。三通道数码细纱机纺纱方式如下：

①粗纱1、3作为饰纱异步间歇喂入，粗纱2作为主纱连续喂入，成纱线密度为：

(1)

当生产细节部分t1时间内，Δρy=0，主纱2喂入，后罗拉“2”运动，后罗拉“1”“3”静止;当生产粗节部分t2时间内，Δρy≠0，后罗拉“3”静止，根据混纺比的要求，使后罗拉“1”“2”运动，粗纱1、2牵伸加捻形成粗节1;当生产粗节部分t3时间内，Δρy≠0，后罗拉“1”静止，后罗拉“2”“3”运动，粗纱1、3牵伸、加捻形成粗节2。

②粗纱1、3作为饰纱同步间歇式喂入，粗纱2作为主纱连续喂入，成纱线密度为：

(2)

当生产细节部分t1时间内，Δρy=0，后罗拉“1”“3”静止，后罗拉“2”运动，粗纱2牵伸，加捻形成细节，当生产粗节部分t2时间内，Δρy≠0，根据混纺比的要求，后罗拉“1”“2”“3”运动，粗纱1、2、3经牵伸、加捻形成粗节。

③粗纱1、3作为主纱连续喂入，粗纱2作为饰纱间歇喂入，成纱线密度为：

(3)

当生产细节部分t1时间内，Δρy=0，按照细节混纺比的要求，后罗拉“2”静止，后罗拉“1”“3”运动，粗纱1、3经牵伸、加捻形成细节;当生产粗节部分t2时间内，Δρy≠0，根据混纺比的要求，使3个后罗拉运动，粗纱1、2、3加捻卷绕形成粗节。

④粗纱1、2、3同步喂入，成纱线密度为：

(4)

当生产细节部分t1时间内，Δρy=0，根据混纺比的要求，使3个后罗拉运动，粗纱1、2、3经牵伸、加捻形成细节;当生产粗节部分t2时间内，Δρy≠0，根据混纺比的要求改变3个后罗拉的速度，粗纱1、2、3经牵伸、加捻形成粗节。

本文采用方式③生产竹节纱(基纱部分黄、蓝纱线组分比为5∶5，竹节部分黄、红、蓝纱线组分比为3∶4∶3)。在罗拉“1”处喂入蓝色粗纱1，后罗拉“2”处喂入红色粗纱2，后罗拉“3”处喂入黄色粗纱3，设定纺制基纱的时间为t1，纺制竹节的时间为t2；在t1时间内，后罗拉“1”“3”以一定的速度运动，后罗拉“2”保持静止，实现黄、蓝纱线组分比5∶5基纱部分的纺制；在t2时间内，后罗拉“2”由静止状态变为运动状态，使后罗拉“1”“2”“3”的速度相互配合，实现黄、红、蓝纱线组分比3∶4∶3竹节部分的纺制。

1.2 三通道数码竹节纱的结构

基纱部分：蓝色粗纱1，黄色粗纱3，经牵伸、加捻形成类似于双股线的螺旋状结构，如图2所示。竹节部分：蓝色粗纱1，红色粗纱2，黄色粗纱3，经牵伸、加捻形成类似于三股线的螺旋状结构，如图3所示。

2 竹节纱的捻度分布及影响因素

2.1 捻度分布机制

三通道数码纺纱机是在环锭纺的基础上发展而来的，纱线的捻度大小由锭子转速和前罗拉的线速度确定，理想状态下整根纱线的捻度恒定。竹节纱在加捻过程中由于纱线直径的变化使得竹节部分与基纱部分的极惯性矩不同，造成抗扭刚度产生差异。纱线处于稳定状态下时，整根纱线上各个横截面的扭转力矩相等，故而在纱线稳定过程中，竹节部分的捻度会向基纱部分发生转移，使得竹节部分捻度小于基纱部分捻度，从而造成竹节纱捻度分布不匀，竹节纱捻度分布状态示意图如图4所示。

2.2 捻度分布的影响因素

在研究参数设定对竹节纱捻度分布影响的问题时，为使问题简化，常将其视为均匀的介质，不考虑渐细和渐粗的过渡区域，且忽略竹节和基纱2个部分内部捻度分布不匀的问题，将其化简为杆件的扭转问题，竹节纱的形状可用4个参数描述:竹节直径d1、基纱直径d2、竹节长度l1以及基纱长度l2[11]，其理论模型如图5所示。

图5 竹节纱理论模型

根据捻回守恒定律，一个循环周期内，纱线的捻回数等于纱线的周期长度与设定捻度的乘积[12]。则竹节部分与基纱部分的捻度T1和T2与竹节长度、基纱长度、设定捻度的关系为:

T1l1+T2l2=T(l1+l2)

(5)

由竹节部分和基纱部分捻度T与扭转力矩M、极惯性矩J，抗扭刚度G关系为：

(6)

(7)

可以解得竹节捻度、基纱捻度、设定捻度与竹节长度、基纱长度、竹节部分直径、基纱部分直径的关系为：

(8)

(9)

设定X为竹节倍率，X=(d1/d2)2，则有

(10)

(11)

从式(10)、(11)可以看出，影响竹节纱捻度分布的因素有4个，分别是竹节长度、基纱长度、竹节倍率和设定捻度。

①当其他条件不变时，将式(10)、(11)分别对l1求导，得到：

(12)

(13)

②当其他条件不变时，将式(10)、(11)分别对l2求导，得到：

(14)

(15)

③当其他条件不变时，将式(10)、(11)分别对T求导，得到：

(16)

(17)

④当其他条件不变时，将式(10)、(11)分别对X求导，得到：

(18)

(19)

在上述分析过程中，竹节长度与基纱长度对竹节捻度与基纱捻度的影响规律一致，当竹节纱循环段长度一定时，竹节长度增加，基纱长度必定减少，则设定Y=l1/l2，Y为竹节长度与基纱长度的比值，则捻度表达式为：

(20)

(21)

当其他条件不变时，将式(20)、(21)分别对Y求导，得到：

(22)

(23)

3 实验部分

3.1 实验原料及设备

原料为定量4.5 g/(10 m)的红色纯棉粗纱，定量4.7 g/(10 m)的蓝色纯棉粗纱，定量4.6 g/(10 m)的黄色纯棉粗纱。纺纱设备为江南大学与经纬股份榆次分公司联合研制的JWF1551型三通道环锭数码细纱机。

3.2 纺纱工艺设定

由式(16)、(17)可知，竹节长度与基纱长度的比值、竹节倍率及捻度的设定影响竹节纱捻度的分布，为探究不同参数对基纱部分捻度分布的影响，在三通道数码纺纱机上通过三通道变速喂入纺制竹节纱。采用同样的红、黄、蓝3根粗纱在10个不同锭子上进行纺制，在锭速、基纱线密度等其他条件相同的情况下，分别改变竹节倍率、设定捻度以及竹节长度与基纱长度的比值纺制10种三通道数码竹节纱线。设定竹节纱基纱线密度为27.7 tex，锭子转速为6 000 r/min，捻向为Z捻，改变设定捻度(60、65、70、75捻/(10 cm))、竹节倍率(1.5、2.0、2.5、3.0)、竹节长度与基纱长度的比值(14/34、20/28、24/24、28/20)纺制竹节纱并进行捻度分布测试分析。纺纱参数如表1所示。

表1 三通道数码竹节纱纺纱参数

3.3 测试与分析

基于黄、红、蓝3种粗纱以及三通道数码纺竹节纱的螺旋状结构，为单位长度内捻回数的直接测量提供了便捷，本文以黄色纤维绕纱线轴向旋转360°为一个捻回，对各参数条件下竹节部分两端一定距离内每1 cm内的捻回数进行测量，测试示意图如图6 所示。

测试方法为：找到竹节纱的竹节部分，将其放置于一个平面的正中间，使纱线伸直，将其两端固定以竹节段每厘米内的捻回数为零点位置，分别向左右各延伸30、25、20 cm，读取竹节长度内的捻回数，并求其每厘米内的捻回数以及左右两端一定长度内每厘米内的捻回数(捻回数的个数计量以0.5为数量级)，每管纱线测量30次，并取其平均数。

3.3.1 竹节倍率对捻度分布的影响

对1.5、2.0、2.5、3.0竹节倍率时竹节部分两端30 cm内每1 cm内的捻回数进行测量，不同倍率下的捻回分布与设定捻度F的关系如图7所示。

注： 横坐标0点位置为粗节处。下同。图7 不同竹节倍率时的捻度分布图

从图7可以看出：

①随着竹节倍率的增加，竹节部分的捻度减少，但减少幅度很小。竹节倍率的增加使得竹节部分的线密度变大，直径相应变大，抗扭刚度变大，竹节部分与基纱部分的抗扭刚度差异变大，更多的捻度向基纱部分传递，竹节部分的捻度降低。

② 4种不同竹节倍率下，竹节部分两端均会出现高捻度的部分，随着竹节倍率的增大，高捻度的数值增加并且高捻度的位置逐渐向竹节部分靠近；主要原因是竹节倍率增加，竹节部分与基纱部分的抗扭刚度差异增大，更多的捻回向基纱部分转移，并在某一部分集聚，形成高捻度，抗扭刚度差异越大，捻回集聚越多。

③ 4种纱线两端的捻度逐渐增大且在出现高捻后，捻度逐渐减少并趋近于设定捻度，竹节倍率越大，捻度会更快趋近于设定捻度。由于在纺制竹节部分时，竹节部分与基纱部分之间的直径存在过渡段，抗扭刚度存在差异，捻度由竹节向两端增大并集聚，随后竹节段捻回传递的影响减弱，基纱段捻度减小趋于设定捻度。竹节倍率越大，捻度在某一位置的集聚越多，一定长度内，纱线的捻回数恒定，出现高捻度后，捻回传递减弱，更快的趋近于设定捻度。

3.3.2 设定捻度对捻度分布的影响

测量设定捻度为60、65、70、75 捻/(10 cm)时竹节部分两端各25 cm内每厘米处的捻回数，则不同设定捻度下竹节纱捻回分布的规律如图8所示。

图8 不同设定捻度时的捻度分布图

从图8可以看出，随着设定捻度的增加，竹节段、基纱段的捻度均增加，基纱段出现高捻度的位置远离竹节段。设定捻度增加，竹节部分与基纱部分的捻度会相应增加，但由于竹节部分的捻度向基纱部分转移，使基纱部分出现高捻度。另外，随着设定捻度的增加，锭速不发生变化，则前罗拉的线速度会减小，伺服电动机稳定运行的时间增长，竹节段的捻度更趋近于设定捻度，另一方面前罗拉线速度的减小，延长了竹节部分向基纱部分捻回传递的时间，基纱部分出现高捻度部分的位置远离竹节部分。

3.3.3 竹节长度与基纱长度比值对捻度分布的影响

保持一个循环周期(48 cm)不变，测量竹节长度与基纱长度比值为14/34、20/28、24/24、28/20时竹节部分两端20 cm内每厘米处的捻回数，则不同竹节长度与基纱长度比值下捻度分布与设定捻度F的关系如图9所示。

图9 不同竹节长度与基纱长度比值下的捻度分布图

从图9可以看出：

①随着竹节长度与基纱长度比值的增大，竹节部分的捻度增大，但低于设定捻度且随着竹节长度与基纱长度比值的增大，竹节部分捻度增加的幅度减小。主要原因是随着竹节长度的增加，在纺制竹节部分时电动机稳定运行的时间增长，竹节部分的捻度更趋近于设定捻度，当竹节长度增大，电动机的稳定运行时间对捻度分布的影响减小，捻度增加的幅度较小，但由于竹节部分的直径较大，抗扭刚度大于基纱部分，竹节部分的捻度会向基纱部分转移，致使竹节部分的捻度小于设定捻度。

②随着竹节长度与基纱长度比值的增大，竹节部分两端的捻度快速达到高捻度状态，并在高捻度附近上下波动。主要原因是竹节长度增加，基纱长度减少，竹节部分向基纱部分转移更多的捻回分布于更少的基纱长度内，致使基纱部分分布更多的捻回数，从而使基纱部分捻度整体高于设定捻度。

4 结 论

①影响捻度分布的因素有4个,分别为：竹节长度、基纱长度、竹节倍率、设定捻度。竹节倍率与竹节部分捻度呈负相关，与基纱部分捻度呈正相关，基纱长度与捻度呈现负相关，竹节长度、设定捻度与捻度呈现正相关，且对基纱部分的捻度影响较大。

②竹节纱的捻回分布规律为：竹节部分的捻回数小于设定捻度，基纱部分某一位置会出现较高捻度，随后趋于设定捻度。

③竹节倍率增加，竹节部分的捻度减少，基纱部分的高捻度位置靠近竹节部分，且捻回数集聚效应增大；设定捻度增加，竹节部分与基纱部分的捻回增加，基纱部分的捻回增加更为明显，捻度集聚效应增大，基纱部分出现高捻度的位置偏离竹节部分；竹节长度与基纱长度总和不变，比值增大，竹节部分与基纱部分的捻度增加，竹节部分的增幅减少，基纱部分出现高捻度的位置向竹节部分靠近。