热熔浆料浆纱机设计

卫晋波， 杨敏鸽， 刘江南， 王俊勃， 马 榛， 孙国梁

(1.西安工程大学 材料工程学院， 陕西 西安 710048；2.西安工程大学 环境与化学工程学院， 陕西 西安 710048)

在纺织品的生产过程中，上浆是极其关键的工艺，其形成的浆膜对经纱起到保护作用，能提高纱线的力学性能。我国是纺织服装生产大国，纺织浆料的年消耗量高达百万吨[1]，目前所用浆料主要有淀粉浆料、PVA浆料和丙烯酸浆料等。这些浆料都是水溶性浆料，上浆后需要烘干，而烘干所用能耗占到整个上浆过程的67%以上[2]，同时也制约着上浆速度的提升。

热熔浆料无需烘干，工艺流程短，但存在熔融温度和合成成本高等问题。经过本课题组长期探索研究，对用于棉纤维[3]、涤棉[4-7]和毛纤维[8]的热熔浆料均有重大突破，已经基本解决了制约工业化应用的问题。为实现热熔浆料上浆的工业化，需要解决配套的上浆设备，本课题组曾为研发的热熔浆纱机申请了发明专利[9]，但对于热熔浆料的性能考虑不全面，需要对热熔浆纱机进行重新设计。

因此，课题组从热熔浆料本身性能入手，确定适合的上浆方式，设计热熔浆纱机各部分机械结构，引入自动化技术设计热熔浆纱机的控制方案，实现热熔浆料自动化上浆。

1 浆料性能与上浆工艺

浆料的性能决定其上浆工艺，主要体现在质量分数和黏度2方面。热熔浆料常温下为100%的固体浆料，不存在质量分数变化，因此需要从浆料的黏度探究合适的上浆工艺。

1.1 浆料黏度对浆纱性能的影响

浆液黏度对浆纱性能的影响主要在于被覆率和浸透率[10]。团队前期研究中对热熔浆料黏度及浆纱性能进行了实验测试，结果显示热熔浆料黏度在160～220 MPa·s之间，与常用的淀粉浆料相比黏度较大，被覆率较高。图1为热熔浆料黏度与浆纱性能的折线图，所用纱线为13 Tex涤棉纱，主要考虑上浆率、毛羽数和耐磨性3个较为重要的参数。从图中来看，起初上浆率随着黏度的增大而提高，耐磨次数先下降后升高；黏度超过170 MPa·s后，上浆率和耐磨次数呈下降趋势，这是由于黏度增大、流动性降低造成的内部浸透减少，同时纱线表面覆盖的浆膜厚度也会变薄，造成耐磨性下降。毛羽数未呈现明显规律，但黏度170 MPa·s左右时处于较低水平。可见热熔浆料黏度在170 MPa·s左右时浆纱性能最佳。对于其它不同规格和种类的纱线，虽未进行实验，但浆液黏度对浆纱性能影响的机理不变，因此变化趋势应基本相同。

图1 热熔浆料黏度与浆纱性能的折线图Figure 1 Line diagram of hot melt slurry viscosity and slurry performance

热熔浆料的黏度会随着温度的降低而变大，因此需要严格控制浆料的温度波动范围，根据黏度与温度的变化规律，温度控制精度应该保持在±4 ℃以内，避免因黏度波动过大造成浆纱性能下降。

1.2 浆纱方式的选择

热熔上浆曾采用过沟槽辊上浆[11]的方式，但沟槽内部加工困难，沟槽光滑度不足会造成纱线表面浆膜粗糙，因此课题组选用浸压上浆，通过压浆使纱线表面浆膜平整。

目前主要有单浸单压、单浸双压、双浸双压和双浸四压等浸压方式[12]。热熔浆料黏度较大，纱线表面容易吸附浆料[13]，因此应该减少纱线的浸浆时间，加快上浆速度，然后进行多次压浆，压浆力先小后大，提高纱线的内部浸透率，同时压出多余浆料，有效控制上浆质量。

经过对比上述浸压方式的适用范围，并结合热熔上浆工艺要求，设计中选择单浸双压逐步加压的浆纱方式。

图2为浆纱方式原理图。浸浆辊位于浆料液面下方，压浆辊位于浆料液面上方，纱线进入浆槽后首先从浸浆辊下方经过进行1次浸浆，随后经过上浆辊和压浆辊的2次压浆即可完成浆纱。浸浆可以使浆料初步覆盖在纱线表面，只有小部分浆料进入纱线内部，压浆则是通过压力提高纱线的浸透率并使毛羽平伏。

图2 浆纱方式原理Figure 2 Schematic of sizing method

1.3 浸浆时间与浆纱速度的关系

浆纱过程中浆槽中的浆液高度会逐渐降低，从而影响纱线在浆液中的浸浆长度，在浆纱速度一定时，浸浆时间也会随着浸浆长度的缩短而变短。单浸双压较之其它浸压方式，浸浆时间已经缩短，再缩短的话会影响纱线的上浆率进而影响纱线最终的织造性能，因此需要在浸浆长度变化时，通过改变浆纱速度来保证所需的浸浆时间。

图3为纱线浸浆示意图。浸浆长度被分为3段，分别用虚线、粗实线和点画线表示，浸浆辊直径为80 mm，浸浆辊到浆槽底部距离为25 mm，左侧纱线与液面右侧夹角为110.09°(固定值)，右侧纱线与液面左侧夹角为107.22°(固定值)，γ=142.69°。

图3 纱线浸浆示意图Figure 3 Schematic diagram of yarn impregnation

随着浆液高度的变化，纱线与液面2个接触点到浸浆辊轴心连线和竖直方向形成的2个夹角也时刻在变化，根据已知条件，可得出如下关系：

(1)

(2)

式中：h为浆液高度，α和β分别为纱线与液面2个接触点到浸浆辊轴心连线和竖直方向形成的2个夹角。

浸浆长度在浆槽中按走纱路线大致可以分为3段，根据图3所示可得到下列式子：

(3)

(4)

(5)

式中：l1为纱线与液面左侧接触点到纱线与浸浆辊相切的左侧切点的长度，l2为纱线与浸浆辊贴合的圆弧长度(近似为圆弧)，l3为纱线与液面右侧接触点到纱线与浸浆辊相切的右侧切点的长度，d为浸浆辊直径。

综合式(3)～(5)，可得浆纱速度

(6)

式中：v为浆纱速度，L为浸浆总长度，t为浸浆时间。

可以进行正常上浆的液面高度最低为205 mm，代入得最小浸浆总长度Lmin=422.28 mm，液面高度最高为245 mm(即液面处于上浆辊的中心水平线上)，代入得最大浸浆总长度Lmax=506.55 mm。液面高度最高时，上浆辊能将更多的浆液带入挤压区进行压浆，提高纱线的浸透程度。目前传统浆纱机浆纱速度为60 m/min时，浸浆时间为0.55～0.91 s，考虑到热熔浆料比较容易附着在纱线上，课题组将浸浆时间设定为0.25 s，得到热熔浆纱机的最佳浆纱速度约为121.57 m/min，满足热熔上浆要求的同时大大加快了上浆速度。

2 热熔浆纱机的整体控制方案

2.1 传动控制方案

图4是传动控制流程示意图。根据热熔上浆所采用的浆纱方式及实际需求，热熔浆纱机分为送纱、浆纱、卷纱和供浆4个部分。人机界面显示设备运行状况，PLC通过程序控制变频器调节3个电机的转速，实现对送纱、浆纱和卷纱3部分的传动控制；供浆部分的阀门开关单独控制。该方案采用多输入多输出方式控制，实现各工位协调工作，简化机械结构，提高设备自动化程度。

图4 传动控制流程图Figure 4 Schematic diagram of transmission control process

2.2 温度控制方案

此外，由于浆槽温度需要精确控制在±4 ℃以内，采用温度闭环控制系统进行反馈调节。图5为温度闭环控制原理图。

图5 温度闭环控制原理Figure 5 Temperature closed-loop control schematic

从人机界面发出指令使PLC打开加热器开关对浆料进行加热，温度传感器监测浆液的温度并通过人机界面显示，随着温度向目标值接近，利用PID来调节加热器占空比，降低加热器的加热速度，使温度缓慢上升，逐渐达到目标温度，并保持不变。

3 热熔浆纱机的设计

3.1 送纱与卷纱部分

送纱部分主要是将整经机的纱线运送到浆纱部分，由于整经机是从筒子架上引出的纱线，为了减少纱线之间的缠绕，整经机加大了纱线的张力，使其完全绷紧。如果直接进入浆纱会加大纱线断头的风险，所以在进行浆纱之前，需要对纱线进行退绕以适当减小张力，之后张力保持恒定。而卷纱部分则是使上浆完成后的纱线继续保持一定的张力，避免纱线之间互相粘连，为后续的织造做好准备。

如图6所示，通过在送纱和卷纱过程中加装恒张力控制器实现纱线张力的控制，其工作原理为张力传感器检测纱线的张力大小，当送纱部分张力过小时，磁粉制动器开始制动，送纱辊减慢送纱速度，纱线张力逐渐增大，张力上升到标准值后，磁粉制动器停止制动，送纱辊加快送纱速度，纱线张力又会逐渐减小，磁粉制动器重新开始制动，如此循环往复，卷纱部分同理。选用采样间隔为100 ms、误差小于±1 N的张力传感器，从而实现张力控制的快速响应，使纱线的张力保持在一个较为稳定的水平，同时也使纱线之间保持一定的间距，降低缠绕断头的风险。

图6 送纱卷纱部分示意图Figure 6 Schematic diagram of yarn feeding roll part

3.2 浆纱部分设计

图7为浆纱部分结构简图。浆槽壁分为3层，内外2层为钢结构，中间层为保温材料，保温层的设计在减少浆槽散热的同时保证整体结构的稳定性。浆槽壁开口处通过密封板进行密封，防止浆槽中的浆料进入到中间保温层。浆槽内部安装有加热器、温度传感器和液位传感器，分别用来加热浆料以及监测浆液的温度和液面高度。

1—浆槽外壁；2—保温层；3—浆槽内壁；4—浸浆辊；5—温度传感器；6—挡板；7—上浆辊；8—压浆辊；9—加压臂；10—进纱辊；11—分绞针；12—送浆管道；13—出纱辊；14—液位传感器；15—气缸；16—加热器。

浆槽2侧进纱口和出纱口分别设有进纱辊和出纱辊，实现纱线的入槽和出槽。浆槽2侧外壁上安装有可转动的分绞针，分绞针直径为1 mm，之间间距仅有1～3 mm，在纱线进入浆槽后下拉分绞针，使之穿入纱线间隙中。这样既保持了纱线的间距，又减小了浆槽内部与外界热交换的面积，减少热量的散失。

纱线进入浆槽后首先经过浸浆辊，使纱线浸没在浆料中，浸浆辊为组合花篮式，对浆料起搅拌作用，上方安装有挡板，防止浸浆辊快速转动时浆料飞溅；浸浆辊2端轴承处安装专用轴承罩，该轴承罩位于浆槽内，与轴承和浆槽内壁紧贴，防止浆料浸入轴承。随后纱线经过2次压浆，通过出纱辊离开浆槽。压浆机构由上浆辊、压浆辊、加压臂及气缸组成，通过控制气缸的拉力准确调节压浆力。

3.3 供浆部分

如图8所示，供浆部分对浆料进行预加热并通过供浆管道与浆纱部分浆槽连接，连接处设置电动阀门。可通过放置在浆槽中的液位传感器监测液面高度，当液面下降到230 mm时，阀门打开，供浆槽开始供浆；当液面达到245 mm后，阀门关闭，供浆槽停止供浆。供浆槽内同样也安装液位传感器，当供浆槽内液面高度小于40 mm时，接近传感器向PLC输送信号激发报警装置，提醒操作工向供浆槽中添加固体的热熔浆料，同时气压伸缩杆伸长，推开滑轨上的供浆槽盖。

1—供浆槽底座；2—供浆管道；3—阀门；4—供浆槽；5—供浆槽盖；6—把手；7—气压伸缩杆；8—气缸支架；9—滑轨。

4 结语

为解决现有上浆工艺中存在的高能耗、高污染以及低效率的问题，在热熔浆料发展成熟的基础上，课题组对热熔浆纱机各部分机械结构和控制方案进行设计，实现热熔浆料自动化上浆。与传统水溶性上浆设备比较，热熔浆纱机的性能有较大提升，主要体现在以下方面：

1) 热熔浆料的最佳浆纱黏度为170 MPa·s，选择单浸双压的上浆方式，浸浆时间缩短为0.25 s，同时去除烘干工序，上浆速度在120 m/min以上。

2)花篮式的浸浆辊浸入浆料中可以实现对浆料的搅拌，使浆料受热均匀；送纱和卷纱过程中采用恒张力控制器，浆槽进出口处安装分绞针，大大降低纱线缠绕、断头的风险，提高整机工作效率。

3) 浆槽中间保温层的设计在减少浆槽散热的同时保证结构的稳定性；去除传统水溶性浆纱机中能耗占比67%以上的烘干装置，达到减少能耗的目的。