（纺织工程专业论文）竹节纱竹节参数对纱线强力及布面竹节分布的影响.pdf

中文摘要 中文摘要 目前竹节纱实际生产中存在着两个主要问题：竹节纱织造断头率高和竹节纱织物表 面竹节分布不匀，它们均与竹节参数的设计密切相关，为了解决这两个问题，本文分别 利用数学力学模型方法以及图形图像学的方法加以研究。 首先重点介绍了当前与竹节纱相关的理论研究以及生产实践的现状。对竹节纱进行 了分类，着重比较了几种竹节纱加工装置的区别，对于本论文实验中所采用的z j 5 型 竹节纱装置进行了详细介绍。 论文从竹节纱捻度分布的角度入手，构建了竹节纱捻度分布的数学力学模型，将纱 线的扭转加捻过程模拟为普通杆件的扭转过程，得出竹节纱中捻度大小的分布规律。根 据纱线的捻回守恒定理，推导出竹节纱中各个纱段捻度分布的计算公式，并结合实际生 产中的各种情况分析了公式的适用范围，采用间接法对公式的正确性进行了验证。 竹节纱强力影响因素的分析建立在捻度分布模型的基础上，通过实验发现，基纱较 粗的竹节纱与基纱较细的竹节纱断裂位置的分布有差异，较粗的竹节纱竹节部分易成为 强力弱环；较细的竹节纱，基纱部分易成为强力弱环；此外，当竹节长度短于纤维主体 长度时，竹节部分的强力会有所增加。在设计开发竹节纱的过程中，要提高竹节纱的强 力，要注意两个方面：一要避免较粗竹节纱的竹节部分捻度太低，二要控制较细竹节纱 基纱部分的捻度不超过临界捻度。 接下来论文提出了竹节纱织物表面竹节分布的均匀性的评价方法。借用图形图像学 中的面积彳。以及质心尸( 渤，) 作为评价指标，对竹节纱表面竹节分布的均匀性进行评 价。先通过扫描仪随机采集多个竹节纱织物子样图像，利用时域与频域相结合的方法， 将子样图像中的竹节部分与底纹部分分离开来，得到了反映竹节分布状况的二值化图 像，竹节分布均匀性主要与各子样二值化图像中竹节所占面积彳。的c v 值( 变异系数) 以及竹节分布的质心p 与布面几何中心位置d 的最大偏移距离d 有关，子样图像问竹 节数量差异越小，各子样图像间彳。的c v 值就越小；子样图像内竹节分布越均匀，d 也 就越小。对于一般竹节纱织物而言，子样图像问彳。的c v 值小于1 0 ，d 值小于图像整 体大小的1 0 的情况下，可以认为该竹节纱织物竹节分布均匀。 为了实现虚拟评价，缩短竹节纱织物产品的开发过程，文章利用模拟方法获得竹节 纱织物的竹节分布效果图，结合均匀性评价方法分析了竹节纱织物生产过程中各个参数 对于竹节分布均匀性的影响。分析结果显示，竹节纱比例较高时，竹节纱参数的变化对 于竹节分布的影响较小，竹节的分布均较为均匀；当竹节纱比例较低时，竹节设计参数 的影响较为显著，模糊循环竹节纱中各个纱段组合之间的竹节问隔的差异越小，则织物 中竹节分布越趋向于均匀。 关键词：竹节纱；竹节参数；强力；捻度；竹节分布；图像技术 a b s t m c t a b s t r a c t t 、v op r o b l e m sd b o u tt l l em a n u f a c t u r eo f t h es l u b - y 踟a r ed i s c u s s e di nm ep a p e r t h eh i g h r a t i oo fb r o k e ne n d sa n dt i l eu n e v e ns l u b d i s t r i b u t i o ni nt h es l u b v a mf i a b r i ca i et h et 、 ，o d i m c u l tp r o b l 锄sd u r i n gt h es l u b y a mf a b r i cm a i l u f a c t u r e ，a n db o t ho ft l l e ma r ec l o s e l y a s s o c i a t e dw i t ht h es l u bp a r a m e t e r s t h em a t h e m a t i cm o d e la 1 1 dt h ei m a g e 锄a l y s i sm e t h o d w e r ec a r r i e ds e p a r a t e l yt os o l v et l l et v 旧p r o b l e m s f i r s t ，t h et h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o na n dt h ep r a c t i c eo ft h es l u b y a ma r ec o n c l u d e di nt h i s p 印e r t l l es l u b y a n li sc l a s s i f i e di n “sp a p e r ，a 1 1 dt h ec h a r a c t e r si nv a r i 啊o fc o n 仃o l l i n g d e v i c e sa r ee x p l a i n e da n dc o m p a r e dd e l i b e r a t e l y t l es l u bc o n t r o l l i n gd e v i c ez j 一5 ，u s e di nt h e p a p e rf 0 ra l lt h ee x p e r i m e n t s ，i si n n o d u c e di nd e t a i l s e c o n d ，am o d e lf o rt l l e 铆i s td i s t r i b u t i o ni nt h es l u b y 锄i sb u i l ta sat 0 0 1f - o r 也e a n a l y s i so ft h es l u b y 锄s t r e n 酊h t h et 、加s tp r o c e s si ss i m u l a r t e da st h ec o m m o nb a rr e t o r t i n g p r o c e s s ，a n dt 1 1 e nt h el a wo ft h et w i s td i s t r i b u t i o ni nt h es l u b v a mi sc 州e do u ta f t e ras e r i e s o fr e a s o n a i b l eh v p o t h e s i s t h ec a l c u l a t i n gf o m u l af - o rt l l et 、v i s ti ns l u by 锄i sd e d u c e db a s e d o nt h et h e o r yo ft h ec o n v e r s a t i o no f 僦s t t h er a n g eo fa p p l i c a t i o no ft l l ef o n n u l ai sd i s c u s s e d t h r o u 2 l lt h ea n a l y s i st 0s o m ef a c t o r sa n dt h ev a l i d i t yo ft i l ef o r m u l ai st e s t i f i e db a s e do na l l i n d i r e c tm e t l l o d t h ea 1 1 a l y s i so ft h ei n f l u e n t i a lf a c t o r st ot h es l u b y a ms t r e n g t hi sc 枷e do nt h em o d e l m e m i o n e da b o v e t h ee x p e r i m e mr e s u l t sp r o v e d 也a tt h es l u b y 锄w i t hd i f r e r e n tl i n e a r d e n s i w 、 ，o u l dh a v ed i a e r e n tb r e a k i n gp o s i t i o n t h et h i c k e rs l u b y a mi se a s yt ob r e a ka tt h e s l u bp a r t ，w h i l et h et h i n n e rs l u b y 锄b r e a k sa tt h eb a s ey a mp a n ，a l t h o u 2 1 1t h et w ok i n d so f s l u b y a m sh a v et h es i m i l a r 铆i s td i s t r i b u t i o n o nt 1 1 eo t h e rh a n d ，t h es l u bl e n 譬曲w 订li n c r e a s e t h es t r e n m ho ft h es l u bp a 】广t sw h e ni ti ss h o r t e rt h a nt h ef i b e rp r i n c i p a ll e n 皿h t 、oe 笳c i e n t m e t h o d sa r en e c e s s a d ，t oi n c r e a s et h es t r e n 酉ho ft h es l u b y 踟d u r i n gi t sd e s i g n g ：o n ei st o i n c r e a s et h et 谢s ti nt 1 1 es l u bp a r tf o rt 1 1 et h i c k e rs l u b y 锄；t h eo t h e ri st 0a d j u s tt h et w s i ti n b a s ev 踟u n d e rt l l ec r i t i c a lt w i s tf o rt l l et h i n n e rs l u b v a m t h i r d t h ee v e n n e s sf o rm es l u bd i s t r i b u t i o ni sd i s c u s s e d a na s s e s s m e n tm e m o df - o rt h e s l u bd i s t r i b u t i o ni sa d v a n c e da tf i r s t t h ei n d i c e si nt h ei m a g ea n a l y s i s ，t h ec e n t e ro fm a s s 尸( j ) a n dt h ea r e a 么si st a l ( e na st h en e wi n d i c e st oa s s e s st h es l u bd i s t r i b u t i o n s o m e i m a g es 锄p l e sa r ep r e p a r e dt h r o u 曲t h es c 釉e rf o rt l l ea s s e s s m e n t ，a n dt l l et i m ed o m a i n m e t h o da n dt h ef 沁q u e n c yd o m a i nm e t h o da r ec a 玎i e ds e p a r a t e l yt oe x n a c tt h es l u bp a r t sf r o m t l l ef a b r i cs h a d i n gt oa c q u i r et h eb i n a r yi m a g e sf r o mt 1 1 es a m p l ei m a g e s t h ed i s t r i b u t i o n e v e 加e s si sr e l a t e dt ot 1 1 ec v ( c o e m c i e n tv a l u e ) o f 彳si nm es 锄p l eb i n a d ，i m a g e sa i l dt h e e x c u r s i o ne x t e n tdo ft h ec e n t e ro fm a s s 尸t ot h eg e o m e t r i cc e n t e rd t h ee v e nd i s t r i b u t i o n 、u l dl e a dl e s sc v a n dl e s sd t h ec vv a l u eo f 彳ji nd i 疏r e n ts 锄p l e sc a i ln o te x c e e d1o a n dt h em a x i m u mo fdc a nn o tr e a c ht l l e1o o fm es a m p l es i z ei nas l u b y a mf i a b r i cw i m e v e ns l u bd i s t r i b u t i o n t h es i m u l a t i n gm e t h o di sc 硎e dt oa c q u i r - em eb i n a r yi m a g eb a s e do nt h es l u b y 锄 p a r a m e t e r sa n dt h ew e a v i n gp a r a m e t e r s ，w h i c hh e l p st os h o n e nt h es l u b - y 锄f a b r i cd e s i g n i n g p 1 o c e s s t h ei n n u e n t i a lf a c t o r st ot 1 1 es l u bd i s t r i b u t i o na i et e s t e dt h r o u 曲t h es i m u l a 矗o n t h e t e s t1 e s u l tp r o v e dt h a t ，t h ec h a n g eo ft h es l u b y a n lp a r a n l e t e r si l l f l u e n c et h es l u bd i s n i b u t i o n a b s t m c t l i t t l ew i t l lt h eh i g hs l u b - y a h lr a t i o ；w h i l et ot h ef a b r i c 、) l ，i t l ll i t t i l es l u b - y 锄r a t i o ，t l l es l u b p 姗e t e r si ss e n s i t i v et ot h es l u bd i s t r i b u t i o n ，a 1 1 dt l l es m a u e rd i 丘e r e n c eb e t w e e nt h es l u b l e n 舒h si nm en o n - p 甜o d i cs l u b - y 锄w i l li n c r e a s et h es l u bd i s t r i b u t i o ne v e i l i l e s s k e yw o r d s ：s l u b - y a m ； s l u bp a r 锄e t e r s ； s 打e n 或h ；锄，i s t ； s l u bd i s t r i b u t i o n ； i m a g et e c h n o l o g y i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 、，、 签名：宰面丝日期：劢矽年夕鹿吵日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 虢江 导师签名f 狼毒 日期：夕钳明r 日 第一章绪论 1 1 竹节纱概述 第一章绪论 1 1 1 竹节纱的发展与现状 竹节原本是纺织生产中的一类常见疵点，由于纺纱过程中诸如牵伸、粗纱不匀等一 些问题的影响，使得纱线局部出现线密度不匀，形成类似于竹节一样的凸起，产生竹节 疵，影响织物的质量。但是，当这种类似竹节一样的凸起在织物表面形成均匀分布的时 候，可以使织物表面形成一种特殊的纹理，产生特有的织物风格，满足人们对于织物风 格多样化的要求。于是在纺纱过程中人为的使纱线线密度在其长度方向上发生规律的或 者不规律的变化，得到了竹节纱，并将这种纱线用于织物的生产，形成竹节纱织物。随 着竹节参数的不同，竹节纱织物可以形成颇具个性化的纹理特征。竹节纱的生产源起于 2 0 世纪7 0 年代，自问世以来，由于其织物的特殊纹理效果，就倍受世人瞩目，近年来 被广泛应用于服装以及装饰用纺织品上。 自从竹节纱问世起，国内外的学者就开始关注如何在普通的细纱机上面生产竹节 纱，出现了纺竹节纱专用的附加控制装置如直流伺服电机和交流伺服电机等。到了上个 世纪8 0 年代，我国学者研究开发各种方式的竹节纱控制机构，它们都具备了较好的纺 制竹节纱的性能，也存在一些不足，如品种更换不够方便，易产生细节等问题，且纺纱 过程中的精度较低，影响产品质量。随着一些先进的竹节纱装置的开发，国内生产厂家 开始利用先进的伺服电机采用控制环锭纺细纱机中、后罗拉变速的方式来生产各种外观 的竹节纱，使得国内的竹节纱生产技术已经达到了国际水平，其产品在我国纺织品中的 应用也越来越广泛。 目前，竹节纱织物在市场上具有很强的竞争能力和开发价值，据报道，花式纱线装 饰织物每年以2 5 的速度递增n 1 ，而竹节纱白1 9 8 5 年以来就在国内市场上畅销，它 从最初应用于装饰布，如墙纸、窗帘、茶巾、手帕等逐渐转向各种衣着用面料。而在目 前每月有超过5 0 0 0 吨的市场需求量，全年有十多亿元的贸易额。 1 1 2 竹节纱结构特点及其结构参数 竹节纱的理想外观形态可以如图1 1 所示： ， 21 r 1 卜l l _ 1 1 1 2 勺勺 图1 1 竹节纱的几何结构及基本参数示意图 图卜1 是简单竹节纱的理想外观形态，这其中包括了两段一样的竹节。从图中可以 看出沿着纱线长度方向，纱线的直径发生变化，形成竹节纱。因此，每一个竹节纱片段 可用下列四个参数加以描述：基纱直径d l 、竹节直径如、竹节间隔( 基纱长度) j l 以及 江南大学博士学位论文 竹节长度如1 2 j 。一般来说，在同一个批次竹节纱上，基纱直径函是恒定的，竹节纱的变 化主要体现在竹节部分长度粗细的变化以及基纱部分长度的变化上。若后面三者的数值 也保持不变，生产出的就是最为简单的竹节纱形式，当后面三个参数发生各种变化时， 纱线的外观效果将更为丰富。此外，在图卜1 中我们还可以看出，在竹节纱段范围内还 存在着两个过渡区域，即渐细过渡区域。与渐粗过渡区域。，过渡区域的长短与竹节 参数的设定以及所采用纤维的主体长度等因素有关，它的存在有利于更好的平衡由于纱 线粗细变化引起的竹节纱内部的各种不均匀性。 在实际生产过程中，纱线粗细的变化不是用纱线的直径变化来表示，主要采用纱线 线密度的变化来加以体现，因此，实际生产过程中的四个参数变为m ，、三卜，2 、上2 ，分 别表示基纱部分的线密度与长度和竹节部分的线密度与长度，其中，定义f 2 ，为竹节 的倍率，用来描述竹节部分突出的程度。 竹节纱织物之所以能够广泛应用于服装以及装饰织物，最重要的是该织物能够获得 多种多样的外观特性。竹节纱织物的外观特性受到竹节纱设计参数的直接影响，竹节排 列的密度以及竹节本身外观的粗细直接影响到形成织物的风格。 竹节间隔、竹节长度以及织造过程中竹节纱的配比决定了织物中竹节分布的密度( 单 位面积内的竹节数量) ，一般织物中竹节密度选择的依据为，当竹节较短时，密度可大 些，竹节较长时，密度可小些。织物中的竹节密度过小，体现不出竹节布的风格，反而 像是疵布。竹节密度过大，竹节重叠现象严重，同样影响布面风格。一般竹节布的竹节 密度控制在2 0 0 0 4 0 0 0 0 个m 2 布面效果较为理想1 3 j 。 竹节的粗细即倍率这个因素也对织物的风格产生影响，当倍率在1 5 2 o 倍时，布面为 朦胧的隐条风格，具有仿麻效果，当倍率在3 晰o 倍时，布面竹节突出、粗犷、醒目。一 般来说，大多数品种倍率都控制在2 o 3 o 倍，布面竹节颗粒清晰，既有立体感又不失柔 和的一面【4 1 。 1 1 3 竹节纱的分类 按照竹节纱中竹节分布情况来分，竹节纱可以分为规则竹节纱和不规则竹节纱。规 则竹节纱指的是竹节的分布有一个周期，一般来讲，为了避免在织物表面形成明显的规 律性的竹节分布，产生竹节分布的不匀，规则竹节纱的循环周期都较长，一个周期内各 个纱段长度的和要远大于一纬长度，并且不能是一纬长度的整数倍，才能在织物的表面 体现一定的均匀分布；不规则竹节纱指的是竹节纱竹节间隔、竹节长度、以及竹节倍率 在一定的范围内发生随机的变化，没有规律可寻，不规则竹节纱织物的风格相对而言更 多变，但不规则竹节纱参数的设置仍然可能产生竹节在织物表面分布的不均匀，影响织 物的整体视觉效果。 按照竹节纱成纱装置分类，常见的竹节纱可以为环锭纺竹节纱和转杯纺竹节纱。前 者是通过减少瞬时的牵伸倍数产生竹节，而后者则通过增加瞬间的须条喂入量来形成竹 节。两种竹节纱成纱机理相类似，前者在进行合理的机构改造后，可以产生任意长度的 竹节，而后者形成竹节的长短受到纤维主体长度的影响i 蛐j 。两者得到的竹节纱的外观 也有一定的差异，环锭纺竹节纱的竹节比较饱满，竹节短而粗，转杯纺竹节纱的竹节细 而长，有类似于麻的风格【_ 7 1 。此外还有采用摩擦纺【8 l 等多种方式生产的竹节纱，但前面 两种仍然是常见竹节纱的主流。 竹节纱还可以按照原料分为棉竹节纱，毛竹节纱，化纤纺竹节纱以及混纺竹节纱等 等。 本文研究的对象是环锭纺纯棉竹节纱。 2 第一章绪论 1 1 4 竹节纱面料特点及主要产品 竹节纱产品具有手感粗犷、独特的花式效应和模拟自然不匀等风格的特点，其面料 表面有明显的凹凸立体感，层次丰富，颗粒饱满，风格独特。由于凸起的竹节部分的存 在，减少了织物的贴肤面积，且贴肤部分多为竹节部分，捻度比较低，手感柔软，大大 提高织物的透气性【9 j 。目前，国内外竹节纱织物用于服装面料的主要产品有： 1 1 4 1 竹节牛仔布 该面料是竹节纱织物中最为常见的面料，既保留了牛仔布特有的粗矿、洒脱的风格 及耐磨、耐脏、吸水性好、透气性强的特点，同时还具有“雨点、雨线状 的特殊效应， 衬衣经水洗石磨后，布面竹节部分的脱色与正常部分的脱色不一样，更具有立体感和仿 旧感i l o j 。将竹节纱与弹力丝相结合，生产出来的弹力竹节牛仔布大大改善了原有牛仔布 的保型性与抗皱性，更适适应人体的动态，凸现人体曲线，感觉舒适【l 。 1 1 4 2 仿麻竹节纱织物 该产品可由高捻度的棉质竹节纱织成，具有特殊风格。其主要特点是具有良好的透 气性、肤面效应和独特的花式效果，同时具有麻织物粗矿的手感和挺直的风格，可在形 成独特的竹节花式效果的同时具有保暖、轻柔和厚重的手感，可以作为休闲服西服的面 料。也有采用化纤经过特殊的复合假捻变形技术，得到具有仿麻风格和自然状竹节外观 的仿麻复合竹节纱，其织物也具备很好的仿麻风格和麻状外观特型1 2 】。 1 1 4 3 松竹呢系列产品 松竹呢产品是利用不同混比的混色、非混色、中长涤粘纤维进行混纺，采用不同纱 号、不同捻度及不同节距、节长的竹节纱进行交捻，产生弓形竹节纱的效果，并通过不 同的织物组织进行织制，形成具有透孔风格的新型麻感面料，赋予了竹节产品新的活力。 同时该产品具有良好的耐磨、免烫抗起球等特性，是理想的春夏季女式时装面料【1 3 1 。 1 2 竹节纱的成纱装置 1 2 1 竹节纱加工方式的分类 竹节纱可使用不同原料，分别用细纱机或者花饰捻线机加工而成。一般可以分为纺 成型和控制型两大类1 1 4 1 ，其区别如下： 纺成型竹节纱是在细纱机上，选用特殊原料的粗纱或者调整工艺参数( 大隔距、超 倍牵伸) 纺出的自然分布，长短不等，粗细不一的竹节纱。 控制型竹节纱是采用专门的控制装置，通过各种器件控制纱条喂入或者输出速度的 方法，控制细纱机生成规定形状( 长度、粗度、形状) 和间距的竹节纱。 由于纺成型竹节纱对于前道工序有很多的要求，且生成竹节的规格受前道工序的影 响很显著，因此，目前大多数竹节纱的生产采用的是控制式的生产方式。本文研究的是 环锭纺竹节纱，接下来分析在环锭纺细纱机上各种控制机构生产竹节纱的情况。 1 2 2 环锭纺竹节纱控制装置的比较 较为简易的控制装置是在环锭纺细纱机上安装缺齿齿轮【1 5 】。在环锭纺纺纱过程中， 3 江南大学博士学位论文 齿轮间不缺齿的部分相捏合时，前罗拉正常运转，生产普通纱；当齿轮缺齿部分捏合时， 前罗拉停顿，产生竹节，竹节长度、竹节粗细以及竹节的间隔通过调整齿轮缺齿数量以 及缺齿位置来控制。该种方法工艺简单，但是，只能生产规则循环的竹节，而且，每套 齿轮产生的竹节种类单一。 目前比较常用成型的控制装置是电磁离合器和伺服电机两种。 电磁离合器控制机构也有两种方式，一种是电磁离合器控制前罗拉【1 6 1 ，通过控制系 统对电磁离合器通断电，使前罗拉产生瞬间停顿，产生竹节，竹节的粗细取决于前罗拉 停顿的时间；另一种形式是通过对中后罗拉的突然增速产生竹节1 1 7 j ，当电磁离合器通电 时，中后罗拉增速产生竹节。 伺服电机控制机构相对简单，中后罗拉由伺服电机单独驱动，通过p l c 控制系统设 定的竹节参数，实现伺服电机的加减速，从而产生竹节i l 引。 后两种控制机构相对于前一种缺齿控制方法而言，无论从控制精度以及生产竹节纱 的质量上均有较大的提高，是当前控制机构的主流。这两种控制方式之间也各有优缺点， 具体情况如下： 电磁离合器控制机构的价格比较低廉，安装调试方便，尤其是控制前罗拉的模式， 改装更为简洁，费用很低；电磁离合器控制的缺点比较明显，就是难以生产短竹节纱线， 此外，在纺制竹节纱的过程中，电磁离合器将长期工作，吸合断开动作频繁，故障率较 高，应答不理想时就会产生不良竹节，甚至无竹节变为坏纱，为了减少坏车，电磁离合 器在工作3 5 天后需拆下清洗保养，重新安装时要重新调整摩擦片之间的间隙，间隙 太小，产生细竹节或无竹节。间隙过大，竹节又过粗、过长【l9 1 。 伺服电机控制的优点是适纺品种广泛，可基本满足目前市面上各种竹节密度的要求， 对高难品种尤为适合，装置稳定性好，可一次调整到位，不另增维护工作量，长期生产 竹节无变化，产量大，不需要降低车速，适用于各种长度、间距、倍率的竹节纱；缺点 就是一次性投资较大，目前市场价位一般在3 5 万元台。本文所采用的竹节纱就是由 伺服电机控制机构生产的。 1 2 3 环锭纺竹节纱成纱机理比较 在前面的介绍中有所提及，竹节纱加工过程中的竹节形成机理可以分为三种1 2 ，一 种是控制前罗拉转速，通过瞬时减少或停止前罗拉的速度减少牵伸倍数来产生竹节，这 一方法只适合于生产竹节长度小于4 c m 的竹节，由于瞬间减少前罗拉速度会引起纱线捻 度，气圈、张力等因素的波动，会使得生产效率下降；第二种方法是控制中后罗拉速度， 瞬间增加中后罗拉的速度减少牵伸倍数来获得竹节效果，该方案适合生产竹节长度2 c m 以上的竹节纱，是目前竹节纱生产装置改造的主流方案；第三种就是前罗拉与中后罗拉 一起控制1 2 卜22 。，可以按照要求生产任意长度的竹节纱，但是改造成本较高。 在上述三种成纱机理过程中，采用前罗拉减速或者停顿的方法生产竹节纱具有比较 多的缺陷，主要体现在1 2 3 j ：在生成竹节过程中，皮圈与钳口间须条严重松弛，甚至褶皱， 容易破坏须条内部结构，产生的竹节表面粗糙，不光滑，不易通过钢丝圈，容易产生卷 绕断头；前罗拉瞬间减速或停止时，前罗拉至钢丝圈一段纱的捻度和张力比正常纺纱时 大，形成明显的细节，产生强力弱环，同时，气圈形态以及钢丝圈的形态不能兼顾，增 加断头；前罗拉停顿时间长，竹节前、竹节、以及正常纱段三个部分纱段的捻度、张力 差异大，正常纱段捻度适中，竹节前段纱捻度最大，竹节纱段捻度最小，易造成断头， 停顿时间短，形成的竹节又不明显。因此，单纯采用控制f j 罗拉产生竹节的方法已经逐 渐被后两种方法取代。 4 第一章绪论 1 2 4 试验用竹节纱装置介绍 1 2 4 1z j 5 型数字式竹节纱生产装置简介 z j 5 型竹节纱生产装置是我校自主研发的全系列智能化数字控制设备，采用的是伺 服电机控制中后罗拉的方式生产环锭纺竹节纱，该设备具备以下几个特剧2 4 】： ( 1 ) 首次将常用于精密机床等高精度位置控制方式的伺服电机用于竹节纱生产装置 中，使得生产的产品质量得到了大幅度提高，与电磁离合器类的相比生产效率提高l 3 以上，机械维护成本很低，真正做到了从输入到控制的全过程的数字控制。 ( 2 ) 自行开发了特殊算法的反馈同步跟踪系统，实践证明是目前最完善的同步系统。 全数字式系列智能花式纱线生产装置用于环锭细纱机中，开关车存在与主机的同步问 题，解决途径：一是选用开发的测速反馈系统，在要求高精度的场合，必须采用此附件； 二是采用本系统软件中根据各类机型配置的经验同步跟踪系统，本系统采用精确同步跟 踪附件，能够产生精确竹节，满足高品质纱生产要求；三是选用加装超越离合器，实现 开关车时由超越离合器传动。 ( 3 ) 伺服电机系统加减速优化，根据环锭细纱机的特点，对加减速系统进行了优化， 选用国外频率响应最快的伺服电机作为执行机构，能够达到最优最快的加减速特性，因 而达到了可设置竹节过渡时的形态，满足生产高档竹节纱中的各种形状需求。 ( 4 ) 特有的模糊循环竹节纱的选择是品种设计的另一创新，它既可以保证竹节参数 在指定的范围内波动，其独特的模糊循环又能确保布面竹节分布没有规律性。 1 2 4 2 竹节纱装置的改造过程 本文所采用的竹节纱，均由z j 5 型数字式竹节纱生产装置安装在e j m l 2 8 k 型细纱 机上进行生产。具体的装置改造过程如图1 2 、1 3 所示。 蛐t _ 一前罗拉 图卜2 改造前e j m l 2 8 k 型细纱机传动机构示意图 将细纱机上的蝴蝶牙( 1 0 97 ) 连同轴承卸下，换上改带轴承，重新装上蝴蝶牙( 1 0 9 7 ) ， 以及齿轮z 2 ( 5 9 7 ) 。再固定伺服电机，连接好同步皮带，改装便完成了，如图1 3 ( 放 大图) 。 江南大学博士学位论文 中 图1 3 改造后e j m l 2 8 k 型细纱机局部放大示意图 改造完成后，前罗拉由主电动机控制，中后罗拉则由伺服电机控制。在生产竹节纱 的时候，伺服电机控制中后罗拉突然超喂，形成竹节；生产普通纱时，将参数输入p l c 后中后罗拉不会再出现瞬时加速的情况，按照现有的齿轮配备经过计算就可以生产普通 纱线。 1 2 4 3 可生产竹节纱种类 z j 5 型数字式竹节纱生产装置适于生产竹节长度大于2 c m 的竹节纱品种，在p l c 的操作界面下，可以精确的控制所生产的竹节纱的各个参数，并对实际生产过程进行实 时监控。 该装置生产的竹节纱分为模糊循环竹节纱和规则循环竹节纱，对于规则循环竹节纱， 可以设定多组循环方式，最多组合可以有4 0 0 种，满足规则循环竹节纱的生产要求；模 糊循环竹节纱又分为两种，一种是比例模糊，一种是随机模糊，这两类竹节纱主要针对 竹节纱的设计参数进行模糊控制，包括竹节长度，竹节间隔以及竹节倍率。比例模糊竹 节纱将竹节纱参数分为基纱参数以及竹节参数两个部分，基纱参数就是指基纱的长度 ( 基纱线密度由其他参数确定，不可调) ，而竹节的参数则包括倍率以及竹节长度，每 次从每个部分中随机抽取一组参数，组合在一起形成比例模糊竹节纱，要求相邻两次选 取的参数不能完全相同；随机模糊竹节纱指的是上述三个设计参数是在一定范围内随机 选取，生成随机模糊竹节纱。 本文之后研究过程中所使用的竹节纱，包括试织所用的竹节纱，均是该设备纺制而 成。 1 3 竹节纱产品开发中存在的主要问题 目前，竹节纱的生产没有国家标准，普通纱线的质量指标用于竹节纱的质量的评定 有许多不适宜之处，实际生产中生产单位与使用单位往往不太容易沟通协调，会造成误 解，影响竹节纱的生产。许多文献对竹节纱生产的标准进行探讨i 2 ”刚，希望能够在竹节 纱的生产中建立一个质量评价方法，但至今没有相应的关于竹节纱产品质量的国家标准 推出。 竹节纱在形成织物的过程中，经常会遇到两个重要的问题，个是竹节纱在织造过 程中断头现象比较严重，经常出现断纬断经，织造效率低下；另一个问题就是织造过程 中出现的竹节分布不匀的织物，使得产品降等成为废品。以上两个方面的问题严重的制 约了竹节纱产品的开发，造成很大的资源浪费，也是竹节纱生产标准化中两个急需要解 决的问题。 6 第一章绪论 1 3 1 断头率高 竹节纱在织造过程中断头较多，断头的产生的原因是多方面的，但是，强力不足是 其中一个主要原因。竹节纱的强力是由竹节纱纱线的特殊结构决定的，其强力分布及断 裂机理与普通纱有着明显的不同。g r a b o w s k a l 27 】等人采用数理统计的方法，用数学回归 方法分析了竹节纱强力的影响因素，认为：基纱部分捻度大小决定了竹节纱整体强力的 大小，其余参数对纱线强力影响不明显。张梅1 2 驯等人研究了竹节纱强力的分布，得出如 下结论：竹节纱三个设计参数对竹节纱强力以及竹节纱的捻度分布并没有直接的关系， 竹节纱的断裂强力并不一定随着竹节部分捻度的增加而增加。 竹节纱强力不足，或者说强力分布的不匀，归根结底是由于竹节纱捻度分布不匀导 致的，捻度分布不匀的极致表现就是出现过捻细节问题1 2 圳。竹节纱在细纱机加捻区a c 段中，存在若干捻陷点和阻捻点( 图1 4 ) 。由于粗节的纤维含量比基纱多，粗节在加捻 时，纤维内外层转移的摩擦阻力大，粗节存在着明显的弱捻现象。根据稳定捻度原理， 大量的捻回被转移到基纱上，相对于粗节的弱捻而言，基纱处于超捻状态。粗节尾端这 一小段基纱的纤维含量最少，纤维内外层转移的摩擦阻力最小，造成该段纱的捻回过量 滞留，当捻系数超过临界点时，容易产生过捻纱并在钢丝圈入口处产生断头。通常情况 下，竹节纱的断头集中产生于该段。当采用电磁离合器控制前罗拉减速或停顿来生产竹 节纱时，这种现象容易发生，因此这种控制装置对于竹节纱设计参数的配备有较高要求。 但是，如果采用伺服电机控制中后罗拉的方式生产，则不太容易出现上述状况，卞克玉 啪1 等人利用电容式条干仪测量中后罗拉加速法生产的竹节纱的外观参数，测量结果显 示，竹节纱在纱段上没有出现“细节”现象。然而，大量的生产企业在采用了伺服电机 控制中后罗拉生产竹节纱之后，仍然存在较高的断头率问题，因此需要对竹节纱的强力 问题进行更深层次的研究。 图卜4 竹节纱过捻细节产生示意图 除此之外，张梅口门对环锭纺竹节纱的捻度分布进行了分析，在竹节纱的三个基本参 7 江南大学博士学位论文 数中，对竹节和基纱捻度影响较大的是竹节倍数和竹节长度，而竹节间距对二者的捻度 变化几乎不造成影响。竹节纱三个参数与竹节纱的强力以及竹节纱的捻度分布没有直接 的关系。竹节纱的强力并不一定随着竹节部分捻度的增加而增加，竹节纱追加设计捻度 后，竹节部分捻度增加较少。在考虑提高竹节纱强力时，不要过多地考虑增加竹节纱捻 系数所起的作用，过多的增加捻系数还可能导致基纱部分超过临界捻度产生“辫子纱 ， 还应该从合理设计竹节纱规格方面考虑。 以上是其他学者对于竹节纱强力问题的研究，但是，所有的研究均通过实验数据来 对竹节纱强力分布规律进行分析，缺乏理论指导，更没有定量的计算，不能对竹节纱的 实际生产提供可靠的指导性意见。 1 3 2 竹节分布不匀 竹节纱织物中竹节分布不匀是其生产过程中遇到的最重要的问题，竹节的存在是为 了使织物的表面纹理更为丰富，风格更为随意，但是，出现了竹节分布不匀则严重的影 响了这一风格特点。 对于竹节纱纱线而言，按照竹节参数的设计可以分为规则竹节纱和模糊竹节纱两类。 第一类竹节纱形成纬向竹节纱织物之后，比较容易在织物的表面形成规律性很强的竹节 分布，在竹节循环长度比较短的情况下，容易在布面上面形成比较明显的类似于斜纹分 布的竹节，被形象的称为“刮风”现象刳。第二类竹节纱是为了杜绝规律性竹节纱织物 出现而提出的，从理论上可以杜绝规律性竹节分布的出现，目前应用较广，但是，实际 生产发现，不同的参数设定仍然可能会在布面上出现分布不匀的竹节，在某些区域竹节 集结成片，而某些区域又没有竹节分布口羽。这两种问题都属于竹节纱织物表面竹节分布 不均匀性问题，与竹节纱织物随意的外观要求相违背，是当前竹节纱织物生产的一个困 难点。竹节分布不匀的现象只有当织物形成之后才能发现，再调整竹节纱的设计参数重 新生产，造成巨大的浪费。 规律性竹节分布一般不会出现在经竹节纱织物上，采用规则循环的竹节纱织制纬向 竹节织物容易出现这个问题，实际生产中可以采用以下几个方法预防竹节规律性分布现 象的产生口3 | ： 1 在无梭织机上，采用两个及两个以上储纬器，使竹节纱筒子交替使用，从而打乱 竹节的排列，减少竹节重合的机会。 2 在可随机设定引纬比例的喷气织机上，设定无规律的引纬比例，增加引纬的随 意性。 3 两种竹节周期的筒纱同时使用从而减少竹节重合的几率，效果较明显。 4 延长竹节循环周期。若原竹节周期为3 0 个竹节周期，可延长至5 0 个竹节周期 甚至更多。实践证明对减少规律性竹节条数或减轻规律性竹节程度很有效果。 5 改变一纬纱长度。实践证明，同一规格竹节在不同引纬长度品种上作纬纱使用， 出现规律性竹节的多少和程度是不同的。在出现规律性竹节时，人为改变一纬纱的长度， 延长或缩短，如改变废边纱的宽度，可在一定程度上改善规律性竹节问题。该方法较适 用于无梭织机单储纬器的机台。 6 根据不同引纬长度，确定竹节周期根据规律性竹节与织物引纬长度有关的特性， 在设计竹节循环周期时，使每一竹节周期长度避开一纬长度的整数倍，对减轻规律性竹 节非常有效。 以上做法其实是在规则循环的竹节纱中添加不同的干扰因素，破坏规则竹节纱的循 环，从而避免规律性竹节的出现。 对于模糊竹节纱而言，其分布的不均匀性的影响因素目前还没有文献对其进行研 8 第一章绪论 究。模糊竹节纱是竹节纱生产的一个方向，在理论上讲，其性能也要优于规则竹节纱， 目前，大量的模糊竹节纱用于实际生产，而出现的竹节分布不匀影响了产品的质量，如 何提出评价竹节分布均匀性的方法，实现竹节织物的虚拟评价，避免大量的重复试织工 作，是当前竹节纱织物生产中确实需要改进的问题。 1 4 课题研究的主要内容及其意义 1 4 1 课题研究的主要内容及方法 本课题的提出是为了解决竹节纱在实际生产中遇到的两个问题，一个是竹节纱断头 较多；另外一个就是竹节分布不均匀现象的出现，这两个问题的产生均与竹节纱的竹节 参数有很大的关系。 解决竹节纱断头问题，可以从分析竹节纱的强力入手。竹节纱强力的分布与其他纱 线有明显的不同，由于其特殊的外观变化导致竹节纱上捻度分布不匀，进而导致竹节纱 强力的变化。课题拟从竹节纱捻度分布不匀入手，建立竹节纱捻度分布的模型，从机理 上更清楚的论证捻度的分布，得出竹节纱各个纱段的捻度大小。在明确了捻度分布之后， 对竹节的纱断裂位置进行判断，分析竹节纱的各种设计参数对强力的影响，最终实现对 于竹节纱强力的可预测性。 竹节纱织物竹节分布均匀性问题，与竹节纱织物给人的视觉效果有很大的关系，需 要借助计算机图形图像学的相关知识对这一问题加以分析。首先提出竹节纱织物竹节分 布均匀性的评价方法，用现有的图形图像学中的评价指标作为评价竹节纱织物竹节分布 均匀性的指标；然后，结合计算机图形图像仿真，在确定竹节纱的设计参数以及织造参 数的基础上，得到竹节纱织物的竹节分布图，以此图作为评定竹节纱织物竹节分布均匀 性的依据，实现虚拟评价，并借助模拟程序研究各个竹节纱参数对竹节分布均匀性的影 响。 本论文一共分为六个章节，每个章节研究的主要内容如下： 第一章是对竹节纱生产现状的概述，详细阐述竹节纱生产所用的机械装置、产品特 点以及目前存在的问题等。 二、三两章的目标是解决竹节纱强力低、断头率高的问题。第二章建立了竹节纱捻 度分布的数学力学模型，在此模型的基础上，推导竹节纱各个纱段的捻度分布规律，并 分析竹节纱的各个设计参数对捻度分布的影响；第三章在第二章的基础上，根据弱环定 理，利用实验判断各种设计参数下竹节纱断裂发生的位置，并对这一规律进行总结，从 理论上对竹节纱的强力预测提供指导。 四、五两章的目标是解决竹节纱织物竹节分布均匀性问题。第四章是建立了竹节纱 织物表面竹节分布均匀性的评价方法，利用计算机图形图像学的知识，找出可以用来评 价竹节分布均匀性的指标，完善了竹节分布均匀性的客观评价方法；第五章依循第四章 的评价方法，利用仿真系统，实现竹节纱织物竹节分布均匀性的虚拟评价，预防竹节分 布不匀的疵布出现，并探寻不同模糊循环竹节纱的参数设置对竹节分布均匀性的影响。