（纺织工程专业论文）变支变捻环锭纱的捻度研究.pdf

本文的主要创新点体现在以下四个方面： 1 、以纱线的基本组成单元一纤维为基础，建立纱线截面纤维圆 形排列的理想几何模型，由此模型推导出纱线截面的极惯性矩的计算 公式。 2 、分析了纱线加捻过程中纤维拉伸变形与扭转变形对纱线产生 的力矩，根据纱线扭形变角公式，推导出纱线的剪切模量计算公式。 3 、根据稳定态条件下，沿着纱线轴向方向纱线内部扭转力矩相 等的理论，建立竹节与基纱的捻度稳定方程。并根据对棉纤维竹节纱 进行实际测试的结果，对竹节纱的捻度稳定方程进行了修正。 4 、依据捻度稳定数学模型，确立了竹节纱捻度分布计算方法， 并采用数值解法，编写了竹节纱捻度分布计算软件，并通过实验对计 算结果进行了验证。 摘要 以传统环锭纺为基础的一些新型纺纱技术生产的纱线，如环锭纺竹节纱、变 支变捻纱等，因具有独特的纱线外观和性能，在业内引起了广泛关注，产品也受 到市场和消费者的广泛欢迎。但这些纱线的生产大多停留在改造环锭细纱机，通 过试验优化纺纱工艺阶段，而对于有关纱线的捻度变化及成纱结构等理论方面的 研究还处于初步探索阶段。实际上，相关方面的理论研究不仅在纱线的生产方面 具有重要的指导作用和实用价值，而且对于纱线的外观结构形态的调控具有重要 的理论意义。 捻度是纱线的一个重要指标，是纱线具有一定的强度、手感、光泽、伸长和 弹性等物理机械性能的必要条件。本文重点研究了稳态纱线的捻度，通过对环锭 纱结构的分析，推导出纱线的极惯性矩和剪切模量，进而在稳态纱线中建立捻度 稳定方程。 接着，本文以环锭纱结构为基础，纱线中纤维为基本单元体，将加捻后的纱 线看作是紧密排列的纤维集合体，建立纱中纤维的理想化圆形排列模型。由纱中 纤维的几何排列，以单根纤维为基础，计算出纱线的极惯性矩；并对纱线加捻时 纤维的变化进行理论分析，主要考虑单根纤维的拉伸与扭转变形，再结合纤维的 力学性能，由理想化的纱中纤维排列，推导出纱线的加捻变形，进而确立捻度对 纱线扭转的数学模型，得出纱线的剪切模量与纱线捻度的关系。 最后，本文根据稳定态条件下，沿着纱线轴向方向纱线内部扭转力矩相等的 理论，建立了竹节纱的稳态捻度方程。接着通过对竹节纱参数的试验测试，对该 纱线捻度模型进行了修正。并对修f 后的变支变捻纱模型编制了竹节纱工艺计算 软件，该软件可根据需要配置不同的纺纱参数，对变支变捻纱线的生产具有一定 实用价值和指导意义。 关键字：变支变捻纱，捻度，极惯性矩，剪切模量 a b s t r a c t b a s e do nr i n gs p i n n i n g , s o m en e ws p i n n i n gt e c h n i q u e s ，s u c ha sr i n g s p u ns l u b y a r n ，c h a n g i n gc o u n ta n dt w i s ty a r n ，h a v ea t t r a c t e dm u c h a t t e n t i o nd u et ot h e i rg o o d a p p e a r a n c ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i nt h et e x t i l ei n d u s t r y t h e i rp r o d u c t sa r e p o p u l a rw i t ht h ec u s t o m e r sa l lo v e rt h ew o r l d h o w e v e r , m o s t o fr e s e a r c h e r sf o c u s e d m e i rc o n c e n t r a t i o no no p t i m i z i n gt h es p i n n i n gp r o c e s sa n do t h e re x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h e r ei sal a c ko fc o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m i cs t u d yo nt h ey a r ns t r u c t u r e ，t w i s t sf o r a l t e r i n gy a r na p p e a r a n c ea n dc o n s t r u c t i n gd i f f e r e n tt y p e so f y a r np r o d u c t i o n t h et w i s to fy a r np l a y sak e yr o l ei ny a mp r o p e r t i e si n c l u d i n gh a n d ，s t r e n g t h ， e l a s t i c i t ya n do t h e r s i nt h i sw o r k ，t w i s to fy a r ni ns t a t i cs t a t ei s o u rf o c u s ，t h ea u t h o r d e d u c ep o l a rm o m e n to fi n e r t i ao fa r e aa n ds h e a rm o d u l u so fy a m b a s e do nr i n g - s p u n y a ms t r u c t u r e ，a n dt h e nt w i s td i s t r i b u t i o ne q u a t i o n i ss e tu p t h e n a sm eb a s i ce l e m e n to fy a m ，f i b e r sa r ec o n s i d e r e da sc y l i n d e r si ni d e a l c o n d i t i o n p o l a rm o m e n to fi n e r t i ao fa r e ai s c a l c u l a t e da c c o r d i n gt o f i b e r si d e a l a r r a n g e m e n t f i b e rv a r i a t i o ni nt h ey a m t w i s tp r o c e s si sa n a l y z e d ，a n dp o l a rm o m e n t o fi n e r t i ao fa r e ai sc a l c u l a t e d t o r s i o nd e f o r m a t i o no fs i n g l ef i b e ri ny a r n ，m e c h a n i c a l 鲫) p 耐i e so ft h es i n g l ef i b e ra n d t h ei d e a lc o n f o r m a t i o na r eu s e dt oe s t a b l i s hm o d e lo f 艄，i s tt ov a mt o r s i o n ，a n dd e d u c et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne q u i v a l e n ts h e a rm o d u l u s a n dt w i s to fy a m a c c o r d i n gt ot h et h e o r yt h a ty a r nt o r q u e i sc o n s t a n tu n d e rs t a t i cc o n d i t i o ni n a l o n gw i t ht h ey a r na x i s ，t h ee q u a t i o no ft w i s td i s t r i b u t i o ni se s t a b l i s h e d t h em o d e l i s a d j u s t e db yt e s t i n gp a r a m e t e r so fs l u by a m b a s e do n t h ea b o v em a t h e m a t i c sm o d e l ，a s o r w a r ei sp r o g r a m m e di n c l u d i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，w h i c hc a ng u i d et h e p r o d u c t i o no f t h ec h a n g i n gc o u n ta n dt w i s ty a r n k e y w o r d s ：c o u n ta n dt w i s tc h a n g i n gy a m ， s h e a rm o d u l u s t w i s t ，p o l a rm o m e n to f i n e r t i ao fa r e a ， 目录 第一章绪论1 1 1 前言1 1 2 竹节纱概述1 1 2 1 竹节纱的分类1 1 2 2 环锭竹节纱的纺纱原理2 1 2 3 竹节纱的参数2 1 3 纱线捻度的理论研究一2 1 3 1 加捻的实质3 1 3 2 加捻的过程3 1 3 3 纱线的加捻研究4 1 3 3 1 纱线动态加捻理论4 1 3 3 2 捻度对纱线性质的影响5 1 3 3 - 3 加捻纱线结构及力学分析5 1 4 变支变捻环锭纱线的发展7 1 5 本课题的研究内容及意义8 第二章环锭纱的结构研究1 1 2 1 纱线的捻度指标1 1 2 1 1 捻度1l 2 2 2 捻回角与捻系数1 l 2 2 3 捻幅12 2 2 环锭纱的加捻与结构1 2 2 3 环锭纱中纤维的排列方式1 3 第三章环锭纱的抗扭刚度研究1 7 3 1 纱线的极断面惯性矩1 7 3 2 纱线的剪切模量2 0 3 2 1 单根纤维绕纱轴的扭矩一2 0 3 2 2 纤维绕自身轴线的扭矩一2 3 3 2 3 纤维扭转产生的扭矩一2 6 3 2 4 纱线剪切模量的计算一2 6 3 3 纱线的抗扭刚度2 7 第四章环锭竹节纱的捻度理论及参数测试2 9 4 1 环锭竹节纱的捻度稳定理论2 9 4 2 纱线捻度的n - i 式3 0 4 2 1 一次解捻法一3 0 4 2 2 张力法31 4 2 3 图像法31 4 3 竹节纱的参数测试3l 4 3 1 竹节纱细度测试( 纱中纤维根数测试) 3 1 4 3 2 竹节纱直径与捻回角测试3 2 4 3 3 竹节纱的节长与节距测试一3 4 第五章竹节纱捻度理论的修正与应用3 7 5 1 理论与试验结果分析3 7 5 1 1 纱线细度的理论与测试结果分析3 7 5 1 2 竹节纱的捻度理论的修正3 9 5 2 环锭变捻纱工艺软件的设计一4 1 5 2 1 环锭变捻纱的数学模型4 2 5 2 2 变支变捻纱程序软件4 3 第六章结论一4 7 6 1 本文结论4 7 6 2 存在的不足4 7 参考文献4 9 攻读硕士学位期间发表的论文51 9 付j 灵：5 3 致谓亍6 1 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 纱线是构成纺织品的基本单元，不同的纱线所织成的织物具有不同的风格 特征。随着人们生活水平的提高，对纺织品消费需求的多元化，传统纺织品的改 进与新产品开发是纺织技术人员面临的重大课题。 纱线产品的改造与开发，是纺织品开发与研究的一个主要方面。纱线除了 其原料和品质外，结构和形态也是体现纱线特征的重要因素。而在当今纺纱业内， 环锭纺仍是最主要的纺纱方法，通过环锭纺实现细度与捻度变化的纱线中，最典 型的就是竹节纱。由于生产环锭竹节纱无需特殊的纺纱设备，对传统环锭细纱机 稍加改造即可进行纺制。因此，竹节纱已成为纱线行业特别是花式纱线行业发展 较快的一种纱线，其在牛仔布等产品的应用中更是广受消费者青睐。 1 2 竹节纱概述 “竹节纱”最初是作为一种纱疵出现的，后来随着新型纱线产品的丌发， 出现了刻意在普通单纱的长度方向上呈现粗节、细节形状的纱线，这种粗、细节 形似竹子的结节纱线，被称为竹节纱【。 1 2 1 竹节纱的分类 按照纱线外观竹节的分布规律，竹节纱可分为有规律竹节纱和无规律竹节 纱川。有规律竹节纱的基纱线密度不变，竹节长度、竹节间距、竹节倍率按照一 定规律重复循环；无规律竹节纱的基纱线密度不变，竹节长度、竹节间距、竹节 倍率呈无规律变化，或仅是竹节间距无规律变化。按竹节形成的方法分为牵伸型 竹节纱，植入型竹节纱，包缠型竹节纱和热定型竹节纱。按照原料可分为棉型竹 节纱，毛型竹节纱，化纤型竹节纱和混纺型竹节纱。按照纤维规格分为短纤维竹 节纱和长丝型竹节纱。按照用途分为机织用竹节纱和针织用竹节纱。本文研究的 是有规律短纤环锭竹节纱，通过改变喂入须条的牵伸倍数纺制而成。 天津二i = 业大学硕+ 学位论文 1 2 2 环锭竹节纱的纺纱原理 在环锭细纱机上通过加装一套纺竹节装置，其纺纱原理是瞬间改变须条的 牵伸倍数或改变单位时间内的喂入量，达到产生竹节的目的【2 。在环锭细纱机上 纺制出一定规律或无规律粗节的竹节纱，常用的方法是改变罗拉速度，进一步分 为前罗拉停顿法和中后罗拉增速超喂。前罗拉瞬时停顿，突然增速，其线速度是 正常的好几倍，此时输入的未经解捻牵伸的粗纱段，在成纱中便形成几倍于正常 纱的明显长竹节。无论哪种方法生产出来的竹节纱，其竹节般的外观形态，可使 布面有明显的凹凸立体感，层次丰富，风格独特。另外竹节部分较粗，纺纱时加 捻较少，纤维较松散，染色时粗细段对染料的吸收不同，经印染工艺后，立体感 更强，色彩更丰富。 1 2 3 竹节纱的参数 竹节纱的形态参数主要有竹节粗度，竹节长度，竹节间距和设计捻度。 竹节粗度又称竹节倍率，是粗节纱条直径与基纱直径的比值，环锭竹节纱 的粗度是由前后罗拉速度比控制。竹节的粗度对竹节织物的布面效果影响较大， 若粗度过大，会出现竹节弱捻，在后序加工中容易断纱，一般竹节倍率为2 , - - - , 4 。 竹节长度就是纱体上粗节的长度，由变速时间长短与罗拉速度控制。竹节长度可 根据产品用途设计，同时还要考虑纤维的长度与性质。竹节间距是每两段竹节间 的间隔距离。设计捻度是指整个纱线上的平均捻度，其公式为 设计捻度= ( 竹节捻度竹节长度+ 基纱捻度竹节间距) ( 竹节长度+ 竹节间距) 1 3 纱线捻度的理论研究 加捻是纺纱生产中的重要过程，其目的是给松散的纤维须条，纤维集合体及 单纱、单丝的集合体的总体或局部加上适量的捻度，使其成纱或捻合成股线【3 j 。 成纱的捻度是影响纱线的一个重要因素，无论是普通的环锭纱抑或是新品种纱 线，捻度都与纱线的纱线强力，毛羽等质量品质及体积重量、细度等纱线外观紧 密相关。 在纱线性质方面，捻度对纱线强力的影响是随着捻度得增加，纱线强力也随 之增大，但增大到临界捻度后，强力随之减小。纱线毛羽除了与组成纱线的纤维 有关外，随着捻度的增加，纱线表面的粗短纤维逐渐被卷入纱体中，纱线表面就 比较光洁。捻度对纱线外观的影响主要表现在对纱线体积重量及直径两个方面。 加捻对纱线的体积重量和直径的影响，是在一定范围内，纱的体积重量随捻系数 2 第一章绪论 的增加而增大，纱的直径随捻系数的增加而减小。当捻系数超出一定范围后，捻 系数对纱的体积重量的影响减小。 1 3 1 加捻的实质 加捻是纤维须条或纱条绕轴线加以扭转、搓动或轴向缠绕。其实质是须条 的一端被握持，另一端绕自身轴线回转，即形成捻回【4 】。设纱条近似为圆柱体， 如图1 一l ( a ) 所示，加捻前纤维a b 基本平行于纱条轴线。握持。端，o 端进行矢量 回转，纤维a b 就形成到a b7 位置的螺旋线，在截面o 上产生角位移口，纱表的螺 旋线与纱条轴线成一个倾角，即为捻回角，如图1 1 ( b ) 。o = 2 z r 时，即纱中纤维绕 纱条轴线回转一周，纱线就加上一个捻回，如图1 1 ( c ) 。 豇，尊二电 a 期捻翦( b 挪捻后 ( c 伽一个抬国 1 3 2 加捻的过程 图1 1 纱条加捻时纤维的走向 纱线生产通常是一个动态的过程，纱线的加捻在这个动态过程中完成，加 捻过程如图1 2 所示。 图1 2 纱线加捻及加捻区域 纤维须条在握持点a 处被一对罗拉握持，在加捻点b 处做回转或扭转运动。 被加捻成纱的纱条再从另一端输出或卷绕到卷装c 上。在整个加捻过程中，加 捻器总是处在输入与输出两个握持点之间，其对两侧纱条的作用是不同的，因此 任何一个加捻过程，至少具有两个加捻区，这也是加捻的基本形式；但加捻对须 条所起的作用随着时间会变化。加捻是通过整个加捻过程来实现的，即加捻具有 时间与空间性1 5 j 。 3 天津r t 业大学硕士学位论文 1 3 3 纱线的加捻研究 关于纱线加捻理论，国内外一些学者对纱线的动态加捻理论，捻度的稳定， 纱线捻度传递、捻度分布等进行了研究。 1 3 3 1 纱线动态加捻理论 g r o s b e r g 6 1 采用微元分析方法导出加捻的运动学方程，后来陈人哲等【7 - 8 1 引入 捻度流的概念，即在纺纱过程中，在单位时间内通过给定空间位置的捻回数，称 为捻度流的流量或简称为捻度流。从纱线微元分析入手，推导出动态加捻所遵从 的运动学方程 o t a t + a ( w r ) a x = a o x ( 1 - 1 ) 式中：丁：纱线捻度，t ：时间，阢纱线前进线速度，x ：纱线长度，7 z ：纱线 回转速度。 加捻的动力学方程 2 才e + 矿寻o n = k 0 苏t ( 1 - 2 ) 运动学方程( 1 1 ) 描述了纱线回转运动与捻度分布之间的关系，动力学方程 ( 1 2 ) 给出加捻力矩与纱线捻度及运动学参数间的关系。运用这两个方程，描述捻 度波在运动纱线中的传播过程。 基于纱线加捻的空间与时间性，在整个加捻过程中( 图1 2 所示) ，纱条捻度 是不断变化的，在一边加捻一边卷绕的动态情况下，当t 时间时，纱条a b 区段 捻度为t ，经过升出后，有v d t 长度的须条输入到a b 区，同时还有v d t 长度的 须条由a b 区进入b c 区。加捻器对a b 区在出时间内的增加量，与加捻器加入 a b 区的捻回减去同时从b 处带走的捻回。即 d 丁l = n d t 一肋( 丁+ a t ) ( 1 3 ) 式中n 是加捻器转速，y 是纱的轴向输出速度 最终对式子化简后，取t _ 0 0 ，a b 区的捻度满足稳定捻度定理 n = ，矿 ( 1 4 ) 稳态加捻时，纱线的运动学方程 互= 互+ ( 疗2 一n 1 ) v f ，1 5 1 式中乃、死和n l 、n 2 分别代表任何两位置1 、2 处的纱线捻度与回转速度。 对环锭纺纱稳态加捻系统进行理想分析时【8 】，当纱线前进速度v 低于捻度 波传播速度时，纺纱中所需的加捻力矩是通过纱线的扭转变形，即弹性扭矩 传递进入加捻区的。该情况符合环锭纺纱生产实际，其理论是捻度的传递和分布 的基础；而胗这种情况在环锭纺纱中几乎不会出现，因为捻度波传播速度圪 4 第一章绪论 通常大于3 6 0 0 m m i n ，而纱线前进速度y 则是1 0 - - - 2 0 m m i n ，相对于纺纱速度认 为捻度是瞬间传递，即纱条一旦加上捻回，捻度立即刻平均分布在整个加捻区域 上。 另外，郭保平等【9 】等根据牛顿定律，建立了描述纱线受阻与纱线及机器参数 间关系的数学模型。这是基于纱线动力学基础，对阻捻进行的研究。 1 3 3 2 捻度对纱线性质的影响 关于捻度与纱线外观直径的关系，早在1 9 5 0 年a l b e r t o 等【l o 】为研究捻度对 纱线密度的影响，提出了纱线标准直径的概念。定义纱线在拉伸载荷下发生断裂 时，纱中纤维只发生断裂，而没有滑移的情况下，在纱线断裂那刻的直径即为标 准直径，同时纱线密度与纱中纤维密度相同。将纱线直径与外加载荷紧密联系起 来，建立纱线直径与捻度之间的关系式 厂7 = = = = = = = = = 7 d ：2 ，拦生坠堡! ( 1 6 ) v 万+ b t ) 式中d 为纱线直径，e 为捻回角的正切值平方与捻度系数( 每米的捻回数 纱线线密度的平方根) 平方的比值，丁为纱线捻度系数( 每米纱线的捻回数) ，n 为纱线线密度。理论与试验拟合较好，在整个推导过程中，将纱线的捻缩考虑在 内，对于棉精梳纱运用b e s s e t 给出的e = 0 0 5 ，这对于研究短纤纱的加捻变形具 有一定意义，但在纱线临界断裂时要测试其各项指标，目前的试验精度难以达到 要求，操作起来不可行。 纱线捻度与强力之间关系，吴雄英【】以纤维的应力一应变为基础，结合纱线 的理想螺旋线结构，根据经典的纱线结构力学理论，对并捻复合纱的强伸性能进 行力学分析，预测出并捻复合纱拉伸力的理论方程。王善元等【1 2 】推导出两种不同 性能纤维平行复合纱强度的理想模型( r o m 2 ) ，以此为基础，提出一个经改进简 单的强度预测模型，并用p e t p a 6 d t y 丝平行复合纱的实验和其它研究者的实 验进行了验证。 1 3 3 3 加捻纱线结构及力学分析 纱线由纤维束或长丝捻合在一起，其纱体结构除与组成纱线的纤维有关外， 还与加捻的形式及加捻程度密切相关。 纱线加捻后，纱中纤维在扭转力的作用下，原来平行顺直的纤维产生弯曲、 倾斜扭转、拉伸。h e l l e b 】在长丝纱的基础上对短纤加捻纱的力学结构进行了理 论分析，提出了短纤纱的力学性能受纤维性质，纤维长度，纤维之间的相互摩擦 等因素的影响，纤维滑移和纤维断裂是造成纱短纤纱断裂的主要因素，纱中纤维 内外层受力与加捻程度并不一致。详细叙述了纤维间的摩擦力、纱线滑移对纱线 5 天津工业大学硕士学位论文 断裂的影响。这对于短纤纱的研究有很好的指导意义，只是短纤纱加捻纱也受到 剪切力作用，而文中并没有考虑剪切力。 p l a t t ，k l e i n 矛- i i h a m b u r g e r l l 4 】运用弹性理论和纱线理想螺旋线几何模型，对长 丝单纱的扭矩在理论上进行了计算。考虑到了加捻单纱中，因纤维的弯曲、扭转 造成的扭矩，可忽视了纺纱时纤维的应力一应变对纱线扭矩的贡献，即假定纱线内 部是零应力或零应变，文章也没有进行实验验证。p o s t l e 1 5 】在p l a t t ，k l e i n 的基础上， 考虑进了纤维的拉伸对纱线扭矩的贡献。h i c k i e 与c h a i k i n 】报道了新纺制的环锭 纱中，纤维的拉伸对纱线扭矩的贡献较大。他们并认为，由于纤维的拉伸对纱线的 抗扭刚度的贡献远大于纤维的弯曲、扭转对纱线扭矩的贡献，故由纤维的弯曲造 成的纱线扭矩可以忽略，这对研究短纤纱的加捻对纱线的剪切模量的影响具有重 要的理论意义。 考虑到加捻纱的扭矩是由纤维的拉伸、弯曲、扭转所产生的扭矩和，在坏 锭纺中忽略掉弯曲和扭转产生的扭矩，只考虑纤维的拉伸对纱线扭矩的影响时， 纱线的扭矩公式为 r 3 l = 7 1 - 层，p ，t a n 见( 1 7 ) z 其中尺为纱线直径，e ，纤维拉伸模量，e ，纱线张力，伊是纤维在纱体表 面的捻回角。 p o s t l e ，b u r t o n 1 5 】等通过试验发现式( 1 7 ) 适用于刚加工好的低捻精纺毛纱。成 纱后纱线张力大幅降低，纤维应力随之消退，真正所测得的纱线扭矩比预测的由 纤维拉伸造成的纱线扭矩小得多( 实际测得值仅为预测值的1 2 ) ，但一直大于由 纤维的弯曲、扭转对纱线扭矩的贡献总和。实际上成纱后，纱线因捻度的存在， 纱中纤维仍存在着应变，故以上对高捻纱扭矩的实际与预测结果所出现的误差， 分析得不十分合理。 z u r e k ，d u r s k a 【1 7 ：i 垂m p l a t t ，k l e i n 及h a m b u r g e r 1 4 】关于纤维的扭转和弯曲对纱 线扭矩的关系式，计算出混纺纱的总扭矩，从而得到混纺纱的剪切模量。实验显示 纱线捻系数较低时，实验结果与计算结果的一致性较好；捻系数较高时，实验结果 往往小于计算结果。吴雄英【l6 】运用试验的方法探讨了复合纱线的扭转性能，分别 从复合纱的线密度，混纺比，纱线结构三个方面对纱线扭矩的影响进行了分析， 相对而言，纱线的线密度和纱线结构对扭矩的影响最大。卢雨正【l8 】认为纱线密度 是连接宏观的纱线捻度与微观的纱中纤维排列密度的纽带，由此引申出纱中纤维 填充率p ，纱线密度即为纤维密度与填充率的乘积，在捻度变化时( p 也发生变化， 从而用q 来表征捻度与纱线的剪切模量，极惯性矩的关系。但这些理论并未能很 好地运用到竹节纱的实际生产中去。 6 第一章绪论 1 4 变支变捻环锭纱线的发展 随着纱线加捻理论的日益发展和市场对花式纱的需求，人们开始在纱线捻 度上进行思考，通过不同工艺改进p j , - 线的捻度、细度，纺制出了具有新颖的结构 特点和独特外观的花式纱，主要的代表纱就是竹节纱、结子纱和大肚纱。 其中结子纱【l 】的生产是贯穿整个纺纱流程，从前纺的开清棉、梳棉、并粗， 直到细纱工序，要适当放大后区牵伸倍数，放大罗拉隔距，降低锭速，增加捻系 数，选用大通道圆形钢丝圈等，才能完成外形分布结子的花式纱纺制。大肚纱的 纺制和竹节纱类似【1 9 1 ，需在环锭细纱机上另加装置，使前罗拉变速或停顿，也可 使中后罗拉超喂，以改变牵伸倍数，生成粗节。大肚纱主要以粗节为主，以突出 大肚。但是这两种纱线及其应用都不及竹节纱广泛。 在环锭细纱机上生产竹节纱【2 0 1 ，6 0 ：皇f - - 代在我国就出现了，到8 0 年代发展应 用就比较成熟了。这种竹节纱的竹节密度大，竹节长度小且明显，竹节与基纱过 渡急促，使竹节看起来较粗，所织织物手感丰满柔软，只是纱线的强力较低，限 制了其应用范围。 变支变捻环锭纱是随着近几年竹节纱的强力问题发展起来的，人们一直在 探索提高竹节纱强力，增加竹节的捻度的办法，从试验到机械装置做了大量的研 究工作。 张梅【2 l 】和黄莉，程隆棣等【2 2 】对竹节纱的粗细不匀导致成纱捻度分布不匀进 行了理论分析。张梅对环锭纺竹节纱的捻度进行测试，得出竹节倍数和竹节长度 对竹节和基纱的捻度变化影响较大，可通过增加竹节长度来减少竹节纱的捻度不 匀；而追加捻度后，竹节处捻度增加较少，并不能有效提高竹节纱强力。黄莉等将 竹节g , j , - 看成材料力学里的扭力杠杆，根据捻度重分布原理和材料直径过渡理论， 建立竹节纱加捻扭转过程的数学模型，通过模型推导计算捻度与其基本参数问的 关系。得知竹节纱捻度分布不匀是由纱线内部的扭转力矩平衡，但纱线直径不同 所导致。张立峰，陈贵翠和刘超颖【2 3 】等建立起竹节纱捻度与断裂强力的一元非线 性回归方程，计算出了不同规格竹节纱的临界捻度。由四因素三水平的正交方差 试验，建立了竹节纱临界捻度与比强度、节长、节距和节粗问的多元线性回归方 程。认为在一定范围内，竹节纱临界捻度随竹节纱比强度的增大而减小，随节长的 增加而减小，随节距的增加而增加，随节粗的增加而减小。 在环锭细纱机上纺制竹节纱，其装置一类是使用电磁离合器控制前罗拉停动 或中后罗拉超喂；另一类是采用步进电动机或伺服电动机控制前罗拉变速或中后 罗拉超喂。赵书国【2 4 j 在e j m l 2 8 k 细纱机上加装上z p 一2 0 d 型智能变支、变捻 纱控制系统，就是在原来的传动基础上，将中后罗拉与前罗拉传动系统分开，分 7 天津工业大学硕士学位论文 别加装两个伺服电机，一个控制中后罗拉，一个控制前罗拉，车头主轴处装有光 电编码传感器，车头上部安装控制柜。由天津工业大学数字化纺织研究所及潘庆 云【2 5 】开发出的d s s p 一0 1 小型数字化小样细纱机作为纺纱c a d & c a m 系统的一部 分，在建立各传动单元与竹节纱纺纱控制的数学模型上，采用可编程控制器为主 控制器，运用四套交流伺服系统独立传动前、中、后罗拉和钢领板，锭子采用变 频调速，实现了电子牵伸、电子成形和锭子变频调速。开发出计算机辅助纱线设 计与纺纱过程的在线监控软件系统，实现计算机辅助纱线( 包括竹节纱) 设计， 以触摸屏为人机界面，可实现纺纱工艺参数设计与纺纱过程实时监控。 变支变捻纱线发展至今，关于其捻度的分布，基本上都是试验研究，而对于 其纱线结构特别是捻度分布方面的理论研究较少。因此，本文在环锭纱结构的基 础上，对环锭变支变捻纱线的捻度分布进行理论上的探索。 1 5 本课题的研究内容及意义 纱线加捻过程的时空性，决定了在整个纱线的动态加捻的纺纱过程中，除 去纺纱张力，气圈形态，捻度传递的受阻等因素的影响外，根据最终捻度的守恒， 得出了稳定捻度定理。在成纱捻度稳定的基础上，国外的一些学者从1 9 世纪三、 四十年代开始，就对纱线结构及力学性能的进行了研究，其理论从长丝到短纤纱， 从单纱到股线，建立了一系列理论模型。但这些理论并未具体地将捻度与纱线结 构结合起来进行研究，故本文以环锭纱线的结构为基础，来分析纱线的捻度分布。 加捻是外力施予纱体，使之自身产生扭转变形，几乎改变了整个纱线的形 态。且随着捻度的变化，纱线的各项物理性能随之改变。具体到环锭短纤纱，纤 维的性质与纱体结构是决定纱线性能的重要因素。本文以纱中纤维为最小单元 体，建立纤维在纱中分层排列的理想模型，根据纤维的直径和在纱中的位置，确 定纤维在纱线截面上的几何排列，计算出整个纱线的极惯性矩，这是纱线剪切模 量推导的基础。 纱线的剪切模量与纱线的结构，纤维的性质及纱线加捻有关，但目前还未 有统一的公式。分析单根纤维在扭转变形时的受力状况，由于纤维拉伸和扭转对 整个纱体的扭矩贡献最大【1 6 1 ，纤维在纱线加捻时除绕纱轴扭转外，同时还绕自身 轴线扭转。纱中纤维在绕纱轴扭转时产生的拉伸、扭转力矩和自身扭转产生的扭 矩，共同构成了纱线的扭矩。由此扭矩和纱线截面的极惯性矩，可计算出不同捻 度下的纱线剪切模量，这是纱线捻度分布研究的重要理论基础。 根据在稳定态的纱线里面，沿着纱线轴向，其内部扭转力矩相等的理论引， 建立变捻变支纱线的扭矩平衡方程。根据竹节纱的竹节与基纱部分直径不等，纱 8 第一章绪论 线截面极惯性矩不等，造成粗细节捻度不同的特点，测试不同规格的竹节纱参数， 对建立的扭矩方程进行验证。接着对修正后的捻度平衡关系式进行编程，开发一 个可控的竹节纱工艺计算软件，以便有效地设置竹节纱参数，这对于结构型纱线 的开发和实际生产具有重要意义。 结合环锭纱线的结构，分析加捻纱线各项性能的变化，建立系统化的纱线 捻度理论模型，并将其运用到环锭竹节纱中去，从理论上分析出竹节纱竹节处捻 度偏低，成为强力薄弱环节的成因。由竹节纱工艺软件，可科学地改进纺纱工艺， 有效地控制竹节纱中弱捻弱节与强捻弱节的产生，这对于提高竹节纱的质量与扩 大应用范围具有积极意义，同时在理论上为结构型环锭纱新产品的开发具有一定 的指导意义。 9 纱线的物理机械性质，由组成纱线的纤维的性质和成纱结构决定。加捻作用 是影响纱线结构的重要因素。长丝、短纤维加上适当的捻度后，才能捻合成具有 一定机械物理性质和外观结构的长丝纱或短纤纱。 在整个成纱过程中，加捻是一个重要的过程，是纱线具有一定强伸性和稳定 外观形态的必要手段，加捻使纤维间产生正压力，从而形成切向摩擦阻力；同时 还使纤维产生张力，导致纤维在纱中产生径向位移，相互纠缠。从而使纱具有一 定强力和可使用性。 2 1 纱线的捻度指标 衡量纱线加捻程度的大小通常以捻度、捻回角、捻系数和捻幅这些宏观物理 量来表示。 2 1 1 捻度 纱条相邻截面间相对回转一周成为一个捻回，单位长度纱条上的捻回数称为 捻度。人们常用丁来表示捻度，棉纱线及棉型化纤纱线的特克斯制捻度瓦是以 纱线1 0 c m 长度内的捻回数表示。 捻度可用来衡量线密度相同的纱线加捻程度，当比较不同特数或支数纱线的 加捻程度时，就要采用捻回角或捻系数。 2 2 2 捻回角与捻系数 捻回角是加捻纱的表层纤维对纱轴的倾角，它是标志纱线加捻程度的指标 之一。由于不易测量，在实际中常用捻系数来比较纱线的加捻程度。由纱线表层 纤维螺旋线展开图，可推导出纱线捻系数a 。与捻度r 的关系式为： z 2 寿 ( 2 - 1 ) 其中m 是纱线线密度( t e x ) 。 天津工业大学硕+ 学位论文 2 2 3 捻幅 单位长度纱线加捻时，截面上任意一点在该截面上相对移动的弧长称为捻 幅。如图2 1 ( a ) 所示，a b 因加捻而倾斜至a b l 位置，口l 转动口角，纱段长度为h ， 弧b b l 就是该纤维曰点在截面上的位移弧长，即为捻幅。对于纱线截面内任一点 的加捻程度都可以用捻幅表示，如图2 1 ( b ) 。 r p。=po二(2-2) r 0 i i i 念, 幅p x 与该点到纱条中心轴线的距离r x 成正比。其物理意义可认为是纤维对 纱条轴线的倾斜程度，表示纤维应变应力的大小，故捻度大小可表示纱线截面 内捻度与应力的分布状态，这是捻合理论中常用的一种方法。 2 2 环锭纱的加捻与结构 ( a )( b ) 图2 1 单纱任意点的捻幅 环锭纱是指在环锭细纱机上，用传统的纺纱方法加捻纺制而成的纱线。纱 中纤维内外缠绕联结，纱线结构紧密，强力高。环锭纱一般都是短纤维纺纱，其 加捻是由钢领、钢丝圈将须条加捻成纱，钢领形状似环，故称环锭。 环锭纺纱的加捻和卷绕过程是同时进行的，整个加捻过程为须条由前罗拉 输出后，经导纱钩，穿过骑跨在钢领板边缘上的钢丝圈，卷绕在紧套于锭子上的 筒管上。锭子与筒管回转时，纱条产生的张力拖动钢丝圈绕钢领回转，钢丝圈每 绕钢领回转一周，就在纱线上加一个捻回。前罗拉不断地输出须条，纱条就不断 地得到加捻与卷绕。 成纱机理决定了纱线结构，环锭细纱的加捻，是在细纱机前罗拉和钢丝圈 之间完成的。须条的一端被前罗拉握持并不断输出，另一端随着钢丝圈被牵引回 1 2 下ilh上 图2 2 加捻三角区 因纺纱张力t l 和加捻作用，使纱线外层纤维与纱轴形成角度0 ，从而使纱 中纤维对纱芯产生径向压力t l s i n 0 ，外层纤维的捻回角0 大，t l s i n 0 大；中心纤 维捻回角0 小，t l s i n 0 就小。所以在j n 捻, 三角区，纱线外层纤维受力最大，将克 服纤维间的摩擦阻力向纱中心转移；纱线中心的纤维受力最小，将被挤出移向纱 线边缘。如此反复进行，纤维及有可能反复发生从内向外，再由外向内转移。对 于短纤纱，一根纤维可反复发生多次转移，其头端有可能纠缠在纱中，或露在外 面形成毛羽。 从整根纤维在纱中的内外转移来看，纱中纤维不是分层排列的，转移纤维 螺旋线呈圆锥形。在纱线短片段内，可把纱中纤维看成是分层的，一部分处在纱 线外层，一部分处在内层，无限多个分层的短片段组成了整根纱线。 2 3 环锭纱中纤维的排列方式 纱线是由短纤维或长丝束沿纤维或长丝的整个长度方向或某区段产生磨擦 1 3 天津工业大学硕士学位论文 抱合力，使纤维或纤维间相互抱合或缠结后不致松散或滑脱，并具有一定物理机 械性质( 如强度、伸长、弹性等) 和外观特征( 如光泽、毛羽、手感等) ，适于 纺织加工的单根或多股的线形集合体【引。 由纱线概念可知纱线就是加捻的纤维束，其横截面由单纤维截面与空气组 成。把纱线看成是纤维和空气的组合体，在加捻时随着捻度的增加，纤维束中的 空气逐渐被挤压出去，纤维在纱线中的体积比逐渐增大，纱线的各项性能都直接 受纱中纤维性质的影响，随着纱线中纤维体积比例的增加，纱线的结构与性质也 随之发生着变化。因此研究纱线结构，主要是对纱中的纤维进行分析研究，空气 对纱线的影响作用忽略不计。 在环锭纱短片段内，认为纤维是分层排列的。对该分层排列的研究，h e a r l e 【2 副 提出了纤维理想排列模型，这种理想模型中纤维束中问总是以一根单纤维为中 心，其余六根纤维呈圆形外接圆紧紧将那根纤维包围，纤维排列紧密而规则，如 图2 3 ( a ) ，姚穆等也提出了几种纤维排列方式，如图2 3 ( b ) ，这些排列方式均属 于理想排列范畴。但在实际中纱中纤维根数较多，无论按照哪种排列，最终整根 纱线都趋于圆形。 ( a )【b ) 图2 3 纤维理想排列示意图 根据短片段内纱中纤维可按照分层排布，且纱线最终呈圆形，建立理想的纤 维排列模型如图2 4 ，即在纱线的截面内，将纱线看作是若干根平行排列的纤维 束，通过加捻，纤维相互接触。纤维束中间是以一根单纤维为中心，其它纤维沿 中心纤维依次呈分层排布。认为在纱线加捻三角区及纺纱张力的作用下，单根纤 维发生从内到外，又从纱内到外的螺旋形移动，无论在纱线长度( 在纤维的长度 之内) 方向上任何地方截取横截面，同一根纤维都处于截面内，只是在不同截面 内的位置不同，即纤维在纱体中的位置发生了内外转移，而纤维的总根数并没有 发生变化。另外，纤维在加捻扭矩的作用下，向着纱线内部靠拢，使纤维在排满 纱线内层后，再依次向外层排列，从而使纱线截面呈现出内外层状结构。 1 4 第二章环锭纱的结构研究 _ 一x 9 盼 卜_ 2 再扣一 图2 _ 4 环锭纱截面中纤维理想排列模型图2 5 每层纤维所形成的圆周长 该理想模型的建立是基于以下假设： ( 1 ) 纱中纤维均是圆形，只相互接触； ( 2 ) 每层纤维排满后，再向外面一层排列，依次逐渐向外排列； ( 3 ) 纤维一圈一圈地依次排列开来，最终形成的纱线外缘轮廓也是圆形。 如图2 4 ，每层纤维的厚度等于纤维直径d ，从中心那根纤维开始，向外依 次为第一层、第二层、第n 层，每层纤维的根数为m ( i = 1 ，2 ，n ) 。 由纤维排列构成的几何图形，m 可计算出来。 由图2 5 ，根据几何理论，对于第一层纤维，如果纤维完全排满，该层纤维 的轴心均在一个直径为2 d t r 的圆周长上，而所有纤维直径和为l d ，这二者的长 度相等，则2 d 萨聆1 - d ，即n l ：2 7 r ，因纤维根数是整数，故取2 7 c 的整数部分。 同样地，第二层纤维根数为n 2 = 2 - 2 兀- = 4 7 r ， 第三层纤维根数n 3 = 3 2 ：7 r = 6 7 r 第f 层纤维根数为n e = i 2 7 r = 2 i t r( 2 3 ) 纱中纤维总根数为 = 1 + 2 川n ，= 1 + 2 ( 1 + 2 + 3 + + 胛) 万= 1 + 2 万半- - l + n ( ，z + 1 ) 万 ( 仁l ，2 ，以) ( 2 - 4 ) 由式子( 2 4 ) 知，纱中纤维排列n 层，纤维总根数为l + n ( n + 1 ) 尢的整数部分。 而实际上每层纤维的根数都是2 i r 的整数部分，这些整数相加，其和必定比 1 + ，z + l 协的整数部分要小。因此，理论公式与实际计算模型有一定的误差，并 且纤维根数越多，纤维排列层数越多，即n 越大，这个误差也越大。所以，应依 次计算出每层纤维的根数，再求其和即为纱中纤维总根数，这样计算才比较准确。 每层纤维的根数的计算结果依次列于表3 一l 。 具有不同纤维层数的纱线，其直径与纤维直径的关系为： d = 【2 f + 1 ) d ，( 卢1 ，2 ，z )( 2 5 )