棉纺粗纱机纺纱张力分析

                                     粗纱机纺纱张力是粗纺工程重要的基础性研究课题，张力控制对纺纱质量影响很大，甚至由于离心张力的作用迫使高速粗纱机在大纱时降速运行。而由于现代粗纱机开始采用张力检测一反馈方式调控卷绕速度，这就对粗纱张力研究提出了更高的要求。本文对粗纱张力进行较全面的分析，并求取其数学表达式；估算其数值；探寻各参数间的关系和控制原理。重点探讨：①在线检测中，把粗纱悬垂程度作为衡量粗纱张力的尺度有何依据?是否合理?②“采用后高前低锭杆的等纺纱角”对缩小前后排张力差异有效果吗?③粗纱张力与锭速有何关系?高锭速引发的粗纱断裂原因何在?解决这个问题的办法只能是大纱降速吗?
    1原有粗纱张力表达式的不足
    如图1，粗纱从前罗拉输出至绕到管装，按纺纱张力发生的部位可分7个区段：粗纱从前罗拉输出点A到锭翼顶孔边缘B，AB为加捻悬跨段；从B点穿过锭管侧孔并在锭管外适当包绕后抵达C点，BC为锭管包绕段；CE为锭翼肩部水平过渡段；粗纱由E点穿入锭翼空心臂直到拐点I，EI为下斜导引段；从I到J是垂直导引段；粗纱从空心臂下口穿出后，在压掌杆上适当包绕后抵达压掌下压点K，JK为压掌包绕段；w为卷绕点，KW为卷绕段。本文定义B点粗纱张力为悬跨张力；K点粗纱张力为导引张力；w点张力为卷绕张力。他们都是纺纱张力。导引张力是在粗纱由悬跨点B导向压掌下压点K这个过程中的BC、CE、EI、IJ、JK各个路径段的摩擦阻力组成，以往的粗纱张力研究所给出的卷绕张力Tw的表达式是[2]的摩擦系数；θ1-粗纱在锭套管上包绕的角度(π／2或3π／2)；θ2-粗纱在压掌上包绕的角度(2π、4π或6π)；θ-自然对数的底。式(1)有以下几个不足之处：第一，粗纱在AR段各点的张力是不同的(分析见后)，B点张力最小，A点张力最大，此处TB：应特指B点粗纱张力而不能泛指AB段粗纱张力；第二，对张力TB没有解析，因而用(1)式不能进一步对卷绕张力进行估算和分析。而现代粗纱机大都通过捡测AB段粗纱的悬跨垂度来推断和调控粗纱张力，所以推求出以AB段粗纱垂度为自变量的张力TB的表达式显得非常重要，而式(1)却没有解决这个问题；第三，事实上从B点到K点，粗纱不仅仅因在锭管和压掌杆上的包绕而增大了张力。C点到W点各段粗纱因受到离心力的作用也会产生附加张力。计算表明，由于IJ段粗纱纱段较长、旋转半径较大、粗纱离心力较大，空心臂内腔表面对粗纱的正压力也较大，因而产生的摩擦阻力也较大，由此发生的粗纱附加张力是不应忽略的。此外，粗纱在CE段、EI段、JK段，由于受到科里奥利力(COriolis force)的作用，也会对粗纱张力产生影响。但计算表明，由于科里奥里力很小，对张力的影响也很小,可以忽略不计.第四,生产实践表明,在高锭翼速度和大卷绕直径的情况下，易发生卷绕层粗纱断裂，这显示粗纱所承受的卷绕张力与锭翼速度及卷绕直径有关，而式(1)却不能解释和表达这种现实；第五，式(1)没有考虑“离心张力”的作用。

    2悬跨张力TB
    2．1数学表达式
    粗纱实际受到沿粗纱长度方向均布荷载的作用，但由于悬跨垂度较小，可以折算成沿跨度方向的均布荷载来计算。图2(a)表示沿跨度方向均布荷载q作用下的纱段AB，A为前罗拉输出端点、B是锭翼顶孔穿入端点，曲线AB可用函数y=y(x)表示。两端张力TA与TB均沿切线方向作用。因水平方向无荷载作用，故纱条两端及纱条中任一点张力的水平分量H均为常量。取纱段dx为隔离体，其受力状况如图2(b)。

    计算表明，(12)与(10)相比，在f≤20mm范围内误差小于0．028cN。在工程估算中应用(10)式完全可以满足计算精度的要求。
    2．3分析
    2．3．1粗纱悬跨张力TB与粗纱定量G及悬跨弦长L的平方成正比；与跨中垂度f成反比。张力与垂度成等轴双曲线关系。
    2．3．2在垂度相同的情况下，前排悬跨张力是后排的(Lf／Lr)的两倍，对上例为3．40倍。
    2．4推论
    推论1  通过检测垂度就可以推断出悬跨张力。式(10)或式(12)都表明，TB是f的函数，G、L均为已知常数，用CCD摄像机测出垂度f就可以算出悬跨张力。因此可以说CCD在线张力检测在技术上是一个很大的进步。
    推论2“采用后高前低锭杆的等纺纱角纺纱”这一措施，与缩小前后排悬跨张力差异的初衷背道而驰，其结果是加大前后排悬跨张力差异。因为跨度是固定的，若后排锭杆提高，则与其相应的弦长L必然缩小，如式(12)所示，在垂度f相同的情况下，后排悬跨张力反而会更小。同理，若前排锭杆降低，则前排悬跨张力反而会更大。这对缩小前后排悬跨张力差异是有害而无益的，因而是不足取的。
    3导引张力

    图6、图7的数值轴是对数刻度。图6中相临两T1曲线竖向间距为e的μπ倍(本例为2．487倍)，虚线表示悬跨张力TB。图7中相临两T2曲线竖向间距为e的2μπ倍(本例为6．17倍)，虚线表示摩擦张力TM。
    5讨论
    5．1张力构成
    从式(35)可明显看出，卷绕张力由三部分叠加组成。
    Tl是由悬跨张力TB经锭管和压掌包绕放大ε倍而形成的张力，ε=e的u(θl+θ2)倍就相当于对悬跨张力TH的二级总放大倍数；Tl比悬跨张力TB大得多。Tl与锭速及卷绕半径无关。T1是卷绕张力中变化幅度最大的部分。
    T2是由摩阻张力TM经压掌包绕放大而形成的张力，TM的放大倍数τ=铲e的μθ2倍，T2比摩阻张力TM也大得多。T2与垂度及卷绕半径无关。
    T3离心张力。T3垂度及包绕角度无关。可以看出，离心张力数值比T1、T2小得多。计算结果表明，随着锭速的提高，离心张力加大，但增加幅度有限，本例锭速从500r／min，到2000r／min，张力T3仅增加约13cN。
    Tl和T2是卷绕张力的主体。
    5．1．2当ω=0，即锭翼停转时，T2=T3=0，此时， ，卷绕张力的表达式与(1)式相同。因此，可以认为以往的表达式(1)表示的是静态卷绕张力，即没有加捻运动、只有卷绕运动的卷绕张力。而式(32)所表达的才是动态卷绕张力。静态卷绕张力是动态卷绕张力的一个特例。
    5．2影响因素
    影响粗纱卷绕张力大小的因素有3个方面，共11个参数。
    第一是机型卷装规格。这方面共有3个参数：L、J、R。粗纱悬跨弦长L、锭翼空心臂垂直引纱段长度J和旋转半径R均随着粗纱卷装直径和长度的增加而增大，从而导致卷绕张力相应增加。这一类参数提示，卷绕张力与卷装规格有关。这是机型设计应注意的问题。但对一定机型来说，L、J、R、均为常量，在纺纱过程中不可能改变，因而不能作为调控张力的手段。
    第二是粗纱规格。三部分张力均与粗纱线密度ρ成正比；而离心张力T3则随粗纱捻度t的减小而增大。还有一个与粗纱规格(材料)和机型(锭翼相关部位的材质及表面状态)都有关的参数一摩擦因数μ(因一般μl=μ2=μ，所以作为一个参数)，μ增大则张力按指数函数关系增大。但是这3个参数都取决于产品工艺设计的要求，也不能作为调控张力的手段。
    第三是纺纱工艺参数。有上包绕角θ1、下包绕角θ2、锭速N、卷绕半径r和垂度f共5个参数。其中离心张力T3随卷绕半径r的增大而增大，但r的增加是纺纱过程的规律，不能作为调控张力的手段。虽然T2和T3均与锭速的平方成正比，但为满足机器生产率的要求，锭速也不宜作为调控张力的手段。而θ1和θ2的不同配置可使张力T1和T2按指数函数变化几倍、几十倍甚至百倍，因而包绕角度可以作为调控张力的手段，但θ1和θ2只能在纺纱过程之前设定，而不能在纺纱过程之中调节。垂度f是一个比较特殊的参数，对于现代卷绕速度可以调节的粗纱机来说，通过控制卷绕速度与前罗拉输出速度之间的速比就可以调控垂度，而通过垂度调控就可以实现对张力的在线实时调控。
    5．3在线张力测控问题
    5．3．1如前所述，通过检测垂度就可以推断出悬跨张力。这是当前在线检测张力的一个可行方法。但这种方法正如式(12)所示，垂度f只能反映悬跨张力TB而不能反映全部卷绕张力TW，因为T2和T3均与垂度无关。但由式(32)可以判定，在粗纱包绕角度(θ1+θ2)和摩擦系数μ稳定的条件下，垂度f也确可反映卷绕张力的最主要的组成部分一张力T1。f值虽不能反映离心张力的大小，但离心张力较小而且是可以推算的。因此可以说CCD在线张力检测在技术上是一个很大的进步。但当纺纱条件(比如温湿度)变化较大较快时，会引起摩擦系数波动，这时的垂度就只能反映悬跨张力了。这也是张力的垂度检测法不足之处。
    5．3．2垂度检测的另外一个问题是在小垂度条件下，会有较大误差。对式(12)微分可求得 ，即悬跨张力对垂度变化的灵敏度与垂度的平方成反比，随着垂度的减小，张力的大变化只能引起垂度的小变化，垂度反映悬跨张力的灵敏度急剧降低，这必然会导致检测误差的增加。
    5．3．2“整体检测，部分调控”可能是张力在线测控的一种较好办法。“整体检测”是说要检测整个卷绕张力以全面反映张力的大小，“部分调控”是说只要调控卷绕张力的某个组成部分也就可以达到控制卷绕张力整体的目的。“部分调控”问题在现代粗纱机上已经基本解决，就是已经可以根据张力检测数据在线跟踪调节筒管速度从而调控悬跨张力，使之达到要求的水平。问题在于现在的张力检测数据不是卷绕张力而只是卷绕张力的一个组成部分一悬跨张力。遗憾的是目前还没有其他能在线检测卷绕张力的可行方法。
    5．4前后排张力差异问题
    5．4．1从式(12)可以看出，欲使前后排悬跨张力相等，必使垂度比ff／fr等于悬跨弦长平方比 ，但由于前后排垂度不能分别单独调节(同一驱动源)，因而并不能达到这一要求，所以可以认为前后排悬跨张力存在差异是正常的。从纺纱工艺要求来看，卷绕张力一致才是最重要的。不必强求前后排悬跨张力一致。而且正如前文得出的结论：企图“采用后高前低锭杆的等纺纱角”来缩小前后排悬跨张力差异的结果将会适得其反。
    5．4．2虽然前后排悬跨张力TB不同。但从 可以推断，只要合理配置前后排不同的包绕角度(θl+θ2)从而调控放大倍数ε，使前、后排放大倍数与其相应的悬跨张力成反比，就可能侠前后排的卷绕张力相同。考虑到θ2会影响T2，因而只能调整上包绕角θ1。但现在包绕角度的调整太粗糙，θ1的调节步距是兀而且只有π／2和3π／2两档，放大倍数ε的调节比太大(2．487倍)。如果改进穿纱锭管设计，增加调节档次并把步距缩小到π／4以内，则ε的调节比就可以控制在 以下(μ=0．29时为1．256倍)，从理论上说，就有可能通过θ1的适当配置使前后排卷绕张力趋于一致。但这种办法在实践上会遇到一个老问题，那就是没有一个简单而有效的卷绕张力检测方法去判断调整的效果，而常规的伸长测试也只能得到粗略的结果。
    5．5高速粗纱机大纱时段卷绕层断纱问题
    5．5．1在锭速高、卷绕半径大的条件下容易发生卷绕层粗纱断裂现象。这种现象令人不解的直接原因是传统的粗纱卷绕张力表达式(1)并不含有锭速和卷绕半径这两个参数，也就是说，传统理论认为卷绕张力与锭速及卷绕半径是无关的，但根据作者所推出的张力表达式(31)和相应的图7、图8就很容易解释这一现象。因为张力T2、T3都与锭速的平方成正比，而离心张力T。随卷绕半径的增加也会快速上升。
    5．5．2卷绕层粗纱断裂并不是高速粗纱机独有的现象，只要卷绕张力大于粗纱强力就可能发生。从前文提出的影响卷绕张力的3个方面11个参数来看，锭速高、卷装大、卷绕半径大、包绕角大、摩擦因数大、粗纱定量重、捻度小、垂度小，都可能引发卷绕层粗纱断裂。在锭速并不高的情况下，由于工艺参数设置不当如包绕角过大等也同样会造成卷绕层粗纱断裂。
    5．5．3离心张力是惟一与卷绕半径有关的张力。在一落纱中，随着卷绕半径r的增加，离心张力加大，但因离心张力较小(本例不大于15cN)，它的单独作用是不致引起粗纱断裂的，然而如果处于张力T1、配较大的纺纱条件下(如高锭速、小垂度)，离心张力与张力Tl、T2的叠加也有可能使卷绕张力大于粗纱强力而导致断头。为了更好地解决这个问题，必须摆脱高速粗纱机大纱时段降速运行的思路，明确离心张力只是卷绕张力的一个不大的组成部分。因而不必降低锭速以求减小离心张力，而是可以用减小卷绕张力其他组成部分去抵消离心张力增加的办法，从整体上保持卷绕张力的稳定。使既能保持大纱高速运行，又不至于引起粗纱断裂。比如可以适度调小包绕角度θ1、θ2以降低Tl、T2。还可运用电脑粗纱机在线测控的优势，在大纱时段跟踪调控粗纱垂度f(降低筒管转速)，相应减小张力Tl，从而抵消离心张力的增加，就可能解决这一问题。
    5．6几个问题
    5．6．1粗纱卷绕过程中的张力自然调节
    当卷绕张力增大时，卷绕段粗纱对内层粗纱的径向压力就相应增大，由于粗纱具有弹塑性，因而就会把粗纱压得更扁，对应的粗纱卷绕半径变小，在筒管转速不变的情况下卷绕速度就会降低，其结果是使筒管与前罗拉之间的牵伸倍数下降，垂度f增大，卷绕张力下降。这就自然形成了一个负反馈过程。这一自然调节功能确实具有稳定卷绕张力的作用。但是还不能对这种作用作出定量的分析。
    5．6．2悬跨张力表达式
    公式推导中假定粗纱是一条静止的柔索，这和实际情况会有差异。

更多并粗会议论文请点击进入＞＞＞