环锭纺强控制柔性牵伸系统作用机制研究与实验

作     者：崔月敏 

作者单位：东华大学 

学位级别：博士

导师姓名：程隆棣

授予年度：2023年

学科分类：0821[工学-纺织科学与工程] 08[工学] 082101[工学-纺织工程] 

主      题：环锭纺 SDS牵伸系统 牵伸 纤维运动模拟 纤维变速点 纱线性能 

摘      要：牵伸是环锭纺纱的技术核心,对于牵伸技术的研究主要围绕牵伸元件、加压机构和工艺优化等方面,多采用“强控制、重加压的技术线路,旨在提高环锭细纱牵伸系统现代化水平,改善纱线质量和增加产品适应性。尽管环锭细纱机经历了大规模的改进和创新,但现代环锭牵伸装置仍采用双皮圈牵伸形式,包括SKF型和HP型等牵伸技术,未取得突破性进展,纱线质量的提高较为缓慢。虽然双皮圈弹性钳口可减少牵伸时产生的失控和死控现象,但上下胶圈的线速度存在一定程度上的差异,导致多种问题:(1)纤维束和须条由于皮圈间的速度差容易形成搓揉作用,从而影响成纱条干和粗细节等纱线指标;(2)皮圈间的速度差会造成摩擦力界的不稳定,影响纺线稳定性从而增加锭间差异;(3)皮圈间的速度差可能会产生静电,并导致纱条缠绕于胶辊、皮圈和罗拉等零部件上;(4)严重情况下,胶圈甚至会出现起拱和吊皮圈等现象。牵伸理论的研究主要包括三种:纤维变速点位置、须条变细曲线以及牵伸区内浮游纤维不规则运动而导致的条干不匀的研究。三种理论研究彼此相关,密不可分。目前牵伸研究虽已通过仿真模拟定量地探究了纤维的运动状态,但研究仅针对须条内整体纤维的单次变速情况,未涉及单根纤维在牵伸时的运动情况以及纤维变速后形成新的纤维分布对后续纤维运动的影响,牵伸过程中纤维的变速理论尚有完善空间。上述背景下,本课题基于单根纤维所受到的引导力与控制力的平衡,提出一种采用循环迭代法计算纤维变速点的理论模型,可计算得到所有单根纤维理论变速点位置以及牵伸区内各种纤维的分布情况,包括须条在牵伸区的变细曲线;基于该牵伸理论模型与广众纺机开发的牵伸系统,对环锭纺强控制柔性牵伸系统(即“SDS牵伸系统,下文同)与双皮圈牵伸系统相比下的特征优势进行分析,理论上探讨工艺设置改变对纤维变速点的影响,随后选取关键性工艺参数进行单因素实验,并以单因素实验结果为依据进行多因素优化实验来调控纱线性能,建立SDS牵伸系统与纱线性能间的相关性,达到纺制性能最佳纱线的目的;最后探讨采用SDS纺制半精梳纱以替代双皮圈所纺精梳纱的可能性。本课题具体的研究内容和相关结论如下:(1)建立一种采用循环迭代法模拟牵伸过程的模型,该模型可适用于罗拉牵伸和皮圈牵伸。根据牵伸区不同位置单根纤维上的控制力和引导力之间的关系建立,影响该模型的主要参数包括纤维长度分布、牵伸区压力分布以及牵伸倍数。通过仿真模拟,讨论了纤维长度分布、牵伸倍数、罗拉中心距以及附加压力位置对纤维变速位置的影响,并比较了牵伸区内纤维分布的变化。1)纤维长度的讨论:分别采用偏峰分布、均匀分布和等长分布的三种须条,探究纤维长度分布对纤维运动的影响。研究结果表明,纤维变速点位置仅与纤维的自身长度有关,与纱条内其他长度纤维的数量无关;随着长度的增加,纤维变速点位置向前罗拉钳口的方向移动,短纤维的提早变速是造成变速点分布变异系数高的主要原因。2)牵伸倍数的讨论:随着牵伸倍数的提高,纤维变速点会逐渐靠近前罗拉的钳口线;在纱条可以被牵伸开的前提下,牵伸倍数对纤维变速点分布的变异系数的影响并不显著。3)罗拉中心距的讨论:随着罗拉中心距的增加,长度短于浮游区的纤维数量增加,导致提早变速的纤维数量增加;相反,长度长于浮游区的纤维的变速点位置随中心距的增加更加集中,但变速点位置略微远离前罗拉钳口一些。由于随罗拉中心距的增大,短纤维数量逐渐增多,因此总体纤维变速点更加分散。4)附加压力位置的讨论:设置牵伸区内无浮游区,即牵伸区内的压力值均大于0,结果表明,牵伸区内稳定而平缓的压力分布更有利于纤维变速点的集中,但此时纤维的变速点位置离前罗拉钳口较远,在实际牵伸中存在不稳定的风险;其次是前附加压力情况,不单是纤维变速点向前罗拉的钳口线靠近,并且纤维变速点的分布也更加集中;总体上,短纤维变速点位置随着附加压力的向前移动而向前钳口移动。(2)采用磁力加压技术实现对牵伸通道强控制的柔性牵伸系统——SDS牵伸系统。相比传统双皮圈握持纤维,SDS采用更具柔性的网格圈和下曲线板对纤维进行握持,网格圈能完全根据下曲线板的表面曲率而变化,并与下曲线板之间的纤维保持稳定与持续的柔性握持。SDS牵伸系统可划分为柔性握持区域和曲线牵伸区域:柔性握持区域的压力分布仅与网格圈张力以及下曲线板的曲率半径有关,能够为纱线提供一段稳定的摩擦力界;在考虑纱线结构的情况时,曲线牵伸区域中纤维形成梯次牵伸,这能够保证牵伸的效率。课题通过计算与实验的方法分别得到了SDS与双皮圈牵伸系统的静态压力分布曲线,并通过纺制三种纱线初探SDS的纺纱性能。实验结果表明:SDS牵伸系统能够提供更长与稳定的摩擦力界,浮游区长度仅为5～7 mm,有利于对短纤维的控制;SDS牵伸系统对提高纱线质量具有一定的可靠性并且具有广泛的适应性,能够改善纱线条干均匀度并减少常发性纱疵,尤其是粗节。(3)为深入理