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1、第3 0 卷第7 期 2 0 0 9 年7 月 纺织学报 J o u m a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 3 0N o 7 J u l 2 0 0 9 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 9 ) 0 7 - 0 1 1 2 0 4 纺纱牵伸波的产生机制及其消除方法 陈革1 ,丁立宇2 ,谭志银2 ( I 东华大学纺织装备教育部工程研究中心,上海2 0 1 6 2 0 ;2 东华大学机械工程学院,上海2 0 1 6 2 0 ) 摘要针对纺纱牵伸过程的牵伸波问题,分析在罗拉牵伸系统中短纤纱产生牵伸波的机制,认为纤维之间静摩 擦
2、因数大于动摩擦因数导致的黏滑运动是罗拉牵伸系统产生牵伸波的主要原因。提出对罗拉牵伸区的纤维束施 加高频微幅波,使牵伸区的纤维之间产生高频的微小相对运动,且纤维之间总是处于动摩擦状态,显著降低导致牵 伸波的纤维捆绑效果,从而避免黏滑效应,有效地消除牵伸波。这一设想通过实验得到验证。这种方法可应用于 新型纺纱牵伸系统的开发。 关键词纺纱;牵伸;牵伸波;机制 中图分类号:髑1 0 3 ,1 1文献标志码:A M e c h a n i s mo fg e n e r a t i o no fd r a f t i n gw a v e sd u r i n gs p i n n i n ga n d
3、 t h ew a yt oe l i m i n a t ei t C H E NG e l ,D I N GL i y u 2 ,T A NZ h i y i n 2 ( 1 E n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro f A d v a n c e dT e x t i l eM a c h i n e r y ,M i n i s t r yo f E d u c a t i o n 。D o n g h u aU n i v e r s i t y ,S h a n g h a i2 0 1 6 2 0 ,C h n a ; 2
4、C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ,D o n g h u aU n i v e r s i t y ,S h a n g h a i2 0 1 6 2 0 ,C h i n a ) A b s t r a c tT h eg e n e r a t i n gm e c h a n i s mo ft h es t a p l ey a m 8d r a f t i n gw a v e sd u r i n gr o l l e rd r a f t i n gi sa n a l y z e d I t i
5、sa s s u m e dt h a tt h eg e n e r a t i o no fd r a f t i n gw a v e sd u r i n gm i l e rd r a f t i n gi sm a i n l ya s c r i b e dt ot h ef i b e r - t o f i b e r s t a t i cf r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sg r e a t e rt h a nt h ed y n a m i co n e I ti sp r o p o s e dt h a tah i s h
6、f r e q u e n c yu n d u l a t i n gW a V e i si m p o s e do nt h ef i b e rs t r a n di nt h ed r a f t i n gz o n eo fm i l e rs y s t e m8 0t h a tah i g hf r e q u e n c ya n ds l i g h tr e l a t i v e m o v e m e n to c c u r sb e t w e e nt h ef i b e r si nt h ed r a f t i n gz o n e ,a n d
7、t h ef i b e r - t o f i b e rf r i c t i o ni sd o m i n a t e db yt h e d y n a m i cf r i c t i o nr a t h e rt h a nt h es t a t i co n e ,a n dt h u st h e “s t i c k s l i p m o t i o nw i l lb ee l i m i n a t e d A sa r e s u l t ,t h e f i b e rb i n d i n ge f f e c tc a u s i n gd r a f t
8、 i n gw a v e sC a l lb es i g n i f i c a n t l yr e d u c e d T h i sh y p o t h e s i si sv e r i f i e d b y e x p e r i m e n t s ,a n di tc a nb e 印p l i e dt ot h ed e v e l o p m e n to fn e ws p i n n i n gd r a f t i n gd e v i c e s K e yw o r d ss p i n n i n g ;d r a f t i n g ;d r a f
9、t i n gw a v e s ;m e c h a n i s m 在牵伸过程中为避免将长纤维拉断,通常要求 2 对罗拉之间的隔距必须大于最长纤维的长度,因 此,较短的纤维不能被牵伸罗拉充分地握持或控制, 这些短纤维被称为浮游纤维,他们在牵伸过程中的 运动具有不确定性。浮游纤维通常是成束状地一起 运动,从而引起纤维束牵伸的不规则性,这种现象被 称为牵伸波。牵伸波是罗拉牵伸所固有的,它直接 导致牵伸后的须条不均匀,从而降低后续工序的生 产效率,影响纺织品的质量,因此,消除牵伸波的技 术成为现代纺织加工技术中的一个关键问题。 如果正确选择罗拉的表面材料、罗拉的直径、上 罗拉的压力、纤维束侧向分
10、布的控制,被罗拉握持的 纤维其运动一般是可以预知的,而浮游纤维的运动 是不可预知的。由于浮游纤维被周围的纤维包围, 其中一些纤维以较快的速度运动,运动快的纤维对 浮游纤维施加向前的摩擦力,使浮游纤维有向前加 速的趋势;而其他一些纤维和浮游纤维一起以较慢 的速度运动,这些纤维对浮游纤维施加摩擦力,阻止 收稿日期:2 0 0 8 0 8 2 7修回日期:2 0 0 8 1 0 0 2 基金项目:国家自然科学基金资助项目( 5 0 7 7 5 0 3 4 ) 作者简介:陈革( 1 9 6 7 一) ,男,副教授,博士。主要研究方向为新型纺织机械的设计及机电一体化。E - m a f l :c h e
11、 n g e d h u e d u C l l 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第7 期陈革等:纺纱牵伸波的产生机制及其消除方法 1 1 3 浮游纤维向前加速运动,从而产生向后拉的趋势。 所有这些外力都是通过纤维表面的摩擦而形成的。 为了提高罗拉牵伸的性能,人们对影响罗拉牵 伸的各种因素进行了研究和实验,如前罗拉的表面 材料、表面纹理乜 、纱线的不规则性口1 等因素对罗 拉牵伸性能的影响。J o h n s o n 【4 0 对罗拉牵伸过程和
12、纤 维束弹性对条干不规则性的影响进行了计算机模 拟。史志陶瞪1 也分析了牵伸区须条内浮游纤维运动 变速点的分布。吕恒正怕1 分析了并条牵伸理论及其 应用。在生产应用中,为了控制浮游纤维,人们设计 了中间控制部件,所产生的附加摩擦力界使整个摩 擦力界接近理论要求,握( 托) 持而稳定地向前输送 须条,使纱条保持一定密度和强力( 张力) ,使整个须 条在伸直状态下进入前钳口。然而,中间控制部件 不能完全控制整个牵伸区的浮游纤维,它没有从牵 伸波产生机制的层面来解决牵伸波问题,因而有其 局限性。 影响浮游纤维运动的因素按其可控性分为3 类:1 ) 与之接触的快速纤维量、慢速纤维量、该浮游 纤维的长度
13、和状态是随机的,这些因素很难控制,因 此,人们几乎无法去研究。2 ) 纤维之间的正压力虽 然有一定的随机性,但可以通过罗拉牵伸系统的摩 擦力界来加以控制,因此,人们以前的研究主要集中 于通过提高罗拉牵伸系统的性能和改善罗拉牵伸系 统的摩擦力界来控制纤维的运动。然而,由于摩擦 力界对纤维控制的局限性,牵伸波问题并未得到很 好的解决。3 ) 纤维之间的静摩擦因数和动摩擦因数 是确定的,正因为摩擦因数的确定性,人们忽略了对 摩擦因数控制的研究。本文将从纤维摩擦属性的角 度来探索消除牵伸波的方法。 1 牵伸过程中纤维的受力和运动分析 1 1 浮游纤维的受力和运动 纤维处于浮游状态时,其运动具有不确定性
14、。 浮游纤维的运动主要决定于它的受力,每一根浮游 纤维都处于其他纤维的包围之中。以前罗拉速度运 动的快速纤维作用于浮游纤维上的力为引导力,。, 以后罗拉速度运动的慢速纤维作用在浮游纤维上的 力为控制力F 。 假设在与须条运动方向垂直的X - X 截面处,与 某根纤维接触的快速纤维量为A ( 菇) ,与之接触的 慢速纤维量为B ( 茗) ,截面X - X 处的正压力为P ( 髫) , 则在曩x 截面处的总纤维数为( 菇) = A ( 并) + B ( 菇) ,快速纤维与该纤维的接触几率为 A ( 石) i v ( 茗) ,慢速纤维与该纤维的接触几率为 B ( 茗) N ( 髫) ,则作用在整根纤
15、维上的引导力R 和 控制力F 。分别为 蹦石) = 厂锚毗如d 茗 蹦菇) = r 粥毗) t o d 髫 式中:I t 。为动摩擦因数;Z 为纤维长度;卢。为静摩擦 因数;口为纤维后端离后罗拉钳口的距离。 F 。 F ,则浮游纤维仍然保持慢速;F F 。, 则浮游纤维将变速。由于浮游纤维长短、状态及其 周围的纤维分布具有随机性,使其引导力和控制力 具有不确定性,从而导致浮游纤维在牵伸区中不同 的位置变速,纤维变速点的不同是引起须条不匀的 直接原因J 。 1 2 快速纤维的受力和运动 浮游纤维一旦进入前罗拉,被前罗拉控制,其运 动基本认为是确定的,其所受的牵引力为 F = w d t ,L c
16、 式中:1 1 ;,为单位长度纤维所受的压力;1 t ,为前罗拉 表面与纤维之间的摩擦因数;L 。为进入前罗拉加压 区的纤维长度。 快速纤维所受的控制力为 F B = F 酎+ F 舱= 卢1 2 7 c r ,。( g “ + g a ) 式中:t z 为纤维之间的摩擦因数;r l 为纤维的截面 半径;L 。为纤维嵌入纤维束中的长度;g ,为中间控 制部件施加在纤维束上的压力;g a 为纤维束内部压 力,其计算公式为 g z = 等鲁焘”曲( 秽毛)2 百才磊而仉协曲I 秽瓦J 式中:厅,为与快速纤维嵌入部分接触的纤维数;t , 为纤维抱合系数;E ,为纤维模量;E 。为纤维束纵向 模量;r
17、 t 。为纤维束横截面的纤维平均数;仉为纤维 定向效率系数;T 为须条的张力。 1 3 牵伸过程中纤维伸直的力学条件 牵伸区中纤维的伸直过程就是纤维的弯钩部分 和纤维主体发生相对运动( 即速度差) 的过程,其相 对运动依靠相互间的摩擦作用得以实现。纤维能否 伸直必须具备3 个条件:作用力、速度差、延续时间。 设F 。为作用在弯钩部分的引导力,F 。为 作用在弯钩部分的控制力,凡为作用在主体部 分的引导力,F 。为作用在主体部分的控制力,曰 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove th
18、e watermark 11 4 纺织学报 第3 0 卷 为弯钩弯曲处的抗阻力。则当以一F 。 B 、 F 。 F 时,纤维弯钩变速,主体慢速,前弯钩 纤维发生伸直。当F 一F 。 B 、F 。 F 时,纤维主体变速,弯钩慢速,后弯钩纤维发生伸直。 从上述分析可以看出:罗拉牵伸系统中纤维的 受力其核心是纤维与纤维之间及纤维与罗拉表面之 间的摩擦作用。 2 一种消除牵伸波的设想 罗拉牵伸引起的须条不匀主要是由牵伸波产 生,而引起牵伸波的主要原因是纤维之间的摩擦力 和抱合力的不确定性,特别是静摩擦因数( 岸。) 和动 摩擦因数( 。) 的不同所致。一些学者研究了纤维 的摩擦属性阻。引,认为纤维的静
19、摩擦因数卢。大于纤 维的动摩擦因数岸。,动摩擦因数和静摩擦因数的不 同是导致黏滑运动的主要原因。 本文提出这样一种设想:对牵伸区的纤维束施 加高频微幅的振动,使处于牵伸区的纤维之间产生 高频的微小相对运动,使纤维之间的摩擦处于动摩 擦状态,或由动摩擦占主导地位,那么,导致牵伸波 的纤维捆绑效果会得到显著的降低或消除,从而避 免黏滑效应,使被前罗拉握持的纤维可以更容易的 从周围的纤维中独立地被抽拉出来,从而有效地消 除牵伸波。 牵伸力是指用于克服纤维之间的摩擦,将纤维 束抽长拉细所需的力,因此,牵伸力的大小和变化反 映了纤维之间摩擦属性的变化。2 1 ,为此,本文做了 如图1 所示的高频微幅波作
20、用下短纤维束拉伸实 验,来观察高频微幅波下短纤维束摩擦属性的变化。 3 高频微幅波作用下短纤维束拉伸实验 高频微幅波作用下短纤维束拉伸实验得到的拉 伸力曲线如图2 所示,实验使用I N S T R O N 拉伸仪及 数据采集系统。纱条样品:棉粗纱,6 3 捻1 0c m 。振 动频率:5 0 0H z ;振幅:0 5m i l l 。 实验方法:1 ) 在I N S T R O N 拉伸仪拉伸纱条的过 程中,对卡纸处的激振点激振,并用数据采集系统实 时检测拉伸力大小,直至纱条被拉断。2 ) 根据采集 到的拉伸力数据,得到高频微幅波作用下粗纱拉伸 力变化曲线。3 ) 由于纤维分布的随机性,每次得
21、到 的拉伸力曲线都不一样,取其1 0 次实验的平均值 笺 稼 辐 一 R 量 捌 7 0 差5 0 13 0 - R 翥。 一1 0 正视图佣视图 图1高频微幅波作用下粗纱拉伸实验 F i g 1 D r a w i n gf o r c eo fr o v i n gi no f f - l i n et e n s i l e t e s ti m p o s e dv i b r a t i o n 拉伸量m m ( a ) 不施加高频徽幅波 拉伸量m m ( b ) 施加高频徽幅波 图2 高频微幅波作用下粗纱拉伸力曲线 F i g 2D r a w i n gf o r c ec u
22、r v eo fr o v i n gi no f f - l i n et e n s i l et e s t i m p o s e dv i b r a t i o n ( a ) W i t h o u tv i b r a t i o n ;( b ) I m p o dv i b r a t i o n ( 见图2 中黑色粗曲线) 。 比较图2 ( a ) 、( b ) 可以得出:没有施加高频微幅 m 如 加 m 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the wate
23、rmark 第7 期陈革等:纺纱牵伸波的产生机制及其消除方法 。1 1 5 波时,牵伸力大( 说明静摩擦的存在) ,牵伸力变化幅 度也大,且变化突然,说明存在静摩擦和动摩擦的转 化;施加高频微幅波时,牵伸力小,牵伸力变化幅度 也小、缓慢,说明静摩擦的作用不明显,动摩擦占主 导地位。由此得出,高频微幅波能有效减小短纤维 之间的黏滑效应,因此本文的设想得到了验证。 4结语 本文提出对罗拉牵伸区的纤维束施加高频微幅 振动,使处于牵伸区的纤维之间产生高频的微小相 对运动,使纤维之间的摩擦处于动摩擦状态( 或由动 摩擦占据主导地位) ,从而避免黏滑效应,有效地消 除牵伸波。高频微幅波作用下短纤维束拉伸实
24、验验 证了这一设想。这种从牵伸波产生机制的层面来消 除牵伸波的方法,可以为纺纱工艺的简化和参数设 置的优化打下一种全新的基础。在纺纱工艺中,当 牵伸比在1 2 1 8 时,须条中纤维处于滑动与不滑 动的不规则运动的转变过程中,快慢速纤维数量不 稳定,牵伸力变化非常剧烈,因此,在工艺上配置牵 伸比时,一定要避开1 2 1 8 这个临界牵伸比区 域。如果根据本文的设想,从源头改变纤维之间摩 擦属性,那么临界牵伸的问题可以得到解决。渊 参考文献: 1 T A Y L O RRA ,G R A H A MJS T h eI n f l u e n c eo ff r o n t - r o l l c
25、 o v e r i n g so nt h es p i n n i n gs t r e n g t ho fc o t t o n J T e x t i l eR e s J ,1 9 7 9 ,4 9 :7 1 7 7 2 3 P L O N S K E RHR ,B A C K E RS D y n a m i c so fr o l l e rd m f t l n g , I I r o l eo ff i b e rc r i m pi nt h et e n s i l eb e h a v i o ro fs l i v e r sa t l o wd r a f t s
26、o rs t r a i n s J T e x t i l eR e sJ ,1 9 9 7 ,6 7 ( 9 ) : 8 2 3 8 3 0 S H A R I E F FI ,V I N Z A N E K A RSG S p e e a a la n a l y s i so fy a m i r r e g u l a r i t ya n d i t s r e l a t i o n s h i p t oo t h e ry a r nc h a r a c t e r - i s t i e s J T e x t i l eR e sJ ,1 9 8 3 ,5 3 :6 0
27、 6 6 1 4 J O H N S O NN AG Ac o m p u t e rs i m u l a t i o no fd r a f t i n g J J o u r n a lo ft h eT e x t i l eI n s t i t u t e ,1 9 8 l ( 2 ) :6 9 7 9 史志陶,范松林牵伸区须条内浮游纤维运动变速点 分布的研究 J 棉纺织技术,1 9 9 7 ,2 5 ( 2 ) :3 4 3 7 S H IZ h i t a o ,F A NS o n g l i n As t u d yo nt h ea e e e l e r a t e d
28、 - p o i m d i s t r i b u t i o no ff l o a t i n gf i b e ri nd r a f t i n gz o n e J 】。C o t t o n T e x t i l eT e c h n o l o g y ,1 9 9 7 2 5 ( 2 ) :3 4 3 7 吕恒正并条牵伸理论及其应用 J 纺织导报, 1 9 9 5 ( 5 ) :5 5 6 1 L OH e n g z h e n g ,D r a f t i n gO i ld r a w i n gf l a m e :t h e o r y a p p h c a t
29、 i o n J C h i n aT e x t i l eL e a d e r ,1 9 9 5 ( 5 ) :5 5 6 1 Y O S H I D AK K A T 0M As t u d yo nt h ea c c e l e r a t e d - p o i n t d i s t r i b u t i o no ff l o a t i n gf i b e r si nd r a f t i n gp r o c e s s J J o u r n a l o ft h eT e x t i l eM a c h i n e r yS o c i e t yo fJ a
30、 p a n 。1 9 7 5 ,2 1 ( 4 ) : 9 5 1 0 2 B R I S C O EBJ ,Mo ,I A M E D IF R o l eo fi n t e r f a e i a lf r i c t i o n a n dl u b r i c a t i o ni ny a r na n df a b r i cm e c h a n i c s J T e x t i l e R e sJ ,1 9 9 0 ( 1 2 ) :6 9 7 7 0 8 P A NN S t r e n # o ft w i s t e db l e n df i b r o u s
31、s t r u c t u r e s : t h e o r e t i c a lp r e d i c t i o no ft h eh y b r i de f f e e 协 J JT e x tI n s t , 1 9 9 5 。8 6 ( 4 ) :5 5 9 5 7 9 L A N GJ ,Z H US ,P A NN C h a n g eo fy a mh a i r i n e s sd u r i n g w i n d i n gp r o c e s sa n a l y s i s o ft h et r a i lf i b e re n d s J T e x t i l e B e sJ ,2 0 0 4 ,7 4 ( t O ) :9 0 5 9 1 3 1 l - 1 J 1 - 1 J 1l_1J 1 J 1 J 1 J 2 3 4 5 6 7 8 9 加 r L r I - r L r L r L r L r L r L r L 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark
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