棉纺环锭假捻集聚纺纱技术及其纱线结构与性能

摘要

集聚纺纱技术能在一定程度上改善和提高纱线质量，是目前最具有代表性的环锭纺纱新技术。本课题通过对环锭纺纱中须条集聚原理及方法的研究，分析了包括集聚纺在内的各种须条集聚方法、装置设备以及纺纱工艺的特点。提出并阐述了在传统棉纺环锭细纱机上采用假捻方法对须条进行集聚的假捻集聚纺纱方法，设计了相应的假捻集聚装置。对假捻集聚纱线的形态和结构以及性能、假捻集聚过程中须条捻度的变化规律进行了详细深入的研究，并通过一系列实验和测试分析和优化了假捻器参数和纺纱工艺参数。
　　 在初步实验中研究了不同牵伸形式、假捻器转向和转速比对假捻集聚纱线条干CV值、毛羽指数、断裂强度和断裂伸长率的影响。实验结果显示皮圈牵伸系统所纺纱线质量要好于简单罗拉牵伸系统。假捻器的转向要根据粗纱的捻向来选择，而假捻器的转速比则需要结合假捻器转向确定，太大或过小会使纱线质量有所下降。
　　 采用响应曲面方法研究了假捻器转速比、假捻器隔距以及假捻腔的曲率半径对成纱各项性能的影响并对以上参数进行了优化。分析显示纱线的条干CV值主要受假捻腔最小曲率半径的影响;假捻器转速比和假捻腔最小曲率半径对纱线毛羽指数的作用都比较明显;而上述三个参数对纱线断裂强度和断裂伸长率都有影响。采用满意度函数进行多响应优化的结果显示当假捻器转速比为0.367-0.374;距皮圈钳口距离为11mm;假捻腔最小曲率半径为18.2-18.3mm时，纱线的整体质量相对最好。
　　 借助于显微镜观察了纱线的纵向外观、表面纤维形态和捻回角，并用电子检测板(EIB-S)系统测试了纱线的表观平均直径。结果表明，当捻系数一定时，假捻集聚纱线随着假捻器转速比的增大，纱线外观逐渐变差。与同捻度的传统环锭纱相比，假捻集聚纱线在假捻器转速相对较低时，纱线段片段内的均匀度较好，毛羽也相对较少。而对于捻系数不同的假捻集聚纱线和传统环锭纱线，通常捻系数越高，纱线的外观也较好，表面包缠纤维也越少。通过对纱线表面纤维倾斜状态的观察，发现纱线表层纤维的捻回角基本上符合理论计算结果。采用切片法分析纱线横截面内纤维填充密度的变化规律显示传统环锭纱线和假捻集聚纱线都呈内紧外松的结构，可近似用一个三次方程来拟合填充密度在纱线不同半径处变化的规律。无论纺纱方法如何，纱线捻系数越大，填充密度也较大。假捻集聚纱线与同捻度的传统环锭纱线相比，其在靠近纱芯的内层填充密度较大，而在外层则略小。通过假捻集聚纱线与传统环锭纱线的性能对比发现，当捻系数为280时，无论假捻器转速如何，假捻集聚纱线的条干CV值均比传统环锭纱差。而纱线的毛羽指数、断裂强度和断裂伸长率也只有在假捻器转速比适当的条件下才好于传统环锭纱。当捻系数为360时，假捻集聚纱线的条干CV值和断裂强度只有在假捻器转速比较低时才优于传统环锭纱，而毛羽指数和断裂伸长率则可在较大的假捻器转速比范围内好于环锭纱。
　　 通过对假捻区域中须条的理论分析得出须条上的捻度有两种不同的传递方式。一种是假捻捻度从皮圈钳口处逐渐向前罗拉方向传递的方式，各段须条也因此而逐次与假捻腔之间发生相对转动，可称之为顺序传递方式。另一种是假捻器两端所产生的假捻捻度分别从两端向假捻器中间处传递，须条以相应的方式发生相对转动，称之为两端传递方式。须条上的捻度以何种方式进行传递主要取决于假捻器转速和假捻腔内不同位置处须条发生转动时其两侧须条之间的捻度差。而该捻度差又与须条上的张力、须条的结构、纤维物理性能以及假捻腔的形态参数有关。当各点处的捻度差一定时，不同传递方式下各区段须条上的捻度的变化规律也不尽相同，这主要体现在纺纱刚开始的很短的时间内，但很快就趋近于平衡，两种方式下各段须条上的最终稳定捻度是相同的。
　　 采用双响应曲面稳健设计方法对假捻集聚纺纱工艺进行了系统的分析和优化。实验中以纱线的断裂强度、断裂伸长率、条干CV值和毛羽指数为响应指标，首先采用部分因子设计的实验方法研究了假捻集聚纺纱方法中捻系数、后区牵伸倍数、后区隔距以及假捻器转速比对以上各响应指标的影响。根据实验结果确定出捻系数和假捻器转速比是对纱线各项性能影响最重要的两个参数，随后使用最速上升法逼近最大响应区域并找出进行双响应曲面稳健设计的中心点。在进行双响应曲面稳健设计中，以捻系数和假捻器转速比为因素的中心复合设计作为内表，以温度、湿度和假捻器机械状态形成的综合噪声因素的三个不同的水平为外表。通过一系列试验研究了捻系数和假捻器转速比与纱线各项性能之间的关系，并以各项性能的均值和标准差为响应分别建立了回归模型。各回归模型分别显示捻系数和假捻器转速比的一次项和平方项以及二者的交互作用对纱线断裂强度、断裂伸长率、条干CV值和毛羽指数的均值及其标准差的影响程度大小。此外，方差分析结果还表明，所得各模型拟合程度均较好，能反映出工艺参数与相应响应之间的关系。借助于响应曲面图和等高线图，详细分析了各个响应随着工艺参数取值的不同而发生变化规律和趋势。最后通过利用满意度函数方法将纱线性能进行多响应优化，得出当捻系数约为344，假捻器转速比约为0.34时，纱线总体性能达到最优。纺纱验证实验的结果表明本研究中所得出的模型比较合适。

目录

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摘要

第一章 引言

1．1 研究背景和意义

1．1．1 环锭纺纱技术发展概述

1．1．2 本课题研究的动因

1．2 环锭纺纱中须条集聚方法及机理的研究

1．2．1 须条集聚方法及装置的发展及现状

1．2．2 须条集聚机理及纺纱工艺的研究现状

1．2．3 对现有集聚纺技术及装备的评述

1．3 须条假捻集聚的研究进展及现状

1．3．1 须条假捻集聚方法及其装置

1．3．2 假捻集聚工艺对须条和纱线的影响

1．3．3 假捻区域中的须条上捻度变化规律的研究

1．4 本课题的研究目标与研究内容

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究的意义

1．4．3 主要研究内容和方法

1．4．4 课题的创新点

第二章 假捻集聚纺纱方法及假捻装置的设计和优化

2．1 假捻集聚纺纱方法的原理

2．1．1 基本工艺原理

2．1．2 假捻集聚装置的位置

2．2 假捻集聚装置的设计、机构组成及特点

2．2．1 假捻集聚装置的设计

2．2．2 假捻集聚装置的机构组成

2．2．3 假捻装置的特点

2．3 细纱机的改造及假捻器的安装

2．3．1 细纱机改造

2．3．2 假捻器的安装调节

2．4 初步的纺纱实验

2．4．1 原料及测试方法

2．4．2 细纱机的调节和纺纱参数设置

2．4．3 实验结果及分析

2．5 假捻器位置及结构参数的分析和优化

2．5．1 原料及纱线性能测试方法

2．5．2 纺纱工艺

2．5．3 实验设计及优化方法

2．5．4 实验结果及分析

2．6 本章小结

第三章 假捻集聚纺纱线的形态、结构与性能

3．1 纺纱实验及测试方法

3．1．1 实验原料及纺纱工艺参数

3．1．2 纱线形态、结构与性能测试方法

3．2 假捻集聚纺纱的外观形态

3．2．1 纱线外观的显微观察

3．2．2 纱线形态的电子检测

3．3 假捻集聚纺纱的纱线结构

3．3．1 实测结果图与讨论

3．3．2 纱线的填充密度分布及讨论

3．3．3 纱线的体积密度

3．4 假捻集聚纺纱的主要性能

3．4．1 基本测量结果

3．4．2 条干均匀性与毛羽特征的对比

3．4．3 拉伸性能的对比

3．5 本章小结

第四章 假捻区域中须条的运动和受力分析及捻度变化规律

4．1 假捻腔的轨迹与受力分析的假设条件

4．1．1 假捻腔的轨迹

4．1．2 运动及受力分析的假设条件

4．2 假捻区域中须条的运动分析

4．2．1 AB段和DE段须条的运动分析

4．2．2 BC段须条的的运动分析

4．2．3 CD段须条的运动分析

4．3 假捻区域中须条的受力分析

4．3．1 AB段和DE段须条的受力分析

4．3．2 BC段须条的受力分析

4．3．3 CD段须条的受力分析

4．3．4 须条上扭矩和弯矩的分析

4．4 假捻区域中须条上的捻度分布规律

4．4．1 假设条件以及捻度传递方式的分析

4．4．2 顺序传递方式中各段须条的捻度

4．4．3 两端传递方式中各段须条的捻度

4．4．4 捻度传递时各段须条间捻度差的确定

4．5 假捻腔形态及转速对捻度分布及变化的影响

4．5．1 各段须条的张力及捻度与假捻腔形态的关系

4．5．2 不同假捻器转速下的捻度传递方式及其变化规律

4．5．3 假捻腔形态呈抛物线时的分析

4．6 本章小结

第五章 假捻集聚方法的纺纱工艺分析及优化

5．1 方法与实验

5．1．1 一般方法

5．1．2 原料及工艺参数

5．1．3 实验设计

5．2 结果与讨论

5．2．1 部分析因设计

5．2．2 最陡爬坡实验

5．2．3 双响应曲面稳健设计

5．2．4 多响应的满意度函数法优化

5．2．5 最优化结果的实验验证

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 研究结论

6．2 课题展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的论文

附录

附录Ⅰ确定纱线横截面中心并划分同心圆环程序

附录Ⅱ假捻腔形态为抛物线形时张力及捻度的分布和变化