空心锭包覆纺纱包缠捻度及其分布的影响因素分析

敖利民，苏 娟, 唐 雯

(1.嘉兴学院 材料与纺织工程学院，浙江 嘉兴 314001；2.嘉兴学院 商学院，浙江 嘉兴 314001)

空心锭包覆纱的包缠捻度，即单位长度芯纱上缠绕外包缠纱的圈数，是包覆纱最重要的工艺参数，影响外包缠纱对芯纱的包覆效果[1-2]，不同颜色纱线复合时的混色外观效果[3-4]，以及不同性质纱线复合的结构和物理性质[5-6]等。

包缠捻度的大小主要取决于空心锭的锭速和芯纱的运动速度，在实用中，采用空心锭转速与芯纱运动速度(即引纱速度)之比计算包覆纱的名义包缠捻度。锭速是恒定的，一般不作调整，调整包缠捻度，可通过改变引纱速度的大小实现，引纱速度越大，包缠捻度越小。

实际上，由于包覆纺纱的“顺向包缠”作用特征，包缠捻度及其分布还受到包缠角变化、缠绕点移动、外包缠纱退绕速度变化、芯纱在包缠纱张力作用下的回转等因素的影响，在本文的前序研究[7]中，已从包缠作用的速度分析和张力分析二方面进行了初步定性探讨。本文在对外包缠纱退绕产生的附加缠绕，以及包缠张力引起的芯纱回转对包缠捻度及其分布影响进行理论分析的基础上，设计纺纱实验，纺制不同芯纱张力、芯纱线密度、引纱速度、芯纱均匀度的包缠复合纱，测试包缠捻度，探讨其分布特征，对理论分析结果进行实验验证。

1 外包缠纱退绕产生的附加捻度分析

1.1 退绕附加捻度的产生与估算

外包缠纱绕芯纱高速回转形成对芯纱的缠绕，理论上回转速度应等于空心锭的转速；但由于缠绕到芯纱上的外包缠纱随着芯纱一起向上输出，外包缠纱从锭管上持续退绕，因而形成附加回转，如图1所示。

图1 空心锭回转方向与锭管绕纱方向的配合关系

由于外包缠纱在锭管上的绕纱方向与空心锭的回转方向相反(这是空心锭机构实现其包缠作用的基本配置要求)，外包缠纱在锭管上退绕时产生附加回转的方向也就与空心锭回转方向相同。图中所示空心锭回转方向为顺时针，包缠捻向为Z 捻，此时锭管上外包缠纱的绕纱方向应为逆时针方向，退绕产生的附加回转方向即为顺时针；反之，若空心锭回转方向为逆时针，包缠捻向为S捻，则外包缠纱在锭管上的绕纱方向应为顺时针，退绕产生的附加回转方向即为逆时针。

外包缠纱对芯纱的缠绕转速，实际上是由空心锭转速和外包缠纱退绕产生的附加回转转速2部分组成的，且为二者的加和。外包缠纱退绕产生的附加回转捻度使复合纱的实际包缠捻度大于名义捻度。

按照包缠作用原理，如果不考虑外包缠纱在锭管上退绕剥离点的变化，单位时间内以螺旋线状缠绕到芯纱上的外包缠纱长度，应等于从锭管上退绕的外包缠纱长度。但是，外包缠纱从锭管上的退绕，只有在退绕一圈纱时，其气圈段的长度才是不变的。外包缠纱退绕剥离点随着其在锭管上退绕直径和高低位置的变化，处于不断变化之中。外包缠纱从满纱到空管的退绕作用特征是：退绕一层纱，退绕直径不变，剥离点从上边盘移动到下边盘或相反(上下边盘间距一般约为14 cm，视不同机型可能有差别)；退绕一落纱，空管到满管，剥离点从大半径到小半径(大小半径之差一般为5 cm左右)。因此，从退绕剥离点到缠绕点间外包缠纱气圈段的长度一直处于变化中。

图2示出锭管上外包缠纱退绕剥离点位于不同纱层、不同高低位置时气圈形态和长度的变化示意图，不同退绕直径和不同气圈高度，气圈段的长度会发生较大变化。因此，单位时间内，从锭管上退绕的外包缠纱长度，实际上等于气圈段变化长度与缠绕到芯纱上并输出的外包缠纱长度的代数和，气圈段变化长度的大小及正负，取决于外包缠纱退绕参考基点的选取：如果选择上边盘处大半径(外包缠纱气圈曲线1退绕点)为参考基点，则气圈变化长度为负值，此时退绕的外包缠纱长度中，会有部分长度消耗于气圈长度的增加，外包缠纱退绕附加转速增加；反之，如果选择锭管下边盘、小半径处(外包缠纱气圈曲线3退绕点)为参考基点，则气圈变化长度为正值，此时，会由于气圈长度的逐渐缩短，“释放出”部分外包缠纱长度，退绕的外包缠纱长度减小，外包缠纱退绕附加转速减小。

由此，单位时间外包缠纱在芯纱上的包缠长度，即有效输出长度L1与其在锭管上的退绕长度L2之间关系，见下式：

L1+δ=L2

(1)

式中，δ为单位时间内气圈长度的变化值。

而单位时间内，外包缠纱的有效输出长度等于其在芯纱上缠绕的螺旋线长度，可知：

(2)

式中：n为单位时间内外包缠纱在芯纱上的实际缠绕纱圈数；d为缠绕直径，其在数值上为芯纱直径和外包缠纱直径之和，cm；V为引纱速度(即芯纱速度)，m/min。

单位时间内，外包缠纱退绕长度为

L2=n′πDx

(3)

式中：n′为外包缠纱退绕转速,r/min；Dx为外包缠纱在锭管上的退绕直径,cm。

于是有

(4)

由前述分析可知

n=n0+n′

(5)

式中，n0为锭速,r/min。代入式(4)得

(6)

从中可解析出外包缠纱退绕附加转速n′及由此产生的附加捻度T′表达式，由于表达式太过复杂，这里不再列出。

如果考虑δ、d和Dx相对于V取值很小，可得简化后的附加捻度T′的表达式为

(7)

可用此式估算由外包缠纱退绕产生的附加捻度。

1.2 外包缠纱退绕附加捻度及不匀因素分析

影响外包缠纱退绕附加捻度的主要因素包括：空心锭转速n0、引纱速度V及二者所决定的名义捻度T0，另有包缠直径d和外包缠纱的卷绕直径Dx。在其他条件不变的情况下，锭速越大或引纱速度V越小，名义捻度越大，外包缠纱退绕引起的附加捻度越大；包缠直径越大，即外包缠纱和/或芯纱直径越大，外包缠纱退绕引起的附加捻度越大，而锭管的卷装直径越小，附加捻度越大。

导致附加捻度大小产生波动，进而影响捻度分布均匀度的因素，主要是外包缠纱退绕剥离点的变化所引起的退绕直径的变化和气圈段长度的变化值δ的变化。随着纺纱的进行，退绕直径逐渐减小，气圈段长度增加，消耗部分外包缠纱退绕长度，附加捻度减小；反之，气圈高度随着外包缠纱退绕点在上、下边盘间往复而产生周期性增大、减小变化，导致气圈长度周期性增大、减小，进而使附加捻度发生周期波动，并与退绕直径的变化产生复合作用。

退绕点在上、下边盘间的往复运动周期要远小于退绕直径的单调变化周期，但波动幅度要大于退绕直径的变化幅度，是导致附加捻度波动的主要因素。

外包缠纱退绕引起的附加捻度及退绕剥离点变化导致附加捻度的波动，是顺向包缠作用的固有特征，无法控制和消除。

2 包缠纱张力产生的附加捻度分析

2.1 附加捻回的产生与估算

图3示出外包缠纱对芯纱的包缠作用原理。在空心锭包覆纺纱的“顺向包缠”过程中，外包缠纱气圈因随着空心锭高速回转而产生包缠张力TW，即在缠绕点处以一定张力缠绕到芯纱上。张力垂直于芯纱轴向的分力T⊥作用在芯纱截面的切向，产生的力矩作用使芯纱产生附加回转，直至与缠绕点以下芯纱段的抗扭力矩达到平衡。

张力垂直于轴向分力T⊥对芯纱施加扭转作用的作用矩为芯纱半径rC与外包缠纱半径rW之和(扭转中心位于芯纱中心线上)，因此，在缠绕点处，芯纱受到的扭矩为

Mt=T⊥(rC+rW)

(8)

该扭矩使芯纱产生扭转，直至与芯纱抗扭力矩达到平衡，由此产生的扭转捻度T″[8]为

(9)

式中:T″为捻度,捻/cm;C为芯纱的扭转刚度,cN/cm2。

将式(8)代入式(9)得

(10)

在缠绕点处，外包缠纱张力使芯纱回转的方向与外包缠纱对芯纱的缠绕回转方向相同(芯纱由此产生的捻回的捻向与包缠捻向相反)，从而“抵消”部分外包缠纱对芯纱的缠绕转数，使实际包缠捻度减小。

2.2 影响包缠张力附加捻度及其不匀因素

从式(10)可以看出，影响包缠张力引起的附加捻度T″的因素包括包缠张力垂直于轴向的分力T⊥、张力作用矩(rC+rW)、芯纱的扭转刚度C以及芯纱张力等。

包缠张力垂直于轴向的分力主要取决于包缠张力及包缠角α，包缠张力和包缠角越大，分力越大，附加捻度越大。而包缠张力大小由外包缠纱线密度、表观直径、空心锭转速、气圈段长度等参数决定；包缠角则主要取决于影响外包缠纱气圈形态的诸多因素，如气圈段长度、外包缠纱弯曲刚度、包缠张力等。

在缠绕点处，芯纱受到包缠张力的扭转力矩作用产生扭转，并将扭转捻回向缠绕点以下的芯纱段传递，使芯纱产生抗扭力矩，直至张力扭矩与芯纱抗扭力矩达到平衡，缠绕点处芯纱不再回转，即包缠张力的扭矩虽然作用在缠绕点处，但芯纱因扭转力矩作用产生的回转，由于捻回会由加捻点向喂入点传递，却分布在缠绕点以下的芯纱段上。芯纱和/或外包缠纱直径越大，张力作用矩越大，有使附加捻度T″增大的趋势。但芯纱直径增大同样会使芯纱的扭转刚度C增大，这又使附加捻度有减小的趋势。

如果芯纱直径整体增大，会有上述正、反2个方面的效应；但如果芯纱粗细不匀，当粗节处经过缠绕点时，张力扭转力矩由于芯纱直径的增大而增大，但缠绕点以下的芯纱段的抗扭力矩并未同步、同比例增大，张力扭转力矩与芯纱抗扭力矩的平衡被打破，且增加的附加捻回由缠绕点向下传递(捻回总是向抗扭力矩小的片段或细节传递、集中)，附加捻回增加，导致附加捻度增大；反之，当细节经过缠绕点时，张力扭转力矩减小，扭转力矩与芯纱抗扭力矩平衡被打破的结果，则会导致缠绕点处的芯纱在抗扭力矩的作用下产生逆向回转(与包缠捻向相反)，使附加捻度减小。这是一个包缠张力扭矩与芯纱扭转力矩的平衡不断破坏再重建的动态平衡过程。如果芯纱上粗节后紧接着细节，2种作用叠加，则会导致短片段内附加捻度更为剧烈的变化。

作为黏性弹性体的纱线，芯纱扭转刚度C除与其材质、结构有关外，还与张力大小紧密相关，张力越大，扭转刚度越大，纱线越难扭转。由于张力的影响，芯纱的扭转刚度C不能按一般材料的扭转刚度公式进行计算，对于芯纱而言，张力对扭转刚度的影响有可能超过材料本身性状差异。

导致附加捻度波动，进而影响捻度分布的因素，除上述芯纱的条干均匀度外，还包括外包缠纱退绕剥离点变化引起的包缠张力的波动、气圈形态变化引起的包缠角α的波动、缠绕点的波动以及芯纱张力波动引起的抗扭刚度的波动等。这些引起包缠捻度分布均匀度的因素，也是“顺向包缠”纺纱技术所固有的，通过工艺调整可减小不匀的程度，但不能彻底消除。

从以上二部分的分析可知，包缠复合纱的最终包缠捻度T应为名义捻度T0加上外包缠纱退绕产生的附加捻度T′，再减去包缠张力使芯纱回转产生的附加捻度T″，即T=T0+T′-T″，附加捻度T′-T″构成了实际捻度与名义捻度的偏差。

3 实验分析

通过纺纱实验尝试探讨2种附加捻度对实际捻度的影响程度。

3.1 纺纱方案设计

实验所用设备为HKV-141D型空心锭包覆机，经自主改造后各主要机构均采用独立伺服电动机传动，空心锭转速、引纱速度、卷绕速度等均可由触摸屏直接输入设定。纺纱实验方案设计如下：

1)为探讨实际捻度与名义捻度的一般偏差大小，以白色111.1 dtex(48 f)涤纶低弹丝(DTY)为芯纱，黑色77.8 dtex(48 f)锦纶6全拉伸丝(FDY)为外包缠纱，纺制包缠复合纱(1#)，空心锭转速设定为15 000 r/min，引纱速度为30 m/min(名义捻度为500捻/m)，捻向S，纺纱张力调整至缠绕点不偏离，芯纱不弯折即可[7](记“张力1”)。

2)为探讨引纱速度(影响芯纱张力和名义捻度)对包缠捻度及其分布的影响，保持实验(1)其他参数不变，将引纱速度分别调整为20 m/min(名义捻度为750 捻/m)和50 m/min(名义捻度300 捻/m)，分别纺制2#纱线和3#纱线。

3)为探讨芯纱粗细(影响芯纱扭转刚度和包缠张力力矩)对实际包缠捻度及其分布的影响，保持实验1)中其他参数不变，芯纱分别采用2根和3根 111.1 dtex(48 f)涤纶低弹丝组成双芯纱和三芯纱，纺制4#和5#纱线。

4)为探讨芯纱张力(影响芯纱扭转刚度)对实际包缠捻度及其分布的影响，保持实验(3)纺制双芯纱时其他所有参数不变，增大芯纱纺纱张力，弹簧张力旋钮依次增加5圈(记“张力2”)和10圈(记“张力3”)，分别纺制6#纱线和7#纱线。

5)为探讨芯纱粗细不匀对实际包缠捻度及其分布的影响，以线密度为35.7 tex(28公支)湿法长麻纺漂白亚麻纱为芯纱，其他工艺与实验(1)相同，纺制8#复合纱。

3.2 捻度测试与分析方法

包缠结构纱线不能进行退捻(解捻)[9]，因此包缠纱的捻度测试不能采用普通单纱、股线的捻度测试方法。由于外包缠纱以圆柱螺旋线形态缠绕到芯纱上，上述纺纱方案中采用异色芯纱和外包缠纱纺制复合纱，旨在可通过直接点数单位长度纱线上外包缠纱纱圈的数量进行捻度统计。

为方便计数外包缠纱纱圈数量，计算实际捻度，本文设计的方法是采用摇黑板机(YG381型)将成纱绕至黑板(规格为250 mm×220 mm×2 mm)上，然后再计数纱线上的外包缠纱纱圈数量。

绕制黑板时，纱线张力应与纱线纺制时芯纱施加的张力相当，黑板上纱线的捻度才能准确反映外包缠纱缠绕时的实际捻度。但由于纺纱设备和摇黑板机上均缺乏数字化张力装置，本文参照GB/T 2543.1—2001《纺织品 纱线捻度的测定 第1部分：直接计数法》中纱线张力设定准则，按0.5 cN/tex 设定摇黑板机纱线张力，没有合适砝码时，张力偏小掌握，以确保绕到黑板上的纱线伸直，但不至于明显伸长。

图4示出为1#纱线的黑板及其局部照片，从黑板单面80个左右的纱段中，在不同部位分散均匀选取10个纱段计数纱圈数量(结果取整)，将其均值计为250 mm长纱段的平均纱圈数，由此计算纱线的平均捻度T、偏差值(T-T0，即T′-T″)和捻度偏差率，并以此推测外包缠纱退绕产生的附加捻度T′与包缠张力引起芯纱回转产生的附加捻度T″大小与变化规律。2#～7#包覆纱的包缠捻度均采用此方法进行测试。

图4 1#复合纱黑板及其局部照片

图5示出8#纱线的黑板及其局部照片，图中标尺刻度为1 mm。

图5 8#复合纱黑板及其局部照片

从图5可以看出，对粗细不匀的芯纱进行包覆时，捻回分布具有类似对粗细不匀纱线进行加捻的捻回分布特征：粗节处和细节处的捻度分布明显异于正常直径处，粗节处捻度显著小，而细节处捻度明显大；且粗节直径越大，捻度越小，细节直径越小，捻度越大。为比较捻度分布的差异，分别在黑板两面取5个直径最大粗节处和5个直径最小细节处，量取纱圈间距，粗略估算其粗节和细节处的相当捻度。

3.3 测试结果与分析

表1示出所纺制1#～7#各纱样主要工艺及包缠捻度测试结果。可以看出：1)每个纱样各纱段的捻度均存在一定的差异(CV值)，不同纱样的捻度波动幅度不同，但在所选工艺参数下，波动幅度均在较小的范围内(<2%)。

2)由纱样1#、2#、3#的捻度测试结果可以看出，当其他条件不变时，随着芯纱速度的增大，即设计捻度的减小，捻度偏差值由负转正，且捻度不匀率减小。芯纱速度增大、名义包缠捻度T0减小，由式(7)可知，外包缠纱退绕产生的附加捻度T′会减小，而捻度偏差由T′-T″产生，由此可以判断，当芯纱速度增大时，芯纱扭转产生的附加捻度T″也减小，且减小的幅度大于T′减小的值。这是因为提高芯纱引纱速度，增大了芯纱与张力装置及接触机件的摩擦力[10]，因而增大了芯纱张力，从而增加了芯纱的扭转刚度C，由式(10)可知扭转刚度C的增大，导致了附加捻度T″减小。同时，芯纱速度的增大，张力绝对值增大，因而使张力波动程度减小，附加捻度T″及实际捻度的波动减小(CV值减小)。

3)纱样1#、4#、5#的差异在于芯纱线密度不同，并因此引起芯纱直径dC和扭转刚度C的变化，由式(7)可知：在其他条件不变的情况下，芯纱直径dC增大，使外包缠纱对芯纱的缠绕直径d增加，附加捻度T′增加；同时芯纱线密度增大使其扭转刚度C增大(扭转刚度C芯纱直径dC成正比)，由式(10)可知，扭转直径C增大使附加捻度T″减小；但芯纱直径dC增大同样使外包缠纱张力对芯纱的扭矩Mt增大，从而使T″增加。当芯纱由1根变为2根并合时(在外包缠纱螺旋缠绕作用下会圆整为近似圆形)，捻度偏差T′-T″由-0.8减小到-10.0，表明起主导作用的是芯纱直径增大使芯纱的扭矩Mt增大，实际捻度偏差增加；当芯纱由2根增加到3根并合时，捻度偏差T′-T″由-10.0变为-0.4，表明芯纱直径增大使芯纱的扭矩Mt增大的主导作用减弱，扭转刚度C增大和附加捻度T′增加的影响增大。同样，芯纱直径的增大对包缠张力的波动有放大效应(扭矩Mt波动增大)，使实际包缠捻度波动增大，这在芯纱由1根增加到2根时起主导作用；同时芯纱直径的增大又有利于降低芯纱张力波动对芯纱扭转刚度C的影响程度，使捻度不匀率CV值降低，这一趋势在芯纱由2根增加到3根时起主导作用。

4)4#、6#、7#纱样的差异在于芯纱张力的大小。芯纱张力仅影响芯纱的扭转刚度C，进而影响附加捻度T″。从捻度测试结果可看出，6#纱相对于4#纱，芯纱张力增加时，捻度偏差由-10.0变为8.8，表明芯纱张力增加，较为显著地减小了T″的值，但继续增加芯纱张力的7#纱，相对于6#纱而言，捻度偏差的变化显著程度下降，表明当芯纱张力增大到一定值后，扭转刚度C的变化及其引起的附加捻度的变化T″不再明显。芯纱张力的增大有利于降低张力波动的幅度，包缠捻度波动的CV值逐渐减小。

由于黑板上的绕纱容量大约在40 m，以上包缠捻度测试结果是在40 m长纱样(卷绕直径变化微小)内的测试结果。可以推断，对于外包缠纱一落纱的纺纱过程(锭管从满管到空管)，由于外包缠纱退绕直径变化范围增大，实际包缠捻度的变化会有所增加，但由于外包缠纱退绕直径变化范围相对于引纱速度而言毕竟是一个很小的变化量(引纱速度一般为30 m/min左右，而卷绕直径变化最大一般不超过5 cm)，外包缠纱退绕直径变化引起附加退绕转速变化、气圈段长度和外包缠纱张力变化，因而引起的包缠捻度的波动范围也会在一个比较小的范围内。

由于外包缠纱圈对芯纱的包缠会导致缠绕处纱线的变形，外包缠纱纱圈覆盖处芯纱直径无法测量，但可由芯纱上粗细节处的直径进行大致估算。亚麻芯纱上，显著粗节处的表观直径可达0.8 mm左右，而最细的细节处表观直径只有0.2 mm左右，差异可超过4倍。亚麻纱包覆纱黑板双面所取5个直径最大粗节处的平均纱圈间距为4.5 mm(实际捻度222 捻/m)，5个直径最小细节处的平均纱圈间距为1.0 mm(实际捻度1 000 捻/m)。包覆纱的名义捻度为500 捻/m，亚麻纱的粗细不匀引起的短片段捻度偏差率可达100%，而粗细节之间的捻度差异可达4倍以上。芯纱粗细不匀引起的包缠捻度分布不匀要显著得多。不难推断，外包缠纱的粗细不匀也会引起包缠直径和包缠张力的变化，从而引起包缠捻度的波动，但其引起的波动程度可能不及芯纱粗细不匀，因为如前所述，芯纱粗节和细节引起的附加捻度的波动具有叠加效应。

捻度的分布不匀将导致复合纱不同长度片段上外包缠纱对芯纱包覆度的差异，当芯纱和外包缠纱染色性存在差异，或采用不同颜色的芯纱和外包缠纱纺制混色纱，包覆度的差异即在复合纱长度片段上产生色差。对于要求颜色均一的产品，必须严格控制芯纱的粗细不匀。

但是，纱线长度方向片段间颜色的差异，有时也是产品开发时寻求的一种产品风格。比如，生产中有一种包覆纱加工技术，采用类似环锭纺竹节纱的控制装置，控制芯纱变速喂入，实现异色外包缠纱对芯纱包覆度的随机变化，从而产生“弱段彩”效果。

以具有显著粗细不匀特征的纱线作为芯纱纺制混色复合纱，纱线整体呈现芯纱和外包缠纱的混色外观，但粗节处包缠捻度少，更多呈芯纱颜色，而细节处捻度大，包覆度高，更多呈外包缠纱颜色。图6示出采用市售18.2 tex纯棉竹节纱为芯纱，黑色111 dtex(48 f)涤纶DTY为外包缠纱纺制的复合纱的黑板及其局部照片，名义包缠捻度为600 捻/m。纱线整体呈“麻灰色”(混色)，由于捻度分布的差异，竹节处外包缠纱捻度明显低于正常直径处，“竹节”外观效果更加突出，同时竹节处覆盖度低，更多呈现芯纱颜色，复合纱长度方向呈“弱段彩”特征。

图6 竹节包覆纱

4 结 论

对于采用“顺向包缠”方式实现外包缠纱对芯纱包覆的空心锭包覆纺纱，外包缠纱退绕产生的附加回转，以及包缠张力对芯纱的扭转作用产生的芯纱附加回转，都对复合纱的包缠捻度产生一定的影响，外包缠纱退绕产生的附加回转对包缠捻度有增捻作用，而芯纱扭转产生的附加捻度与包缠捻向相反，会使实际包缠捻度减小。

2种附加捻度及其波动是顺向包缠作用的固有特征，无法消除。包覆纱的实际包缠捻度偏差及其分布均匀度随空心锭转速、芯纱速度、纺纱张力、芯纱直径等工艺参数的变化而变化，但在实验涉及工艺范围内，附加捻度引起的捻度偏差率和不匀率均在较小范围内。芯纱的粗细不匀会显著恶化成纱短片段捻度分布的均匀度，捻回分布特征类似纱线加捻，粗节处捻回少，细节处捻回多。利用捻回分布不匀产生的包覆度的差异，采用粗细不匀芯纱和异色外包缠纱可纺制具有“弱段彩”外观的混色纱。