转杯纺假捻盘捻陷作用分析

王 姜，傅 婷，杨建平，汪 军，2

(1.东华大学纺织学院，上海 201620;2.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

假捻盘是转杯纺纱过程中不可或缺的重要元件，假捻盘的存在不仅赋予了纱条一定的假捻［1－3］，不同类型的假捻盘也会带来不同的假捻效果［4－6］，同时对加捻区域纱条的捻度传递有着一定影响，捻陷便是其中可能存在的一种现象。有关转杯纺假捻盘的假捻作用，研究者的观点达成一致，但是对于其是否存在捻陷或者阻捻，并未达成统一［7－8］。同时，同样认同捻陷作用的研究人员，对捻陷作用的作用效果也有着不同的看法［9－11］。本文系统研究了与假捻盘相互作用的纱条区域的捻度分布情况，并设计了模拟实验来分析其捻陷作用。

1 假捻盘两端纱条的运动分析

转杯纺纱正常进行的过程中，假捻盘两端的纱条(此处仅指凝聚槽与导纱罗拉之间的纱条)会呈现2种回转运动，如图1所示。图中PQ段连接转杯的凝聚槽，A端被导纱罗拉握持，图中条纹状图形代表纱条，而黑色填充区域为假捻盘截面形状，其与纱条的接触区域为GBO段，是一段1/4圆弧(在转杯工作过程中，OA段并不与假捻盘接触)，B点为此圆弧上任意一点，G点与O点为此圆弧的2个端点。当转杯转动时，首先会带动杯内的纱条(即PG段纱条)绕着假捻盘轴线转动;其次，因为纱条与假捻盘相接触，接触产生的摩擦力会作用于纱条使得整个纱条绕自身轴线转动。

图1 假捻盘作用下的纱条形态Fig.1 Form of yarn under effect of navel

在本文中，将纱条绕假捻盘轴线的运动称之为公转运动，将纱条绕自身轴线的转动称之为自转运动。公转运动必然会使得纱条的各个区域获得一定捻度，而捻度在纱条不同区域之间传递，就有可能出现捻陷或者阻捻现象。

2 加捻区纱条捻度变化模型建立

在研究加捻区(与凝聚槽和导纱罗拉之间的纱条有相互作用的区域)纱条的捻度情况时，本文首先讨论公转运动的影响，而后结合自转运动统一分析纱条的捻度分布。

2.1 公转运动对加捻区纱条捻度影响

纱条的公转运动会对整个加捻区的纱条产生作用，而其对不同区域纱条的捻度影响会存在一定差异，如图2所示。

图2 公转运动下的纱条受力示意图Fig.2 Yarn stress during revolution motion

图中C点为假想的假捻盘与纱条相互作用的圆弧区域的圆心，此作用区域的半径为r0。过点B作圆弧GBO的切线，过P点作此切线的垂线，交于B'点。同时，过P点作线段BC的垂线，交线段BC的延长线于D点。过G点分别作线段PD和线段BC的垂线，交线段PD于E'点，交线段BC于E点。此外，线段AO长度为S，线段PG的长度为L。

现令∠OCB=θ，可知∠E'GP与∠EGC同为θ，而四边形DEGE'为矩形，故线段DE的长度等于线段E'G的长度。

为使纱臂公转，P端加一作用力F(垂直于纸面向里)，F对断面B施加的扭矩为

而

式中:LPB'为线段PB'的长度;LCD为线段CD的长度;LCE为线段CE的长度;LDE为线段DE的长度。故可得:

当 θ=0时，M0=F× (r0+L);当 θ=π/2时，Mπ/2=0。

故整个AO端纱条承受的扭矩为M0，而施加在PG段纱条的扭矩为Mπ/2，恒等于0。纱条的捻度获得是与被施加的扭矩呈正相关的，即 Tw∝M，可得到:

由此可知，纱条的公转运动不会使得PG端纱条产生任何捻度，而AO段纱条捻度的变化最大，与假捻盘1/4圆弧相接触的纱条的捻度情况符合式(4)的计算。

综上所述，PG段纱条不会存在任何真捻，也必然不存在捻度传向OA段的情况，故假捻盘没有阻捻作用。而OA段会随着公转圈数的不同获得不同程度的真捻，当其捻度达到一定范围时，必然会传向PG段，假捻盘的捻陷现象会随之出现。

2.2 加捻区纱条的捻度分布

上节提到纱条有2种运动，都会对纱条的捻度产生影响，所以加捻区纱条的最终捻度分布情况是2种运动作用效果的叠加。

当纱条做公转运动时(如图1所示)，转动方向顺着OA方向看是逆时针，则OA端会获得Z向捻度。而PG端在转动的过程中又受到假捻盘摩擦力的作用，摩擦力矩的方向顺着OA方向看便是顺时针，沿OP的方向看，摩擦力矩的方向是逆时针，PG段纱条同样会获得Z向捻度。而假捻盘摩擦力矩的作用使得纱条做自转运动，产生的是假捻，所以OA端出现的假捻捻向为S捻。

由此可知，在不考虑OA段纱条的真捻向PG段传递时，OA段与GBO段纱条的最终捻度是公转运动产生的真捻与自转运动产生的假捻的叠加，而PG段的捻度完全是因假捻作用产生的。

综上所述，当纱条进行公转运动时，其不同区域会随着公转圈数的增加出现不同情况的捻度变化，而纱条不同区域的捻度的变化情况以及假捻盘的捻陷作用对纱条的捻度情况产生的影响，则在实验部分进行验证。

3 模拟实验与结果分析

在转杯纺纱机正常工作时，转杯转速每分钟在数万至十数万之间，在运行的转杯上进行实验显然不切实际，所以本文采用的是模拟实验的方法。

3.1 实验装置

进行实验之前，首先制作可近似模拟纱条公转运动的特定实验装置，如图3所示。

图3 实验装置示意图Fig.3 Experimental facility

把中轴固定于支架上，假捻盘连接在中轴底部，皮带盘与中轴同轴心且可绕轴心线转动，同时导纱圈固定于皮带盘上，而纱线经由中轴穿过假捻盘，再穿过导纱圈后连接重锤。假捻盘右侧纱条长度L=10 cm(纱条离开假捻盘位置至金属圈的长度)，上部纱条长度S=30 cm(纱条离开假捻盘位置至顶部握持端的长度)。

本文实验采用的纱条为并列的黑白2色纱线，当纱条有捻度时，黑白2色纱线扭转成1股，通过肉眼便可清晰地观测出纱条的捻回数，同时也可方便地计算出纱条的捻度大小。

实验开始时，外接电动机带动皮带盘及导纱圈匀速转动，假捻盘右端纱条随之发生绕假捻盘轴心线的公转运动，给予假捻盘上端纱条一定捻度，捻度增加到一定程度，会向下传递至假捻盘右侧纱条。但因为纱条是固定的(即无导纱运动)，所以此类捻度传递过程并非真正意义上的捻陷现象，但纱条捻度的传递过程与捻陷现象发生时的捻度传递情况是相同的，所以本文实验可在一定程度上研究假捻盘所造成的捻陷现象。

本文采用了3种质量的重锤，控制皮带盘匀速缓慢地转动不同的圈数，此时重锤的质量近似等于纱条所受的张力。然后再分别观测整根纱条上的捻度分布情况，找出假捻盘捻陷作用的一般规律。

3.2 结果分析

首先，实验采用的重锤质量为5 g，所得到的纱条不同区域的捻度情况如表1所示。

表1 5 g重锤下的纱条捻度分布Tab.1 Distribution of yarn twist under 5 g weight

表中N为公转圈数，T1为PG段纱条捻度，T2为OA段纱条捻度，yT为捻陷百分率，其数值为(1－T1/T2)×100%。纱条各区域的捻度大小分布情况以及公转不同圈数的捻陷百分率如图4所示。

图4 5 g重锤下的纱条捻度分布Fig.4 Distribution of yarn twist under 5 g weight

通过图4可看出，无论PG段还是OA段，纱条的捻度都呈上升趋势。PG段捻度刚开始增大缓慢，当公转圈数达到27转时，捻度突增，而此时OA段的捻度并未增加，所以可肯定OA段的捻回在此时大幅度地传向PG段。此外，捻陷百分率曲线刚开始呈现负值，也就是说OA段捻度小于PG段，所以此时PG段纱条的捻度并非来自OA段纱条的传递，而是因假捻盘的假捻作用产生的。

随后，采用的重锤质量分别升至10 g与15 g，所得的纱条不同区域的捻度情况及捻陷百分率如图5所示。

图5 10 g和15 g重锤下的纱条捻度分布Fig.5 Distribution of yarn twist under 10 g and 15 g weight

从图5中可看出，纱条捻度的变化趋势与图4折线类似，不同的是当纱条的公转圈数均达到了36转左右时，PG段捻度才发生突增。这是由于过大的张力使得纱条与假捻盘的摩擦力变得更大，捻度的传递更加困难。

4 结论

1)纱条的公转运动对纱条的不同区域所加的捻度不相同，其不会给予PG段真捻，所以假捻盘不存在阻捻作用。同时，纱条与假捻盘相接触区域获得的真捻分布符合式(4)所示，而假捻盘施加在OA段纱条的扭矩是最大的。

2)在给予纱条一定张力的情况下，当公转圈数达到一定时，便会发生捻陷现象，在不同张力下，假捻盘的捻陷作用程度是不同，纱条处于大张力下时，捻陷现象更不易出现。

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