第一节 络筒张力

一、络筒张力的作用及要求

络筒张力是络筒过程中纱线卷绕到筒子之前的张力。络筒张力的大小不仅影响筒子的卷绕成形和卷绕密度，还影响纱线的物理力学性能。张力过大，则使纱线受到过分的拉伸，其强度及弹性会受到损失，织造断头增加；张力过小，则筒子卷绕太松、成形不良，退绕时会产生脱圈或断头。另外，在一定的络筒张力作用下，纱线的弱节发生断裂，可为后道工序消除隐患，提高后道工序的生产效率。

络筒时纱线张力的大小，应根据纤维种类、纱线特数、卷绕密度等要求加以确定，一般可在下列范围确定。

棉纱：络筒张力不超过其断裂强度的15%～20%。

毛纱：络筒张力不超过其断裂强度的20%。

麻纱：络筒张力不超过其断裂强度的10%～15%。

桑蚕丝：2.64～4.4cN/tex。

涤纶长丝：0.88～1.0cN/tex。

络筒张力要求均匀，波动要小，从而使筒子卷绕密度内外均匀一致，筒子成形良好。一般认为，在满足筒子卷绕密度、良好成形的要求下，尽量采用较小的张力，以期最大限度地保持纱线的强度和弹性。

二、络筒张力分析

图1-2 轴向退绕中的管纱及气圈

1、2、3—第1、2、3节气圈 4—气圈颈部 5—气圈腹部 6—层级顶部 7—层级底部 8—退绕点 9—分离点

纱线从管纱上退绕时，一方面沿管纱轴线方向上升作前进运动，同时又绕轴线作回转运动，纱线的这种运动使其运动轨迹形成一个螺旋曲面，称为气圈。气圈各部位名称如图1-2所示，d为导纱距离，h为气圈高度。

构成络筒张力的因素有以下各项：纱线退绕产生的张力；张力装置对纱线产生的张力；纱线在通道中受各种导纱部件摩擦的沿程阻力以及高速运动的纱线受到的空气阻力。

（一）退绕张力

1.退绕点张力与分离点张力 在管纱卷装表面上受到退绕过程影响的一段纱线的终点称为退绕点，如图1-2中的8点。在退绕点以后的纱线在管纱上处于静平衡状态，其张力称为静平衡张力或退绕张力。由于纱线的松弛作用，退绕张力的绝对值一般很小，用T₀表示。纱线开始脱离卷装表面或纱管的裸露部分而进入气圈的点称为分离点，如图中的9点，分离点张力用T₁表示。处于退绕点和分离点之间的这段纱线称为摩擦纱段。

分离点张力的大小由下列因素决定：退绕点张力T₀；纱线对卷装表面的黏附力；纱线从静态过渡到动态需要克服的惯性力；由于摩擦纱段在管纱表面的蠕动需要克服的摩擦力等。以上诸力中，黏附力和惯性力两项数值很小，它们对分离点张力的影响可以忽略不计，而摩擦纱段与管纱表面的摩擦，使分离点张力远远大于退绕点张力，可以用欧拉公式计算：

T₁=T₀·e ^fα （1-1）

式中：f——纱线与纱层或管纱间的摩擦系数；

α——摩擦纱段对管纱的包围角（rad）。

例：令T₀=19.6mN，f=0.5，当α分别为0、π和2π时，可计算T₁分别为19.6mN、94.08mN和454.72mN。

由此可见，分离点张力T₁在很大程度上取决于摩擦纱段对管纱包围角α的数值。摩擦纱段长度增加，α增大，T₁以指数函数急剧增加。

2.气圈引起的张力 在气圈上截取微元纱段ds进行受力分析，假定纱线的退绕速度v及回转角ω均为常数，则前进运动及回转运动的切向惯性力均为零。作用在微元纱段ds上的力有以下几种。

（1）微元纱段的重力。

（2）空气阻力。纱线退绕时，同时作前进运动和回转运动，会受到空气的阻力。由于纱线直径较细，前进运动时所受的阻力可以忽略不计，可近似认为气圈只受回转时的空气阻力，其大小与气圈回转角速度的平方成正比。

（3）回转运动的法向惯性力。

（4）前进运动的法向惯性力。

（5）哥氏惯性力。纱线的运动由前进与回转两运动合成，而回转运动又为牵连运动，这样会产生哥氏加速度，微元纱段受到哥氏惯性力的作用。

（6）微元纱段两端的张力。

上述诸力构成了一个动态平衡力系，由分析可知，除了纱段两端的张力以外，只有回转运动的法向惯性力和哥氏惯性力略大，是构成气圈动态张力的主要因素，其他力都很小，可以忽略不计。管纱退绕速度增加，这两项惯性力也增加，使气圈引起的动态张力增大。但总的来讲，由于纱段质量很小，气圈运动所引起的动态张力对管纱退绕张力的影响非常小。而气圈的形状会影响摩擦纱段对管纱的摩擦包围角，从而影响分离点的张力。

管纱轴向退绕张力是指作用于气圈上端（导纱部件）的纱线张力，用T₂表示，它取决于分离点张力T₁和气圈运动所引起的纱线动态张力。由于气圈引起的纱线动态张力很小，因此，在络纱过程中，T₁是影响管纱轴向退绕张力T₂的主要因素，即如何均匀分离点张力T₁，成为均匀管纱轴向退绕张力T₂的关键。

3.管纱轴向退绕时张力的变化规律

（1）退绕一个层级时纱线张力的变化规律。图1-3为退绕短片段时纱线张力的变化规律，1为退绕层级顶部时的张力，2为退绕层级底部时的张力，层级顶部的退绕张力稍大于层级底部，这是由于层级顶部的卷绕直径小于层级底部，在相同的络筒速度下，层级顶部气圈的回转角速度大于底部。回转角速度的差异影响到气圈微元纱段上回转运动的法向惯性力和哥氏惯性力的变化，从而引起一个层级内退绕张力的波动。但层级顶部与层级底部直径差异不大，回转运动法向惯性力和哥氏惯性力数值很小，且退绕一个层级的纱线长度很短，所以纱线张力波动的幅度小且周期短，不会对后道工序产生不良影响。

图1-3 连续几个层级退绕时张力变化规律

（2）整只管纱退绕时纱线张力的变化规律。如图1-4所示，满管时（A点）管纱的退绕张力较小，此时出现不稳定的三节气圈。随着退绕的进行，管纱的裸出部分逐渐增加，气圈形状被拉长，纱线对卷装表面和空管的摩擦纱段逐渐增加使纱线张力逐渐增大。到达B点时，气圈颈部与管顶相碰，气圈形状瞬间突变，气圈个数减少，出现稳定的两节气圈，这时气圈高度突然增加50%，摩擦纱段瞬时增长，管纱退绕张力突然增大。在退绕到相当于C点时，气圈形状又一次突变，形成稳定的单节气圈，气圈高度增加100%，张力又有较大幅度的增加。气圈节数的减少是在最末一节气圈的颈部与管顶出现干涉时发生的。从C 点起，气圈一直保持单节，直至退绕结束。当退绕到管底时，退绕纱层逐渐接近纱管的表面，气圈形状瘦长，纱线对纱管的摩擦纱段急剧增加，使管纱退绕张力剧增。为了减少纱管对纱线的摩擦力，纱管表面尽量光滑。同时，为了防止纱圈滑脱，纱管表面刻有浅槽。

图1-4 整只管纱退绕时纱线张力变化

（二）张力装置产生的张力

管纱的退绕张力数值很小，例如27.7tex的棉纱，在络筒速度为450m/min时，退绕张力仅有98mN。若以这样的张力络筒，筒子将极其松软且成形不良，因此必须配备张力装置使纱线张力增大。张力装置是利用其对纱线的摩擦来增加纱线的张力。张力装置的工作原理主要有三种。

1.累加法 目前，络筒机广泛使用的张力装置都采用累加法工作原理，如图1-5（a）所示，使纱线1通过两对紧压的张力盘2、3之间，若纱线的初始张力为T₀，则通过张力盘2、3后的张力T₁、T₂分别为：

T₁=T₀+2f₁N₁ （1-2）

T₂=T₁+2f₂N₂=T₀+2f₁N₁+2f₂N₂ （1-3）

式中：f₁、f₂——纱线与张力盘2、3的摩擦系数；

N₁、N₂——张力盘2、3给纱线的正压力。

图1-5 累加法张力装置的工作原理

由此可以导出纱线通过n个张力盘后，纱线的张力T_n为：

T_n=T₀+2f₁N₁+2f₂N₂+……+2f_nN_n （1-4）

由式（1-4）可知，纱线通过各个张力装置后，其张力是依次累加的，所以称为累加法。如果不计动态张力波动的影响，累加法张力装置在适当增加张力值的同时，不扩大张力波动的幅度，从而降低了纱线张力差异的相对值。其张力变化如图1-5（b）所示。

张力装置对纱线产生正压力的方法有垫圈加压、弹簧加压、气动加压、电磁式加压等。对于垫圈加压，当纱线高速通过上下张力盘之间时，会由于纱线直径不匀而引起上张力盘和垫圈的剧烈跳动，使络筒动态张力发生明显波动，且络纱速度越高，张力波动越大。因此，使用这种张力装置时，必须采取良好的缓冲装置。

弹簧加压的张力盘质量较小，由其跳动所引起的正压力变化小。同时，由于纱线直径不匀引起弹簧的压缩距离的变化甚微，弹簧压力变化造成的正压力变化很小，从而络筒动态张力波动不明显。因此，自动络筒机广泛采用弹簧加压。

气动加压对纱线的作用均匀、稳定，纱线直径不匀所产生的动态附加张力较小，且全机各锭张力装置加压大小可以统一调节，锭与锭之间的张力差异很小。当变换品种时，调节非常方便。有的全自动络筒机采用电磁式加压方式，压力大小由电信号进行调解，压力稳定且可实现自动控制。

2.倍积法 纱线绕过曲面时，两者摩擦，结果使纱线张力增加。如图1-6（a）所示，纱线绕过曲面前后的张力分别为T₀和T，则：

T=T₀·e^fα（1-5）

式中：f——纱线与曲面的摩擦系数；

α——纱线对曲面的包围角。

同理，若纱线绕过n个曲面，则张力T_n为：

由（1-6）可知，纱线通过n个曲面之后，纱线张力是按一定的倍数增加的，所以称为倍积法。倍积法张力装置不会因纱线的粗细节或杂质而导致张力波动，但却会使纱线原有的张力波动幅度扩大，其张力变化如图1-6（b）所示。

图1-6 纱线绕过曲面获得张力的工作原理

3.间接法 张力装置除应用上述两种基本原理外，还使用了间接法原理，主要用在整经设备中。间接法张力装置是使纱线绕过一个可转动的圆柱体的工作表面，如图1-7所示，圆柱体在纱线带动下回转的同时，受到一个外力F产生的恒定阻力矩作用。设进入张力装置时纱线的张力为T₀，离开张力装置时纱线张力为T，则T可用以下公式表示：

图1-7 纱线绕过可转动圆柱体获得张力的工作原理

式中：r——阻力F的作用力臂；

R——圆柱体工作表面曲率半径。

在这种张力装置中，纱线对圆柱体工作面的包围角α要足够大，以免两者产生摩擦滑移。这种张力装置的优点是：纱线所受磨损小，毛羽增加少；不扩大张力波动幅度，张力不匀率下降；张力增加值与纱线的摩擦系数、纱线的纤维材料性质、纱线表面形态结构、纱线颜色等因素无关。但装置结构比较复杂是它的缺点。

（三）沿程阻力和空气阻力产生的张力

沿程阻力是指纱线从管纱上退绕下来到最后卷绕到筒子上，纱线绕过各种导纱部件的工作表面而产生的摩擦阻力。沿程阻力对纱线产生附加张力，这相当于倍积法张力装置，会扩大纱线张力的波动幅度，因此，在高速自动络筒机上，纱路尽量设计成直线，以减少纱线对各导纱部件的摩擦包围角。

在络纱过程中，高速运动的纱线还受到空气阻力的影响，空气阻力的大小与纱线长度及络筒速度的平方成正比。当络筒速度达到很高（2000m/min）时，纱线运动所受的空气阻力会上升为影响络筒张力的一个重要因素，这时要相应减小张力装置产生的张力。

三、络筒张力的均匀控制

（一）影响退绕张力的因素

1.导纱距离对退绕张力的影响 导纱距离即纱管顶端到导纱部件的距离，不同导纱距离d对退绕张力的影响如图1-8所示。

当导纱距离d为50mm时，从满管到空管一直保持单节气圈，由于摩擦纱段的逐渐增加，使张力由小逐渐变大，但波动幅度不大，如图1-8（a）所示。当导纱距离d为200mm时，退绕张力存在阶段性增加现象，张力变化幅度达到4倍以上，如图1-8（b）所示，这是因为满管退绕时出现五节气圈，退绕到管底时气圈减少到一节的缘故。

图1-8 导纱距离对退绕张力的影响

当导纱距离大于250mm时，满管退绕时出现六节以上气圈，而退绕到管底时，气圈节数仍保持在两节以上，始终不出现单节气圈。图1-8（c）为导纱距离为500mm时退绕张力的变化曲线，在满管退绕时出现十一节气圈，而退绕到管底时依然保留着三节气圈，退绕张力平均值和波动值都较小。

由此可见，在导纱距离等于50mm或大于250mm时，络筒张力的波动都较小。

2.络筒速度对退绕张力的影响 实际测试结果表明，提高络筒速度，退绕张力也随之增加。这是由于气圈回转的角速度增加，受空气阻力的影响，气圈形状变化，使摩擦纱段增长，分离点处的纱线张力增加。

3.纱线线密度对退绕张力的影响 由气圈微元纱段的受力分析可知，纱段的重力及惯性力与单位长度纱线的质量即线密度呈正比。因此，在同样的络纱条件下，纱线的线密度越大，纱线退绕张力越大。

（二）均匀络筒张力的措施

均匀的络筒张力，可以提高络筒速度，确保纱线的顺利退绕。均匀络筒张力的措施有以下几种。

1.选用合理的导纱距离 从上面介绍的导纱距离对纱线退绕张力影响可知，为了减少络筒时纱线张力的波动，可以选用50mm左右的短导纱距离或500mm左右的长导纱距离。自动络筒机普遍采用较长的导纱距离，但普通络筒机为了方便换管操作，一般选用70～100mm的导纱距离，纱线张力波动较大。

2.采用气圈破裂器、气圈控制器 气圈破裂器安装在纱管顶部与导纱器之间所形成的气圈部位，运动中的纱线与它摩擦碰撞，可以改变气圈的形状，抑制摩擦纱段长度变化，从而改善纱线张力的均匀程度。特别是当管纱退绕到管底时，原来将出现的单节气圈破裂为双节气圈，通过抑制摩擦纱段的增长，减少摩擦纱段对管底纱层的包围角（高速闪光摄影发现，在原先的摩擦纱段处出现小气圈而与卷装表面脱离接触），避免管底退绕时纱线张力陡增的现象发生。

几种常用的气圈破裂器如图1-9所示。其中圆环状及球状气圈破裂器体积小，多用于普通络筒机上。自动络筒机由于导纱距离很长，故多采用管状气圈破裂器。气圈破裂器的安装应以环、管的中心对准纱管轴心线，离管纱顶部30～40mm为宜。如使用球形气圈破裂器，则安装在离管纱顶部35～40mm处，略偏离纱管轴心线。管状气圈破裂器在使用时要注意入纱口的方向，图中所示的安装位置适于络Z捻纱，在络S捻纱时应倒置安装。生产实践表明，在三种管状气圈破裂器中，以截面为三角形的效果最好，尤其对减少崩断有明显效果，产生飞花等杂质也较少。在纱线特数较大，且管纱长度超过305mm时，推荐采用方形截面气圈破裂器，固定位置适当提高，可以均匀纱线张力，减少纱线绒毛的生成。纱线特数较小时，气圈破裂器的位置应适当降低。在确定气圈破裂器的安装高度时，主要应考虑纱线张力的均匀效果和崩脱的减少。

图1-9 气圈破裂器

图1-10 新型气圈破裂器的工作情况

1—管纱 2—气圈破裂器 3—纱线

上述传统的气圈破裂器仍存在一些不足，表现在气圈破裂器与退绕点之间的单节气圈，会随着退绕的进行高度逐渐增大。在高速络筒条件下，当管纱上剩余的纱量约小于满管纱量的1/3时，摩擦纱段长度明显增加，络筒张力急剧上升，这将影响纱线的物理力学性能和筒子的卷装成形。新型气圈破裂器（气圈控制器），它不仅能破裂气圈，而且可以随管纱的退绕而同步自动下降，保持该装置与管纱分离点之间的距离不变，从而有效地控制整个管纱退绕过程中的气圈，起到控制气圈形状和摩擦纱段长度的作用，从而均匀了络筒退绕张力，减少了纱线摩擦所产生的毛羽及管纱退绕过程中的脱圈现象。气圈控制器的工作过程如图1-10所示。

试验证明，使用新型气圈破裂器后，纱线退绕张力的不匀程度比使用气圈破裂器时得到明显改善，图1-11为使用不同气圈破裂器时纱线张力的变化情况。试验采用13.5tex纯棉纱，络筒速度为1500m/min。

图1-11 使用不同气圈破裂器时络筒张力变化情况

3.络筒张力的自动控制 传统的张力装置仅对纱线施加一个预先设定的阻力，阻力的大小不因纱线退绕张力的变化而变化，对络筒中存在的张力波动无法消除甚至是扩大。

新型络筒机采用的张力自动控制系统，如图1-12所示，由张力传感器3检测纱线的动态张力。当纱线张力发生变化时，传感器中的弹性元件发生变形，改变输出电流或电压的信号。此信号经计算机4处理后再传输给张力装置5，通过相应增减电磁加压装置对纱线施加的压力，使络筒张力保持大小适当、均匀。

图1-12 络筒张力自动控制系统简图

1—筒子 2—槽筒 3—张力传感器 4—计算机 5—张力盘 6—管纱