纺织技术 | 牵伸区内纤维的分布与运动控制（上）|向前|摩擦力|牵伸|纱线|纺织技术|罗拉|胶辊

纺织生产过程中，纤维的均匀性和伸直度是影响最终产品质量的关键因素之一。纤维在罗拉牵伸区中受到前后两对罗拉的作用而实现重新排列，探讨简单罗拉牵伸区内纤维数量分布的特点，以及牵伸倍数对前后弯钩纤维伸直效果的影响，可以更好地理解牵伸过程中的纤维运动规律，为优化工艺参数提供理论依据。

牵伸区内纤维的数量分布

若牵伸区只由前后两对罗拉所组成，而未采取任何其他控制纤维运动的措施，则称为简单罗拉牵伸。图1为简单罗拉牵伸区内的纤维分布。

图1 牵伸区内的纤维数量分布

I-I′表示前钳口，Ⅱ-Ⅱ′表示后钳口，R为前、后钳口间的距离。

图1中(a)中N(x)是钳口间须条各截面的纤维数量分布曲线，N2(x)是后钳口握持的纤维数量分布曲线，N1(x)是前钳口握持的纤维数量分布曲线。

把前后钳口间的须条取出后用切断称重法可求得N(x)。将两钳口间的须条沿前钳口线和后钳口线分别用两个夹子夹住，用梳子分别梳去这N(x)两撮须条中未被夹住的纤维，同样用切断称重法可以求得N2(x)。后钳口位置线上的纤维数量N2等于喂入须条横截面内平均纤维根数，前钳口位置线上的纤维数量N1等于输出须条横截面内的平均纤维根数，则牵伸倍数E=N2/N1。

为便于分析，以N(x)曲线为基准，将前纤维数量分布曲线N1(x)离底线的垂直距离相应地移至N(x)之下，这样直线阴影部分即表示前纤维在牵伸区内的数量分布，斜线阴影部分为后纤维在牵伸区内的数量分布，介于两者之间的空白部分则表示牵伸区内浮游纤维的数量分布（见图1(b)）。

由图可见，牵伸区中部浮游纤维数量最多，向两端逐渐减少。为便于对牵伸区中纤维运动进行分析，可以将上述三种纤维数量分布归结为快速纤维曲线k(X)和慢速纤维曲线K(X)分布（见图1(c)）。由图可知，牵伸区中由后向前慢速纤维逐渐减少至零，而快速纤维由零逐渐增加，这主要是牵伸区中浮游纤维受力变化而由慢速纤维变为快速纤维的结果。

影响纤维数量分布的因素很多，如喂入须条的均匀度，纤维长度的整齐度，纤维伸直度，牵伸倍数，罗拉隔距以及牵伸机构的性能等。如果N2和E不变，而增大罗拉中心距R时，则前、后钳口下纤维的数量不变，但浮游纤维数量增加；当N2和R不变，而增加E，则前钳口握持的纤维数量减少；当R不变，N2和E按同比例增加时，则前罗拉钳口握持的纤维数量不变，而后罗拉钳口握持的纤维数量增加。

牵伸区内浮游纤维的运动控制

2.1 控制力和引导力

纤维的运动取决于其受力情况。在牵伸过程中，对于一根运动的浮游纤维来说，要受到周围纤维的作用。通常，把快速纤维作用于牵伸区内某一根浮游纤维整个长度上引导其加速或保持快速状态的力称为引导力；把慢速纤维作用于牵伸区内某一根浮游纤维整个长度上阻碍其加速或保持慢速运动状态的力称为控制力。浮游纤维所受引导力与控制力的大小与牵伸区中须条的摩擦力界分布以及快慢纤维数量分布有关（见图2）。

纤维刚脱离后罗拉钳口的握持时，由于此后部摩擦力界强度大，慢速纤维多，故控制力大于引导力，该纤维继续以后罗拉速度向前运动。之后，随着该纤维的向前移动，其周围接触的慢速纤维数量逐渐减少，而快速纤维数量逐渐增多，同时后部摩擦力界强度也逐渐减弱，相反，前部摩擦力界强度在逐渐增强，因此，随着该纤维的前进，引导力逐步增大而控制力逐步减小，直至引导力大于控制力，该纤维便由慢速转变为快速。所以，浮游纤维的运动状态主要取决于作用于该纤维上引导力和控制力的大小。影响引导力和控制力的因素为：牵伸区内摩擦力界分布，浮游纤维的长度及其表面性能及各类纤维的分布。

图2 浮游纤维在牵伸区内的受力分析

图2为浮游纤维在牵伸区内的受力情况，其中图2（b）为牵伸区内摩擦力界分布图，图2（c）为快慢速纤维分布图。

设在x—x截面上的摩擦力界强度为P(x)，则作用在一根纤维单位长度上的摩擦力为μP(x)(μ为纤维间的摩擦因素）。设快、慢速纤维对浮游纤维的接触概率分别为k(x)/N(x)和K(x)/N(x)，则作用在浮游纤维整个长度上的引导力FA与控制力FR分别为：

式中：

显然，该浮游纤维有慢速转变为快速的条件为FA>FR，而当FR>FA时，纤维则保持慢速。

2.2 牵伸力和握持力

对于牵伸区中整根须条而言，受这样一对作用的力：受到前罗拉钳口握持下抽拔快速纤维而对须条施加的摩擦力，即为握持力；及在牵伸过程中所有快速纤维从慢速纤维中抽拔出来而受到的阻力的总和，即为牵伸力。牵伸力实质是须条牵伸时受到的张力。牵伸力与控制力、引导力有区别，牵伸力是指整个须条在牵伸过程中用于克服摩擦阻力的力，而控制力和引导力是对一根纤维而言。

保证牵伸顺利进行，握持力必须大于牵伸力。否则，须条就发生牵伸不开、在前钳口打滑、造成牵伸效率下降、输出条不匀率增大，甚至出“硬头”等不良后果。

2.2.1 影响牵伸力的因素

（1）牵伸倍数。当喂入须条定量不变时，牵伸力与牵伸倍数的关系如图3所示。当牵伸倍数小于临界牵伸Ec时，在此区域内主要是须条的弹性伸长或纤维伸直，随着牵伸倍数的增加，牵伸力亦逐渐增大；当牵伸倍数接近Ec时，快、慢速纤维间产生微量相对位移；当牵伸倍数超过Ec时,快速纤维与慢速纤维间产生相对位移，快、慢速纤维的数量比取决于牵伸倍数，牵伸倍数越大，则快速纤维数量越小，即前钳口下纤维数量减少，牵伸力越小。在Ec处，牵伸力最大，该牵伸倍数称为临界牵伸倍数。

图3 喂入定量不变时牵伸力与牵伸倍数的关系

在临界牵伸附近牵伸过程较复杂，波动大。在此区域中由于浮游纤维开始不规则运动以及快、慢速纤维数量的变化，从而使纤维在牵伸过程中处于滑动与不滑动的转变过程，因此该部分的牵伸力波动较大。在实际的牵伸中，应避开此区域以免影响浮游纤维运动，而导致的须条不匀率增加。临界牵伸倍数的大小与纤维种类、纤维长度和细度、须条特数、罗拉隔距和纤维平行伸直等因素有关。

当须条输出定量不变而喂入须条的定量变化时，则牵伸力与牵伸倍数的关系如图4所示。若牵伸倍数增大，即意味着喂入须条定量增加，慢速纤维增加，后钳口对须条的摩擦力界向前扩展，虽然前罗拉握持的纤维数量不变，但每根快速纤维抽出时受到的阻力增加，牵伸力亦相应增加。当牵伸倍数一定，而增加喂入须条量时，同样由于慢速纤维数量的增加以及摩擦力界的扩展，而使牵伸力增大。

图4 输出定量不变时牵伸力与牵伸倍数的关系

（2）摩擦力界。牵伸区中摩擦力界分布对牵伸力的大小有着很大影响，包括罗拉隔距、胶辊加压以及喂入须条的厚度等。

罗拉隔距的大小与牵伸力有密切的关系，如图5所示。在隔距很大时，隔距稍减小对牵伸力影响很小。随着隔距继续减小，牵伸力逐渐增大。当隔距减小到一定程度以后，因有部分快速纤维的尾端还未能脱离后钳口，所以前罗拉钳口不仅要克服纤维之间的摩擦阻力，还要将部分纤维从后钳口抽出，引起牵伸力急剧上升。从而导致纤维被拉断或牵伸不开而出现“硬头”，恶化输出须条的均匀度，严重的甚至无法开车。