细纱卷绕的张力控制与断头问题优化建议

（一）卷绕张力分析

1.细纱卷绕张力的形成 在环锭纺纱的加捻卷绕过程中，纱线要拖动钢丝圈回转，须克服钢丝圈和钢领间的摩擦力、导纱钩和钢丝圈给予纱线的摩擦力及气圈段纱线回转时所受的空气阻力等，因此，纱线的轴向承受了相当大的张力。细纱卷绕张力可分为三段，如图8-35 所示：前罗拉钳口至导纱钩区间纱线受到的卷绕张力Ts，又称为纺纱段张力；导纱钩至钢丝圈间纱线受到的卷绕张力，又称为气圈张力，其中T0 为导纱钩处气圈顶端张力，TR 为钢丝圈处气圈张力；钢丝圈至管纱间纱线受到的卷绕张力Tw。

（1）导纱钩处气圈顶端张力T0：Ts 值一般可用动态应变仪进行测定，而气圈顶端张力T0 与Ts 间存在以下关系式：

式中：μ0——纱线与导纱钩间的摩擦系数；

　　　θ0——纱线在导纱钩上的包围角。

（2）钢丝圈处的气圈张力TR：TR 与T0 间的关系可通过气圈的力学分析求得。

导纱钩至钢丝圈间的纱线，在钢丝圈的拖动下以钢丝圈速度围绕锭子轴高速回转，且纱条做直线移动。作用在这段纱线上的力有离心力，其方向与纱线的回转轴垂直。在离心力的作用下使纱线形成向外凸起的曲线，同时还受到空气阻力，其方向与纱线外凸曲线的回转方向相反，使纱线形成向后凸起的曲线。另外，作用力还有哥氏力、纱线本身的重力等。在以上诸力的综合作用下，使纱线形成一条空间封闭曲线，称为气圈。为讨论分析方便起见，一般略去次要的力，如重力、空气阻力、哥氏力，将气圈视为平面气圈。平面气圈曲线可用下式表示：

图8-35　环锭纺细纱卷绕张力分析

式中：R——钢领半径，cm；

　　　H——气圈高度，cm；

　　　y——气圈半径；

　　　x——气圈高度位置；

　　　a——离心力系数。

式中：ωt——气圈回转速度；

　　　Tx——气圈张力T 的垂直分量（g）；

　　　m——纱线的线密度（g/cm）。

根据气圈上的力学分析，并通过气圈力学方程式求得：

对式（8-35）求x 导数得：

（3）卷绕张力Tw：Tw 与气圈底部张力的关系式由欧拉公式求得：

式中：μ——纱线与钢丝圈的摩擦系数；

　　　θ——纱线对钢丝圈的包围角；

　　　K——系数，由实验测得。

由以上分析可看出，卷绕过程中张力分布规律为：Tw＞T0＞TR＞Ts

2.研究细纱卷绕张力的意义 保持适当的张力是保证正常加捻卷绕的必要条件。当张力过大时，不仅增加动力消耗，而且会使断头增加；当张力过小时，纤维在加捻三角区不能充分内外转移，影响成纱结构和强力，还会使卷绕密度降低，影响卷装容量和成形结构，也会因气圈膨大而碰隔纱板，使纱条毛羽增多，光泽变差，同时又因钢丝圈运行不稳定而增加断头。

研究纺纱张力的目的是通过掌握它与动态强力的比例，研究导纱钩的结构及其安装位置等对张力的影响。研究气圈张力T0、TR 的目的是通过了解气圈形状与张力的关系，分析影响纺纱张力的因素，也可以由直观的气圈形态来掌握张力的变化。研究卷绕张力Tw 是为了掌握钢丝圈的重量变化、钢丝圈与钢领的摩擦力变化（包括钢丝圈的形状和速度）、钢领与筒管卷绕比对张力的影响等。因此，研究细纱卷绕张力的目的是要保持张力大小与纱线线密度及强力大小相适应，以提高卷绕质量，降低细纱断头率。

（二）影响卷绕张力的因素

1.气圈形态的影响 由式（8-35）得知，气圈是一正弦曲线，其振幅A 和波长λ 分别为：

描述气圈形态的方法目前常用的有气圈底角αR 和气圈最大半径ymax 两种，αR 反映气圈的大小。图8-36 所示为气圈形态图，由图可见，气圈形态随aH 值的不同而变化。

当气圈高度H＞λ/2 时，即气圈高度超过π/a，会出现气圈的波节，即出现多节气圈。若出现气圈波节则会造成气圈崩溃，从而不能正常纺纱。当H=λ/2，即H=π/a 时，由于sin （aH）=0，则ymax=∞，即气圈凸形为无穷大（在实际中有阻尼的纺纱条件下不会出现ymax=∞的情况），也不能正常纺纱。故在环锭纺纱时，应保证H＜λ/2，即H＜π/a，仅在此时才有单气圈。在一落纱中，气圈形态是随着气圈高度和纺纱张力的变化而变化的。这里着重分析气圈高度H 对气圈形态的影响，由式（8-39）及图8-36 可知：

图8-36　气圈形态

当aH≤0.5π 或H≤（0.5π/ωt）时，ymax=R 或ymax 不出现，这种情况多出现在大纱阶段；当π＞aH≥0.5π，即在π/2～π 间时，或π/2a＜H≤π/a 的范围内时，由y=[R/sin （aH）]sin （ax）知，只有ax=0.5π，才有最大气圈出现，即ymax=R/sin （aH），且当H越大时，则ymax 越大。

根据以上分析可知：在一落纱中，由小纱到大纱，随着气圈高度H 的缩小，气圈凸形ymax 将逐渐减小，气圈底角αR 也将逐渐由负角变为正角。

根据气圈方程可知，在π/2a＜H＜π/a 范围内，即气圈出现ymax=R/sin （aH）的条件下，当其他条件（如H）变化相同时，纱线张力Tx 越大，则ymax 越小，气圈凸形越小；反之，则气圈凸形越大。由此可知，纱线张力大小直接影响气圈形态；纺纱时的气圈形态也能反映张力的大小。生产上常通过控制气圈形态来调整纺纱张力。

2.钢丝圈的影响 纱线张力主要来源于钢丝圈在钢领上高速回转时所产生的摩擦力，因此，可通过分析钢丝圈的受力求得TR 与钢丝圈运动的特性方程。将钢丝圈上的作用力简化为通过钢丝圈重心的空间汇交力系，如图8-37 所示。

图8-37　钢丝圈上的作用力

列出三个轴向的平衡方程：

式中：f——钢丝圈与钢领间的动摩擦系数；

　　　Ct——钢丝圈离心力；

　　　γx——Tw 与y 轴间的夹角；

　　　θ——钢领对钢丝圈的反力与x 轴间的夹角。

式中：Gt——钢丝圈重量，g；

　　　R——钢丝圈回转半径，近似为钢领半径，cm；

　　　nt——钢丝圈回转速度，r/min；

　　　g——重力加速度，981cm/s2。

由式（8-43）、式（8-44）可知，钢丝圈运动与卷绕张力及气圈底部张力有着密切的关系：钢丝圈重量Gt 与 TR 成正比，在日常生产中，依靠调节钢丝圈重量来调节纱线张力；钢领与钢丝圈间的摩擦系数f 与纱线张力TR 成正比，当钢丝圈重量增加时，该摩擦系数也会增加；钢领半径R 与纱线张力TR 成正比，增大卷装或加大钢领直径时，均会增大纱线张力。(www.xing528.com)

3.卷绕直径的影响 卷绕直径的变化主要影响卷绕角γx 的变化。图8-38 所示为卷绕直径与纱线张力的关系，由图可知：

图8-38　卷绕直径与纱线张力的关系

当空心管卷绕时（即小直径时），若卷绕角为γ0，则：

式中：d0——筒管直径；

　　　dx——卷绕直径；

　　　Dk——钢领直径。

式（8-45）说明卷绕直径dx 的变化影响卷绕角γx 的变化，也影响卷绕张力Tw 的变化。由式（8-41）～式（8-43）及式（8-45）可看出，当卷绕小直径时，卷绕角γx 小，sinγx 值小，在f、N 值一定时，Tw 与TR 大；当卷绕大直径时，则相反，卷绕角小，则纱线张力大。为避免纱线张力变化过大，sinγ0=d0/Dk 的取值要合理，即筒管直径d0 不能过小，也就是卷绕角γx 不能过小，也不能过大。γx 太小，Tw 与TR 都增加，容易断头；γx 太大，则d0 必然加大，致使容纱量太小而不经济。

在钢领板每一升降动程中，张力有明显变化。当钢领板在大直径卷绕时，纱线张力小；当钢领板上升到顶端，在小直径卷绕时，则纱线张力大。必须指出，在钢领板每一升降动程中，钢领对钢丝圈的反作用力N 也随γx 有变化，其大小对张力的影响则相反。但因其影响小，故最终测得的张力变化规律仍与上述相同。

4.一落纱过程中纺纱张力变化 在一落纱中，纺纱品种与线密度确定后，锭子速度、钢领半径、钢丝圈型号等也随之确定，纺纱张力将随着气圈高度和卷绕直径的变化而变化。

图8-39 所示为固定导纱钩时，一落纱过程中张力Ts 的变化规律。由图可以看出，小纱时的纺纱张力最大，并随着纱直径的增大而逐渐减小；当大纱时，又有增大的趋势。小纱时纺纱张力Ts 大是因为气圈纱段长，离心力大，凸形大；中纱时气圈高度适中，凸形正常，纺纱张力小；而大纱时张力略有增大。

特别在管底成形过程中，因气圈长、气圈回转的空气阻力大，且卷绕直径偏小，故张力大。管底成形完成以后，卷绕直径变化起主导作用，故张力在钢领板每一升降动程中有较大变化。在大纱满管前，钢领板上升到小直径卷绕部位，因气圈短而过于平直，失去弹性调节作用，造成张力剧增。

图8-39　一落纱过程中张力的变化规律（固定导纱钩）

5.锭速的影响 当高速后，钢丝圈的速度增加，钢丝圈回转所产生的离心力Ct 增加，同时，随气圈的回转速度增加而使空气阻力相应增加，引起气圈凸形增大。但当锭速增加时，由于张力随比例增加，结果使α 值不变，故高速后气圈形态无变化，但纱线张力有显著变化。

（三）细纱断头分析

细纱工序是纺纱质量和产量的关键工序，细纱断头多将使挡车工劳动强度增加，造成看台减少，产品制成率低，成本增加，而断头本身也会造成产品质量的下降和波动。因此，如何及时发现和减少断头是细纱工序的一项重要工作。

1.细纱断头的分类 按断头的位置不同，细纱断头可以分为成纱前断头和成纱后断头两类。

成纱前断头是指粗纱经过牵伸在细纱机前罗拉纺出纱条前的断头，发生在喂入部分和牵伸部分，如粗纱断头、空粗纱、集合器阻塞、胶圈内积花、绕皮辊、绕罗拉等原因造成的断头。

成纱后断头是指从细纱机前罗拉钳口至筒管间这段纱条在加捻卷绕过程中发生的断头，也称纺纱断头。造成成纱后断头的主要原因包括：加捻卷绕元件不正常，如锭子振动、跳筒管、钢丝圈楔住、热磨损飞圈以及气圈形态不正常、操作不良、温湿度掌握不好、原棉波动大、工艺设计不当、半制品结构不良等。

2.细纱断头规律 一般情况下，成纱前断头较小，因此，这里主要对成纱后的断头进行分析。在生产实践中，一般的断头规律如下。

（1）一落纱中的断头分布是小纱断头最多，占50%左右；中纱断头最少，占20%左右；大纱断头次之，占30%左右。

（2）成纱后的断头多发生在纺纱段，在钢丝圈至筒管间的断头较少，而气圈部分的断头很少，当钢领与钢丝圈配合不当、钢丝圈跳动、纱条通道过窄等，会使气圈下部断头增多，钢领衰退、钢丝圈偏轻而引起气圈凸形过大，撞击隔纱板，使纱条断裂。

（3）随着锭速增加或者卷装的加大，张力加大，断头增加。

（4）由于机械的原因，少数锭子可能出现重复断头，该部分锭子被称为异常锭子。据统计，细纱30%～35%的断头是由5%异常锭子造成的。

另外，当天气变化或者温湿度波动以及配棉成分变化时，都会引起断头增加。

3.细纱断头检测 如何在千万纱锭中发现断头的纱锭或有问题的异常锭子很关键。传统方法是靠挡车工巡回、机修工检修和试验员抽检机台的千锭时断头来发现这5%有问题的锭位，但上述方法存在工作量大、易漏锭、依赖经验等种种弊端。

而在线检测技术的发展很好地解决了这一难题。在线检测系统利用传感器、信息和计算机技术，能及时有效地监测钢丝圈的运动或者纺纱段的纤维状态，从而发现机台锭位定点断头，可以在线全程跟踪所有锭位运转信息，近年得到快速发展。其中，以检测钢丝圈的运动状态来检测细纱断头的在线检测系统应用更为普遍，通过在每个锭位的外侧钢领板上固定的检测头，检测钢丝圈的飞行来判断是否断头，然后亮灯，同时安装在后罗拉的机械装置停止喂入粗纱，减少原料浪费。某些细纱机单锭在线检测系统在检测到细纱断头后，可通过Wifi、Zigbee 等传输协议，及时、多状态显示断头数据，便于即时掌握信息并进行调整。

（四）细纱断头的控制

根据前文所述卷绕张力与强力的关系，造成断头的原因主要是纺纱过程中瞬时纺纱张力大于纱线某点强力。因此，减少细纱断头可从纺纱张力的控制和纱条强力的提高两方面着手。

1.稳定纺纱张力 张力突变是形成断头的直接原因，多与机器状态及高速部件状态不良、钢领以及钢丝圈的选用不当有关。因此，要稳定纺纱张力。

（1）稳定气圈形态。根据气圈形态分析可知，纱线张力与气圈形态有密切关系。当气圈凸形过大（即ymax 过大）时，气圈最大直径超过隔纱板间距，引起气圈猛烈撞击隔纱板，导致气圈形态剧烈变化，使钢丝圈运动不稳定，易发生楔住和飞圈而断头。同时，当气圈顶角α0 过大时（图8-35），若纱线上有较大粗节或结杂通过导纱钩时，气圈顶部会出现异常凸形，则纱线易被缠住，从而造成气圈断头。气圈凸形过大的现象以小纱时较严重。气圈凸形过小，说明纺纱张力过大，则接头时拎头重，操作困难。小纱时，在导纱钩与筒管间距离较小时，因气圈顶角α0 过小，易引起气圈顶部纱段与筒管顶部摩擦而断头。大纱时气圈更趋平直，失去气圈对张力波动的弹性调节能力，若此时出现突变张力，就易引起纱线通道与钢丝圈磨损缺口交叉，造成下部断头，或突变张力迅速传递到弱捻区而引起上部断头。

由以上分析可知，气圈凸形过大、过小都会引起断头。为降低断头率，生产上常用控制气圈形态来调节纱线张力以减少细纱断头，应尽量减小一落纱过程中气圈形态的差异。因小纱时气圈形态易过大，大纱时气圈形态易过小，只有中纱时气圈形态和顶角都适中，纱线张力适当而稳定。因此，要减少大、小纱断头，应充分发挥气圈形态对张力波动的调节能力，使纱线张力和气圈形态尽量向中纱靠拢，即在纺小纱阶段应压低导纱钩的位置，尽量压缩最大气圈高度，在大纱阶段增加最短气圈高度，并选择合适的钢丝圈号数，使管底完成阶段在卷绕大直径时气圈不撞击隔纱板，又不使管纱气圈顶部纱段与筒管头发生接触摩擦。为更有效地降低小纱断头，目前生产的细纱机都采用变动程导纱钩升降装置。

使用气圈环也可稳定纺纱张力，减少断头。但环的直径对纱的摩擦程度不同，直径小则纱摩擦严重，成纱毛羽多。一般气圈环的选用在考虑锭距的条件下，以偏大为宜。

（2）合理选用钢丝圈。

①钢丝圈重量（号数）的选用。在生产中，一般通过选用合适的钢丝圈重量来调节纺纱张力。选择的主要依据是能维持一个正常的气圈形态，实现较低的断头率，重点应考虑管底成形刚结束时在卷绕大直径条件下，气圈不应过大，以及大纱卷绕小直径时，气圈又不应过小，以此来选用钢丝圈重量。同时要根据钢领的运转时间，及时选用更适合当时条件的钢丝圈号数。随着钢领使用时间的增加或钢领的衰退，生产中会出现气圈膨大、细纱发毛和断头增加的现象，这时要加重钢丝圈。

②钢丝圈使用周期的掌握。为减少断头与稳定生产，除纺细特纱因钢丝圈使用期长，采用自然换圈（飞掉一个换一个）外，一般都采用定期换圈（到一定时期全部更换）。新换的钢丝圈与钢领的磨合有一个走熟期，在此期间钢丝圈运行不稳定，易引起断头，所以最好选在中纱时期换圈，以减少纺大纱或落纱后小纱时的断头，特别是大大减少小纱飞圈的情况。

③钢丝圈抗楔能力的提高。可以降低钢丝圈的重心；提高钢领和钢丝圈的接触位置，稳定钢丝圈的运动状态；加深钢领内跑道，在不影响刚度和强度的条件下，减薄颈壁厚度，防止钢丝圈内脚碰钢领颈壁。

（3）钢领的选择与修复。

① 使用小直径钢领。随着细纱机集体落纱、全自动络筒机以及细络联技术的发展，采用小直径钢领越来越有技术经济优势。钢领直径小，纺纱过程中卷绕直径的变化就小，纺纱的平均张力及其变化小，增大了纺纱强力和纺纱张力的差值，有利于降低断头。

② 钢领衰退的修复。钢领经一定时期运转，会出现高速性能衰退的现象。衰退出现的早晚与钢领处理时的淬火质量、锭速、钢领边宽、钢丝圈号数等密切相关。以前采用碳氮共渗处理法修复衰退钢领，目前采用的方法包括镀镍、镀铬和镀镍复合镀层，并采用电镀技术。研究表明，后者比碳氮共渗处理法具有抗磨性能好、摩擦系数稳定且较低、纺纱张力稳定且显著减小、成纱毛羽少、走熟期短、成纱条干CV 值低、气圈控制能力强、拎头适中等特点。

（4）锭子的变频调速。锭子采用变频调速是减少断头和均衡一落纱中断头分布的有力措施。锭子在恒速传动时，一落纱过程中，小纱张力大，中纱张力小而稳定，大纱张力又有所增加。在钢领板一次升降过程中，卷绕大直径时张力小，卷绕小直径时张力大。上述张力变化规律决定了小纱断头最多，中纱断头最少，大纱断头又有所增加的断头分布规律。小纱断头多，限制了锭速的提高，而中纱断头少，锭速潜力也不能发挥，影响了机器生产率的提高。因此，锭子变速调节的原则是：张力大时锭速适当降低，张力小时锭速适当增高。锭速调节方法有两种：一种是按小纱、中纱和大纱的张力变化和断头分布规律来调节锭子速度，即小纱锭速较低，中纱锭速较高，大纱锭速又降低，这种调节方法称为基本调节法；另一种是在基本调节速度的基础上，随着卷绕直径和气圈高度变化作速度调节，称为逐层调节法，如图8-40 所示。

采用恒张力纺纱技术，在小纱、中纱和大纱（甚至在钢领板的一个升降动程中）时采用变频控制系统自动调节锭速，保证一落纱中张力尽量恒定，达到减少断头或提高产量的目的。

图8-40　锭子变速

2.提高动态强力 在环锭细纱加捻卷绕过程中，大部分断头发生在导纱钩至前罗拉的纱段上，主要原因为：①从前钳口输出的须条由于受上罗拉（胶辊）的下压而贴附在下罗拉表面，在下罗拉上形成包围弧，使捻回不能传递至钳口，形成了弱捻区或无捻区；②在捻回传递过程中，导纱钩对纱线的摩擦阻力引起的捻陷及捻回传递的滞后现象，使纺纱段的捻度逐渐减小，形成弱捻纱段；③一落纱过程中捻度的变化，特别是小纱卷绕大直径时纺纱段平均捻度最小，比管纱平均捻度要少22%左右，致使纺纱强力明显降低，这也是小纱管底成形完成阶段卷绕大直径时断头较多的原因之一，一落纱过程中纺纱段捻度分布如图8-41 所示；④罗拉握持力不足引起纤维从纱线中滑出等。

从动态强力测定结果可知，动态强力比管纱强力低得多，当遭遇过大的突变张力时，即产生断头。故提高动态强力对降低断头率有重要意义。

图8-41　一落纱过程中纺纱段捻度分布

图8-42　胶辊前冲时的罗拉包围弧

（1）减小无捻纱段的长度。如图8-42 所示，罗拉包围角γ 的大小影响无捻纱段长度，即影响罗拉钳口握持的须条纤维伸入已加捻纱线中的数量和长度，它对纺纱动态强力颇有影响。

纱条在罗拉上的包围角γ 与导纱角β 及罗拉座倾角之间的几何关系为：γ=β-α。因此，欲减小γ，就必须减小导纱角β，或增大罗拉座倾角α，α 在细纱机设计中已定。若α 过大，会给接头操作带来不便，故在β 与α已定的条件下，生产上一般采用胶辊前冲来减小包围弧长度，即从减小为。但胶辊前冲使浮游区长度增加，胶辊前冲过大会影响罗拉加压的有效性，从而影响牵伸效果，故一般胶辊的前冲量只有2～3mm。

（2）增加纺纱段的动态捻度。第七章对环锭细纱机加捻过程的分析，得到了影响纺纱段捻度的工艺参数，如纺纱段长度、导纱角、前罗拉包围弧、气圈高度等，因此，通过优化细纱机的断面设计，使这些参数达到最优，来降低由包围弧和导纱钩引起的弱捻、捻陷作用，增加纺纱段的动态捻度，从而提高纺纱段纱条的动态强力。

（3）增加前罗拉对须条的握持力。根据一落纱或卷绕大小直径的纺纱段捻度试验，在大纱卷绕小直径时，纺纱段的捻度一般较大，这时的动态强力也较高，理论上上部断头应较小，但事实上大纱断头要比中纱多，其原因一方面是张力波动大，另一方面是由于此时的罗拉握持力远小于纱线上的张力，实际测定也说明了这一点。因此，增加罗拉握持力对降低断头有积极意义。

（4）新结构环锭纺纱技术。近年来，为提高成纱质量和生产效率，在传统环锭纺纱机上进行了大量革新改进，出现了集聚纺纱（紧密纺纱）、赛络纺纱、扭妥纺纱等新结构环锭纺纱技术，并成功应用于实际生产。其中最具代表性的环锭集聚纺纱方法有效地解决了纺纱断头、成纱毛羽等问题。该部分的内容详见第九章。