第四节 络丝张力

一、络丝张力的作用及要求

络丝时，为使筒子获得必要的卷绕密度和良好的成形，丝线必须具有一定的张力；另外断头自停装置也需要丝线有适当张力；络丝时丝线张力的大小影响丝线的力学性能，张力过大，则丝线受到过度的拉伸，会损伤丝线的强力、伸长和弹性等，增加断头和回丝，在织物上形成亮丝疵点。张力过小，则筒子卷绕太松、成形不良，退解时会发生困难。若平行卷绕筒子径向退解时，会因外层丝线嵌入内层而乱丝，形成断头或无法退解。若交叉卷绕的无边筒子轴向退解时，会牵动松弛的丝层一同退出，产生脱圈现象。因此在络丝过程中，络丝张力在满足卷绕成形和密度要求的情况下，以小为宜；并要求张力波动要小，力求张力始终均匀一致。络丝时张力的大小，应根据丝线线密度、纤维种类、卷绕密度等要求加以确定。一般络丝张力的选择是丝线断裂强度的10%～15%，也可根据线密度参考下列经验公式计算，单位为厘牛（cN）：

桑蚕丝平行卷绕：0.18×线密度（dtex）；

桑蚕丝交叉卷绕：0.36×线密度（dtex）；

无捻涤纶长丝：0.22～0.25×线密度（dtex）；

涤纶加工丝：0.18～0.20×线密度（dtex）。

二、络丝张力分析

（一）退解张力

1.绞装丝的退解张力 桑蚕丝和部分化纤丝通常是以绞装形式的卷装进厂的，绞装丝络丝时，传统上将丝线套在八角绷架上，如图3-22所示。

图3-22 绞装丝退解张力

1—丝线 2—绷架

设绷架转动时的角速度为ω，转角为θ，角加速度为ε。当丝线匀速卷绕，且θ角较小时：

AA′cosφ=vt

由于：

所以：

角速度为：

角加速度为：

式中：v——络丝速度；

R——绷架多角形的半径；

α——绷架多角形的一个内角；

θ——绷架转角。

取绷架为脱离体，根据动态平衡原理，则：

因为：

因此：

式中：K——丝线退解张力；

T₁、T₂——绷架轴制动皮带紧边/松边张力；

g——绷架、丝和重锤重量；

r₁——绷架轴壳半径；

r——绷架轴心半径；

J——绷架转动惯量；

f——制动带与轴壳间摩擦系数；

f′——绷架轴心与轴承间的摩擦系数；

β——绷架制动带对轴壳的包围角。

取制动重锤为脱离体（图3-22），Q为重锤量，则由Q、T₁、T₂的平衡力系：

整理后：

其中，为丝线从绷架上退解时由重锤制动力绷架轴承的摩擦阻力而产生的力，称为丝线的静张力。

为丝线退解时因绷架惯性力而产生的附加张力，称为丝线的动张力。它主要决定于络丝速度v。

绷架回转时丝线的静张力和动张力，随绷架的转角而变化，当θ=0时，K₁最大而K₂最小（负值）；当时，K₁最小值而K₂为零；当θ=2π-α时，K₁最大而K₂也最大，此时退解张力K最大。由此可见，多角形绷架的退解张力K有较大的波动，不利于高速退解。尤其是绷架从静止过渡到运动状态，附加的动态张力更大，这是传统绷架络丝的致命弱点。

为改善绷架络丝的缺点，可用图3-23所示的固定绷架，丝线1从与绷架一体的丝框2引出，通过瓷孔并绕过张力补偿杆6上的导丝轮，进入张力器3。丝线从原绷架的径向退解改为绷架的轴向退解，所以克服了因丝线拖动绷架回转而造成的络丝张力，及络丝线速受绷架转动的多角效应的影响，使络丝速度可大大提高，平均速度可达350～500m/min，使络丝实现了低张力、高速化工艺。

图3-23 SP/102型络丝机丝线行程图

1—丝线 2—丝框 3—张力器 4—断头感知器 5—指示灯 6—张力补偿杆 7—导丝钩 8—菠萝形筒子 9—纡子形（瓶形）筒子 10—圆柱形筒子

2.筒装丝的退解张力 筒装丝轴向高速退解在络丝机、并丝机、倍捻机等的退解筒子，高速整经机和高速无梭织机的供纬筒子，丝线一方面沿筒子轴线方向上升作前进运动，同时又绕轴线作回转运动，如图3-24所示。

图3-24 退解张力分析

A点为丝线开始运动的一点，称退绕点。B点为丝线离开筒子表面的一点，称分离点。E点为导丝圈位置。在丝线的重力、运动时产生的惯性力及空气阻力的作用下，丝线在空气中形成一个回转的封闭曲面，称为气圈。分离点至导丝圈的距离称为气圈高度h。

络丝时丝线的退解张力包括丝线从附着于筒子表面到脱离表面进入气圈时，需要克服的黏附力、惯性力和摩擦力和由于气圈而引起的张力。

（1）退绕点张力和分离点张力。处于退绕点和分离点之间的丝段称为摩擦丝段，它受到卷装表面的黏附力，丝线由静态过渡到动态需要克服惯性力等。其中黏附力起着十分重要的作用，其余力可略去不计，分离点的张力T₁可用欧拉公式计算：

式中：T₀——退绕点张力；

f——丝线对筒子的平均摩擦系数；

α——摩擦丝段对筒子的包围角。

（2）气圈张力。如图3-24所示，在气圈上截取微元丝段ds，设丝线的退绕速度v、回转角速度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ds上的力为：

①微元丝段ds的重力Q：

式中：m——单位长度丝线质量，g/cm；

g——重力加速度，cm/s²；

ds——微元丝段长度，cm。

②空气阻力F。丝线退绕时，同时作前进运动和回转运动，会受到气流的阻力。由于丝线直径较细，前进运动时所受阻力可以忽略不计。而气圈上微元丝段回转时的空气阻力F为：

式中：K——空气阻力系数；

ω——气圈回转角速度，rad/s；

r——丝线ds处气圈的半径，cm。

③回转运动的法向惯性力C。其方向与筒子轴心垂直。

④前进运动的法向惯性力N，作用方向垂直于作用点的切线方向。

式中：ρ——ds处的气圈曲率半径，cm。

⑤哥氏惯性力K。丝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，会产生哥氏加速度。

式中：——角速度向量到络丝速度向量间夹角的正弦值。

⑥ds两端的张力。作用于微元丝段上的力处于平衡状态，计算结果表明，力的绝对值除T和T+dT外都很小，作用于1cm微段上力的矢量和仅为0.98～1.96cN，对丝线张力并无重要影响。但气圈形状会影响摩擦丝段对筒子的摩擦包围角，从而影响着分离点的张力。综上所述，气圈形状和摩擦丝段长度是筒子轴向退解张力的决定因素，对二者进行控制，可以减少退解张力的变化，使络丝张力均匀。

（二）张力装置给予丝线的张力

绞装丝或筒装丝在作轴向退绕时，丝线张力的绝对值很小，远不能满足工艺需要，必须使用张力装置，适当地增加丝线的张力，提高张力的均匀程度，卷绕成形良好、密度适宜的筒子。

张力装置有圆盘水平放置的张力装置（垫圈加压）、圆盘垂直放置的张力装置（弹簧加压）和梳形张力装置等，如图3-25所示。其工作原理分下述两种。

图3-25 络丝张力装置

1—上下张力盘 2—缓冲毡块 3—张力垫圈 4—左右张力盘 5—张力弹簧 6—紧圈 7—丝线 8—固定梳栉 9—活动梳架

1.累加法工作原理 如图3-25（a）所示，丝线从两个相互紧压的平面之间通过，两平面对丝线施加压力而产生摩擦阻力，从而使丝线获得张力。设丝线进入张力装置前的张力为T₀，通过张力装置后的张力为T为：

式中：f——丝线与张力装置表面之间的摩擦系数（丝线与金属间的摩擦系数：桑蚕丝为0.13～0.35；化纤丝为0.14～0.38）；

N——张力装置对丝线的正压力。

如果丝线通过一个以上的张力装置，则丝线最终张力T_n为：

式中：f₁、f₂、…、f_n——丝线与各张力装置间的摩擦系数；

N₁、N₂、…、N_n——各个张力装置对丝线的正压力。

由此可知，丝线通过各个张力装置后，其张力是累加的，所以称累加法工作原理。

动态条件下，垫圈加压和弹簧加压，所产生的正压力N分别可用下式表示：

垫圈加压：

N=（m₁+m₂）×（g+a）

张力装置水平放置时弹簧加压：

N=m₁×（g+a）+K×δ

张力装置垂直放置时弹簧加压：

N=m₁×a+K×δ

式中：m₁——上张力盘质量；

m₂——垫圈质量；

g——重力加速度；

a——由于丝线直径不匀（颣节、糙块）引起上张力盘及垫圈跳动的加速度；

K——弹簧刚度；

δ——弹簧压缩距离。

对于垫圈加压的方法，当丝线高速通过张力装置时，因丝线的直径不匀，会冲击上张力盘和垫圈，使其跳动十分剧烈，由跳动加速度带来的丝线附加张力使络丝动态张力发生明显波动，络丝速度越高，张力波动越大。相对地说，弹簧加压有利于克服这一弊病，因为m₁值小，上张力盘跳动引起的正压力变化就小，同时丝线上的糙块、颣节等疵点通过张力盘时引起弹簧压缩距离δ变化甚微，弹簧压力变化也小，从而络丝时动态张力的波动也不明显。

弹簧加压不计动态张力波动的影响，丝线张力T₀和T的变化可用图3-26（b）表示。累加法张力装置不扩大张力的波动幅度，从而降低了丝线张力差异的相对值，不匀率下降。

图3-26 丝线通过紧压平面获得张力的工作原理

2.倍积法工作原理 丝线绕过一个曲面，与其摩擦而增加张力，如图3-27所示。

图3-27 丝线绕过曲面获得张力的工作原理

丝线进入张力装置时的张力为T₀，通过张力装置后的张力为T为：

式中：f——丝线与曲面间的摩擦系数；

α——丝线对曲面的包围角。

如果丝线绕过几个曲面，则其最终张力T_n为：

图3-28 精密络丝机的张力系统示意图

1—退解筒子 2—超喂辊 3—预张力器 4—门栅式张力器 5、6—导丝钩 7—导丝器 8—卷绕筒子 9—承压辊 10—承压力摆杆 11—调节连杆 12—承压力调节板 13—张力调节连杆 14—张力调节重锤 15—承压力调节重锤 16—摇架

式中：f₁、f₂、…、f_n——丝线与各曲面间的摩擦系数；

α₁、α₂、…、α_n——丝线对各曲面的包围角。

由此可知，丝线通过数个曲面之后，其张力是按一定的倍数增加的，所以称倍积法工作原理。

当丝线有粗细不匀、有颣节或结头的丝线通过时，不会产生附加张力，即不会引起张力波动，但当初张力有一个ΔT的微小波动时，在末张力中就会产生的张力波动，这样就使张力波动扩大了倍，其张力变化如图3-27（b）。

三、络丝张力控制实例

图3-28为KEK-PN型和GD0101型精密络丝机的张力控制系统示意图，由筒子承压力递减装置、张力递减装置和变速卷绕机构组成。

1.承压力和张力递减原理 承压辊9是由重锤15通过角形调节板12、连杆11和摆杆10，使承压辊9压于筒子表面。随筒子直径的增加，克服初始压力而使承压辊朝外摆动，摆杆10绕轴O₁顺时针回转，通过连杆11，传递调节板12绕支点O₂向上摆动，经张力调节连杆13改变悬挂张力调节重锤14的吊绳与门栅式张力器4的角度，从而改变门栅式张力器的张力。

图3-29为筒子承压力和张力随筒子直径增加而递减的受力图。

图3-29 筒子承压力和张力递减受力图

P₀为筒子承压力；H₀为P₀作用线与回转中心O₁的重直距离；H为铰接点a与回转中心O₁之距，随a、b、c、d、e点而变；h为铰接点1与回转中心O₂之距，随1、2、3、4点而变；W为承压力调节重锤；W_T为张力调节重锤；L为重锤W悬挂点与回转中心O₂之距；∠γ为承压力摆杆与调节连杆之夹角；∠β为调节连杆与承压力调节板竖臂之夹角；∠α为承压力调节板横臂与水平线之夹角。

根据受力平衡：、，得：

K′sinγ•H=P₀•H₀

Ksinβ•h=Wcosα•L

由于K=K′两力方向相反，则得承压力：

当筒子卷绕直径增加时γ角减小，β角、α角增大，则承压力P₀减小。其减小的情况，有三种孔位搭配的基本规律，如图3-30所示。连杆11如图中为a-1连接是连杆11的标准位置；a-4连接为快速减小压力；a-2连接为缓慢减小压力。

图3-30 承压力随筒子直径增加而递减曲线图

在图3-28中，由于穿在张力调节连杆上的张力绳一端与门栅式张力器的活动门栅相连，另一端吊着张力调节重锤W_T，则牵引活动门栅的拉力F₀为：

丝线通过张力器后的张力T：

式中：φ——重力的作用线与吊绳的夹角；

T₀——丝线未通过张力器的张力；

θ——丝线对门栅的包围角（有五对门栅）；

μ——丝线与门栅间的摩擦系数。

从受力图可知：当筒子直径增大时，角α增大，则φ角减小，由公式得F₀减小，θ减小，导致张力T减小。最终达到筒子上丝线张力“里紧外松”的目的，符合工艺要求。张力递减量的大小，只需移动张力调节连杆13的长短进行调节。

2.变速卷绕机构 变速卷绕机构不仅能适合筒子的常规卷绕，而且设计成能按不同张力要求的卷绕。

（1）基本形式。

①卷绕线速度随筒子直径增大而逐渐增加。

②卷绕线速度随筒子直径的增大始终恒定。

③卷绕线速度随筒子直径的增大从开始逐渐增大到恒定。

（2）变速卷绕机构的工作原理（图3-31）。变速上摆杆6装于摇轴5上，当筒子直径增大时，上摆杆顺时针摆动，通过连杆8、下摆杆9，传动轴10顺时针回转一角度，使轴上的变速控制臂11和滚轮12按顺时针方向转动，通过与轴10联动的一套拨叉机构，主动摩擦轮1沿主轴2外移，从动摩擦轮3的工作半径增大，使锭轴4的卷绕线速度发生变化。要完成上面三种卷绕的基本形式，关键是靠调节连杆8的合理选择上摆杆与下摆杆上的孔位来达到，上摆杆上有A、B、C、D、E共五个孔位，下摆杆上有a、b、c、d共四个孔位。

图3-31 变速卷绕机构

1—主动摩擦轮 2—传动主轴 3—从动摩擦轮 4—锭箱主传动轴 5—摇轴 6—变速上摆杆 7—偏心调节盘 8—调节连杆 9—下摆杆 10—传动轴 11—控制臂 12—滚轮

（3）筒子卷绕线速度与卷绕直径的关系。由图3-32可知，调节连杆不同连接时，卷绕线速度随筒子卷绕直径增加的变化情况。

图3-32 筒子卷绕线速度—卷绕直径关系曲线

①筒子直径增加，卷绕线速度增加时，选择A-d连接和B-d连接；

②筒子直径增加，卷绕线速度不变时，选择D-d连接；

③筒子直径增加，卷绕线速度采用开有长孔的调节连杆，长孔的位置由偏心调节盘调节，由开始增大至恒定。开始时筒子直径增加，摇轴5转动时，由于铰接点在长孔中移动，传动轴10不发生转动，卷绕线速度逐渐增加；当铰接点碰到长孔中的偏心盘，传动轴10转动，使拨叉拨动主动摩擦轮外移，锭轴转速降低，使线速保持恒定。

3.各机构间的相互调节 要获得不同原料及用途的络丝筒子，又能适应高速退解的工艺要求，必须采用不同承压力递减、张力递减和线速控制，可用改变承压力调节连杆、变速调节连杆的铰接位置和张力调节连杆的长短来达到。

（1）变速调节连杆D-d连接时，随卷绕直径增大，锭速减小，卷绕线速度基本恒定，这时承压力调节连杆a-1连接，随卷绕直径增加，压辊压力稍有减小，此时张力调节杆短些，随卷绕直径增大时，栅形张力器的活动门栅外加力矩变化小些，整个卷绕过程中丝线的线速、张力、筒子成形压力的平均值处于稳定状态。这种方式适用于高档原料或强力低的原料，适用于弹性伸长小，线密度细的丝线，如桑蚕丝、醋酯丝等，可使断头率降低，筒子内外张力均匀，成形良好，退解顺利。

（2）变速调节连杆B-d连接时，线速随卷绕直径增大而增加，丝线张力也趋向增大。这时承压力调节连杆a-2或a-4连接，使压辊压力随直径增大而减小，张力连杆调长一些，附加张力逐渐减小，以补偿丝线张力的增大。这种方式适用于高弹丝线，如涤纶、锦纶等。由于原料的伸长大，虽外层丝线卷绕张力增大，但不至于卷绕过硬。这样锭速下降不大，可提高生产率。

（3）变速调节连杆A-d连接，只有在一些要求低又要保证高产的情况下被采用，一般较少用。

（4）变速调节连杆E-d连接，一些特别薄弱的丝线要求特别松式的筒子时才被采用，一般很少用。

4.工艺实例 由于精密络丝机的张力，包括承压力调节机构与线速调节机构是两个完全独立的、积极式的控制机构，所以它能进行松式络丝，这是有别于其他高速络丝机的工艺特性，它对筒子的成形和退解性方面，特别是对筒子染色的筒装丝吸色均匀性、脱胶均匀性等方面都十分有利。松式络丝的工艺实例见表3-2。

表3-2 络丝工艺实例

四、影响络丝张力的因素

影响络丝张力的主要因素有丝线的线密度、车速快慢、导丝机件的光滑程度、张力重锤重量、卷绕方式、卷装容量、车间温湿度等。丝线的线密度大，丝段的重力与惯性力大，张力大；车速高，气圈回转角速度大，摩擦丝段长，会增加分离点处的丝线张力和动张力；张力重锤重量越大，静张力越大；车间的相对温度和导丝机件的光滑程度关系到丝线与导丝机件的摩擦系数，从而影响张力的大小。络丝张力的大小，通常以增减张力重锤重量、改变车速快慢以及调节张力装置来控制和调节络丝张力。