第三节 捻丝张力分析及控制调节
在捻丝设备中，单捻有采用衬锭的重量和形状来调节捻丝张力，也有采用圆盘捻丝器代替衬锭调节和控制捻丝张力。倍捻是采用钢珠的重量和数量来调节捻丝张力。
一、单捻张力分析
1.衬锭捻丝的捻丝张力 丝线在中、强捻的加工中，锭杆上端活套—衬锭。衬锭跟随锭子回转，由于喂入筒子的退解运动和丝线张力作用，衬锭在整个捻丝过程中略快于锭子转速。捻丝张力主要是丝线为平衡衬锭运动阻力而作功的结果，这些阻力包括退解张力、气圈张力、衬锭增加的张力等，其中退解张力、气圈张力的作用原理参见第二章第四节。
（1）摩擦阻力与力矩。衬锭水平转动时与锭杆产生摩擦阻力包括两方向：一是锭杆上端对衬锭木环的摩擦阻力Fy与力矩My，如图5-13所示。
Fy=f1Ny
My=Fyra=f1Nyra
式中：Ny——锭端对衬锭木环沿y轴向的反作用力；
f1——锭端与衬锭木环间的摩擦系数；
ra——锭端接触半径。
图5-13 衬锭
二是退解筒子边盘对衬锭木环的摩擦力Fz与力矩Mz：
Fz=f2（W-Nz）
Mz=f2rb（W-Nz）
式中：W——衬锭重量；
rb——衬锭木环与退解筒子边盘接触的平均半径；
图5-14 圆盘捻丝器示意图
1—阻捻颈 2—圆盘 3—垫圈 4—压簧 5—芯轴 6—调节螺母
f2——衬锭木环与退解筒子边盘间的摩擦系数。
（2）捻丝张力的影响因素。
①锭速。捻丝张力与锭速平方成正比，锭速的变化对捻丝张力的影响最为突出。
②衬锭重量和丝线穿过衬锭的绕脚数。衬锭重，丝线与衬锭脚的摩擦力大，捻丝张力也大。衬锭有两脚、四脚和六脚之分。同重量衬锭，丝线绕过的脚数越多，捻丝张力越大。衬锭半径R增加时，张力也会增加。实际生产中，根据丝线捻度、原料种类选择适当规格的衬锭。在锭速一定的情况下，一般改变衬锭重量以调节捻丝张力。
③捻度。当锭速一定时，捻度大，退解速度慢，即卷绕速度及角速度相应减小，因此张力略有减小。但实际生产中，当捻度增大时，捻缩增加，必须采用较重衬锭来拉挺丝身或较高的锭速，这样表现为捻度大时张力大。
④筒子的退解半径和退解高度。当筒子的退解半径随退解过程的进行而逐渐减小时，捻丝张力逐渐增加，最大捻丝张力发生在小筒子处。当退解点自上而下移动时，丝线与筒子表面摩擦逐渐增加，捻丝张力也逐渐增加，最大张力发生在筒子底部。
2.圆盘捻丝的捻丝张力 圆盘捻丝器如图5-14所示。捻丝时丝线由筒子引出，经圆盘2时由于圆盘的转动受弹簧4的压力而有摩擦阻力，使退解丝线的自由旋转受阻而发生缠颈1～3圈，经圆盘2的凹槽而进入捻丝区。丝线缠绕阻捻颈的作用是吸收气圈张力的波动，阻止捻回向气圈部分传递，有减少筒子表面丝线的摩擦起毛的作用。
圆盘捻丝由于阻捻颈作用，在捻丝过程中，满筒、小筒的捻丝张力基本不变。而且捻丝圆盘的尺寸小，其运动所受阻力不受锭速、空气阻力、惯性阻力的影响，只决定于弹簧压力，因而捻丝张力比较稳定。
圆盘捻丝中，当筒子的退解高度、捻度变化时，通过气圈的离心力、圆盘速度的变化和丝线在阻捻颈上绕丝圈数的变化，可自动调节丝线张力，使丝线张力趋于稳定，保持在一定的范围内。当退解张力增大时，圆盘加速使丝线阻捻颈上圈数减少，包围角减小，退解张力减小。反之圆盘速度减慢，包围角增大，退解张力增大，所以捻丝张力可以自行调节。
圆盘捻丝与衬锭捻丝相比，捻丝张力基本上不受锭速、筒子的退解半径、退解高度变化的影响。
二、倍捻张力分析
1.倍捻锭子 倍捻丝线的张力主要来自于倍捻机的锭子。倍捻锭子主要由三部分组成：锭子的张力装置部分、静止部分和转动部分。图5-15为GC240S型真丝倍捻机锭子。
图5-15 GC240S型倍捻机锭子结构图
1—丝线 2—筒子 3—衬锭 4—环圈 5—导丝孔 6—储丝盘 7—瓷眼 8—导丝钩 9—角形手柄 10—锭轴 11—锭带 12—摩擦传动盘 13—捻丝圆盘 14—三脚圆形导丝罩 15—张力垫片 16—磁铁托架 17—磁铁罩壳 18—储丝罐
（1）锭子的张力装置部分。倍捻锭子的张力装置部分主要是给予丝线一定的张力，并用来切断退解张力波动对丝线张力的影响，使捻丝过程中丝线张力保持均匀一致。如图5-16所示，锭子的张力装置采用PVC塑管1内装一套氧化铝座钢珠张力器2组成。塑管顶部有一只氧化铝导轮3，可采用不同的导丝方式，改变捻丝区的丝线张力。塑管内的钢珠规格及数量是根据丝线线密度、捻度等工艺要求选择。
在张力装置顶部活套有退解衬锭（图中未示），衬锭形式有用弹性钢丝制成的单脚和双脚两种，由退解丝线拖动旋转，帮助丝线退解和平衡退解张力。
（2）锭子的静止部分。锭子的静止部分如图5-17所示，由退解架1、锭罩2和筒子座3等组成。退解架为一金属三脚支承架，依靠其三脚之间的弹性支承在锭罩上，锭罩是一不锈钢筒套，套在静止部分的筒子座上。在筒子座内放有永久磁钢，它与固装在筒子座架上的外磁钢相互吸引，固定住锭子的静止部分，保证了退解筒子从满筒到空筒始终不转。
图5-16 锭子的张力装置部分
1—塑管 2—钢珠张力器 3—导轮
图5-17 锭子的静止部分
1—退解架 2—锭罩 3—筒子座
（3）锭子的转动部分。锭子的转动部分和静止部分用轴承分开，由锭杆1、锭盘2和储丝盘3等组成，如图5-18所示。锭盘由龙带摩擦传动，采用强制制动方式，通过用拉开锭子使锭盘接触锭座上的制动块。储丝盘3有自动调节张力的功能。桑蚕丝倍捻机的储丝盘一般比化纤倍捻机的储丝盘直径要大些，这是因为：一方面桑蚕丝表面光滑，张力装置对丝线施加的作用相对较小；另一方面是桑蚕丝细、强力低，缠绕易断头，所以丝线在储丝盘上的绕丝量应尽量避免超过一圈，以防丝线重叠而产生起毛、断头。化纤倍捻机的锭子结构如图5-19所示。
图5-18 锭子的转动部分
1—锭杆 2—锭盘 3—储丝盘
图5-19 化纤倍捻机锭子结构图
1—丝线 2—张力球 3—退解筒子 4—储丝盘 5—气圈导丝器
2.倍捻张力 倍捻张力主要由退解张力、捻丝张力和卷取张力三部分组成。
（1）退解张力。图5-20为桑蚕丝倍捻机（GC240S型）丝线退解简图。丝线从退解筒子引出后，绕过衬锭弯脚，从锭子顶端穿入空芯锭杆，经锭杆内的钢球张力器后，从储丝盘的横向孔眼中引出，再穿过锭杆上方的导丝钩，卷绕到筒子上。由于锭子的高速回转，使丝线一面扭转，一面向前移动。在整个倍捻过程中，丝线形成了两个气圈。从供丝筒子的退解点A到空心锭杆的入口处B形成了第一个气圈，称气圈AB。从储丝盘的横向孔眼C到上方导丝钩D，形成了第二个气圈，称气圈CD。
图5-20 桑蚕丝倍捻机丝线退解简图
退解张力主要由分离点张力和气圈AB作用力两部分组成，作用原理参见第二章第四节。退解张力取决于退解筒子的松紧程度、退解筒子的半径大小和退解点的上下位置，还与丝线线密度有关。由于退解筒子的直径由大变小，丝线退解点位置也随时变化，退解丝段AB的气圈形状和张力大小也随之变化，致使在倍捻过程中丝线退解张力很不稳定，波动较大。
（2）捻丝张力。捻丝张力包括第一捻丝区段张力和第二捻丝区段张力。
第一捻丝区段张力是丝线通过锭杆内钢球张力器所获得的张力。对于不同线密度和捻度的丝线，可通过钢球的数量和规格的选择进行调整，达到符合工艺要求的张力。
第二捻丝区段的张力是丝线与储丝盘的摩擦力，及储丝盘随锭子高速回转时，丝线形成气圈CD的张力。
捻丝张力的大小直接影响卷绕张力的稳定和成形筒子的质量，捻丝过程中要求气圈CD的张力稳定，当退解筒子的退解点上下变化、退解直径由大变小以及瞬间阻力变化致使捻丝张力波动时，卷绕在储丝盘上的附加张力，通过丝线在储丝盘上绕丝量变化来进行补偿的，从而达到自动调节捻丝张力的目的。卷绕在储丝盘上的附加张力取决于储丝盘表面和加捻丝线间的摩擦系数、加捻丝线的线密度和丝线在储丝盘上的包角。在捻丝过程中，其丝线线密度和摩擦系数是一定的。
图5-21 桑蚕丝倍捻机丝线卷取图
1—丝线 2—气圈导丝器 3—导丝杆 4—摩擦辊 5—倍捻筒子
图5-22 化纤倍捻机丝线卷取图
1—丝线 2—气圈导丝器 3—超喂罗拉 4—摩擦辊 5—倍捻筒子
（3）卷取张力。图5-21为R362S型桑蚕丝倍捻机的丝线卷取图，图5-22为RF310G型化纤倍捻机丝线卷取图。从图5-21可知，桑蚕丝倍捻时丝线从气圈导丝器引出，通过导丝杆即卷绕至捻丝筒子上，其卷取张力基本近似或稍大于捻丝张力。要特别指出的是，化纤倍捻时由于丝线线密度大、锭速高，致使捻丝张力大，所以一般设置一超喂罗拉装置。在丝线卷绕到捻丝筒子前，通过超喂罗拉控制不同的超喂率来调节丝线张力，获得低而均匀的卷取张力，满足工艺要求。超喂罗拉的转动是通过一对链轮传动，可以变换被动链轮齿数实现不同的超喂率。
3.捻丝张力的控制与调节
（1）张力装置及丝线在储丝盘上的包围角。倍捻机的张力装置是影响捻丝张力的主要因素之一，是否符合工艺要求，可以由丝线在储丝盘上的包围角进行检验。若张力装置给予丝线张力过大，会使丝线在储丝盘上的包围角过小，储丝量少，甚至储丝不能形成，气圈凸形小，这样对于任何可能出现的张力波动无补偿能力，易引起断头。但若张力装置给予丝线的张力过小，会使丝线在储丝盘上的包角过大，甚至形成多于一圈的储丝（桑蚕丝倍捻），使气圈的凸形过大，当丝从导丝钩中引出时，使丝圈收紧，同样引起断头。图5-23是丝线的退解张力、丝线在储丝盘上的包角、第二个气圈张力（即CD气圈）与退解筒子直径之间的关系曲线。从图5-23中可知，随着退解筒子直径的减小，退解张力逐渐增大；丝线在储丝盘上的包围角逐渐减小，从而使CD气圈张力基本保持不变。所以要稳定丝线张力，必须合理选择丝线在储丝盘上的包围角。从图5-23中还可知，当随退解筒子直径减小，包围角减小接近临界包角α0时，气圈张力突然增大，此时工艺条件严重恶化。所以退解筒子为最里层时，丝线在储丝盘上的包围角必须控制在临界包围角以上。
通常倍捻机的张力装置到丝线在储丝盘上的包围角：桑蚕丝倍捻在180°～270°之间，临界包围角以30°为宜；化纤倍捻在180°～540°之间，临界包围角以45°为宜。以保证在退解筒子直径减小，退解张力逐渐增大时，通过丝线在储丝盘绕丝量的自动减小来实现捻丝及卷绕张力的稳定。
（2）锭速。锭速和气圈张力的关系如图5-24所示。锭子转速越高，气圈的离心力越大，相应的气圈张力也随之增大。若张力过大，则会引起丝线伸长度和强度的降低，产生丝线起毛和断裂，所以锭速受丝线特性及所加捻度的限制。在生产中一般选择桑蚕丝倍捻锭速为5200～10000r/min，化纤倍捻锭速为6500～16000r/min，即对允许张力较高的丝线，可采用高锭速，反之采用较低锭速为宜。
图5-23 退解张力、包围角及气圈张力与筒子直径关系
图5-24 锭速与气圈张力关系曲线
（3）气圈导丝器位置。气圈导丝器位置的高低决定了气圈高度，而气圈高度影响气圈形态和气圈张力。气圈高度随丝线线密度、锭速和捻度的不同而不同。控制气圈高度的原则是在气圈不触及退解丝和其他任何零部件的前提下，尽可能选择较低的高度。如图5-25为化纤倍捻的气圈高度与气圈形态的选用。图5-25（a）为合理的气圈高度，气圈高度较低，气圈张力小，又不触及其他部件。但气圈高度过低，气圈会触及到张力器或退解筒子上端，如图5-25（b）所示，这时气圈形态遭破坏而丝线断头。若气圈过高，气圈张力会过大，特别对线密度小丝线，使丝线下部接触套管而出现不必要的张力突变，同样气圈形状遭破坏而丝线断头，如图5-25（c）所示。
图5-25 气圈高度与气圈形态的选用
（4）原料线密度及捻度。织造厂的原料品种多，尤其是合纤丝中的涤纶长丝、网络丝、阳离子丝、POY丝、丙纶丝、锦纶丝及其相互间的混合丝等，丝线线密度范围也大，最高达1000dtex，捻度要求也不断增大，达3000捻/m以上。而倍捻机上丝线线密度越大，运动惯量越大，张力越大；捻度越高，相对地说锭速就高，则张力也越大。一般情况下，捻度低，由于卷取速度快，倍捻机的气圈变小，为获得稳定的气圈，可减少张力球的粒数或减小球的规格，以获得相对较大的丝线在储丝盘上的包围角；此外，也可适当降低锭速，以减慢卷取线速，从而获得稳定的气圈形态。