CN114214761B - 一种纺制短纤维皮芯结构纱线的纺纱装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纺制短纤维皮芯结构纱线的纺纱装置，通过设计大小径整体式前罗拉、具有两个同轴独立旋转自由度的大小径前上胶辊、前区集束器和导纱段限位导轮，并配合理论计算的纺纱工艺，实现环锭细纱机一步法纺制短纤维皮芯结构细纱，并实现全锭数装置设计。且不需要对原有细纱机的牵伸装置驱动系统进行改变，只需整体更换前罗拉和前上胶辊，加装前区集束器和纺纱段导纱限位轮。且克服了同轴嵌套式前罗拉面临的纤维由嵌套环与固定环缝隙进入嵌套环轴承内部引起的罗拉抱死问题。本发明装置结构简单，便于在原有环锭细纱机上改装，运转稳定，维修方便，易于推广等特点为高效纺制短纤维皮芯结构纱线提供了有效方法。

Description

一种纺制短纤维皮芯结构纱线的纺纱装置

技术领域

本发明属环锭纺纱技术领域，涉及一种纺制短纤维皮芯结构纱线的纺纱装置。

背景技术

短纤包芯纱最早出现在20世纪60年代，当时为了改变纱线的强力及其织物的力学等性能，增大织物的强度，开发了以短纤维为芯纱的包芯纱，该结构以涤纶纤维为芯纱，棉纤维为外包纤维，大大增加了纱线的强度，改善了当时棉帆布力学性能差的缺陷，以涤纶为芯纱是因为涤纶在潮湿环境下，表现出耐水洗性、抗收缩性及其成纱硬挺等性能依然良好。

美国农业部南方研究中心的Sawhney等人在传统环锭细纱机的三对牵伸罗拉前加装前集束器，进行改造，以涤纶短纤维为芯纱外包棉纤维纺制短纤包芯纱的生产技术，其中涤纶纤维从一个槽中导入，棉纤维是从涤纶经过的槽的两边开放式弧形槽导入，这样通过加捻的作用，一条棉纤维在芯纤维的上面，另一条在芯纤维的下面，涤纶须条被包裹在两条棉条中间位置，然后卷绕成纱。该装置在前罗拉钳口加装导纱槽使纤维须条以固定通道输出在加捻点汇聚，其本质与三股赛络纺并无根本区别，虽然两侧须条更倾向于分布在纱体表面，但未考虑中间须条与两侧须条捻入纱体路径不同，中间路径短，纤维须条会周期性拱起露出纱体表面，不能形成很好的包缠结够。(参见A.P.S.Sawhney,C.L.Folk.ImprovedMethod of Producing Cotton-covered Polyester Staple-core yarn on a RingSpinning Frame[J].Textile Research Journal,1992,62(1)：21-25.)。

专利CN200410054221.3公开了“一种适于环锭纺的皮芯纺纱方法与装置”，将两束纤维条(通常为粗纱)分别放入一具有双喂入口的、双层结构的喇叭形喂入装置中，该装置安装于环锭纺纱机后罗拉后的移动杆上；调节该喇叭形喂入装置输出尖端与后罗拉钳口的距离与位置，使纤维须条呈双层交叠结构进入后罗拉和牵伸区；在完成牵伸后，出前罗拉口时，因加捻作用形成下包上的结构纱。但是细纱机喂入原料为粗纱，而粗纱是经过加捻呈紧密圆柱状的纤维集合体，并且在牵伸过程中承受较大张力，结构紧实的两根圆柱状纤维集合体无法在前进过程中很好的呈上下分布位置稳定前进，另外两根粗纱在前罗拉钳口的牵伸是单纤维顺序牵出呈扁平状输出，此时也不具备条件使得两种纤维呈上下分布加捻成纱，再者环锭纺中扁平带状须条加捻成纱，并无原理表明扁平带状上层纤维被卷入纱体内侧。

短纤包芯纱的外包纤维通常选用的是天然短纤维，而芯纤维的选择具有多样性，可以是天然纤维或者是化纤短纤维。针对短纤包芯纱的工艺优化也在不断进步，其技术难点在于保证成纱的包覆效果和纱线性能。以短纤维包芯粗纱为基础的两步法纺制细纱短纤维包芯纱的方法出现了，参见(康强.涤纶短纤维包芯纱粗纱的生产[J].纺织导报,2011(11):70-72；张红梅.粗纱包芯纱棉/涤针织纱的研究与开发[J].针织工业,2017(8):24-26；卢锦川,张小格.涤纶短纤维皮芯结构粗纱的生产体会[C].陕西省纺织工程学会2012年学术年会论文集,西北一棉,2012:1-5.)通过对粗纱机进行改造，在前罗拉与前胶辊握持口的罗拉座处，采用可以上下左右运动的特定托棉板，使两根须条的斜向移动距离不同，两束纤维须条在成纱过程中实现不同的径向分布，一根纤维须条包覆另一根纤维须条，然后加捻成粗纱。再将包芯粗纱经细纱机牵伸加捻纺制成细纱。此种方法是两步法纺制短纤维包芯纱，纺纱效率较低，并且包覆效果理想的包芯粗纱经过细纱机牵伸，牵伸过程中纤维存在内外转移，具有不可控性，不利于形成包覆效果良好的短纤维包芯细纱。

专利CN200510044026.7公开了一种“短纤维包缠复合纱生产方法”的纺制包芯纱的方法，具体工艺过程是在三罗拉牵伸机构的前方加了一个转移胶辊，在转移胶辊的前方加一个带有沟槽的包缠罗拉，以一定横向间距喂入不同原料纺成的两根短纤维粗纱，经牵伸后，一根直接输送到包缠罗拉，另一根先转移到转移胶辊上，再输送到包缠罗拉，两根须条在沟槽里捻合为包芯纱。该方法未考虑两股输出速度相同的纤维须条加捻时，两根须条需要与成纱形成稳定的力学平衡结构，这种两根等速输出的纤维须条以不同路径进入纱体，纺制一定长度的包芯纱所需两根须条长度不同，两根等速输出的纤维须条无法形成稳定的力学平衡结构。

另有一种公开报导纺制包芯纱的方法是：两根短纤维须条间隔一定距离经过前罗拉输出，其中一根须条经过一个导槽，导槽装置阻止捻回传递并使该须条转向，从而使该须条的纤维包缠在另一根须条上。该方法的导槽形状尺寸以及安装位置都影响包覆效果(参见任学勤.用环锭纺生产包芯纱的一种新技术[J]。纺织机械,2002(1)：15.16.)

专利ZL201610241984.1公开了“一种用于纺制包芯纱的设备的前罗拉不等速输出机构”，如图10所示，前罗拉由中心轴、活套罗拉和固定罗拉组成，固定罗拉与中心转轴通过沉孔螺栓相固定连接；所述活套罗拉活套在中心轴上，该活套罗拉由加装转轴传动，加装转轴通过齿轮或带传动活套在所述中心轴上的活套罗拉，与前罗拉对应的上胶辊也相应做出改进，两列同轴独立旋转上胶辊，分别对应固定罗拉和活套罗拉两个部分；该结构在公开号2000-110035的日本专利(申请日2000年4月18日)中早已出现，该专利公开了一种同轴3自由度的罗拉结构，如图11所示，中间轴套由罗拉轴传动，两侧的轴套分别由相连的齿轮传动。并将这种结构应用与粗纱机牵伸机构中；该结构在中国发明专利(ZL201010616326.9)公开的“等线密度环锭纺段彩纱成纱方法及装置”中出现，如图12所示，后罗拉牵伸齿面部分设计成两个并置的独立部分，一部分固定在后罗拉轴上，另一部分活套在后罗拉轴上，通过一根传动轴独立驱动。两根粗纱分别喂入两列并置的后罗拉，可以通过改变两列后罗拉的转速何喂入时间来控制喂入粗纱量纺制竹节纱和段彩纱。后面两个专利都将此结构应用在纺纱机罗拉牵伸机构的后罗拉，而专利ZL201610241984.1将该结构应用于纺纱机的前罗拉，通常的，对于普通罗拉，从结构上看，纺纱机前罗拉与后罗拉并无本质区别，但是前罗拉与后罗拉所面临的工作条件和原料形式有很大区别，前罗拉转速是后罗拉转速的数十倍(通常10～80倍)，后罗拉钳口握持的粗纱是具有捻度的紧密圆柱状纤维集合体，而前罗拉握持的是离散状扁平纤维须条，存在散纤维横向扩散，而两个嵌套的罗拉环中间存在缝隙，前罗拉采用活套罗拉，同轴嵌套的罗拉环与罗拉轴相对转速很高，活套罗拉环与罗拉轴之间需要采用轴承连接，散纤维卷入缝隙会使活套罗拉抱死，这种活套罗拉抱死会使纺纱无法正常进行，严重时会损坏设备，而纺纱机下罗拉是采用多根同轴连接(采用导孔和导柱连接)，单节罗拉无法单独停转，必须整台机器停车，这是正常生产所不能接受的。另外，现代细纱机前区牵伸是皮圈牵伸机构，不同与后区牵伸的简单罗拉牵伸，前罗拉钳口下端有吸棉笛管，前罗拉后端有包缠皮圈的上、下销组成的弹性钳口，这种需要增加一根传动轴的活套罗拉结构在前罗拉实施，并未考虑到前罗拉周围空间位置的局限。细纱机罗拉一般单节罗拉有6或8个锭位，整台细纱机前罗拉是由若干根单节罗拉组合而成，而罗拉的连接方式为导孔/导柱结构，常用细纱机前罗拉直径为25mm或27mm，为保证罗拉的刚性，罗拉导柱必须具有一定直径，通常为16mm，这与活套罗拉环和轴承也需要一定厚度有所矛盾。所以此结构在细纱机前罗拉应用的现实可行性有待验证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种纺制短纤维皮芯结构纱线的纺纱装置以及纺纱方法，特别是涉及一种环锭纺两粗纱一步法纺制短纤维皮芯结构纱线的方法。本发明通过设计大小径整体式前罗拉、具有两个同轴独立旋转自由度的前上胶辊、前区集束器和导纱段限位导轮，并配合理论计算的纺纱工艺，从装置和纺纱方法上实现环锭细纱机一步法纺制短纤维皮芯结构细纱，并实现全锭数装置设计。为高效纺制短纤维皮芯结构纱线提供了有效方法。

一种纺制短纤维皮芯结构纱线的纺纱的装置，包括横杆、双孔喇叭口、在横杆上的双孔喇叭口、后罗拉、中罗拉、前区集束器、大小径前罗拉、导纱辊、导纱钩和钢丝圈；

皮纤维束和芯纤维束通过固定在横杆上的双孔喇叭口喂入后罗拉与后上胶辊形成的握持钳口，经后牵伸区进入中罗拉与后上胶辊形成的握持钳口，在上皮圈和下皮圈的握持下，输送进入前区集束器。

所述的前区集束器如图6所示，包括宽通道和集束通道；皮纤维束经过的前区集束器的宽通道，不对皮纤维束的横向宽度进行收缩，而芯纤维束经过的前区集束器的集束通道，集束通道呈倒V型，芯纤维束被集束成细束经前罗拉低速钳口输出，作用是使前罗拉输出的芯纤维束呈紧密聚集状态，而皮纤维束以较大宽度从前罗拉钳口输出，有利于皮纤维束对芯纤维束的包缠。

所述大小径前罗拉结构如图3所示，大小径前罗拉包括大径环、小径环、前罗拉轴和罗拉轴承；所述两列同轴独立旋转自由度大小径胶辊如图4所示，包括中轴、轴承、大径胶辊和小径胶辊，所述的大径胶辊与小径胶辊具有独立的旋转自由度。

所述的大小径前罗拉和大小径胶辊上下配合，所述的前罗拉大径环与前上小径胶辊形成的前罗拉高速钳口和前罗拉小径环与前上大径胶辊形成的前罗拉低速钳口，所述的前罗拉大径环和前罗拉小径环都与前罗拉轴为一体，其旋转角速度相同，由于具有不同的直径，前罗拉大径环的表面线速度V_q1和前罗拉小径环的表面线速度V_q2不同，这样两根纤维束经过牵伸后，在前罗拉钳口的输出速度不同，其中，芯纤维束由前罗拉小径环输出，皮纤维束由前罗拉大径环输出，芯纤维束输出速度低与皮纤维束的输出速度，会形成非等腰三角形的加捻三角区形态，结合理论计算配置相应的纺纱工艺参数使得加捻三角区形态呈直角三角形，芯纤维束与前罗拉轴向垂直而构成加捻三角区的一个直角边，皮纤维束呈倾斜状与芯纤维须条汇聚加捻，构成加捻三角区的斜边。此时，在加捻作用下芯纤维须条只发生轴向扭转，而皮纤维束以一定倾斜角度包缠于芯纤维束外侧，纺制成短纤维皮芯结构纱，在此基础上，通过在前罗拉小径位置握持钳口对应纱线输出方向的横向位置加装具有纱线横向限位作用的导纱隔轮来控制下方纺纱气圈段纱线旋转所引起的导纱段纱线摆动，使加捻三角区形态稳定，穿过导纱隔轮的皮芯结构纱再经过导纱钩和穿套在钢领前上的钢丝圈卷绕至纱管，完成纺纱过程。

所述大小径前罗拉与大小径胶辊的工作状态如图5所示，多节大小径前罗拉以导柱和导孔顺序相连，在前罗拉轴承和前罗拉轴承处固定于左罗拉座和右罗拉座处，整根前罗拉的一端为驱动端，在罗拉轴上固定有传动齿轮，罗拉轴与传动齿轮以键限定径向位置。小径胶辊与前罗拉大径环形成前罗拉高速钳口，大径胶辊与前罗拉小径环形成前罗拉低速钳口前，形成两个输出线速度不同的钳口，实现皮纤维束与芯纤维束的不等速输出。

所述纺纱段导纱辊如图7所示，导纱辊由导纱辊轴、导纱隔轮、耐磨轴承、左固定环和右固定环，左、右固定环分别由顶丝固定在导纱辊轴上。其中导纱隔轮前嵌套在耐磨轴承上，然后再活套在导纱辊轴上，使得导纱隔轮可以径向自由旋转，在导纱隔轮前轴向中心开有深凹槽，对前罗拉输出的纺纱段纱线横向限位。深凹槽前可以满足一落纱过程中，环锭细纱机叶子板升降所引起的导纱段纱线位置变化，对一落纱过程中导纱段纱线都能起到横向限位作用，且不改变导纱段纱线垂直与罗拉轴的平面位置，不对导纱段纱线产生阻捻，以满足正常纺纱需要。

所述皮芯结构纱纺纱工艺理论的计算如下，皮芯结构纱横截面如图8所示，纺纱三角区几何结构如图9所示。

设T_tex为纱线的捻度前；θ为捻回角，h为捻距，R为纱线直径，R₀为芯纤维束直径。则h＝100/T_tex前。

捻回角θ与捻距h和纱线半径R的关系：tanθ＝h/2πR。

加捻三角区中皮纤维束前与前罗拉钳口前的夹角为θ′，则有tanθ′＝h/W。

以纱线直径投影可知：tanθ′＝h/4R。

由上述关系可知，获得理想包覆效果皮芯结构纱线的条件之一是皮纤维束在前罗拉钳口的输出宽度不能小于4R。而本发明中皮纤维束在前罗拉钳口的输出宽度W可以通过改变粗纱定量来改变，增大粗纱定量增大皮纤维束输出宽度，反之减小。

由上图可知单个捻回的最外层用纱量：

即当芯纤维束的纺纱长度为h时，皮纤维束的纺纱长度为L₁。则握持皮纤维束的前罗拉钳口的表面线速度V_q1与握持芯纤维束前的前罗拉握持钳口前的表面线速度V_q2的关系为

由相同角速度的两个不同直径圆表面线速度的关系可知：V_q1/V_q2＝r₁/r₂，则大小径前罗拉的大径r₁与小径r₂的关系为：

而与大小径前罗拉配合的前上胶辊的大径胶辊前与与小径胶辊前的配置为r₁-r₂＝r₄-r₃。

而纱线直径2R与线密度Tt的关系为：

其中δ为纱线体积密度。

综上所述：包覆效果受纱线捻度T_tex、线密度Tt和皮芯纤维束输出宽度W影响。其中纱线直径2R与线密度Tt的关系为：

其中δ为纱线体积密度；纱线捻距h与捻度T_tex的关系为：h＝100/T_tex前；皮芯纱输出宽度W≥4R。而选配的大小径前罗拉的大径r₁与小径r₂的关系为：

在大小径罗拉直径选定的条件下，可通过增大皮芯纤维束输出宽度W来弥补纱线线密度和纱线捻度变化的影响。另外单纤维细度的影响，最小皮纤维数量有极限值。在皮纤维数量与芯纤维数量比例的条件使得，皮纤维数量不超过最小皮层纤维数量的极限值内，即R-R₀≥单纤维直径，可以顺利纺制短纤维皮芯结构纱线。

所述的大小径前罗拉两端结构为导柱前和导孔前，可以将多根罗拉通过导柱前和导孔前组合连接，形成一根多节同轴的大小径前罗拉，实现纺纱单元的倍增。并通过改变导柱前和导孔前的螺纹正、反丝方向实现细纱机左、右两侧应用。

在本发明所述方法的基础上，可以将芯纤维束采用混合原料，芯纤维束中可以包含多种芯纤维原料，且芯纤维束可以采用芯纤维与皮纤维混合原料，这样可以降低芯纤维占最终成纱的比例。

本发明的有益效果：

本发明通过设计大小径整体式前罗拉、具有两个同轴独立旋转自由度的大小径前上胶辊、前区集束器和导纱段限位导轮，并配合理论计算的纺纱工艺，实现环锭细纱机一步法纺制短纤维皮芯结构细纱，并实现全锭数装置设计。且不需要对原有细纱机的牵伸装置驱动系统进行改变，只需整体更换前罗拉和前上胶辊，加装前区集束器和纺纱段导纱限位轮。且克服了同轴嵌套式前罗拉面临的纤维由嵌套环与固定环缝隙进入嵌套环轴承内部引起的罗拉抱死问题，为高效纺制短纤维皮芯结构纱线提供了有效方法。本发明所能纺制的皮芯结构纱中芯纤维占比范围大，理论上可以纺制极限大芯纤维占比的皮芯结构纱，同时可以通过调整芯粗纱或皮芯纱定量，或芯粗纱中芯纤维与皮纤维混合比例来改变芯纤维占最终皮芯结构纱整体的比例，灵活多变，适用性强。

附图说明

图1为短纤维皮芯结构纱纺纱装置原理示意图；

图2为短纤维皮芯结构纱纺纱装置牵伸机构截面示意图；

图3为两列同轴独立旋转自由度不等直径胶辊；

图4为两列同轴工作面不等直径罗拉；

图5为不等直径罗拉与胶辊工作状态示意图；

图6为前区集束器；

图7为纺纱段限位导纱辊；

图8为短纤维皮芯结构纱横截面示意图；

图9为短纤维皮芯结构纱加捻成纱结构原理；

图10为专利ZL201610241984.1的装置图；

图11为日本专利的装置图；

图12为专利ZL201010616326.9的装置图。

图中：1皮纤维束；2芯纤维束；3双孔喇叭口；4横杆；5后罗拉；6中罗拉；161上皮圈；61下皮圈；16后上胶辊；7前区集束器；71宽通道；72集束通道；81大径环；82小径环；83前罗拉轴；84导柱；85导孔；172前上小径胶辊；19前罗拉轴承；20前罗拉轴承；21传动齿轮；22键；23左罗拉座；24右罗拉座；25前罗拉高速钳口(大径位置)；26前罗拉低速钳口(小径位置)；91导纱隔轮；92导纱辊轴；93深凹槽；94右固定环；95左固定环；96耐磨轴承；97顶丝；11导纱钩；12钢丝圈；13钢领；14纱管；171大径胶辊；172小径胶辊；173轴承；174中轴。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明所要解决的技术问题是提供一种纺制短纤维皮芯结构纱线的纺纱装置，以及纺纱方法，特别是涉及一种环锭纺两粗纱一步法纺制短纤维皮芯结构纱线的方法。本发明通过设计大小径整体式前罗拉、具有两个同轴独立旋转自由度的前上胶辊、前区集束器和导纱段限位导轮，并配合理论计算的纺纱工艺，从装置和纺纱方法上实现环锭细纱机一步法纺制短纤维皮芯结构细纱，并实现全锭数装置设计。为高效纺制短纤维皮芯结构纱线提供了有效方法。

实施例1：

一种纺制短纤维皮芯结构纱线的纺纱的装置，包括横杆4、双孔喇叭口3、在横杆4上的双孔喇叭口3、后罗拉5、中罗拉6、前区集束器7、大小径前罗拉、导纱辊、导纱钩11和钢丝圈12；

皮纤维束1和芯纤维束2通过固定在横杆4上的双孔喇叭口3喂入后罗拉5与后上胶辊15形成的握持钳口，经后牵伸区进入中罗拉6与后上胶辊16形成的握持钳口，在上皮圈161和下皮圈61的握持下，输送进入前区集束器7。

所述的前区集束器7如图6所示，包括宽通道71和集束通道72；皮纤维束1经过的前区集束器7的宽通道71，不对皮纤维束1的横向宽度进行收缩，而芯纤维束2经过的前区集束器7的集束通道72，集束通道72呈倒V型，芯纤维束2被集束成细束经前罗拉低速钳口26输出，作用是使前罗拉输出的芯纤维束2呈紧密聚集状态，而皮纤维束1以较大宽度从前罗拉高速钳口25输出，有利于皮纤维束1对芯纤维束2的包缠。

所述大小径前罗拉结构如图3所示，大小径前罗拉包括大径环81、小径环82、前罗拉轴83和罗拉轴承19；所述两列同轴独立旋转自由度大小径胶辊如图4所示，包括中轴174、轴承173、大径胶辊171和小径胶辊172，所述的大径胶辊171与小径胶辊172具有独立的旋转自由度。

所述的大小径前罗拉和大小径胶辊上下配合，所述的前罗拉大径环81与前上小径胶辊172形成的钳口和前罗拉小径环82与前上大径胶辊171形成的钳口，所述的前罗拉大径环81位置和前罗拉小径环82位置都与前罗拉轴83为一体，其旋转角速度相同，由于具有不同的直径，前罗拉大径环81的表面线速度V_q1和前罗拉小径环82的表面线速度V_q2不同，这样两根纤维束经过牵伸后，在前罗拉高速钳口25的输出速度不同，其中，芯纤维束2由前罗拉小径环82输出，皮纤维束1由前罗拉大径环81输出，芯纤维束2输出速度低与皮纤维束1的输出速度，会形成非等腰三角形的加捻三角区形态，结合理论计算配置相应的纺纱工艺参数使得加捻三角区形态呈直角三角形，芯纤维束与前罗拉轴向垂直而构成加捻三角区的一个直角边，皮纤维束呈倾斜状与芯纤维须条汇聚加捻，构成加捻三角区的斜边。此时，在加捻作用下芯纤维须条只发生轴向扭转，而包覆纤维束以一定倾斜角度包缠与芯纤维束外侧，纺制成短纤维皮芯结构纱，在此基础上，通过在前罗拉小径位置握持前罗拉低速钳口26对应纱线输出方向的横向位置加装具有纱线横向限位作用的导纱隔轮91来控制下方纺纱气圈段纱线旋转所引起的导纱段纱线摆动，使加捻三角区形态稳定，穿过导纱隔轮91的皮芯结构纱再经过导纱钩11和穿套再钢领13上的钢丝圈12卷绕至纱管14，完成纺纱过程。

所述大小径前罗拉与大小径胶辊的工作状态如图5所示，多节大小径前罗拉以导柱84和导孔85顺序相连，在前罗拉轴承19和前罗拉轴承20处固定于左罗拉座23和右罗拉座24处，整根前罗拉的一端为驱动端，在罗拉轴83上固定有传动齿轮21，罗拉轴83与传动齿轮21以键22限定径向位置。小径胶辊172与前罗拉大径环81形成握持前罗拉高速钳口25，大径胶辊171与前罗拉小径环82形成握持前罗拉低速钳口26，形成两个输出线速度不同的钳口，实现皮纤维束与芯纤维束的不等速输出。

所述纺纱段导纱辊如图7所示，导纱辊由导纱辊轴92、导纱隔轮91、耐磨轴承96、左固定环95和右固定环94，左、右固定环分别由顶丝97和顶丝98固定在导纱辊轴92上。其中导纱隔轮91嵌套在耐磨轴承96上，然后再活套再导纱辊轴92上，使得导纱隔轮91可以径向自由旋转，在导纱隔轮91轴向中心开有深凹槽93，对前罗拉输出的纺纱段纱线横向限位。深凹槽93可以满足一落纱过程中，环锭细纱机叶子板升降所引起的导纱段纱线位置变化，对一落纱过程中导纱段纱线都能起到横向限位作用，且不改变导纱段纱线垂直与罗拉轴的平面位置，不对导纱段纱线产生阻捻，以满足正常纺纱需要。

所述皮芯结构纱纺纱工艺理论的计算如下，皮芯结构纱横截面如图8所示，纺纱三角区几何结构如图9所示。

设T_tex为纱线的捻度捻/10cm；θ为捻回角，h为捻距，R为纱线直径，R₀为芯纤维束直径。则h＝100/T_texmm。

捻回角θ与捻距h和纱线半径R的关系：tanθ＝h/2πR。

加捻三角区中皮纤维束1与前罗拉高速钳口25的夹角为θ′，则有tanθ′＝h/W。

以纱线直径投影可知：tanθ′＝h/4R。

由上述关系可知，获得理想包覆效果皮芯结构纱线的条件之一是皮纤维束1在前罗拉高速钳口25的输出宽度不能小于4R。而本发明中皮纤维束1在前罗拉高速钳口25的输出宽度W可以通过改变粗纱定量来改变，增大粗纱定量增大皮纤维束输出宽度，反之减小。

由上图可知单个捻回的最外层用纱量：

即当芯纤维束2的纺纱长度为h时，皮纤维束1的纺纱长度为L₁。则握持皮纤维束1的前罗拉高速钳口25的表面线速度V_q1与握持芯纤维束2的前罗拉低速钳口26的表面线速度V_q2的关系为

由相同角速度的两个不同直径圆表面线速度的关系可知：V_q1/V_q2＝r₁/r₂，则大小径前罗拉的大径r₁与小径r₂的关系为：

而与大小径前罗拉配合的前上胶辊的大径胶辊171与与小径胶辊172的配置为r₁-r₂＝r₄-r₃。

而纱线直径2R与线密度Tt的关系为：

其中δ为纱线体积密度。

综上所述：包覆效果受纱线捻度T_tex、线密度Tt和皮芯纤维束输出宽度W影响。其中纱线直径2R与线密度Tt的关系为：

其中δ为纱线体积密度；纱线捻距h与捻度T_tex的关系为：h＝100/T_texmm；皮芯纱输出宽度W≥4R。而选配的大小径前罗拉的大径r₁与小径r₂的关系为：

在大小径罗拉直径选定的条件下，可通过增大皮芯纤维束输出宽度W来弥补纱线线密度和纱线捻度变化的影响。另外单纤维细度的影响，最小皮纤维数量有极限值。在皮纤维数量与芯纤维数量比例的条件使得，皮纤维数量不超过最小皮层纤维数量的极限值内，即R-R₀≥单纤维直径，可以顺利纺制短纤维皮芯结构纱线。

实施例2：

本发明的一种纺制短纤维皮芯结构纱线的纺纱方法，如图1与图2所示，皮纤维束1和芯纤维束2通过固定在横杆4上的双孔喇叭口3喂入后罗拉5与后上胶辊15形成的握持钳口，经后牵伸区进入中罗拉6与后上胶辊16形成的握持钳口，在上皮圈161和下皮圈61的握持下，输送进入前区集束器7，两根纤维束根据需要分别通过前区集束器7的两个不同的纤维通道，然后分别进入前罗拉大径环81与前上小径胶辊172形成的钳口和前罗拉小径环82与前上大径胶辊171形成的钳口，前罗拉大径位置81和前罗拉小径位置82都与前罗拉轴83为一体，其旋转角速度相同，由于具有不同的直径，前罗拉大径环81的表面线速度V_q1和前罗拉小径环82的表面线速度V_q2不同，这样两根纤维束经过牵伸后，在前罗拉钳口的输出速度不同，其中，芯纤维束2由前罗拉小径环82输出，皮纤维束由前罗拉大径环81输出，芯纤维束2输出速度低与皮纤维束1的输出速度，会形成非等腰三角形的加捻三角区形态，再结合理论计算配置相应的纺纱工艺参数使得加捻三角区形态呈直角三角形，芯纤维束与前罗拉轴向垂直而构成加捻三角区的一个直角边，皮纤维束呈倾斜状与芯纤维须条汇聚加捻，构成加捻三角区的斜边。此时，在加捻作用下芯纤维须条只发生轴向扭转，而包覆纤维束以一定倾斜角度包缠与芯纤维束外侧，纺制成短纤维皮芯结构纱，在此基础上，通过在前罗拉小径位置前罗拉低速钳口26对应纱线输出方向的横向位置加装具有纱线横向限位作用的导纱隔轮91来控制下方纺纱气圈段纱线旋转所引起的导纱段纱线摆动，使加捻三角区形态稳定，穿过导纱隔轮91的皮芯结构纱再经过导纱钩11和穿套再钢领13上的钢丝圈12卷绕至纱管14，完成纺纱过程。

所述大小径前罗拉结构如图3所示，大小径前罗拉由大径环81、小径环82、前罗拉轴83和罗拉轴承19组成，前罗拉两端结构为导柱84和导孔85，可以将多根罗拉通过导柱84和导孔85组合连接，形成一根多节同轴前罗拉，实现纺纱单元的倍增。并通过改变导柱84和导孔85的螺纹正、反丝方向实现细纱机左、右两侧应用。

所述两列同轴独立旋转自由度大小径胶辊如图4所示，由中轴174、轴承173、大径胶辊171和小径胶辊172组成，大径胶辊171与小径胶辊172具有独立的旋转自由度。

所述大小径前罗拉与不等直径胶辊的工作状态如图5所示，多节前罗拉以导柱84和导孔85顺序相连，在前罗拉轴承19和前罗拉轴承20处固定于罗拉座24和罗拉座25处，整根前罗拉的一端为驱动端，在罗拉轴83上固定有传动齿轮21，罗拉轴83与传动齿轮21以键22限定径向位置。工作时，小直径胶辊172与前罗拉大径环81形成握持前罗拉高速钳口25，大直径胶辊171与前罗拉小径环82形成握持前罗拉低速钳口26，形成两个输出线速度不同的钳口，实现皮纤维束与芯纤维束的不等速输出。

所述前区集束器如图6所示，皮纤维束经过的前区集束器7的宽通道71，不对纤维束的横向宽度进行收缩，而芯纤维束经过的前区集束器7的集束通道72，集束通道72呈倒V型，芯纤维束被集束成细束经前罗拉钳口输出，作用是使前罗拉输出的芯纤维束呈紧密聚集状态，而皮纤维束以较大宽度从前罗拉钳口输出，有利于皮纤维束对芯纤维束的包缠。

所述纺纱段导纱辊如图7所示，导纱辊由轴92、导纱隔轮91、耐磨轴承96、左固定环95和右固定环94组成，左、右固定环分别由顶丝97和顶丝98固定在轴92上。其中隔纱导轮91嵌套在耐磨轴承96上，然后再活套再轴92上，使得隔纱导轮91可以径向自由旋转，在隔纱导轮91轴向中心开有深凹槽93，对前罗拉输出的纺纱段纱线横向限位。深凹槽可以满足一落纱过程中，环锭细纱机叶子板升降所引起的导纱段纱线位置变化，对一落纱过程中导纱段纱线都能起到横向限位作用，且不改变导纱段纱线垂直与罗拉轴的平面位置，不对导纱段纱线产生阻捻，以满足正常纺纱需要。

所述皮芯结构纱纺纱工艺理论的计算如下，皮芯结构纱横截面如图8所示，纺纱三角区几何结构如图9所示。

设T_tex为纱线的捻度(捻/10cm)；θ为捻回角，h为捻距，R为纱线直径，R₀为芯纤维束直径。则h＝100/T_tex(mm)。

捻回角θ与捻距h和纱线半径R的关系：tanθ＝h/2πR。

加捻三角区中皮纤维束1与前罗拉高速钳口25的夹角为θ′，则有tanθ′＝h/W。

以纱线直径投影可知：tanθ′＝h/4R。

由上述关系可知，获得理想包覆效果皮芯结构纱线的条件之一是皮纤维束1在前罗拉高速钳口25的输出宽度不能小于4R。而本发明中皮纤维束1在前罗拉高速钳口25的输出宽度W可以通过改变粗纱定量来改变(增大粗纱定量增大皮纤维束输出宽度，反之减小)。

由上图可知单个捻回的最外层用纱量：

即当芯纤维束2的纺纱长度为h时，皮纤维束1的纺纱长度为L₁。则握持皮纤维束1的前罗拉高速钳口25的表面线速度V_q1与握持芯纤维束2的前罗拉低速钳口26的表面线速度V_q2的关系为

由相同角速度的两个不同直径圆表面线速度的关系可知：V_q1/V_q2＝r₁/r₂，则大小径前罗拉的大径r₁与小径r₂的关系为：

而与大小径前罗拉配合的前上胶辊的大径胶辊171与与小径胶辊172的配置为r₁-r₂＝r₄-r₃。

而纱线直径2R与线密度Tt的关系为：

其中δ为纱线体积密度。

综上所述：包覆效果受纱线捻度T_tex、线密度Tt和皮芯纤维束输出宽度W影响。其中纱线直径2R与线密度Tt的关系为：

其中δ为纱线体积密度；纱线捻距h与捻度T_tex的关系为：h＝100/T_tex(mm)；皮芯纱输出宽度W≥4R。而选配的大小径前罗拉的大径r₁与小径r₂的关系为：

在大小径罗拉直径选定的条件下，可通过增大皮芯纤维束输出宽度W来弥补纱线线密度和纱线捻度变化的影响。另外单纤维细度的影响，最小皮纤维数量有极限值。在皮纤维数量与芯纤维数量比例的条件使得，皮纤维数量不超过最小皮层纤维数量的极限值内，即R-R₀≥单纤维直径，可以顺利纺制短纤维皮芯结构纱线。

本实施例所纺皮芯结构纱为纯棉纱，芯纤维占比40％，皮纤维占比60％，所纺纱线线密度为29.2tex，纱线捻度62.9捻/10cm，选定芯纤维粗纱定量4.0g/10m，则芯纤维粗纱牵伸倍数为34.25，为纯棉纱体积密度δ为0.82g/cm³(常用纯棉纱体积密度为0.78～0.90g/cm³)，计算得纱线捻距h为1.589mm，皮芯结构纱直径R为0.106mm，纱体内芯纤维束直径R₀为0.067mm，r₁/r₂＝1.084，4R为0.424mm，R-R₀＝0.039mm，在此条件下，皮纤维粗纱的牵伸倍数为37.12(34.25×1.084)，计算皮纤维粗纱定量为6.5g/10m，则选用皮纤维粗纱定量为6.5g/10m，测得皮纤维粗纱直径为3.1mm，直径为3.1mm的皮纤维粗纱经过牵伸后，纤维束横向扩散，在前罗拉钳口输出的宽度必定大于3.1mm，即远大于4R＝0.424mm，选用棉纤维直径为0.025mm，也小于R-R₀＝0.039mm，选定前罗拉小径环半径r₂为12.5mm，则前罗拉小径环半径r₁为13.55mm，选用前上大径胶辊半径r₄为14.5mm，前上小径胶辊半径r₃为13.45mm。细纱机纺纱锭速12000rpm。

Claims (4)

1.一种纺制短纤维皮芯结构纱线的纺纱的装置，包括横杆（4）、双孔喇叭口（3）、在横杆（4）上的双孔喇叭口（3）、后罗拉（5）、中罗拉（6）、前区集束器（7）、大小径前罗拉、导纱辊、导纱钩（11）和钢丝圈（12）；其特征在于：

皮纤维束（1）和芯纤维束（2）通过固定在横杆（4）上的双孔喇叭口（3），经后罗拉（5）与后上胶辊（15）形成的握持钳口，再经后牵伸区进入中罗拉（6）与中上胶辊（16）形成的握持钳口，在上皮圈（161）和下皮圈（61）的握持下，输送进入前区集束器（7）；

所述的前区集束器（7）包括宽通道（71）和集束通道（72）；皮纤维束（1）经过的前区集束器（7）的宽通道（71），不对皮纤维束（1）的横向宽度进行收缩，而芯纤维束（2）经过的前区集束器（7）的集束通道（72），集束通道（72）呈倒V型，芯纤维束（2）被集束成细束经前罗拉低速钳口（26）输出，作用是使前罗拉低速钳口（26）输出的芯纤维束（2）呈紧密聚集状态，而皮纤维束（1）以输出宽度W从前罗拉高速钳口（25）输出，有利于皮纤维束（1）对芯纤维束（2）的包缠；

所述大小径前罗拉包括大径环（81）、小径环（82）、前罗拉轴（83）和罗拉轴承（19）；两列同轴独立旋转自由度大小径胶辊包括中轴（174）、轴承（173）、大径胶辊（171）和小径胶辊（172），所述的大径胶辊（171）与小径胶辊（172）具有独立的旋转自由度；

所述的大小径前罗拉和大小径胶辊上下配合，所述的前罗拉大径环（81）与前上小径胶辊（172）形成的前罗拉高速钳口（25）和前罗拉小径环（82）与前上大径胶辊（171）形成的前罗拉低速钳口（26），所述的前罗拉大径环（81）位置和前罗拉小径环（82）位置都与前罗拉轴（83）为一体，其旋转角速度相同，由于具有不同的直径，前罗拉大径环（81）的表面线速度

和前罗拉小径环（82）的表面线速度

不同，这样两根纤维束经过牵伸后，在前罗拉高速钳口（25）和前罗拉低速钳口（26）的输出速度不同，其中，芯纤维束（2）由前罗拉小径环（82）输出，皮纤维束（1）由前罗拉大径环（81）输出，芯纤维束（2）输出速度低于皮纤维束（1）的输出速度，会形成非等腰三角形的加捻三角区形态，配置相应的纺纱工艺参数使得加捻三角区形态呈直角三角形，芯纤维束与前罗拉轴向垂直而构成加捻三角区的一个直角边，皮纤维束呈倾斜状与芯纤维须条汇聚加捻，构成加捻三角区的斜边；

所述的前罗拉低速钳口（26）对应纱线输出方向的横向位置加装具有纱线横向限位作用的导纱隔轮（91），来控制下方纺纱气圈段纱线旋转所引起的导纱段纱线摆动，使加捻三角区形态稳定，穿过导纱隔轮（91）的皮芯结构纱再经过导纱钩（11）和穿套在钢领（13）上的钢丝圈（12）卷绕至纱管（14），完成纺纱过程；

所述纺纱工艺参数如下：

所述的皮纤维束（1）在前罗拉高速钳口（25）的输出宽度不能小于4R；

R为纱线直径；

所述的皮纤维束（1）在前罗拉高速钳口（25）的输出宽度W可以通过改变粗纱定量来改变，增大粗纱定量增大皮纤维束输出宽度，反之减小；

纱线直径2R与线密度Tt的关系为：

，其中

为纱线体积密度；纱线捻距h与捻度T_tex的关系为：

（mm）；皮纤维束输出宽度W≥4R；而选配的大小径前罗拉的大径

与小径

的关系为：

。

2.如权利要求1所述的一种纺制短纤维皮芯结构纱线的纺纱的装置，其特征在于：所述的大小径前罗拉两端结构为导柱（84）和导孔（85），可以将多根罗拉通过导柱（84）和导孔（85）组合连接，形成一根多节同轴的大小径前罗拉，实现纺纱单元的倍增；并通过改变导柱（84）和导孔（85）的螺纹正、反丝方向实现细纱机左、右两侧应用。

3.如权利要求1所述的一种纺制短纤维皮芯结构纱线的纺纱的装置，其特征在于：多节所述的大小径前罗拉以导柱（84）和导孔（85）顺序相连，在前罗拉轴承（19）和前罗拉轴承（20）处固定于左罗拉座（23）和右罗拉座（24）处，整根前罗拉的一端为驱动端，在罗拉轴（83）上固定有传动齿轮（21），罗拉轴（83）与传动齿轮（21）以键（22）限定径向位置；小径胶辊（172）与前罗拉大径环（81）形成前罗拉低速钳口（26），大径胶辊（171）与前罗拉小径环（82）形成前罗拉高速钳口（25），形成两个输出线速度不同的钳口，实现皮纤维束与芯纤维束的不等速输出。

4.如权利要求1所述的一种纺制短纤维皮芯结构纱线的纺纱的装置，其特征在于：所述纺纱段导纱辊包括导纱辊轴（92）、导纱隔轮（91）、耐磨轴承（96）、左固定环（95）和右固定环（94），左、右固定环分别由顶丝（97）固定在导纱辊轴（92）上；其中导纱隔轮（91）嵌套在耐磨轴承（96）上，然后再活套在导纱辊轴（92）上，使得导纱隔轮（91）可以径向自由旋转，在导纱隔轮（91）轴向中心开有深凹槽（93），对前罗拉输出的纺纱段纱线横向限位。

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