第二节 细纱机牵伸原理
牵伸是将须条抽长拉细的过程，其牵伸的实质是使纤维沿轴向做相对运动，
其目的是使抽长拉细须条牵到规定的粗细。
一、实现牵伸的条件
在传统纺纱中是利用表面速度不同，有一定隔距的罗拉组来实现的。实现牵伸必须具备以下条件。
（1）须条上有积极握持的两点，且两握持点之间有一定的距离（隔距）。
（2）积极握持的两点必须有相对运动，输出端的线速度必须大于喂入端的线速度。
（3）握持点上应具有一定的握持力。
二、牵伸倍数
1.重量牵伸倍数和机械牵伸倍数
牵伸倍数是须条抽长拉细的程度，一般用E表示。
当牵伸过程中无纤维损失时：
式中：L1——牵伸前须条的长度；
L2——牵伸后须条的长度；
W1——牵伸前须条的重量；
W2——牵伸后须条的重量；
Tt1——牵伸前须条的特数；
Tt2——牵伸后须条的特数。
一般在设计时用此方法计算的牵伸倍数称为重量牵伸倍数，也称为理论牵伸倍数，简称重量牵伸。
当牵伸过程中罗拉与须条间无滑溜时：
v1、v2分别为喂入罗拉（后罗拉）和输出罗拉（前罗拉）的表面速度。
用此方法计算的牵伸倍数称为机械牵伸掊数，简称机械牵伸。
2.牵伸效率和牵伸配合率
牵伸过程中由于存在纤维损失、罗拉与须条间的滑溜、纤维的回弹性、捻缩等原因，所以机械牵伸与重量牵伸不相等。
在罗拉牵伸过程中，牵伸效率常小于1。一般在纺纱工艺中，为了补偿牵伸效率，使设计的重量符合工艺要求，一般用一个经验数值，这个数值称为牵伸配合率。
一般纯棉品种牵伸配合率为1.01～1.04，化纤品种一般为1.03～1.1。
三、牵伸区中纤维的运动
牵伸可以使须条达到设计的细度，但却会带来负面作用，那就是使条干恶化。我们知道，在同样原料条件下，生条的条干要好于熟条，熟条的条干要比粗纱好，而细纱的条干比粗纱差，这都是由于牵伸而造成的。
1.牵伸区中纤维的分布
根据牵伸区中纤维的分布情况，纤维可分为以下几种（表1-2）。
表1-2 牵伸区中的纤维分类
2.牵伸区中纤维的变速度过程
理想牵伸：假设A、B为理想须条中的两根平行顺直且长度相等的纤维，牵伸前它们之间相距为a0（移距），如图1-1所示。当A、B从后罗拉钳口喂入时均以v2速度运动，相距a0，假设I—I为牵伸区中的纤维变速度点，当A到达I—I时，A以v1速度变为快速纤维，在经过a0/v2时间后，B到达变速点，也以v1速度运动，假设牵伸后A、B相距为a1。那么，
图1-1 牵伸区中纤维的变速度过程
经过以上分析，可知道须条经过E倍的牵伸后，纤维移距增加了E倍，那么细度也就减小为原来的1/E，而并未产生不匀。但实际牵伸过程中纤维变速点不在同一位置，纤维的长度也会不同，所以产生正常移距的概率很小，有些纤维提前变速，就会使须条变粗，但另外一些纤维滞后变速就会形成细节，这就是通常所说的常发性纱疵。在实际牵伸过程中纤维的移距计算公式为：
式中：X——纤维实际变速点和理想变速点之间的距离；
E——牵伸倍数。
X(E-1)称为移距偏差，从式中可以看出，要使牵伸后的不匀率小，移距偏差越小越好，那么就要变E和X，即牵伸倍数E越小不匀率越小，纤维变速点越集中X就越小，那么移距偏差就越小。
通过分析可得出，纤维变速点集中且靠近前钳口，那么X就越接近0，移距偏差越小，这也是配置合理的牵伸工艺，减小牵伸不匀的重要工艺原则。
四、摩擦力界分布
在牵伸区中，纤维与纤维、纤维与牵伸部件间的摩擦力所作用的空间称为摩擦力界，摩擦力界具有一定的长度、宽度和强度。在牵伸区内，纤维在各个不同位置所受到的摩擦力强度不同，从而形成了一定的分布，即摩擦力界强度分布，简称为摩擦力界分布。该分布是一个三维空间，一般将其分解为两个平面分布，把沿须条方向的分布称为纵向摩擦力界分布，把罗拉钳口下垂直于须条方向的平面分布称为横向摩擦力界分布。图1-2 （a）、（b）所示分别为纵向和横向摩擦力界分布示意图。
图1-2 须条纵横向摩擦力界分布
图1-2（a）中，当罗拉压力P增大，使须条与上、下罗拉接触的边缘点外移，摩擦力界沿须条轴线方向的长度扩大，且摩擦力界分布的峰值亦增大，如m1曲线；当罗拉直径增大，摩擦力界纵向长度扩大，但其峰值减小，这是因为同样的压力作用在较大面积上的缘故，如m2曲线；当须条定量增加，紧压后须条的厚度和宽度均有增加，此时摩擦力界分布的长度扩展，但因须条单位面积上的压力减小，故峰值降低，如m3曲线。
图1-2（b）左侧为用包覆弹性的胶辊压在须条上，胶辊因加压发生变形而覆盖在须条上，横向握持力比较均匀，边缘纤维也受到一定的控制。右侧的胶辊弹性更好（如表面硬度较低的胶辊），即使须条很细，也可完全被包覆，横向压力均匀，对边缘纤维控制更加完善。
生产中，必须十分重视牵伸区内影响摩擦力界的因素。
（1）压力。钳口内纤维受到的压力大时，由于上罗拉（胶辊）上弹性包覆物的变形以及须条本身的变形，使须条与上、下罗拉接触的边缘点外移，摩擦力界沿轴线方向的长度扩大，且摩擦力界的峰值增大，反之会得到相反的结果。
（2）上下罗拉直径。直径大时，摩擦力界纵向长度扩大，但峰值减小。
（3）须条厚度和宽度。一般厚度和宽度增加时，摩擦力界的峰值减小，长度扩大。
五、合理布置细纱牵伸区摩擦力界分布
为了提高输出纱条条干均匀度，就要控制好牵伸区内纤维的运动，特别是短纤维的运动，这就需要合理配置牵伸区中摩擦力界的分布。图1-3所示为理想状态下摩擦力界分布。
图1-3 理想状态下摩擦力界分布
理想的摩擦力界分布：后钳口的摩擦力界应有一定强度，并向前扩展，以加强慢速纤维对浮游纤维的控制，同时又能让比例逐渐加大的快速纤维从须条中顺利滑出而不影响其他纤维的运动，前钳口摩擦力界应集中而足够大，以便稳定地对浮游纤维进行引导，保证纤维变速点分布向前钳口集中且相对稳定。细纱工序牵伸区摩擦力界合理布置的措施如下。
1.缩短浮游区长度
即缩短胶圈钳口至前罗拉钳口间的距离，使浮游纤维数量减少，使胶圈钳口摩擦力界向前延伸，增加浮游区中纤维间的控制力，有利于纤维变速点向前钳口集中。通常采用的办法是：选用较小的钳口隔距，使用较薄、较软的胶圈，采用新型上销和下销等。
2.加强胶圈中部摩擦力界强度
在双胶圈牵伸装置中，上、下胶圈的工作面为松边。松边由于受到胶圈销摩擦阻力的作用，易产生中凹，使牵伸区中纤维分层，产生不匀。在长短胶圈牵伸装置中采用曲面阶梯下销，使胶圈中部呈曲线状，可增强胶圈中部对纱条的控制作用。
3.加强胶圈钳口摩擦力界强度
为了加强对纤维运动的控制，目前一般采用弹性钳口，弹性钳口对摩擦力界有一定的调节作用。当喂入的纱条变粗时，弹性钳口会被略微顶起，牵伸力变小，缓冲了牵伸力急剧增大而产生的不匀。
4.添加各种牵伸形式的附加摩擦力界机件
附加摩擦力界是指除了罗拉加压所产生的摩擦力界外，在牵伸区中依靠其他机件所形成的摩擦力界。它能对浮游纤维进行较完善的控制，提高纱条条干均匀度。目前各种牵伸形式的改进都是对摩擦力界的改进，如并条的三上三下压力棒牵伸，粗纱的三罗拉双短胶圈牵伸，细纱的三罗拉长短双胶圈牵伸等。
六、牵伸区纤维受力分析
1.引导力与控制力
以前罗拉速度运动的快速纤维作用于牵伸区内某一根浮游纤维整个长度上的力称为引导力，它是引导浮游纤维由慢速变为快速的作用力；以后罗拉速度运动的慢速纤维作用于牵伸区内某一根浮游纤维整个长度上的力称控制力，它是阻止浮游纤维由慢速变为快速的作用力。当引导力大于控制力时，就能使浮游纤维变速，故浮游纤维的运动主要决定于作用在该纤维整个长度上的引导力和控制力大小。由于罗拉钳口的距离要大于纤维长度，这样每根纤维总要有一个浮游过程，长纤维的变速点总是比较接近前钳口且相对集中，而短纤维的变速点比较分散且远离前钳口，这就是为什么短绒高时条干会恶化的原因。
2.牵伸力与握持力
（1）牵伸力。牵伸区中将以前罗拉速度运动的全部快速纤维从以后罗拉速度运动的慢速纤维中抽引出来时，克服摩擦阻力总和的力称为牵伸力，牵伸力与引导力和控制力的主要区别在于，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，而引导力和控制力是对一根纤维而言的。影响牵伸力的因素有以下几种。
①牵伸倍数。当喂入纤维条定量不变时，牵伸力与牵伸倍数的关系如图1-4所示。
当牵伸倍数小于Ec时，主要是须条的弹性伸长。随着牵伸倍数的加大，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。在Ec处，牵伸力最大，该牵伸倍数称为临界牵伸倍数。在临界牵伸附近牵伸过程较复杂，纤维处于滑动与不滑动的转变过程。因此，该部分的牵伸力，不仅最大，而且波动大。在实际生产中，应避开此区域，否则影响须条不匀率。临界牵伸倍数的大小与纤维种类、纤维长度和线密度、须条线密度、罗拉隔距和纤维平行伸直度等因素有关。
当输出须条定量不变，仅改变喂入须条定量时，牵伸力与牵伸倍数的关系如图1-5所示。
图1-4 牵伸力与牵伸倍数的关系（喂入定量不变）
图1-5 牵伸力与牵伸倍数的关系（输出定量不变）
牵伸倍数大，即意味着喂入须条定量增加，此时前罗拉握持的快速纤维数量虽然不变，但因慢速纤维数量增加以及后钳口摩擦力界向前扩展，因而每根快速纤维受到的阻力增大，牵伸力亦增大。
图1-6 隔距与牵伸力的关系
②罗拉隔距。当罗拉隔距变化时，牵伸力的变化如图1-6所示。
罗拉隔距增大，牵伸力减小，但增大到一定程度后，牵伸力几乎不受影响，此时快速纤维的后端受摩擦力界的影响较小；反之，当罗拉隔距缩小到一定程度后，快速纤维尾端受后罗拉摩擦力的影响较大，部分长纤维可能同时受到前、后罗拉控制，牵伸力剧增，使纤维被拉断或牵伸不开而出“硬头”。
③胶辊加压。牵伸区中后钳口压力增加，后区摩擦力界的强度和范围都相应增加，则牵伸力也随之增加。
④附加摩擦力界。由于附加机件使牵伸区的中后区摩擦力界强度增加和向前扩展，与简单罗拉牵伸相比，牵伸力也比较大。如果牵伸机构中采用集合器，也因为须条受到压缩，而使牵伸力增加，集合器口径愈小，牵伸力愈大。
⑤喂入纤维条厚度。当其他条件不变时，两根棉条并列喂入，其牵伸力为单根棉条的两倍。两根棉条上下重叠喂入，牵伸力为单根棉条的3.2倍；单根棉条比原来线密度大1倍时，牵伸力为原来单根棉条的2.9倍。喂入同样线密度的须条，如果宽度变宽、厚度变薄，则须条摩擦力界强度减弱且扩展范围变小，因而牵伸力较小。
⑥纤维性质与喂入纤维条的结构。喂入棉条的纤维长度长、线密度小，则同样线密度的棉条截面中纤维根数多，且纤维在较大长度上受到摩擦阻力，所以牵伸力较大。同时，细而长的纤维，一般抱合力较大，也增加了纤维间的摩擦阻力，因而牵伸力也增大。须条中纤维呈卷曲且互相交错纠缠的排列状态，牵伸力较大。纤维越是平行伸直，牵伸力越小。在同样工艺条件下，二道并条的牵伸力要比头道为小。
⑦温湿度。温湿度与牵伸力密切相关。温度增高时，纤维间摩擦系数小，牵伸力降低。一般情况下，相对湿度增大，纤维摩擦系数增加。相对湿度在34%~76%的范围内时，相对湿度增加，牵伸过程中纤维易于平行伸直，牵伸力反而降低。超过此范围，相对湿度继续升高，须条中纤维柔软而接触紧密，摩擦阻力增加，牵伸力也随着增加。
（2）握持力。握持力是指罗拉钳口对须条的摩擦力，其大小取决于钳口对须条的压力和上下罗拉与须条间的摩擦系数。对前罗拉而言，握持力太小，会使胶辊打滑，须条产生不匀。对后罗拉来说，如握持力太小，纤维有可能从后钳口抽出而提前变速，或者胶辊打滑，使其表面速度快于后罗拉表面速度，同样影响须条不匀。一般应使握持力比最大牵伸力大2~3 倍。
影响握持力的因素除罗拉压力外，主要还有胶辊的硬度、罗拉表面沟槽形态及槽数，同时胶辊磨损中凹、胶辊芯子缺油而回转不灵活、罗拉沟槽棱角磨光等，对握持力亦有很大影响。
（3）牵伸力与握持力的关系。牵伸顺利进行的条件是罗拉的握持力足以克服牵伸力。否则，须条将在罗拉钳口下打滑，引起条干不匀。要使前、后钳口同样达到与牵伸力相适应的握持力，前胶辊上压力应略大于后胶辊上的压力。此外，因为前罗拉转速高，罗拉和胶辊容易跳动，前胶辊上也应该加重压力。
在生产中，为了防止须条在罗拉钳口下打滑，握持力应当恒大于牵伸力。当牵伸力波动时，可采用增大罗拉握持距来减小牵伸力；或增大胶辊加压来增大握持力的方法调节。
七、牵伸增加纱条不匀
由于罗拉握持距离大于纤维主体长度，每根纤维在牵伸区内运动时都有—个浮游过程。在纤维处于浮游状态时，既可随包围它而已被前罗拉握持的纤维以相同于前罗拉速度运动，也可随包围它而尚被后罗拉握持的纤维以相同于后罗拉速度运动。浮游纤维的这种不规则运动，以及纤维头端接近前罗拉变速位置的不稳定性，使得经牵伸后，纤维头端移距产生偏差。由于纤维的长度不匀，罗拉和其他控制元件不能对不同长度的纤维运动给予同样有效的控制。这就使得经牵伸后的纤维头端移距偏差更大，使得纱条截面积随时间而变化，从而产生了纱条的不匀。从作用在浮游纤维上的引导力和控制力分析，在牵伸过程中，当纤维束中的部分纤维被过早牵引向前时，在这一段纤维束的短片段纱条上产生了较大的内摩擦力，其增大的程度足以影响其后一段纱条中浮游纤维的运动，使这些短纤维受到较大的引导力而提前变速，从而向前段纱条集中，直至脱离前罗拉的握持为止。这种短纤维趋向集中的结果，就在纱条上形成一个粗节。接着，由于后端纱条中短纤维早已提时变速，而造成了紧接着粗节后面的纱条内纤维数量的减少，在这一段纱条上就形成了一个细节。由于细节内的纤维间摩擦力的降低，就会因引导力减小而促使再下一段纱条中的浮游纤维变速点延迟，即在细节后又产生一个粗节。如此周而复始，重复循环，造成纱条上的周期性粗细节分布.这就是牵伸波形成的机理。由于牵伸波而引起的纱条不匀，还随着纤维长短以及它的长短差异的增加而加剧。如粗梳棉纱具有较精梳棉纱远为显著的牵伸波。
牵伸波是一个具有不断变化着的波长和波幅组成的准周期波。这种准周期性波动的规律又受到一些随机性的变化因素的干扰。这些因素主要有以下几种。
(1)喂入纱条中捻回分布的变化。
(2)喂入纱条中纤维的缠结和弯曲状态。
(3)纤维长度分布差异和纤维在纱条中的排列形态。
(4)纱条中结杂含量等。
这些因素都会影响纱条中浮游纤维运动的规律，导致在输出产品中以牵伸波形式出现的不匀。
纱条每经一道牵伸后，都会产生一次新的牵伸波。喂入纱条中，由前道工序所产生的牵伸波，经本道牵伸作用后，使平均波长随牵伸倍数成比例增长，其峰值相应降低。因此，出现在最终产品纱条上的不匀结构，除最后工序所产生的短波长牵伸波外，还包含着各种由前道正序所造成的、不同峰值的、波长较长的牵伸波。较长波长的牵伸波一般峰值较低，容易为本道牵伸机构所产生的短波长牵伸波所掩盖。对细纱来说，前纺在没有特别失控的情况时，其形成的牵伸波是不显著的。
牵伸过程中牵伸波幅值对纱条平均厚度的比率，即相应的牵伸波不匀率的数值，随着纱条截面中平均纤维根数减少而增大。即纱条在各工序牵伸后不断变细的同时，其不匀率数值也愈来愈大。
减小牵伸波的有效方法，是在牵伸区中加装纤维控制元件，如胶圈、轻质胶辊、压力棒、控制导管等，以增加牵伸区内的附加摩擦力界强度，有效地控制浮游纤维的运动，减少牵伸后输出纱条中的纤维移距偏差，使纱条截面趋于均匀。
八、稳定细纱牵伸力的措施
1.调整粗纱捻度
牵伸力大时，可适当减小粗纱捻度，使纤维间的紧密度降低，减小快速纤维从慢速纤维中抽出时的滑移阻力，降低牵伸力。这是我们实际生产中解决细纱“硬头”的有效措施之一。
2.调整后区牵伸倍数
在细纱后区牵伸选择时，要根据所纺纱的用途，一般机织用纱后牵伸倍数为1.2～1.5倍。针织纱后牵伸倍数为1.02～1.20倍。当出现牵伸力大而不稳定时，可提高后区牵伸倍数。这样可增加后区对粗纱的解捻能力，从而降低前区牵伸力。
3.调整前罗拉加压
牵伸力大时，可适当增加前罗拉加压，使握持力增大以克服牵伸力的增大。
4.调整钳口隔距
钳口隔距小有利于增强摩擦力界，使对纤维的控制力增强，有利于条干均匀，但钳口最小不能小于上下胶圈厚度之和。另外，钳口隔距要根据所纺纱条的特数来选择。实践证明，选用适当偏小的钳口隔距有利于提高条干水平，但当牵伸力大而不稳定时，可增大钳口隔距来解决。
5.采用低硬度的胶辊
胶辊硬度低时，其横向对纤维的握持力好，有利于对纤维的包围，同时纵向握持力也均匀而稳定，并且使浮游区缩短，成纱质量好。但胶辊硬度低时易产生缠绕。