第二节 络筒张力
络筒张力是络筒过程中纱线卷绕到筒子之前的张力。络筒张力适度，能使络成的筒子成形良好，具有一定卷绕密度而不损伤纱线的物理机械性能。如张力过大，将使纱线弹性损失，织造断头增加；张力过小，则引起筒子成形不良，造成筒子疵点。在一定的络筒张力作用下，纱线的弱节发生断裂，可为后工序消除隐患，提高后工序的生产效率。
适度的张力要根据所加工织物的要求和原纱的性能来定，一般可在下列范围中选定。
棉纱：张力不超过其断裂强度的15%～20%；
图1-16 轴向退绕中的管纱及气圈
1、2、3—第1、2、3节气圈 4—气圈颈部 5—气圈腹部 6—层级顶部 7—层级底部 8—退绕点 9—分离点 d—导纱距离 h—气圈高度
毛纱：张力不超过其断裂强度的20%；
麻纱：张力不超过其断裂强度的10%～15%；
桑蚕丝：2.64～4.4cN/tex；
涤纶长丝：0.88～1.0cN/tex。
络筒张力均匀，意味着在络筒过程中应尽量减少纱线张力波动，从而使筒子卷绕密度有可能达到内外均匀一致，筒子成形良好。
络筒时纱线从管纱上抽出，自管纱顶部至底部逐层剥离。管纱通常固定地插在锭座上，因此退绕时纱线一方面沿纱管轴线上升，同时又绕轴线做回转运动。由于纱线的这种运动，形成一个旋转曲面（纱线运动的轨迹），称为气圈。气圈各部位名称如图1-16所示。
在络筒过程中，纱线从固定的管纱上做轴向退绕，构成络筒张力的因素有以下各项：纱线从附着于管纱表面过渡到离开管纱表面所需克服的摩擦力和粘附力；纱线从静态过渡到动态所需克服的惯性力；由于做气圈运动而引起的纱线张力；纱线通道中各种导纱部件和张力装置的作用所引起的纱线张力。当络筒速度达到很高（2000m/min）时，纱线运动所受的空气阻力会上升为影响络筒张力的一个重要因素，这时张力装置产生的张力要做相应的减小。
一、退绕点张力和分离点张力
在管纱卷装表面上受到退绕过程影响的一段纱线的终点称为退绕点。在这点以后的纱线在管纱上处于静平衡状态，它的张力称为静平衡张力或退绕点张力。由于纱线的松弛作用，退绕点张力的绝对数值一般很小，在本节中以Tt表示。
纱线开始脱离卷装表面或纱管的裸露部分而进入气圈的过渡点称为分离点。分离点张力以T1表示，它由下列各因素决定：纱线的静平衡张力，即退绕点张力Tt；纱线对卷装表面的粘附力，它取决于纤维的性质和纱线的表面状态；纱线从静态过渡到动态所需克服的惯性力；从退绕点到分离点之间，在管纱表面滑动的摩擦纱段与管纱表面的摩擦力。
上述诸力中，粘附力和惯性力两项数值很小，它们对分离点张力T1的影响可以忽略不计。
从退绕点到分离点之间，摩擦纱段与管纱表面摩擦，使分离点张力T1远远大于退绕点张力Tt。即：
式中：k—— 一个小于摩擦因数f并和摩擦因数以及纱线与管纱轴心线夹角有关的变量；
Ψ2-Ψ1——摩擦包围角。
式（1-8）说明了分离点纱线张力T1在很大程度上取决于纱线对管纱的摩擦包角的数值。摩擦纱段长度增加，摩擦包角相应增大，分离点张力T1也近似地（因k值亦做变化）以指数函数规律急剧增加。所以，在Tt基本不变的条件下控制摩擦纱段长度，减少摩擦包围角的变化，是均匀分离点张力T1的关键。
二、做气圈运动的纱线张力
把气圈上任意微元纱段看做处于动态平衡状态，作用于该微元纱段上的力有：微元纱段上的重力；空气阻力，它与纱线运动速度的平方成正比，微元纱段的运动可以分解为前进（纵向）运动和回转（切向）运动两部分，在正常络纱速度下空气阻力极小，可以忽略不计；回转运动的法向惯性力（因为在等速络筒过程中大致可以认为气圈做匀速回转运动，所以回转运动的切向惯性力等于零）；前进运动的法向惯性力（因为前进运动的速度值几乎不变，所以纱线前进运动的切向惯性力等于零）；哥氏惯性力；纱段两端张力。上述诸力构成了一个动态平衡力系，由分析可知，其中回转运动的法向惯性力和哥氏惯性力是构成气圈运动纱线动态张力的主要因素。管纱退绕速度增加时，这两项惯性力随之增加，使气圈运动的纱线动态张力增大。
作用于气圈上端（导纱部件）处的纱线张力T2称为管纱轴向退绕的纱线张力。它取决于作用在气圈下端的纱线张力（即分离点张力T1）和气圈运动所引起的纱线动态张力。由于纱段质量很小，气圈运动所引起的纱线动态张力不可能对管纱轴向退绕张力T2起重要影响。在络筒过程中，对管纱轴向退绕张力T2起决定作用的应当是分离点张力T1。因此，如何均匀分离点张力T1，成为均匀管纱轴向退绕张力T2的研究重点。
三、管纱轴向退绕时纱线张力变化规律
1.退绕一个层级时纱线张力变化规律 高速记录的纱线短片段退解过程中张力变化情况如图1-17所示。图中张力的极大值点1对应着分离点位于层级顶部位置，极小值点2对应层级底部位置。因为层级顶部的卷绕直径小于层级底部，在匀速络筒条件下，分离点位于层级顶部时气圈的回转角速度较大，而分离点位于层级底部时较小。回转角速度的变化影响到气圈各微元纱段上回转运动法向惯性力和哥氏惯性力数值，引起一个层级内管纱退绕张力波动。但是，回转运动法向惯性力和哥氏惯性力数值很小，层级顶部和层级底部直径差异也不大，并且一个层级卷绕的纱线长度很短，所以张力波动幅度小且周期短。由于纱线材料良好的张力松弛特性，这种形式的张力波动很容易在筒子上被消除，从而不会对后工序产生不良影响。
图1-17 连续几个层级退绕时张力变化规律
2.整只管纱退绕时纱线张力的变化规律 图1-18所示为整只管纱退绕时纱线张力变化图线（试验条件为络筒速度450m/min，导纱距离150mm，纱线特数29tex）。满管时张力极小（图1-18中A点），出现不稳定的三节气圈。随着退绕的进行，气圈形状被拉长，气圈抛离纱管的程度减弱，纱管裸露部分增加，退绕点到分离点的距离不断增加，摩擦纱段长度增长，管纱退绕张力也逐渐增加。同时，最末一节气圈的颈部向纱管管顶靠近。当退绕到一定时候（图1-18中B点），该节气圈颈部与管顶相碰，气圈形状瞬间突变，气圈个数减少，出现稳定的两节气圈，摩擦纱段长度瞬时增长，分离点张力T1乃至管纱退绕张力T2突然增长。当继续退绕到图1-18中C点时，气圈形状又一次突变，出现稳定的单节气圈，其摩擦纱段长度和管纱退绕张力T2又突发较大幅度的增长。在C点与D点之间，虽然气圈始终维持单节状态，但气圈高度不断变大，气圈形状瘦长，摩擦纱段迅速增加，管纱退绕张力T2急剧上升。以上分析表明：气圈形状影响摩擦纱段长度，摩擦纱段长度是影响分离点张力T1和管纱退绕张力T2的决定性因素，控制气圈形状可以减少T1和T2的变化，使络筒张力均匀。
图1-18 整只管纱退绕时纱线张力变化
图1-19 络筒张力变化
3.导纱距离对纱线退绕张力的影响 导纱距离即纱管顶端到导纱部件的距离，不妨碍络筒工人操作的最小导纱距离d为50mm。在d为50mm条件下进行络筒时，从满管到空管的整个退绕过程中只出现单节气圈，纱线张力波动较小，如图1-19（a）所示，试验条件为络筒速度450m/min，纱线特数29tex。
随着导纱距离的增加，平均退绕张力及张力波动幅度均有所增加，构成了不利的络筒工艺条件。当导纱距离为200mm时，满管退绕出现五节气圈，到管底时出现单节气圈，张力变化幅度达到4倍以上，如图1-19（b）所示。
当导纱距离大于250mm时，满管退绕时气圈节数达六节以上，而退绕到管底时，气圈节数仍保持在两节以上，始终不出现单节气圈。图1-19（c）为d等于500mm时的纱线张力变化图线。
由此可见，在导纱距离等于50mm和大于250mm时，络筒张力都能保持较小的波动。
4.络筒速度对纱线退绕张力的影响 实际测定的结果表明，当络筒速度增加时，气圈回转角速度ω也相应增加，由于空气阻力的影响，气圈形状变化，使摩擦纱段增长，从而分离点张力和纱线退绕张力增加。有文献介绍，络筒纱线退绕张力与络筒速度成正比。
5.纱线特数与纱线退绕张力的关系 通过对气圈中微元纱段所受诸力的分析可知，纱线特数即纱线线密度影响了纱线回转运动的法向惯性力和哥氏惯性力，纱线特数增大，使纱线退绕张力增长。
四、管纱轴向退绕时均匀纱线张力的措施
1.正确选择导纱距离 从上面介绍的导纱距离对纱线张力变化的关系可知，为了减少络筒时纱线张力的波动，可以选择70mm以下的短导纱距离，或500mm以上的长导纱距离。在自动络筒机上由于不受操作的限制，采用较长的导纱距离。
图1-20 气圈破裂器
2.使用气圈破裂器 将气圈破裂器安装在纱道中形成气圈的部位，可以改变气圈的形状，抑制摩擦纱段长度变化，从而改善纱线张力的均匀程度。气圈破裂器的作用是：当运动中的纱线（形成气圈部分）和它摩擦碰撞，可使纱管退绕到底部时，原来将出现的单节气圈破裂成双节气圈，通过抑制摩擦纱段增长的途径（用高速闪光摄影发现，在原先的摩擦纱段处出现小气圈而与卷装表面脱离接触）避免管底退绕时纱线张力陡增的现象发生。图1-20（a）所示的是环状破裂器，它由直径3～4mm的金属丝弯成直径25mm的圆环而成，有时在环的内圈刻以细齿，以增加破裂作用。图1-20（b）所示为球状破裂器，它是金属或塑料制成的表面光洁的双球或单球杆，球的直径约16mm，双球式的球与球之间相隔6mm。图1-20（c）是以金属薄片弯成方形的管状破裂器。
气圈破裂器的安装应当以环、管的中心对准纱管轴心线，离管纱顶部约30～40mm（离导纱部件约60～70mm）为宜。如使用气圈破裂球，则可安装在离管纱顶部约35～40mm处，略偏离纱管轴心线。安装气圈破裂器时应当注意气圈中纱线的回转方向，使纱线不致脱出破裂环、管，或被破裂球碰断。实际生产的情况表明，由于纱线对气圈破裂器的碰撞作用，同时可收到纱线除杂之效，但纱线毛羽也会增加。
在高速络筒的条件下，上述传统的气圈破裂器的使用仍存在着一些不足之处。管纱高速退绕的张力变化过程如图1-21（a）所示，当管纱上剩余的纱量为满管的30%或以下时，摩擦纱段长度明显增加，络筒张力急剧上升。这显然会对纱线的物理机械性能和筒子卷装成形带来不良影响。因此，在管纱上纱线剩余1/3时，为抑制纱线张力的快速增长，维持络筒张力的均匀程度，部分自动络筒机上采取了自动降速措施或张力装置自动减小对纱线制动力的措施。
图1-21 使用不同气圈破裂器时络筒张力变化
新型的气圈破裂器又称气圈控制器，它不仅能破裂气圈，而且根据管纱的退绕程度自动调整气圈控制器的高低位置（图1-22），起到控制气圈形状和摩擦纱段长度的作用，从而均匀了络筒张力［图1-21（b）］，减少了纱线摩擦所产生的毛羽以及管纱退绕过程中的脱圈现象。图1-21的试验条件为络筒速度1500m/min，棉纱特数13.5tex。
图1-23表明：随着络筒速度的提高，络筒张力以及张力由满管时初始值变化到空管时最终值的变化幅度也在不断增加，但是使用气圈控制器之后，络筒张力以及张力变化幅度的增长显得比较缓慢。因此，在高速络筒过程中，气圈控制器的使用对于均匀络筒张力、减少脱圈现象和纱线毛羽的效果就尤为突出。
图1-22 新型气圈破裂器的工作情况
1—管纱 2—气圈破裂器 3—纱线
图1-23 络筒张力以及张力变化幅度与络筒速度的关系
—△—空管时的络筒张力最终值（使用传统的气圈破裂器）——空管时的络筒张力最终值（使用新型的气圈破裂器）—○—满管时的络筒张力初始值
五、张力装置和导纱部件引起的纱线张力
管纱轴向退绕张力T2的绝对值比较小，若以它作为络筒张力进行络筒，会得到极其松软、成形不良的筒子。使用张力装置的目的是：产生一个纱线张力的增量，在适度增加络筒张力的同时，提高络筒张力均匀程度，以卷绕成成形良好、密度适宜的筒子卷装。
张力装置和导纱部件都是通过工作表面对纱线的摩擦作用使纱线张力增加。机织加工过程中张力装置的工作原理主要有三种。
1.累加法 目前广泛使用的张力装置都采用了累加法工作原理，纱线从两个相互紧压的平面之间通过，由摩擦而获得纱线张力增量，如图1-24（a）所示。设进入张力装置之前的纱线张力为T0，当它离开张力装置时的张力为T，则：
图1-24 纱线通过紧压平面获得张力的工作原理
式中：f——纱线和张力装置工作表面之间的摩擦因数；
N——张力装置对纱线的正压力。
如果纱线通过多个这种形式的张力装置，则纱线的最终张力：
式中：f1、f2、…、fn——纱线和各个张力装置工作表面之间的摩擦因数；
N1、N2、…、Nn——各个张力装置对纱线的正压力。
由式（1-10）可知，纱线通过各个张力装置之后，其张力是逐次累加的，所以称为累加法原理。
累加法张力装置对纱线产生正压力的方法有垫圈加压、弹簧加压和压缩空气加压。在动态条件下，它们所产生的正压力N分别用如下公式表示。
垫圈加压：N＝（m1＋m2）·（g＋a）
弹簧加压：N＝m1（g＋a）＋K·Δ（张力装置工作平面水平放置）
N＝m1a＋K·Δ（张力装置工作平面垂直放置）
压缩空气加压：N＝m1a＋P（张力装置工作平面垂直放置）
式中：m1——上张力盘的质量；
m2——垫圈的质量；
g——重力加速度；
a——由于纱线直径不匀（粗节、细节）引起的上张力盘及垫圈跳动的加速度；
K——弹簧的刚度；
Δ——弹簧压缩距离；
P——压缩空气施加的压力。
对于垫圈加压方法，当纱线高速通过张力装置工作表面之间时，因纱线直径不匀而引起的上张力盘和垫圈的跳动十分剧烈，加速度a交变幅值大，由跳动加速度带来的纱线附加张力使络筒动态张力发生明显波动，这是此种加压方法的一个主要缺点。因此，使用这种张力装置时，必须采取良好的缓冲措施，减少上张力盘和垫圈的跳动，以提高装置的高速适应性。
相对地说，弹簧加压方法有利于克服这一弊病。由于m1的数值较小，由上张力盘跳动所引起的正压力变化就小。同时，纱线上粗节、细节等疵点通过张力装置工作表面之间时，引起弹簧压缩距离Δ的变化甚微，弹簧压力变化造成的正压力变化很小，从而络筒动态张力的波动不明显。因此，在自动络筒机和其他现代机织设备上弹簧加压方法得到了广泛使用。部分高速自动络筒机上还采用压缩空气加压或电磁力加压的方法，压力稳定且可实施自动控制，从作用原理来说这是一种更为先进的加压方法。
不计动态张力波动的影响，纱线张力T0和T的变化可用图1-24（b）表示。张力T0和T的均值分别为：
式中：μ0——T0的均值；
μ——T的均值。
张力T0和T的方差分别为：
式中：σ20——T0的方差；
σ2——T的方差。
两者的不匀率分别为：
式中：c——T0的不匀率；
c′——T的不匀率。
上述分析表明：累加法张力装置在适当增加纱线张力均值的同时，不扩大张力波动的方差，从而降低了纱线张力的不匀程度（使不匀率下降）。这是该装置的优点。
2.倍积法 纱线绕过一个曲面（通常是张力装置或导纱部件的工作面），如图1-25（a）所示，经过摩擦，纱线得到一定的张力增量。
图1-25 纱线绕过曲面获得张力的工作原理
纱线进入张力装置时的张力为T0，纱线离开张力装置时的张力为T，则T可以用下式表示：
式中：f——纱线与曲面之间的摩擦因数；
α——纱线对曲面的摩擦包围角。
如果纱线绕过的曲面在一个以上，则其最终张力可表示为：
由式（1-12）可知，纱线通过数个曲面之后，其张力是按一定的倍数增加的，所以称为倍积法原理。
倍积法张力装置中T0的均值、方差和不匀率分别为：
T的均值、方差和不匀率分别为：
计算表明：纱线张力均值按efα倍增长的同时，张力波动的方差却以e2fα倍增加，从而使纱线张力的不匀程度得不到改善，这是倍积法张力装置的一个主要缺点。其张力变化如图1-25（b）所示。
倍积法张力装置中，包围角α的变化也会引起纱线张力波动。在1332MD型槽筒式络筒机上，垫圈式张力装置柱芯通过摩擦使纱线张力增加就属于倍积法原理。由于筒子卷绕的导纱运动使纱线对柱芯的摩擦包围角不断改变，导致络筒张力不匀。
图1-26 纱线绕过可转动圆柱体获得张力的工作原理
考虑到倍积法原理的诸多缺点，在现代高速络筒机上，纱路尽量被设计成直线（称为直线纱路），以减少纱线对各导纱部件的摩擦包围角，尽量避免通过倍积法原理对纱线产生张力增量。由于纱路通道曲折度小，于是普遍应用无柱芯的张力装置，大大减少了纱线张力的不匀程度，提高了络筒高速适应性。络筒速度可达1200m/min以上。
3.间接法 在现代机织设备（整经设备）中，张力装置除应用上述两种基本原理外，还使用了间接法原理。纱线绕过一个可转动圆柱体的工作表面，如图1-26所示，圆柱体在纱线带动下回转的同时，受到一个外力F产生的阻力矩作用。设进入张力装置时纱线的张力为T0，离开张力装置时纱线张力为T，则T可以用如下的公式表示：
R——圆柱体工作表面曲率半径。
由式（1-13）可知，张力装置依靠摩擦阻力矩间接地对纱线产生张力，故称为间接法原理。
间接法原理中，T0的均值、方差和不匀率分别为：
T的均值、方差和不匀率分别为：
在间接法张力装置中，纱线对圆柱体工作表面的包围角α要足够大，以免两者之间产生摩擦滑移。完全不同于前两类张力装置的作用原理，在这种张力装置中，纱线与圆柱体工作表面不发生相对滑移，纱线张力的调节依靠改变阻力矩来实现。因此，这类张力装置的主要特点为：
（1）高速条件下纱线磨损少，毛羽增加少。
（2）在纱线张力均值增加的同时，张力不匀率下降。
（3）张力装置所产生的张力增量与纱线的摩擦因数、纱线的纤维材料性质、纱线表面形态结构、颜色等因素无关，便利色织、毛织生产的工艺管理。
（4）对圆柱体产生阻力矩的外力F可以是各种可控制的力，如弹簧力、电磁阻尼力等，有利于实现纱线张力的自动控制。
（5）装置结构比较复杂是其缺点。
图1-27 绞纱的络筒张力分析
六、绞纱的络筒张力
部分纱线以绞纱卷装供应织厂，如色织厂的染色纱、丝织厂的天然丝和部分化纤丝等。绞纱必须首先被络成筒子，才能供后道工序加工使用。从原理上讲，绞纱的络筒张力和前述管纱的络筒张力之间差异，主要在于两者的纱线退绕过程不同。绞纱络筒时，通常将绞纱张在绷架上，如图1-27所示，纱线退绕带动绷架回转。绷架的形状为正多边形，如络筒速度保持不变，则绷架回转角速度ω时大时小，由绷架回转角加速度ε引起的惯性力矩造成了绞纱退绕张力的惯性分量Pg。纱线从绷架上退绕时，由于重锤制动及绷架转轴摩擦，产生了绞纱退绕张力的摩擦分量Pm（忽略纱线之间粘连等因素）。于是，对应于某一转角θ（绷架上的A点，以A为起始点，转动到A″点）时绞纱的退绕张力P为两种分量之和：
其中，由绷架回转角加速度引起的动态张力：
式中：I——绷架和绞纱的转动惯量；
R——绷架辐条长度；
v——均匀络纱速度。
式中：n——绷架正多边形的边数。
由于绷架回转角加速度正负交替变化，于是Pg也相应地做正负周期性变化（由A点转到B点为负，由B点转到A′点为正），引起绞纱退绕张力波动。分析式（1-15）可知，尽量减小α0数值，即增加绷架正多边形边数n，纱线动态张力Pg可望减小。同时，采用钢丝绷架，减小其转动惯量，亦是减小Pg的一项措施。
另外，重锤制动及绷架转轴摩擦分量：
式中：Q——制动重锤的重量；
e——自然对数的底；
f——制动皮带与绷架轴壳间的摩擦因数；
β——制动皮带在绷架轴壳上的包围角；
r——重锤制动半径，即绷架轴壳半径；
q——带有纱线的绷架转轴所受正压力；
f′——绷架转轴与轴承间摩擦因数；
r1——绷架转轴的半径。
由式（1-16）可见，绞纱退绕张力的摩擦分量Pm亦随θ的变化而发生动态交变变化。增加绷架正多边形的边数，即减小α0的数值，减小θ的变化范围（0≤θ≤2α0），可以减小Pm的动态交变程度，起到均匀退绕张力的效果。以八臂绷架代替六臂绷架，就是这个目的。
综合式（1-15）和式（1-16）可知，随着θ变化，绞纱的退绕张力不断变化，产生张力波动。当θ＝0时，Pg最小（其值为负）而Pm最大；θ＝α0时，Pg为零且Pm最小；θ＝2α0时，Pg最大（其值为正）且Pm也最大。由于Pg的值与v2成正比，因此在较高的络筒速度条件下，绞纱退绕张力波动幅度更大，实际生产中绞纱络筒速度一般较低。在绷架从静止迅速过渡到运动状态时，惯性所引起的绞纱张力惯性分量很大，这是此种络筒形式的致命弱点。