论纺织工程张力控制技术发展路线图

纺织工程作业全过程都存在张力控制的问题。文章分析了从前纺工序到织布、后处理整个工艺流程的物质形态，归纳了典型纺织作业方式下张力控制的特点，研究张力控制问题的不同性质、任务，纵观全行业张力控制技术状况，就 3 种物质形态的 4 种典型工序收放运动特点、张力控制要求，提出了纺织装备可持续发展的路线图，即加快研究系列化、模块化的智能张力控制系统商品，以此可带动纺织装备智能化，满足市场对纺织装备需要用工少、维护少、连续高速，可生产多品种、小批量、高品质纺织品。

Tension control under processing in textile engineering has been discussed in the paper. The material forms from spinning to downstream processes have been analyzed. Special features of tension control under typical processes have been introduced; different properties and the tasks of the tension control have been studied. Based on the above work, the paper has put forward the developing route of tension control technology in textile engineering, which could help bring up intelligent machinery for the need of production of remarkable textiles in market.

纺织工业在国民经济中占有重要的地位，除了生产民用服装、鞋帽、家用饰品，车用、土建工程用纺织品、体育用品，还生产火箭、雷达、飞机的结构器件。张力控制是从前纺工序到织布、染整等各项工艺环节贯穿始终的一项技术。随着科技的进步，各种张力控制技术也有长足发展。但是如何充分利用新材料、新技术，全面提升纺织产业，满足产品周期短、更新快，品种质量更高要求，甚至面对航空航天、军事科学不断提出新的更强、更快、更轻的要求，以其关键技术张力控制技术为突破口，闯出一条进取的路线：智能化、模块化、系列化张力控制新产品是纺织机械产业升级的出路所在。智能纺织机械才是最终方向。

1纺织工程各工序中张力控制的作用

纺织工程从原材料到最终产品，需要经过多道工序，各工序过程和各工序之间贯穿始终的关键核心技术――张力控制。这项技术制约产品品质与生产效率，也制约我国纺织机械装备水平的不断提高。因此，有必要以现代科学技术发展的眼光，全局地重新研究其发展脉络，并研究其症结，为技术进步和产业提升开拓思路。

1.1纺织工程由原材料到后加工的物料形态

纺织原材料通常包括天然纤维、再生纤维、合成纤维、无机纤维等。经过原料前处理，在纺织过程中表现的形态分别是纤维束、纱线、带材、布匹等。纺织过程中不同物质形态需要不同形式的张力控制方式。

1.2纺织工艺流程中张力控制重要性

纺织工艺流程如图 1 所示。

纺织工艺流程通常按短纤维和长纤维工艺分类、纤维种类分类和织造种类分类等。但不论何种工艺路线，在各工序过程中和工序之间传递的物料形态需保证纱线、条带或布匹都必须张力合适，以便顺利完成动态的移动过程和退绕、收卷的过程。

纱线的牵伸卷绕过程中若张力小，不能实现必要的均匀捻度和筒管成形，张力过大会导致纱线毛羽条不匀甚至断纱影响严重。

线材（帘子线）在机织、编织过程中，张力过小会形成自捻辫纱，不能正常织造成布，张力过大会造成经线张力不匀，均会形成断纱，造成疵布进而影响材质性能和产品质量。

柔幅布匹在织染过程中收卷、放卷同时进行，张力过小不能紧卷成形；而过大的非正常预紧力易使机械过度受力，消耗能量，布匹质量稀松。

2纺织运动形式分类

纺织材料运动方式按工序过程大致可以归为下列几种典型方式：立式环锭加捻卷绕、卧式平行牵伸卷绕、络筒整经卷绕、柔幅布匹收卷等几种形式。

2.1环锭加捻卷绕工艺张力控制要求

在纺织工艺中，环锭加捻是典型形式之一（图 2），主运动有锭杆（带纱管）高速回转，同时钢领（含钢丝卷）上下往复运动。在此过程中，纱线张力产生的原因有 3 点。

（1）钢丝圈带纱线做高速回转产生纱线离心作用力。钢丝圈的离心力，取决于其自身重量和环锭转速，所以通过调整不同号数钢丝圈和根据工艺调整锭子转速使张力得以控制。

（2）纱线经过导纱钩和钢丝圈相对运动产生摩擦力。导纱钩的过纱面和钢丝圈的过纱面钢材内在质量和粗糙度可以改善摩擦力。

（3）纱线在运动过程中由空气和机械引起的震荡产生的张力。纱线高速回转过程，受吸风气流影响，同时受机架机械振动产生纱线震荡。因此，应控制机架振动和纺纱环境空气对流稳定。

以上 3 种作用在纱线的张力必须控制在其强度之内，但不要低于纱管卷绕成形所必需的张力。

2.2平行牵伸卷绕过程张力控制要求

纺织工艺很多工序都可以归为平行牵伸卷绕（图 3）。其运动方式是主传动力矩使卷绕轴旋转，同时牵引纱线经瓷件作轴向往复运动过程中，使管纱退绕缠到卷纱（或成形）上。这类工艺过程张力产生的原因如下。

（1）主动卷绕产生的牵引力。牵伸运动（包缠运动类似）是主轴回转根据工艺略快于放卷运动。

（2）瓷件往复运动方向改变产生的纱线张力突变。瓷件（兔子头）往复运动换向产生很大加速度，使丝线产生张力峰值。

（3）纱线在运动过程接触件产生的摩擦力和机械振动激励的张力。卷绕过程各接触辊、握持件都附加丝线张力。机械传动系统激励振动叠加到丝线上，也有附加张力。

以上 3 种作用的大小不当直接影响纱卷成形。

2.3络筒、整经张力控制要求

络筒、整经有一定的工艺相似性。络筒是单头控制卷绕，整经是多头控制卷绕（图 4）。每盘纱线成形好应均匀一致张力过大造成伸长、磨损，应在一定张力下卷绕保持其原有的弹性和强力。经纱张力对织造底网的顺利进行有很大影响，张力过大会造成断头，影响平织效率质量；张力不足造成梭口不清，造成三跳疵点。张力产生的原因如下。

（1）运动状态、方向突然改变。纱线在络筒、整经工序中，受到输送运动速度不匀，摆动使状态方向改变产生张力峰值。

（2）过纱线瓷件产生摩擦。瓷件材质颗粒大小硬度以及过纱瓷件表面几何形状和粗糙度影响很大，由过纱器件附着力引起张力。

（3）机械振动引起张力。机械传动系统振动传导到卷绕系统各零件上，叠加产生的张力。

2.4柔幅布匹织染收卷张力要求

织布工序和卷染的张力控制方式相类似，均为柔幅布匹的张力控制（图 5）。但布轴从满轴到空轴的退绕过程经纱和布匹张力变化要小，摆动幅度要小而稳，从而要求经纱检测和调节装置对经纱张力波动反应灵敏，响应正确。打纬时张力迅速上升，梭口的开口闭口运动张力峰值要小。

3纺织机械中张力控制技术现状

纺织机械中张力控制系统是多种技术相互交叉、渗透形成的综合技术，所涉及技术领域非常广泛，现已出现的技术概括起来有 4 个方面。

3.1机械装置控制技术

钢丝圈、气圈环多用于纺纱，不易调整张力大小；摩擦盘张力器、重力张紧和弹握持簧片张力器，结构简单，多用于纱线绳，属定值调整；液（气）动张力器、差动齿轮减速张力器、电磁张力器、磁粉（液）张力器的优点是可调，缺点是功耗大且精度不高；电磁永磁机械张力器分别可以实现定值的和变值的、单纱线控制的、群控的、力量大的和力量小的、大范围的和高灵敏的张力控制。

3.2计算机与信息处理控制技术

硬件运用到的有单板机、PLC、工控机、微型机、PC机、专用机等。硬件商品林林总总，选择时应考虑功能价格比、成本承受力、控制系统容量、控制精度、响应速度等因素。软件处理建模理论有多因素自适应控制、PID控制、人工智能、模糊免疫神经反馈控制、串联分频信号同步控制等，可分别从系列化、模块化和网络化方面考虑，配置相适应的硬件。

3.3检测与传感技术闭环控制技术

现已用到的有：电子卷取、角位移传感器、测速编码器、光电传感器、应力片传感器、高敏感探测系统等。传感器配置在张力控制（半）闭环控系统中起到很重要作用，根据物料形态运动方式和工艺要求选用相应传感器。

3.4伺服驱动控制技术

现已用到的有：变频器驱动交流伺服电机调速、直流控制器驱动步进电机调速等技术。有成熟的伺服驱动技术，使张力控制系统响应快速、够灵敏、精度高。

4纺织机械张力控制系统发展方向

纺织机械为满足纺织工程不断提高的工艺技术水平、自动化水平、高速化水平的操作简单、用工省、人为干预简化的要求，遇到一个新的发展机遇。国家“十二五”发展规划纲要提出大力发展智能装备制造业，为纺织机械指出了发展方向。

纺织张力控制系统是非线性多因素耦合时变系统。智能纺织张力控制系统是自动化张力控制系统概念的延伸，是纺织机械与纺织工艺专家人机一体的智能系统，在连续纺织生产活动中具有某种分析、比较、推理、自适应和决策能力，使纺织连续性作业中，保持质量、效率最优化结果，并为整个纺织企业ERP信息集成系统提供数据支持。为此应争取在典型工艺环节突破，在现有技术基础上充实提高研发系列化、模块化张力系统，满足不同材质纤维、不同粗细纱线、绳带和不同幅面长度的布匹在不同工艺环境下对张力的不同控制要求。

5结语

纺织工程中张力控制是一个贯穿始终，并关系纺织机械质量好坏、效率高低、功耗大小的共性的核心技术问题，该问题是非线性、多因素耦合、时变系统问题。纺织工程工序繁多，但从张力控制方式的角度可以归类总结出 4 种典型的张力产生控制方式。不同方式要求的张力控制系统不同，张力控制系统作为关键技术，虽已有明显进步且偶有新技术的突破和采用，但对全行业整体提升还有很大的发展空间，需从全局全方位用系统工程的方法进行研究设计。

基于以上观点，应大力发展智能化、通用化、系列化、模块化的张力控制系统商品，装备纺织机械，提升行业水平。这是时代的要求，也是可持续发展的道路。

参考文献

[1] 谢霞，邱冠雄，姜亚明. 纤维缠绕技术的发展及研究现状[J]. 天津工业大学学报，2004，23（6）：19 22.

[2] 王吉庆.电子纤维张力控制系统研制[J]. 纤维复合材料，2008（2）：37 38.

[3] 高君，王瑜，藤春水. 涤纶帘子线生产中强力损失因素[J]. 聚酯工业，2010，23（5）：47 49.

[4] 张荣臻，张森林，刘和进，等. 织机目标送经量的求取与应用[J]. 纺织学报，2010，31（8）：125 129.

[5] F Maletschek. 小样整经和成品整经的自动控制[J]. 国际纺织导报，2009（6）：23 26.

[6] 肖卫兵. 分离筘座式挠性剑杆织机电子引纬张力控制[J]. 纺织学报，2007，28（7）：105 108.

[7] 张共宏，张晓林，胡江霞. 钢帘线收线机的张力控制装置[J]. 金属制品，2010，36（1）：52 54.

[8]李钢，孙宇. 摩擦收卷中柔幅材料力学建模及张力控制策略研究[J]. 包装工程，2009，30（10）：90 92.

[9] 李钢，孙宇. 磁流变恒张力控制传动装置设计研究[J]. 机械传动，2010，34（18）：16 18.

[10] 王春香，王永章，路华. 精密张力控制系统及其控制精度研究[J].仪器仪表学报，2000，21（4）：407 409.

[11] 贾晓宁，刘士华.CCFW的一种转型张力控制方法研究[J]. 纤维复合材料，2002（2）：27 28.

[12] 张博，董宏洲. 圆织机经线张力控制系统[J]. 兵工自动化，2010，29（4）：88 89.

[13] 刘欣，轩，邱海飞，等. 基于计算机仿真的织机张力控制系统研究[J]. 纺织科技进展，2009（4）：47 49.

[14] 秦永法，赵明扬，陈书宏，等. 智能装备数字化设计与验证系统研究[J]. 机械设计与制造，2003（2）：43 45.

[15] 吕志军. 智能挖掘与质量控制技术在纺织生产过程中的应用研究[D]. 上海：东华大学，2007.