直接纱高效成型中张力波动抑制与稳定控制方法研究

1 直接纱高效成型中张力波动产生的原因分析

1.1 机械传动系统的影响

直接纱成型设备的机械传动系统是导致张力波动的重要因素之一。在设备运行过程中，传动部件如辊筒、皮带等的制造误差、安装精度不足以及磨损等问题，会使纱线在传输过程中受到的摩擦力不均匀。例如，辊筒表面的不平整会导致纱线与辊筒之间的接触压力发生变化，从而引起张力波动。

1.2 工艺参数的影响

直接纱成型过程中的工艺参数，如拉丝速度、浸润剂施加量、卷绕速度等，对纱线张力有着显著影响。拉丝速度过快时，纱线在成型过程中受到的拉伸力增大，容易导致张力不稳定；浸润剂施加量不均匀会改变纱线表面的摩擦性能，进而影响纱线在传输过程中的张力；卷绕速度与拉丝速度不匹配时，会使纱线在卷绕过程中产生松弛或绷紧现象，引起张力波动。

1.3 环境因素的影响

生产环境的温湿度变化也是导致直接纱张力波动的原因之一。温度的变化会影响纱线材料的物理性能，如弹性模量和热膨胀系数。当温度升高时，纱线的弹性模量降低，在相同的外力作用下，纱线的伸长量增加，张力减小；反之，温度降低时，张力增大。湿度的变化会影响纱线的吸湿性能，进而改变纱线的重量和表面摩擦系数。纱线吸湿后重量增加，会使张力增大，同时表面摩擦系数的变化也会影响纱线在传输过程中的张力稳定性。此外，车间内的气流扰动也可能对纱线张力产生影响，特别是在高速成型过程中，气流的微小扰动可能导致纱线发生摆动，引起张力波动。

2 直接纱高效成型中张力波动抑制与稳定控制方法

2.1 优化机械传动系统

（1）提高传动部件制造与安装精度

对辊筒、皮带等传动部件进行高精度加工，严格控制其尺寸公差和表面粗糙度。在安装过程中，采用专业的测量仪器和安装工艺，确保传动部件的平行度、同轴度等安装精度指标符合要求。通过提高传动部件的制造与安装精度，可以减少纱线与传动部件之间的摩擦力不均匀性，降低张力波动[1]。

（2）采用高精度传动电机与控制系统

选用高精度的伺服电机作为传动系统的动力源，伺服电机具有响应速度快、转速精度高的特点，能够有效减少传动系统的速度波动。同时，配备先进的电机控制系统，通过实时监测电机的转速和扭矩，并根据设定的参数进行精确调节，保证纱线的牵引速度稳定，从而减小因速度波动引起的张力波动。

2.2 合理优化工艺参数

（1）确定最佳工艺参数组合

通过大量的实验研究，分析拉丝速度、浸润剂施加量、卷绕速度等工艺参数对纱线张力的影响规律。采用正交试验设计方法，系统地研究各工艺参数之间的交互作用，确定最佳的工艺参数组合。例如，在一定的拉丝速度下，通过调整浸润剂施加量和卷绕速度，使纱线张力波动最小化。同时，建立工艺参数与张力波动之间的数学模型，利用该模型可以根据生产需求快速预测和调整工艺参数，实现对纱线张力的精准控制。

（2）实现工艺参数的动态调整

在直接纱高效成型过程中，由于各种因素的影响，工艺参数需要根据实际情况进行动态调整。引入在线监测系统，实时监测纱线的张力、速度、线密度等参数，当检测到张力波动超出设定范围时，系统自动根据预先建立的控制策略调整工艺参数。例如，当纱线张力增大时，适当降低拉丝速度或增加卷绕速度；当张力减小时，则采取相反的调整措施。

2.3 改善生产环境条件

（1）控制温湿度稳定

在生产车间内安装温湿度调节设备，如空调、加湿器、除湿器等，将车间的温湿度控制在合适的范围内。同时，建立温湿度监测系统，实时监测车间内的温湿度变化情况，并根据监测结果自动调节温湿度调节设备的运行参数，确保温湿度的稳定。此外，还可以对纱线储存区域进行单独的温湿度控制，避免纱线在储存过程中因温湿度变化而影响其性能。

（2）减少气流扰动

合理规划车间的布局，避免在直接纱成型设备附近设置通风口、风扇等可能产生气流扰动的设备。在纱线传输路径周围设置挡风装置，如挡风板、防护罩等，减少外界气流对纱线的影响。同时，优化车间内的气流组织，采用合理的通风方式，确保车间内气流平稳，降低气流扰动对纱线张力的影响。

2.4 基于智能控制技术的张力控制

（1）模糊控制技术的应用

模糊控制是一种基于模糊逻辑的智能控制方法，它不需要建立精确的数学模型，能够适应复杂的非线性系统。在直接纱张力控制中，将纱线张力的偏差及其变化率作为模糊控制器的输入，通过模糊推理和决策，输出相应的控制量，如调节电机转速或调整工艺参数，以实现对纱线张力的控制。模糊控制具有鲁棒性强、适应性好的特点，能够有效应对直接纱成型过程中各种不确定因素对张力的影响。

（2）神经网络控制技术的应用

神经网络具有强大的非线性映射能力和自学习能力，能够通过对大量数据的学习，建立输入与输出之间的复杂关系。在直接纱张力控制中，利用神经网络构建张力预测模型，根据当前的工艺参数、环境条件等输入信息，预测纱线的张力变化。同时，将神经网络与传统的控制系统相结合，形成神经网络-反馈控制系统，根据预测结果和实际测量的张力值，实时调整控制策略，提高张力控制的精度和响应速度。

3 实验验证

3.1 实验装置与材料

建立直接纱成型实验平台，包含拉丝、浸润剂施加、牵引、卷绕装置和张力监测系统。使用特定型号直接纱，保持其他条件恒定，实验验证优化机械传动、工艺参数、生产环境和智能控制技术[3]。

3.2 实验方案设计

（1）机械传动系统优化实验

对传动部件进行高精度加工和安装后，在不同的拉丝速度下，测量纱线的张力波动情况，并与优化前的张力波动数据进行对比。

（2）工艺参数优化实验

采用正交试验设计方法，确定不同工艺参数组合下的纱线张力波动情况，找出最佳工艺参数组合。然后，在生产过程中，利用在线监测系统和动态调整策略，观察工艺参数动态调整对纱线张力波动的影响。

（3）环境条件改善实验

控制车间温湿度稳定，减少气流扰动后，测量纱线的张力波动情况，并与改善前的数据进行对比。

（4）智能控制技术实验

分别采用模糊控制技术和神经网络控制技术对纱线张力进行控制，记录不同控制方法下的张力波动曲线，分析智能控制技术对张力波动抑制的效果。

3.3 实验结果与分析

实验显示，优化机械传动系统可降低纱线张力波动约 30% 。进一步优化工艺参数，波动再降约 25% 。改善生产环境，波动再降约 20% 。应用智能控制技术，特别是神经网络-反馈控制系统，可将波动降至约 40% 。

4 结束语

本研究全面剖析了直接纱高效成型中张力波动成因，提出一系列行之有效的控制方法，并通过实验验证了其可靠性。这些成果切实降低了张力波动，显著提升了产品质量。但直接纱成型过程复杂，未来需持续深挖智能控制技术潜力，开发更优算法，强化系统自适应能力。同时，探究多物理场耦合下的张力波动机理，为实现直接纱的超高质量、超高效率生产筑牢根基。

参考文献：

[1]宋长久,费其锋,李明,等.纤维直径对玻璃纤维直接纱物理性能的影响[J].玻璃纤维,2024,(01):17-23.

[2]石钱华,周琳,李成均,等.高质量玄武岩纤维技术发展的历程及拓展[J]. 高科技纤维与应用,2023,48(01):13-21.

[3]曹国荣,耐老化低毛羽通用型直接纱研发.浙江省,巨石集团有限公司,2021-06-05.