汪 军

(东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

环锭纺是一种传统的纺纱生产工艺，至今已有近2个世纪的历史。尽管新型纺纱的问世丰富了成纱结构和纱线品种，但迄今为止还没有一种新型纺纱能像环锭纺那样具有良好的原料适应性和产品广泛性，据国际纺织制造商联合会(ITMF)统计［1］，2002—2011年全球环锭纺发货量累计为9 930万锭，同期转杯纺纱机的发货量仅为378万头，环锭纺仍占据纺纱市场的主导地位。

环锭纺纱技术也在持续进步中，集聚纺［2］、低扭矩纺纱［3－4］和复合纺纱［5］技术的问世，纺纱器材的进步［6］以及纺纱设备自动化程度［7］的提高等，都提升了环锭纺纱的质量。与此同时，随着消费者对纺织品的要求越来越高，行业对纱线质量品质的要求也日趋严格，特别是在纱线质量稳定性、细小纱疵等方面的要求明显提高。

纱线及半制品的质量一般可分外观质量和内在质量。外观质量主要有黑板条干均匀度、棉结、杂质、粗细节、毛羽和色泽等。内在质量又分为结构和力学性能2部分，线密度、捻度、电容条干均匀度及混纺成分等属于结构范畴，强力、伸长、断裂功、弹性和耐磨性等属于力学性能。传统纺纱过程的质量检测均采用离线检测的方式，随着纱线生产朝自动化、连续化、优质化和智能化方向的发展［8］，对纱线质量控制要求不断提高，在线检测与控制技术在现代纺纱生产中的应用越来越广。本文将介绍离线检测与在线检测技术的发展现状，分析相关检测技术的进步与不足，探讨纱线质量检测技术的发展方向。

1 纱线质量检测的现状与分析

1.1 离线检测技术

纺纱是将纤维原料经过若干工序制成符合后道工序要求的纱线，传统上运用测试仪器对包括原料、半制品和成纱质量的离线检测是保证纱线质量的重要手段。

1.1.1 棉纤维质量的检测

棉花的品质对成纱质量的影响比较大。我国是产棉大国和棉纤维加工大国，同时也是棉花进口大国，对棉纤维质量的检测非常重视。我国的棉检工作以感官检验人工评级为主，辅助于仪器检测棉花长度、马克隆值和断裂强度等指标。国外先进的棉花检验技术以美国最具代表性，是以乌斯特公司生产的HVI大容量棉花纤维测试仪为主，辅助于感官检验。我国较早的棉检工作是依据棉花的各个物性指标分开进行测试。近年随着我国棉花仪器化公证检验体系的建设，仅纤检系统就引进了400台HVI检测仪器，基本实现了棉花的仪器化检验。

集光学、电子、机械技术于一体的 HVI仪器凭借其一次性取样完成所有指标测试的高效性，在我国部分纺织厂已开始使用。此外，印度普瑞美公司的ART2全自动棉花测试仪、苏州长风纺织机电科技有限公司与印度MAG联合开发的HVT EXPERT 1201和陕西长岭公司研发的XJ128快速棉纤维性能测试仪也取得了进展，但是乌斯特公司的HVI无疑是技术领先者。目前HVI在我国的应用存在2个主要问题:一是我国棉花种植的品种较多，棉花色征图的准确性尚存较大问题;二是不同HVI仪器之间的测试差异，这与仪器、环境和操作等都有关系，需要通过加强实验室比对等方法进行完善［9］。

1.1.2 半制品质量检测

由于对成纱质量要求的提高，企业对前纺半制品质量的检测与控制也越来越重视。环锭纺纱系统常规的质量检测项目有单位质量、质量变异系数、条干均匀度、棉结、杂质、粗纱捻度、落棉率和短纤维含量等等。电容式条干仪技术的广泛使用，使条子和粗纱的条干均匀度检验成为日常工作，从而能够分析诊断和控制生产中产生的机械波、牵伸波等质量问题。

半制品质量检测中近年最大的亮点是以乌斯特公司推出的AFIS单纤维测试仪为代表的测试仪器的推广应用，它能够检测从原棉到粗纱各工序半制品的棉结、杂质、纤维长度和短纤维含量等多项指标，与传统的方法相比，具有准确和快速的优点。这些指标为生产管理、工艺参数的合理配置，控制和改善产品质量提供了有力的工具。国内一些纺纱企业的实践表明，利用AFIS纤维测试仪检测前纺纺纱各工序半制品的质量，可以优化工艺，提高成纱质量，或在保证正常质量的前提下提高工作效率，节约原料成本［10］。

普瑞美公司推出的aQura棉结和短纤维测试仪也属同类产品，可以用来测试半制品的棉结与纤维长度。有研究者对aQura与AFIS测试的结果进行对比分析，认为aQura仪器的测试结果可能稳定一些［11－12］。本文认为，这二者的最大区别是 AFIS测试的是单纤维状态，aQura测试的是束纤维状态，2种测试设备都能为半制品质量的离线检测提供强有力的工具，均有进一步发展的空间。

德国特吕茨勒公司开发了 LCT(length control)［13］测试系统，采用纤维成像原理的双向扫描纤维须条，能够测试纤维长度，特别是纤维前后弯钩情况，这对半制品质量的控制无疑是重要的，因为AFIS和aQura无法测试半制品的弯钩纤维状态。

由于半制品只是成纱工序的中间阶段，我国目前还没有相关的国家标准或行业标准，缺少统一测试方法和规范，且关于测试数据的分析缺乏参考标准，目前仅有乌斯特统计公报有相关统计值。

1.1.3 成纱质量的检测

成纱质量的检测主要涉及条干均匀度仪、纱线强力仪、纱疵分级仪和毛羽测试仪等。

1.1.3.1 条干均匀度仪 纱线条干的测试有电容式与光电式2种模式。以乌斯特USTER TESTER 5为代表的电容式条干仪测试速度已达到800 m/min，除了检测条干 CV值、锭间条干差异CVb以外，还配备特殊传感器能够测试纱线中的毛羽、直径截面形状、异纤检测、分级以及微尘等项目。电容式条干均匀度仪的生产商较多，中国和印度均有多款产品可供客户选择。光电式条干仪以美国劳森公司的EIB为代表，通过采用CCD持续扫描纱线直径获得数据。陕西长岭纺织机电科技有限公司也开发过类似产品。

关于电容式条干仪与光电式条干仪优缺点以及二者相关性的问题，一直是许多学者的研究热点［14－15］。二者各有特点，目前在市场上是共存状态，只是电容式条干仪的市场份额较大。电容式条干仪的主要问题在于某些纱线的条干CV值和制成织物后的实际效果不相关，主要原因是电容式条干仪测试的是纱线的线密度，但是如果纱线的体积密度不均匀，就可能出现电容式条干CV值虽好，但是纱线的实际直径呈现不匀的现象。光电式条干仪测试的是纱线直径，但由于纱线的截面基本上不是非常圆整，其测试值的准确性也得不到保证。有学者对采用电容式和光电式的纱线条干数据进行研究，结果表明二者数据的相关性不强。有些仪器制造公司尝试将电容式和光电式结合在一起。总之，关于2种形式条干仪的研究和争论已有很多年，也值得深入研究。目前关于条干测试的国家标准也有2个，分别是GB/T 3292.1—2008《纺织品 纱线条干不匀试验方法 第 1部分:电容法》和GB/T 3292.2—2009《纺织品 纱线条干不匀试验方法 第2部分:光电法》。还有很多学者正在采用图像处理等方法进一步研究。

1.1.3.2 纱线强力仪 纱线的强伸性能是其最重要指标之一。纱线强力仪经过等速牵引型(CRT)和等加负荷型(CRL)的发展，目前进入等速伸长型(CRE)的阶段。以USTER TENSOJET高速单纱强力仪为代表的新一代仪器，最大检测速度达400 m/min，是GB/T 3916—1997《纺织品 卷装纱 单根纱断裂强力和断裂伸长率的测定》规定的拉伸速率0.5 m/m in的800倍。该仪器不仅能够模拟纱线在高速织造过程中的实际受力情况，更重要的是扩大了测试样本量，可发现一些偶发性的强力及伸长率弱环，这是小样本量抽样实验及数理统计方法所不能得到的数据，而这些偶发性的强力牵伸率弱环却往往成为影响后道工序提高生产效率的重要问题，国内一些企业的实际应用也证实其效果［16］。高速化是纱线强力仪发展的重要方向。

1.1.3.3 纱疵分级仪 纱疵是纺纱过程中由原料、机械、工艺、环境和操作等方面造成纱线上有一定长度粗细节或污染，对纱线的外观和力学性能都会产生不利影响。环锭纱根据纱疵出现的概率分为频发性纱疵和偶发性纱疵2大类。频发性纱疵可以采用条干仪检测，分为粗节、细节和棉结。偶发性纱疵则是非经常出现但危害比较大的纱疵，需要用纱疵分级仪进行检验和分级。目前纱疵分级仪主要生厂商有乌斯特公司、普瑞美公司、KEISOKKI公司、LOEPFE公司和陕西长岭纺织机电科技有限公司等公司。乌斯特公司的USTER CLASSIMAT纱疵分级仪曾经提出了23级纱疵分级方法，随着电子清纱器技术的发展，乌斯特公司开发的USTER CLASSIMAT QUANTUN纱疵仪在原来23级分级的基础上，将纱疵分为粗节23级、细节4级，将异纤分为27级。这样的分级改进将疵点更加细分化，能够检测出细小疵点，可以控制织物的外观效果。

1.2 在线检测与控制

纺纱过程的在线检测是指在纺纱生产流程的机台上安装特定的检测传感器，对在线的半制品进行自动检测，根据检测的信息，通过机电一体化技术对工艺进行自动比较、分析、控制与调整。纺纱过程的在线检测目前一般涉及自调匀整、异纤检测、电子清纱等方面。

1.2.1 自调匀整技术

自调匀整是根据棉卷或条子的粗细(厚度)变化，自动地调整牵伸倍数，从而使输出纱条粗细均匀，自调匀整技术在纺纱上是一个经典的在线控制问题，经过多年的发展，已经从纯机械式控制发展到机电一体化控制，从单工序控制发展到全流程控制［17－18］。自调匀整为纺纱质量的提高作出了很大的贡献，有关理论研究和设备开发也有不少文献报道，在自调匀整装置、控制方式等方面有较大进展［19－22］，但是由于纤维集合体在牵伸区的运动和变速问题十分复杂，自调匀整的效果尚未达到较理想的状态，有关自调匀整的理论研究，特别是关于牵伸区纤维变速、纤维性能对匀整效果［24－25］的影响等课题还有待继续深入研究。

1.2.2 异纤检测技术

异纤的混入会形成织物外观的疵点，反映在印染加工和成品中往往是严重的质量问题，因此倍受重视。目前，投入市场的异纤检测设备很多，从基本原理看可分为2大类:一类是以CCD为主的光学检测，另一类则通过传感器进行检测。通过开清棉系统的异纤检测清除装置和带有清除异纤的电子清纱器，基本能够满足国内企业生产的需要，近年来对丙纶丝和白色塑料的检出率有明显提高。

1.2.3 电子清纱技术

络筒工序广泛使用的电子清纱技术是纱线质量得以保证的一个重要措施，电子清纱器实际上是一个在线质量检测和清除纱疵的装置。市场占有份额比较大的电子清纱器来自乌斯特公司和洛菲公司，在络筒机市场占据前2位。电子清纱器同样也有电容式和光电式2种，与条干仪一样，2种不同型式的电子清纱器也存在各自的优缺点。

2 纱线质量检测技术的发展趋势

纱线质量检测的总体发展趋势是在线检测与控制会进一步拓展，在纺纱检测中形成主流，离线检测项目会逐步减少，但仍然是不可或缺的。在线检测与控制和离线检测相结合，形成完整的体系，保障成纱质量符合下游工序的要求。

2.1 离线检测技术的发展趋势

通过分析认为，纱线质量的离线测试技术朝着仪器化、自动化、高速化和差异化方向发展。

2.1.1 仪器化

仪器化是指纺纱过程测试项目全部由仪器来客观评定，且测试仪器由单一功能转向多功能化。目前的离线测试以仪器为主，辅助人工检测。比如目测黑板条干、人工检测棉结和半制品纤维伸直度等项目仍然依靠人工。随着传感器技术、图像处理技术和计算机技术的进步［23－24］，这些检测项目将全部实现仪器客观检测。同时，测试仪器具有多功能，能够对测试对象多个属性进行检测。比如，原来测试棉纤维长度、线密度、马克隆值、纤维断裂比强度和色泽指标需要不同的仪器，现在用1台HVI就可全部测试。乌斯特公司AFIS、条干仪以及电子清纱器等产品也体现了这种趋势。

2.1.2 自动化

自动化是指检测仪器更加智能，无需操作人员过多干预，可以尽可能排除人工操作对检测结果的影响。从影响测试结果的角度看，无非是测试人员、测试设备、测试物质、测试方法和测试环境这些因素，相对人员因素，其他因素比较容易控制，因此测试仪器的自动化和智能化是可以预计的。

2.1.3 高速化

高速化是指测试速度大幅提升，单个样品的测试时间大幅减少，这样的目的除了提高效率，还可提高测试样品的数量。离线测试只能是抽样检测，而且纺纱过程中测试的样本量与总样本量相比，其比例还是很低。测试高速化将增加测试数据，从而提高测试效果。当然仪器的自动化程度提高也为高速化奠定了基础。乌斯特公司的高速强力仪每小时可进行3万次的纱线测试，大幅提高了检测的有效性和准确性。

2.1.4 差异化

纱线是中间商品，其最终的用途决定了对纱线质量的要求。差异化是指测试方法、测试条件和技术指标需要根据最终用途的要求来调整与确定，凡是能够满足下游工序要求的纱线就是质量好的纱线。目前我国纱线测试标准的国家和行业标准更新滞后，一些标准中规定的测试方法和测试条件不符合现阶段国情，而且方法标准与产品标准混杂。本文认为，纱线标准应该以方法标准为主，规定测试方法、测试条件等，便于测试数据的可比性，至于测试数据本身是否合格应该让贸易双方确定。

2.2 在线检测与控制技术的发展趋势

在线检测技术的发展方向为全程化、信息化和系统化

2.2.1 全程化

环锭纺纱流程相对较长，目前在线检测几乎涉及了整个纺纱流程，但还不完整。随着技术进步，在线检测必将覆盖整个工艺流程。在我国，目前棉花加工即轧棉过程不属于纺织系统，其在线检测系统的应用还处于起步阶段。2011年东华大学赴新疆调研轧棉企业，尚未发现全自动轧棉设备的应用。而美国几乎全部采用在线检控轧棉设备，多数采用乌斯特公司的 INTELLIGIN轧棉在线监测系统，该系统能够在线测试原棉回潮率、杂质含量和色泽等级，从而控制棉花水分和含杂量，达到优化原棉品质的作用。鉴于棉花质量对成纱质量影响的重要性，我国轧棉工序需要纳入到纺纱过程的质量监控体系中。

2.2.2 信息化

在线检测会产生海量数据，对这些数据进行充分挖掘具有重要意义。纤维作为一种柔性物质，其力学理论体系尚不完善，所以纺纱过程中的理论研究尚不能很好地与实践吻合，因此充分利用在线检测的数据能够提高产品质量。测试系统的信息化和网络化是充分利用这些数据的基础。国内外学者对纱线质量的预测［28－29］，虚拟纺纱的实现都有研究，从可预计的未来看，纱线质量预测与评估都需要在信息化的基础上实现。

2.2.3 系统化

环锭纺有开清、梳理、精梳、并条、粗纱、细纱和络筒等多个环节，且成纱质量与原料、设备、器材、工艺、环境和操作等均有关系。每个工序的质量检测都很重要，而将整个流程视为一个系统非常必要。将各工序在线检测的质量综合考虑，以服从最终的成纱质量要求。这就产生了各类专家系统，所谓专家系统是通过集成化的在线检测数据的采集和管理，根据用户需要提供各类数据汇总及报表，并采用智能技术将复杂的数据过滤为实质要素，为企业技术管理人员调整工艺等决策提供选择。乌斯特公司的系列专家系统、经纬纺织机械股份有限公司开发的e系统均属于这一类。目前我国有少数纺织企业开始尝试采用这些系统。

2.3 离线检测与在线检测的有机结合

发挥离线检测和在线检测各自的优势，在纺纱过程及成品检测中能够取得良好效果。乌斯特公司利用络筒工序的在线电子清纱器的测试数据可以追踪到有质量异常的细纱机锭位，再采用离线的条干均匀度仪测试这些异常锭位生产的纱，从而达到综合监控纱线质量的目的，在国内的一些企业也已得到应用［27］。

3 结束语

环锭纺纱成纱及半制品的检测技术在国内纺织企业得到了广泛的应用，纱线质量明显提高。随着离线检测技术朝着仪器化、自动化、高速化和差异化的方向发展，其测试数据的可靠性和稳定性将更加好;以自调匀整、异纤检测和电子清纱为标志的在线检测很好地弥补了离线检测的不足，在线检测的发展将以全程化、信息化和系统化为特征，覆盖包括棉花加工在内的纺纱全流程。离线和在线检测的有机结合，将使检控每锭纱、每米纱成为可能，纱线质量和稳定性有望进一步提高。

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