Dokument 1

Analyse und Optimierung
des Verdichtungsspinnens im Hinblick
auf Wirtschaftlichkeit und Garnqualität
Von der Fakultät
Maschinenbau
der Universität Stuttgart
zur Erlangung der Würde eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.)
genehmigte Abhandlung
vorgelegt von
Jörg Morgner
aus Bergisch Gladbach
Hauptberichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Gerhard Egbers
Mitberichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Manfred Piesche
Tag der mündlichen Prüfung: 16. Oktober 2003
Institut für Textil- und Verfahrenstechnik
der Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung Stuttgart
Wissenschaftliche Institute in Verbindung
mit der Universität Stuttgart
Denkendorf
2003
Mein besonderer Dank gilt
meiner Frau Silke,
meinen Kindern Louis und Jonas
und meinen Eltern.
-I-
Vorwort
Während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Textil- und
Verfahrenstechnik habe ich die vorliegende Arbeit begonnen und parallel zu meiner
Tätigkeit als technischer Leiter bei der Temafa Maschinenfabrik GmbH zum
Abschluss gebracht. Für die Unterstützung zum Gelingen dieser Arbeit möchte ich
mich bei allen Beteiligten bedanken.
Mein ganz besonderer Dank gilt Herrn Professor Dr.-Ing. G. Egbers für die
Möglichkeit zur Durchführung meiner Arbeit, seinem Weitblick sowie für die
vielseitige und wertvolle Unterstützung bei der inhaltlichen Gestaltung.
Weiterhin danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. M. Piesche für die Übernahme des
Koreferrats und Herrn Dr.-Ing. S. Schütz für die Unterstützung bei strömungstechnischen Problemstellungen.
Bei Herrn Dr. -Ing. P. Artzt bedanke ich mich ganz herzlich für die sehr hilfreichen
Diskussionen und guten Ratschläge, wodurch die erarbeiteten Ergebnisse stets für
die Industrie interessant sind.
Nicht
zu
vergessen
sind
meine
ehemaligen
Kollegen
aus
dem
Bereich
Stapelfasertechnologie am Institut für Textil- und Verfahrenstechnik in Denkendorf,
die immer bereit waren in schwierigen Situationen mit ihrer fachlichen Kompetenz
verschiedene Lösungsvarianten zu diskutieren, insbesondere bei Frau A. Arnold und
Herrn Dr.-Ing. B. Burkhardt. Vielen Dank für die schöne und lehrreiche Zeit.
- II -
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
I
Formelzeichen
V
Summary
1
Kurzfassung
3
1 Einleitung .............................................................................................................................6
2 Problemstellung ...............................................................................................................12
3 Ziel der Arbeit ....................................................................................................................14
4 Aufgabenstellung .............................................................................................................15
5 Stand der Forschung.......................................................................................................18
5.1 Streckwerk....................................................................................................................18
5.2 Verfahren der Faserbündelung .................................................................................20
5.2.1 Varianten der Verdichtungseinheiten.............................................................23
5.2.2 Variantenvergleich ............................................................................................26
5.3 Bereich der Drehungserteilung und der Fasereinbindung ....................................28
6 Verzugsprozess................................................................................................................30
6.1 Beurteilungskriterien...................................................................................................33
6.2 Einfluss des Rohstoffs ................................................................................................34
6.3 Einfluss des Vorverzugs auf die Vorverzugskraft und die
Garngleichmäßigkeit...................................................................................................35
6.4 Schleppströmung am Ausgangswalzenpaar ..........................................................38
6.4.1 Schleppströmung eines rotierenden Unterzylinders....................................39
6.4.2 Schleppströmung um ein Walzenpaar ...........................................................40
6.4.3 Luftströmung im vorderen und hinteren Bereich der Klemmlinie ..............40
6.4.4 Schlussfolgerung aus den PIV Messungen..................................................46
7 Analyse der Vorgänge in der Verdichtungszone und bei der
Drehungserteilung............................................................................................................48
7.1 Bündelung von Fasern mit Hilfe eines Luftstroms .................................................49
7.1.1 Definition der Luftwiderstandskraft .................................................................49
7.1.2 Transport einer freien Faser ............................................................................50
7.1.3 Bündelung eines geklemmten Faserverbands .............................................51
- III -
7.1.4 Bündelung eines geklemmten Faserverbands, der auf einem
Riemchen liegt...................................................................................................52
7.2 Einfluss des Anspannverzugs und der Fasereigenschaften auf die
Faserbündelung ...........................................................................................................53
7.2.1 Einfluss des Anspannverzugs auf die Faserbündelung ..............................53
7.2.2 Grenzen des Anspannverzugs ........................................................................54
7.2.3 Definition des Widerstandsfaktors ..................................................................55
7.2.4 Einfluss der Garnfeinheit auf den Widerstandsfaktor..................................56
7.2.5 Einfluss der mittleren Faserlänge auf den Widerstandsfaktor ...................57
7.2.6 Einfluss der Faserfeinheit auf den Widerstandsfaktor.................................58
7.2.7 Einfluss der Spinngeschwindigkeit auf den Widerstandsfaktor .................62
7.2.8 Einfluss des Rohstoffs auf den Widerstandsfaktor ......................................62
7.3 Untersuchung des Einflusses strömungstechnischer Parameter
auf die Faserbündelung ..............................................................................................63
7.3.1 Erforderliche Mindest-Luftgeschwindigkeit für den Fasertransport zur
Perforation..........................................................................................................64
7.3.2 Möglichkeiten zur Steigerung der Changierbreite durch
Veränderung der Luftführung ..........................................................................65
7.3.3 Versuchsstand zur Ermittlung der optimalen Luftströmung........................68
7.3.4 Ermittlung der optimalen Lochquerschnittsgeometrie .................................68
7.3.5 Ermittlung der optimalen Perforationsbreite..................................................70
7.3.6 Betrachtung der Volumenströme durch eine Perforation,
bestehend aus kreisrunden Löchern und Langlöchern...............................72
7.3.7 Optimierung der Perforation............................................................................76
7.3.8 Einsatz eines Riemchens mit drei Lochreihen und T-förmiger
Saugöffnung .......................................................................................................78
7.3.9 Betrachtung der Luftströmung im Bereich der Perforation beim
Einsatz eines Luftleitblechs .............................................................................79
7.4 Untersuchung des Garnbildungsprozesses beim Ring- bzw. beim
Verdichtungsspinnen..................................................................................................82
7.4.1 Bereich der Drehungserteilung .......................................................................82
7.4.2 Drehungsstau an den Fadenleitorganen.......................................................84
7.4.3 Fadenzugkräfte ..................................................................................................86
7.5 Zusammenfassende Analyse der Vorgänge in der Verdichtungszone
und der Drehungserteilung .......................................................................................93
- IV -
8 Vorteilhafte Eigenschaften von Verdichtungsgarnen in der Weberei im
Vergleich zu Ringgarnen ................................................................................................95
8.1 Einfluss der Garnstruktur auf die Aufschiebefestigkeit von
Verdichtungsgarnen....................................................................................................95
8.2 Möglichkeiten zur Reduzierung des Beschlichtungsgrads ...................................96
8.3 Festigkeitsprüfung von Ring- und Verdichtungsgarnen mit dem Tensojet........98
8.4 Weben von Verdichtungsgarnen aus spröden Fasern, untersucht
am Beispiel von hochfesten Polyamid-Garnen ................................................... 100
9 Zusammenfassung ....................................................................................................... 102
10 Literaturverzeichnis.................................................................................................... 107
- V-
Formelzeichen
Lateinische Buchstaben
Symbol
Erläuterung
Dimension
A
durchströmte Fläche
[m2]
Ast
angeströmte Fläche
[m2]
AV
Anspannverzug
[-]
b
Länge des Langloches
[m]
BG
Beschlichtungsgrad
[%]
BSR
Breite des Spinndreiecks beim Ringspinnen
[m]
BSV
Breite des Spinndreiecks beim Verdichtungsspinnen
[m]
cw
Luftwiderstandsbeiwert
-
CV
Garngleichmäßigkeit
[%]
d
Durchmesser
[m]
dD
Durchmesser des Druckrollers
[m]
dh
hydraulischer Durchmesser
[m]
dFaser
Durchmesser der Faser
[m]
dK
Klemmlinienabstand
[m]
Eu
Eulerzahl
[1]
FF
Faserfeinheit
[tex]
FFe
Federkraft
[N]
FFF
Faser/Faser-Reibkraft
[N]
FFR
Faser/Riemchen-Reibkraft
[N]
FG
Gewichtskraft einer Faser
[N]
FGarn
Feinheitsfestigkeit
[N/tex]
FK
Trennkraft je Faden
[N]
FLuft
Luftwiderstandskraft
[N]
FN
Normalkraft
[N]
FNA D
Normalkraft zwischen Antriebsachse und Druckroller
[N]
FNDG
Normalkraft zwischen Druckroller und Gitterriemchen
[N]
FNGS
Normalkraft zwischen Gitterriemchen und Saugrohr
[N]
FNR
Normalkraft zwischen Riemchen und Unterzylinder
[N]
Fres
resultierende Kraft
[N]
FRA D
Reibkraft zwischen Antriebsachse und Druckroller
[N]
- VI -
Symbol
Erläuterung
Dimension
FRDG
Reibkraft zwischen Druckroller und Gitterriemchen
[N]
FRGS
Reibkraft zwischen Gitterriemchen und Saugrohr
[N]
FRR
Reibkraft zwischen Riemchen und Unterzylinder
[N]
FV
Vorverzugskraft
[N]
FWi
Summe der Widerstandskräfte
[N]
Fz
Fadenzugkraft
[N]
HS
Spalthöhe
[m]
lFaser
Länge einer Faser
[m]
lF
Abstand von der Perforationsmittellinie zur äußersten Faser [m]
lL
Abstand vom äußeren Lochrand zur äußersten Faser
[m]
LSR
Länge des Spinndreiecks beim Ringspinnen
[m]
LSV
Länge des Spinndreiecks beim Verdichtungsspinnen
[m]
LV
Läuferverschleiß
[- ]
mL
Läufergewicht
[kg]
MA
Antriebsmoment
[Nm]
ML
mittlere Faserlänge
[m]
nFaser
Anzahl der Fasern im Garnquerschnitt
[- ]
nspi
Spindeldrehzahl
[min-1]
∆p
treibende Druckdifferenz
[Pa]
pdy
dynamischer Druck
[Pa]
pges
Gesamtdruck
[Pa]
pst
statischer Druck
[Pa]
PV
Druckverhältnis von statischem und dynamischem Druck
[%]
Re
Reynoldszahl
[1]
S3
Zweigle Haarigkeitswert (Anzahl der Faserenden ≥ 3mm)
[- ]
tL
Laufzeit der Läufer
[h]
T
Anzahl der Drehungen pro Meter im Garn
[1/m]
Ts
Drehungsstau
[%]
Tt
Garnfeinheit
[tex]
TV
Anzahl der Drehungen pro Meter im Vorgarn
[1/m]
vm
mittlere Luftgeschwindigkeit durch die Langlöcher
[m/s]
vLm
mittlere Luftgeschwindigkeit im Auswertebereich
[m/s]
vLmin
Mindest-Luftgeschwindigkeit für einen Fasertransport
[m/s]
vL
Luftgeschwindigkeit um den Unterzylinder
[m/s]
- VII -
Symbol
Erläuterung
Dimension
vLuft
Luftgeschwindigkeit
[m/s]
vR
Relativgeschwindigkeit zwischen Faser und Luft
[m/s]
vSp
Spinngeschwindigkeit
[m/s]
vx
Luftgeschwindigkeit in x-Richtung
[m/s]
vI
Umfangsgeschwindigkeit des Unterzylinders I
[m/s]
vII
Umfangsgeschwindigkeit des Unterzylinders II
[m/s]
vIII
Umfangsgeschwindigkeit des Unterzylinders III
[m/s]
vIV
Umfangsgeschwindigkeit des Unterzylinders IV
[m/s]
Gesamtvolumenstrom
[m³/s]
Volumenstrom durch ein Kreisloch
[m³/s]
VL+LL
Gesamtvolumenstrom von Kreisloch und Langloch
[m³/s]
VLL
Volumenstrom durch ein Langloch
[m³/s]
VV
Vorverzug
[%]
W
Widerstandsfaktor
[1]
WF
berechneter Widerstandsfaktor einer einzelnen Faser
[1]
WBR
berechneter Widerstandsfaktor bei konstanter Garnfeinheit
[1]
xD
Koordinate im Auswertebereich des Druckroller
[m]
xU
Koordinate im Auswertebereich des Unterzylinders
[m]
xz
Koordinate im Auswertebereich des Zwickels
[m]
•
V
•
VL
•
•
Griechische Buchstaben
Symbol
Erläuterung
Dimension
∆
Differenz
[- ]
µD
Reibungskoeffizient zwischen Druckroller und Gitterriemchen
[1]
µS
Reibungskoeffizient zwischen Saugrohr und Gitterriemchen [1]
ρ
Dichte der Luft
[kg/m3 ]
ν
kinematische Viskosität
[m2/s]
-1-
Summary
Compact spinning is a modified ring spinning process with a pneumatic fibre bundling
after the drafting process. Yarn hairiness is considerably reduced by this bundling.
Furthermore, yarn tenacity is increased by about 15 % in comparison to ring spun
yarn. The reduction of hairiness as well as the increase of tenacity depend on the
quality of fibre bundling in the compacting zone. For this reason it is of great
importance to create a bundling which is as efficient as possible. Therefore, the
parameters which influence the process have to be known.
This dissertation deals with the analysis and optimisation of the compact spinning
with the aim to analyse the process of compact spinning and enhance the efficiency
of fibre bundling and so to improve the economic efficiency of the process. Moreover
the influence and the characteristics of the raw material on regards the bundling
process were examined.
The drafting process has to be adjusted optimally to produce high quality yarn. Within
this thesis especially the effect of the twist of roving and on yarn quality had to
examined. Not only yarn evenness but also the preliminary draft force form an
essential quality criteria.
Fibre bundling on the compacting apron is reached by air current. In this context the
question of the impact of current around the pair of front rollers on the compacting
apron surface had to be analysed. The tests were carried out by means of the
‘Particle Image Velocimetry’ method (PIV), by which not only the flow direction, but
also the speed can be determined. The measurement revealed that there always is
an air current at the front rollers which is directed against the material transport
direction. However, the force of this air current is too low to disturb the bundling
process.
The process of bundling is influenced by a number of parameters. These parameters
can be divided into two categories: yarn specific parameters and current-technical
parameters. The fibre characteristics are given by yarn construction but they vary in a
wide range. The current-technical parameters the impact and optimal setting of which
-2-
had to be find out. To be able to come to a definite evaluation about the single
parameters a resistance factor had to be developed which describes the resistance
which the fibre exerts in the bundling process.
The process of bundling is done on a compact apron equipped with holes that are
designed in the form of one line or multirow alignment. The experiments showed that
the resistance factor grows according to fibre length, amount of fibres and spinning
speed (fibre speed). Finer fibres are more easily moved by the air current than
heavier one. This appears to be obvious but during the production of a certain yarn
count the influence of the finer fibre is sometimes compensated by the influence of
the sheer number of fibres. If the yarn count is constant the number of fibre increases
in proportion to fibrefiness. Measurements and calculations have shown that the
influence of a lower flexural strength of finer fibres is at least compensated during the
spinning of yarns of equal yarn count by a higher number of fibres.
The examination of the current parameter has proved that a combination of circular
holes and elongated hole in a quota of two to one is an ideal one for compact aprons.
By means of a changed suction hole underneath the compact apron the efficiency of
the bundling process could be increased considerably. Thus permitting the use of a
compact apron with three rows of holes arranged in parallel direction. The increase in
bundling – in comparison to the discussed solution from above – is not as high as to
justify the additional technical expenditure. By using an air guide plate you increase
the speed of the air current. This also means an increase in effect meaning the width
in which the transport of fibre happens from this follows a higher changing width
leading to a more economical compact spinning.
The resistance factor developed makes it possible to quantify the influence of
changes on fibre bundling in the compacting zone. This enables the manufacturers of
compact spinning machines to adjust the machines in a technical ideal margin. This
also allows the operator to optimally adjust the selectable parameters to the
respective type of row material. By analysing the current-technical parameters the
further development of compact spinning has been given impulses which above lead
to a significantly raised profitability.
-3-
Kurzfassung
Das Verdichtungsspinnen ist ein modifiziertes Ringspinnverfahren, bei dem eine
pneumatische Faserbündelung nach dem Verzugsprozess stattfindet. Durch diese
Faserbündelung reduziert sich die Garnhaarigkeit außerordentlich stark. Zudem
nimmt die Garnfestigkeit im Vergleich zur Festigkeit des Ringspinngarns um etwa
15 % zu. Die Reduzierung der Garnhaarigkeit sowie die Steigerung der
Garnfestigkeit sind von der Güte der Faserbündelung in der Verdichtungszone
abhängig. Es ist daher von großer Bedeutung, die Faserbündelung möglichst
effizient
zu
gestalten.
Dazu
müssen
die
den
Faserbündelungsvorgang
beeinflussenden Parameter bekannt sein.
Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Analyse und der Optimierung des
Verdichtungsspinnens mit dem Ziel, den Verdichtungsvorgang im Detail zu
untersuchen und die Effektivität der Faserbündelung und damit auch die Wirtschaftlichkeit des Spinnverfahrens zu verbessern. Des Weiteren wird untersucht, welchen
Einfluss die Eigenschaften des Rohstoffs auf den Faserbündelungsvorgang haben.
Für die Herstellung eines Garns höchster Qualität muss der Verzugsprozess optimal
eingestellt werden. Im Rahmen der Arbeit wird speziell untersucht, welche Auswirkungen die Höhe der Vorgarndrehung und der Vorverzug auf die Garnqualität haben.
Als Qualitätskriterien dienten neben der Garngleichmäßigkeit auch die Vorverzugskraft.
Die Bündelung der Fasern auf dem Verdichtungsriemchen erfolgt mittels Luftströmung. In diesem Zusammenhang war die Frage zu klären, ob die Schleppströmung
um das Ausgangswalzenpaar den Bündelungsvorgang auf der Riemchenoberfläche
stört. Die Untersuchungen wurden mit Hilfe der Particle Image Velocimetry (PIV)
durchgeführt, mit der nicht nur die Strömungsrichtung, sondern auch die
Geschwindigkeit
bestimmt
wird.
Die
Messungen
ergaben,
dass
sich
am
Ausgangswalzenpaar immer eine Luftströmung entgegen der Materialflussrichtung
ausbildet. Die Stärke dieser Luftströmung ist allerdings zu gering, um den
Faserbündelungsvorgang zu stören.
-4-
Die Faserbündelung erfolgt auf einem Riemchen, das am Umfang mit Löchern
versehen ist, die einreihig oder mehrreihig angeordnet sein können. Der eigentliche
Faserbündelungsvorgang wird von einer Vielzahl von Parametern beeinflusst. Die
Parameter
lassen
strömungstechnische
sich
in
zwei
Parameter.
Kategorien
Die
einteilen:
faserspezifische
Fasereigenschaften
sind
durch
und
die
Garnkons truktion vorgegeben. Allerdings variieren sie in einem weiten Bereich. Die
strömungstechnischen Parameter sind diejenigen Größen, deren Einfluss es zu
ermitteln und deren optimale Auslegung es zu bestimmen galt. Um die Bedeutung
der einzelnen Parameter besser beurteilen zu können, wurde ein sogenannter
Widerstandsfaktor entwickelt, der den Widerstand beschreibt, den die Fasern einer
Faserbündelung entgegensetzen. Die Untersuchungen ergaben, dass der Widerstandsfaktor mit der Faserlänge, der Fasermasse und der Spinngeschwindigkeit
(Fasergeschwindigkeit) zunimmt. Feinere Fasern lassen sich leichter durch den
Luftstrom bewegen als grobe Fasern. So offensichtlich der Einfluss der Faserfeinheit
an sich auch ist, bei der Herstellung eines bestimmten Garns wird der
Feinheitseinfluss manchmal durch den Faserzahleinfluss kompensiert. Ist die
Garnfeinheit konstant, dann nimmt die Faserzahl proportional zur Faserfeinheit zu.
Messungen und Berechnungen ergaben, dass der Einfluss der geringeren
Biegesteifigkeit feinerer Fasern beim Spinnen von Garnen gleicher Feinheit
zumindest teilweise durch die höhere Faserzahl kompensiert wird.
Die
Untersuchung
der
strömungstechnischen
Parameter
zeigte,
dass
eine
Kombination aus kreisrunden Löchern und Langlöchern im Verhältnis von zwei zu
eins eine optimale Riemchenperforation ist. Durch eine veränderte Saugöffnung
unterhalb des Riemchens konnte die Effektivität des Faserbündelungsvorgangs
erheblich gesteigert werden. Das ermöglichte den Einsatz eines Riemchens mit drei
nebeneinander angeordneten Lochreihen. Allerdings war der Zugewinn an
Bündelungsintensität, verglichen mit der zuvor diskutierten Lösung, nicht so groß,
dass sich der zusätzliche technische Aufwand lohnen würde. Wird die Luftströmung
mittels eines Luftleitblechs im Faserbündelungsbereich geändert, dann erhöht sich
die Luftgeschwindigkeit. Infolgedessen erhöht sich auch die Wirkungsbreite, d.h. die
Breite, innerhalb der ein Fasertransport erfolgt. Hierdurch erhöht sich die
Changierbreite und die Wirtschaftlichkeit des Verdichtungsspinnens.
-5-
Der entwickelte Widerstandsfaktor ermöglicht es, den Einfluss von Veränderungen in
der Verdichtungszone auf die Faserbündelung zu quantifizieren. Hierdurch können
Hersteller von Verdichtungsspinnmaschinen ihre Maschinen technisch optimal
auslegen und gestatten es dem Betreiber, die wählbaren Parameter optimal an den
Rohstoff anzupassen. Durch die Analyse der strömungstechnischen Parameter
werden der Weiterentwicklung des Verdichtungsspinnens neue Impulse gegeben, die
vor allem in Richtung einer verbesserten Wirtschaftlichkeit weisen.
-6-
1 Einleitung
Um ein Stapelfasergarn herzustellen, stehen eine Vielzahl von Spinntechnologien,
z.B. das Ring-, OE-Rotor-, Luft-, Friktions -, oder Topfspinnen zur Verfügung. Trotz
dieser Vielfalt haben nur das Ring -, das OE-Rotor- und das Luftspinnen einen
nennenswerten Marktanteil erreicht, wobei das Luftspinnen mit weniger als 5 %
Marktanteil zur Zeit nur eine geringe Rolle spielt, jedoch an Bedeutung gewinnt [1].
Der Zeitpunkt der einzelnen Erfindungen - Ringspinnen im Jahr 1844, OE-Rotorspinnen Ende 1960 und Luftspinnen Ende der achtziger Jahre - macht deutlich, wie lange
das Ringspinnen dominierte. Noch heute werden 80 % aller Stapelfasergarne auf
Ringspinnmaschinen gesponnen [2, 3]. Noch erstaunlicher ist diese Tatsache, wenn
die Produktivität dieser drei Verfahren verglichen wird. So beträgt die Produktion
einer Ringspindel nur ein Zehntel der Produktion einer OE-Rotorspinnstelle und
sogar nur ein Zwanzigstel der Produktion einer Luftspinnstelle. Daher stellt sich die
Frage, warum das Ringspinnen nach wie vor diese Marktstellung behaupten kann?
Die Antwort liegt in der großen Flexibilität des Ringspinnens und in der Qualität der
Ringgarne, die nach wie vor den Qualitätsstandard für alle Garne vorgeben [4]. An
diesem Qualitätsstandard werden die durch andere Spinntechnologien hergestellten
Garne gemessen [5-15]. Die Spinntechnologie bestimmt die Garnstruktur und diese
wiederum die Garnqualität.
In den achtziger Jahren wurde der Entwicklungsschwerpunkt beim Ringspinnen auf
Automation und auf Verbund mit vor- und nachgelagerten Prozessen gelegt [16-22].
Die Garnqualität wurde durch die Entwicklung neuer Streckwerke und Druckrollerbezüge verbessert. Somit wurden und werden auch weiterhin im Ringspinnen
kontinuierliche Verbesserungen erreicht; es wurden aber keine weiteren Entwicklungssprünge mehr erwartet.
Bei der Entwicklung eines neuen Spinnverfahrens, das am Markt erfolgreich sein soll,
müssen mehrere Anforderungen erfüllt werden. Diese Anforderungen können als
Säulen gedacht werden, die das Spinnverfahren tragen. Die drei Säulen sind
Flexibilität, Garnqualität und Produktivität. Die Säulen dürfen unterschiedliche Höhen
-7-
aufweisen, aber nie eine Mindesthöhe unterschreiten. Ein Spinnverfahren mit einer
Produktion von 400 m/min (MVS – Luftspinnen der Fa. Murata), einer Garnqualität
gleich der des Ringgarns und der Flexibilität des Ringspinnens würde sicherlich alle
derzeit etablierten Spinnverfahren verdrängen. Dem Friktionsspinnen wurde ein
solches Potenzial zugetraut; jedoch scheiterte dieses hochproduktive Verfahren an
der schlechten Garnstruktur, sowie an der ungenügenden Prozessstabilität.
Keines der neuen Spinnverfahren konnte bislang das Ringspinnen vom Markt
verdrängen, wenngleich das Rotorspinnen im Bereich grober bis mittelfeiner Garne in
den Industrieländern das dominierende Verfahren wurde. Gewichtsmäßig wird etwa
die Hälfte der Garnproduktion nach dem Rotorspinnverfahren erzeugt. Das
Ringspinnen wird erst dann ersetzt werden, wenn ein neues Spinnverfahren die
Garnqualität der heutigen Ringgarne erreicht und zugleich wirtschaftlicher ist.
Unabhängig von den Bestrebungen, neue Spinnverfahren zu entwickeln, hat es nicht
an Bemühungen gefehlt, auch das Ringspinnverfahren zu verbessern. Ein Ergebnis
dieser Entwicklungsanstrengungen ist das Verdichtungsspinnen, das - wie noch
gezeigt werden wird - weniger ein modifiziertes Ringspinnverfahren ist, sondern sich
zu einem eigenständigen Spinnverfahren entwickelt, allerdings auf der Basis der
Ringspinnmaschine. Beim Verdichtungsspinnen wird das Ziel verfolgt, ein Garn mit
einer neuen Struktur zu entwickeln, dessen Qualität (glattere Oberfläche, höhere
Festigkeit) über der des klassischen Ringgarns liegt.
Hierdurch wird der Weg geöffnet, klassische Ringgarne zu substituieren. Möglich
wurde diese Qualitätssteigerung dadurch, dass dem Streckwerksbereich eine
Verdichtungszone nachgeschaltet wird. Bis zur Verdichtungszone kann somit das
Ringspinn Know how genutzt werden. Es ist jedoch unumgänglich, dieses Know how
zu erweitern, da die beim Ringspinnen geltenden Grenzen nicht zwangsläufig auch
für das Verdichtungsspinnen gültig sein müssen. Als Beispiel sei das Verspinnen von
kurzstapligen Rohstoffen erwähnt, die nur nach dem Verdichtungspinnverfahren
ausgesponnen werden können.
-8-
Um den Unterschied zwischen Ringspinnen und Verdichtungsspinnen zu verdeutlichen, werden zunächst das Ringspinnen und anschließend das Verdichtungspinnen
beschrieben.
Funktionsweise des Ringspinnens (siehe Bild 1)
Der Ringspinnmaschine wird ein Vorgarn (11) vorgelegt, das auf dem Streckwerk (1)
bis zur gewünschten Garnfeinheit verzogen wird. Bis zum Streckwerksausgang
liegen die Fasern parallel; sie haben nur eine geringe Haftung untereinander. Um
dem parallelen Faserverband eine Festigkeit zu verleihen, muss dieser verdreht
werden. Dies entspricht der eigentlichen Garnbildung und findet im Bereich des
Spinndreiecks (10) statt, das unterhalb des Ausgangszylinderpaares liegt. Für die
außenliegenden Fasern ist der Weg zum Einbindepunkt E länger als für
mittigliegende. Infolgedessen werden die Fasern mit unterschiedlicher Spannung in
den Garnkörper eingebunden. Die Drehung wird über den Läufer (3), der auf dem
Ring (4) umläuft, in das Garn eingebracht. Angetrieben wird der Läufer über einen
Kops
(7),
der
auf
einer
rotierenden
Spindel
(5)
sitzt.
Durch
die
hohe
Umfangsgeschwindigkeit bildet sich ein Fadenballon (2) aus. Um diesen aus
Stabilitätsgründen zu begrenzen, wird ein Balloneinengungsring (8) eingesetzt. Der
Fadenführer (9) stabilisiert den Faden zusätzlich. Der Kopsaufbau erfolgt über die
Hubbewegung der Ringbank (6).
Funktionsweise des Verdichtungsspinnens (siehe Bild 2)
Beim Verdichtungsspinnen ist dem Streckwerk (1) die Verdichtungszone (Vz) nachgeschaltet. In der Verdichtungszone (Vz) werden die aus dem Streckwerk (1)
austretenden Fasern auf einem perforierten Riemchen (1b) gebündelt; das
Spinndreieck wird somit eliminiert. Erreicht wird diese Bündelung mit Hilfe eines
Luftstroms, der durch das perforierte Riemchen (1b) in das Verdichtungselement (1a)
gesaugt
wird.
Nach
Verlassen
der
Verdichtungszone
(Vz)
entspricht
der
Spinnprozess wieder dem des Ringspinnens mit dem Unterschied, dass eine neue
Garnstruktur vorliegt, die den Bereich zwischen Faseraus tritt und Fadenaufwindung
beeinflusst.
-9-
Zum Beispiel führt die glattere Oberflächenstruktur der Verdichtungsgarne zu einer
besseren Drehungsfortpflanzung an den fadenführenden Elementen (8) und (9),
wodurch der Spinnprozess stabiler ist. Im Ring/Läuferbereich (3) und (4) führt die
glattere
Oberflächenstruktur
der
Verdichtungsgarne
zu
einem
erhöhten
Läuferverschleiß, da weniger abste hende Haare für die Schmierung des Läufers (3)
zur Verfügung stehen.
11
10
9
E
1
8
6
7
2
3
4
10 mm
5
Bild 1: Prinzip des Ringspinnens.
1
Streckwerk
2
Fadenballon
3
Läufer
4
Ring
5
Spindelantrieb
6
Ringbank
7
Kops
8
Balloneinengungsring
9
Fadenführer
10
Spinndreieck
11
Vorgarn
E
Einbindepunkt
- 10 -
10
Luftstrom
1b
1
E
1
Streckwerk
1a
Verdichtungselement
1b
perforiertes Riemchen
Vz
Verdichtungszone
2
Fadenballon mit neuer
Garnstruktur
9
Vz 1a
8
6
2
7
4 3
5
10 mm
3
Läufer
4
Ring
5
Spindelantrieb
6
Ringbank
7
Kops
8
Balloneinengungsring
9
Fadenführer
10
Vorgarn
E
Einbindepunkt
Bild 2: Prinzip des Verdichtungsspinnens.
Der Unterschied in der Struktur von Ring- und Verdichtungsgarnen wird am
deutlichsten, wenn beide Garne unter dem Makroskop betrachtet werden (vgl.
Bild 3). Es ist offensichtlich, dass sich das Verdichtungsgarn durch eine glattere
Oberfläche, weniger abstehende Fasern und eine bessere Einbindung der Fasern
auszeichnet.
- 11 -
Ringgarn
Verdichtungsgarn
1 mm
1 mm
Bild 3: Makroskopische Aufnahmen vom Ring- und Verdichtungsgarn.
Das Verdichtungsspinnen ähnelt zwar dem Ringspinnen, es handelt sich aber um ein
eigenständiges und neues Spinnverfahren [23]. Dieses Spinnverfahren zeichnet sich
durch eine Bündelung der Fasern in der Verdichtungszone aus; das Spinndreieck –
die Schwachstelle des Ringspinnverfahrens – entfällt. Das führt zu einem Garn mit
neuer Struktur, was sich in den Folgeprozessen (Webereivorbereitung, Weberei,
Strickerei, Veredlung) positiv bemerkbar macht. Über die Vorgänge beim
Verdichtungsspinnen liegen bislang nur lückenhafte Erkenntnisse vor. Diese Lücken
zu schließen ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit.
- 12 -
2 Problemstellung
Wie erwähnt, wird zitiert, dass das Ringsspinnen auch in naher Zukunft das
dominierende Spinnverfahren bleiben wird [1, 2]. Als diese Meinung geäußert wurde,
waren das Verdichtungsspinnen und seine Vorteile noch nicht bekannt. Das
Verdichtungsspinnen ist ein Spinnverfahren, mit dem qualitativ bessere Garne als
Ringgarne hergestellt werden können. Diese neue Garnstruk tur zeichnet sich im
Vergleich zum Ringgarn durch eine geringere Garnhaarigkeit, eine höhere Festigkeit
und eine höhere Dehnung aus [24]. Hierdurch bietet sich für den Spinner eine
Vielzahl neuer, interessanter Einsatzmöglichkeiten. Eine der wirtschaftlich interessantesten Anwendungen des Verdichtungsspinnens besteht in der Möglichkeit, trotz
Einsatzes eines Rohstoffs geringerer Qualität die gleiche Garnqualität zu erzielen wie
beim klassischen Ringspinnverfahren. Die Tragweite dieser Möglichkeit wird deutlich,
wenn bedacht wird, dass der Rohstoff ca. 50 bis 60 % der Herstellkosten eines
Garns ausmacht [25]. Ein weiteres Potenzial des Verdichtungsspinnens liegt in der
Möglichkeit, neuartige Garne zu spinnen, aus denen nicht kopierbare Produkte
entwickelt werden können. So zeigen Gewebe aus Verdichtungsgarn ein klareres
Warenbild und einen höheren Glanz als Gewebe aus Ringgarn. Im Bereich der
Weiterverarbeitung zeichnen sich Verdichtungsgarne durch reduzierte Fadenbrüche
in der Webereivorbereitung und auf der Webmaschine aus. Auch kann durch die
geringere Haarigkeit der Schlichtemittelauftrag um etwa 40 % reduziert werden [26].
Dieser Aspekt ist nicht nur wirtschaftlich interessant, sondern auch unter
ökologischen Gesichtspunkten.
Ein weiteres interessantes Einsatzgebiet für das Verdichtungsspinnen ist das
Verspinnen von Rohstoffen, deren Kurzfaseranteil so hoch ist, dass ein Verspinnen
nach dem Ringspinnverfahren nicht mehr möglich ist. Die Bandbreite der zu
verspinnenden Rohstoffe ist also beim Verdichtungsspinnen größer als beim
Ringspinnen.
Nachteilig am Verdichtungsspinnen ist der höhere Energieaufwand, der für die
Erzeugung der Luftströmung benötigt wird. Da der Luftvolumenstrom, den ein
Verdichter erzeugen kann, begrenzt ist, limitiert diese Tatsache auch die Anzahl der
Verdichtungsspinnstellen pro Maschine. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ist es
- 13 -
daher erforderlich, den Luftbedarf pro Spinnstelle zu reduzieren, um ähnlich lange
Spinnmaschinen bauen zu können wie bisher. Die Luftströmung muss also optimiert
werden.
Ein weiteres Problem des Verdichtungsspinnens besteht im größeren Spinnmittelverschleiß. So müssen beispielsweise die Druckroller öfter geschliffen werden als beim
Ringspinnen, weil die Changierung 1 eingeschränkt ist. Während das Vorgarn beim
Ringspinnen 10 bis 12·10-3 m changiert werden kann, beträgt die Changierbreite
beim Verdichtungsspinnen nur 4·10-3 m. Dies hängt mit dem begrenzten
Wirkungsbereich der Luftströmung zusammen. Wird eine Changierbreite von
4·10-3 m überschritten, reicht die Luftströmung nicht mehr aus, die Fasern im
Bereich der Perforation zu bündeln. Aus diesem Grund ist es notwendig, die
Luftführung effektiver zu gestalten, um eine größere Changierbreite zu ermöglichen.
Die neue Garnstruktur bereitet darüber hinaus Probleme im Ring/Läuferbereich.
Durch die geringe Haarigkeit der Verdichtungsgarne stehen weniger Fasern für die
Schmierung des Läufers zur Verfügung. Die Folge ist ein erhöhter Läuferverschleiß
und eine erhöhte Fadenspannung.
Es gibt also eine Reihe von Problemen, die beim Verdichtungsspinnen zu lösen sind.
Dazu ist ein besseres Verständnis der Vorgänge beim Verdichtungsspinnen
erforderlich. Um den Verdichtungsprozess besser zu verstehen, ist es notwendig, die
Vorgänge in der Verdichtungszone und den Einfluss der neuen Garnstruktur auf den
Bereich der Drehungserteilung zu analysieren und zu optimieren.
1
Hubbewegung des Vorgarns.
- 14 -
3 Ziel der Arbeit
Ziel dieser Arbeit ist es, die Vorgänge in der Verdichtungszone und den Einfluss der
neuen Garnstruktur auf den Bereich der Drehungserteilung zu analysieren, um
bestehende Probleme, wie beispielsweise die geringe Changierbreite, zu beseitigen
und die Wirtschaftlichkeit des Verdichtungsspinnens weiter zu erhöhen. Zur Lösung
der damit verbundenen Aufgaben werden neue Messverfahren entwickelt. Die
Vorteile der neuen Garne bei der Weiterverarbeitung sollen untersucht werden.
Zu den Zielrichtungen zählen:
•
Ermitteln der Grenzen bezüglich des Fasereinsatzes.
•
Entwickeln von Methoden zur effektiveren Nutzung des Luftstroms in der
Verdichtungszone.
•
Minimieren des Luftvolumenstroms, um die Spinnstellenanzahl erhöhen zu
können.
•
Analyse der Verdichtungswirkung in Abhängigkeit von der Garnfeinheit.
•
Erhöhen der Changierbreite, um den Spinnmittelverschleiß zu reduzieren.
•
Verbesserung der Ring/Läuferstandzeit.
Können diese Aufgaben wirtschaftlich sinnvoll gelöst werden, dann ist zu erwarten,
dass Ringgarne durch Verdichtungsgarne ersetzt werden. Allerdings wird das viele
Jahre dauern, weil die konventionellen Ringspinnmaschinen nicht auf den
Verdichtungsprozess umgerüstet werden können, sondern durch Verdichtungsspinnmaschinen ersetzt werden müssen.
- 15 -
4 Aufgabenstellung
Aus Bild 4 gehen die wesentlichen Einflussfaktoren auf den Bündelungsvorgang und
auf die Garnbildung hervor. Diese Einflüsse sollen untersucht werden. Nachfolgend
werden die sich ergebenden Fragestellungen und die sich daraus ableitenden
Aufgabenstellungen für die beiden Prozessschritte Verdichtung und Drehungserteilung aufgelistet.
Einflussfaktoren in der
Verdichtungszone
Rohstoff/
Verzug/
Garnfeinheit
Riemchenbeschaffenheit
Anspannverzug
Luftführung
Fasermasse
Einflussfaktoren im Bereich der
Drehungserteilung
Fadenführende
Elemente
Drehungsstau
Garnfestigkeit/
Garnhaarigkeit
Ring/Läufer
Weiterverarbeitung
Bild 4: Einflussfaktoren in der Verdichtungszone auf den Bündelungsvorgang und im Bereich
der Drehungserteilung auf die Prozessstabilität.
- 16 -
Verdichtungszone
Kern des Verfahrens ist das Bündeln der Fasern im Bereich der Perforation. Alle
relevanten Parameter (vgl. Bild 4), die diesen Vorgang beeinflussen, wurden
analysiert, variiert und optimiert. Im einzelnen wurden untersucht:
Rohstoff/Anspannverzug/Garnfeinheit
Faserlänge, Faserfeinheit, Faserlängenverteilung, Biegesteifigkeit der Faser und
Rohstoff beeinflussen den Transport der Fasern durch den Luftstrom und die
Bündelung auf der Perforation. So wird sich beispielsweise eine stärker gedehnte
Faser nach Verlassen des Streckwerks wieder verkürzen. Um ihr dies zu ermöglichen, muss das perforierte Riemchen langsamer laufen als das Ausgangswalzenpaar des Streckwerks. Der Einfluss des Anspannverzugs2 auf die Garnqualität und
die Faserbündelung ist für verschiedene Rohstoffe zu untersuchen. Die Auswirkung
der Fasermasse (Garnfeinheit) auf die Bündelungswirkung ist zu ermitteln.
Luftführung
Die Luft bewirkt den Fasertransport zur Perforation. Um beispielsweise die
Changierbreite erhöhen zu können, muss die Luftgeschwindigkeit bei konstanter
Druckdifferenz erhöht werden, wodurch sich der Fasertransport verbessert. Dazu
wird die Luftströmung zunächst analysiert und es werden Möglichkeiten entwickelt
die Luftgeschwindigkeit zu erhöhen.
Perforationsart
Über die Wahl der Perforation ist es möglich, die Garnqualität zu beeinflussen, u.a.
die Garnhaarigkeit. Da 1 bis 2·10-3 m kurze, abstehende Faserenden wichtig für die
Deckkraft eines Gewebes sind, sollten nur die störenden langen Fasern (länger als
3 mm) eliminiert werden. Für Anwendungsfälle, die ein extrem glattes Garn
erfordern, beispielsweise um die Pillingneigung zu reduzieren, sollen Garne ohne
abstehende Fasern entwickelt werden. Es sind also Perforationen zu entwickeln, die
es erlauben, eine definierte Garnhaarigkeit einzustellen.
2
Anspannverzug = Geschwindigkeitsverhältnis zwischen perforiertem Riemchen und Ausgangs
walzenpaar des Hauptverzugfelds.
- 17 -
Bereich der Drehungserteilung
Der Einfluss der Garnstruktur auf Drehungsstau, Ring/Läuferverschleiß und
Feinheitsfestigkeit wird untersucht.
Fadenführende Elemente
Die glattere Oberfläche der Verdichtungsgarne hat eine bessere Drehungsfortpflanzung vom Läufer in Richtung Verdichtungsunterzylinder zur Folge. Die bessere
Drehungsfortpflanzung als auch die andersartige Fasereinbindung machen es
möglich, Garne mit einer Drehung zu spinnen, die nach dem Ringspinnverfahren
nicht gesponnen werden können. Sowohl die Auswirkung der neuen Garnstruktur auf
Ring und Läufer als auch die Weiterverarbeitung der Garne soll untersucht werden.
Ring/Läufer
Aufgrund der geringeren Haarigkeit der Verdichtungsgarne fehlen im Bereich von
Ring und Läufer Fasern, die zerrieben werden und deren staubförmige Bruchstücke
zur Bildung eines Schmierfilms beiträgt. Hierdurch steigt die Fadenzugkraft. Es soll
geklärt werden, inwieweit die Fadenzugkraft durch Reduzieren des Läufergewichts
verringert
werden
kann,
ohne
Spinnstabilität
und
Garnqualität
negativ
zu
beeinflussen. Zudem werden neue Läuferbeschichtungen getestet, die zu einer
Erhöhung der Läuferstandzeit führen könnten.
Weiterverarbeitung
Die neue Garnstruktur bedingt ein anderes Verhalten bei der Weiterverarbeitung,
beispielsweise beim Weben. Die Auswirkung auf diesen Prozess sowie die Vor- und
Nachteile gegenüber dem Ringgarn sollen ermittelt werden.
Entsprechend dieser Einflussanalyse wurde die vorliegende Arbeit in drei Abschnitte
gegliedert. Im ersten Abschnitt wird das Verstrecken des Vorgarns im Streckwerk
und dessen Einfluss auf die Garnqualität behandelt. Der zweite Abschnitt betrifft die
Analyse der Vorgänge in der Verdichtungszone und deren Optimierung bezüglich
Effektivität und Garnqualität. Im letzten Abschnitt werden Wege zur Kostenreduzierung beim Verdichtungsspinnen und mögliche Kosteneinsparungen bei der
Weiterverarbeitung der Verdichtungsgarne aufgrund der besseren Garneigenschaften diskutiert.
- 18 -
5 Stand der Forschung
Beim Verdichtungsspinnen handelt es sich um ein neues Spinnverfahren, das sich
aus einer Verdichtungseinheit und aus Komponenten des Ringspinnens zusammensetzt. Der Verstreckungsprozess entspricht dem des Ringspinnens. Aus diesem
Grund wird zunächst der Stand der Forschung aus diesen Bereich (Kapitel 5.1)
dargestellt. Anschließend werden die bislang publizierten Erkenntnisse über
Verdichtungssysteme (Kapitel 5.2) vorgestellt. Zur Zeit gibt es drei Varianten des
Verdichtungsspinnens, die sich wesentlich in der Gestaltung der Verdichtungszone
unterscheiden. Zum Schluss werden Drehungserteilung und Fasereinbindung
beschrieben (Kapitel 5.3). Dieser Prozessabschnitt ist für beide Spinnverfahren
äquivalent.
5.1 Streckwerk
7
Materialflussrichtung
8
ò
ò
ò
1
6
5
4
3
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
ò
Vorgarn
Eingangswalzenpaar
Vorverzugszone
Mittelwalzenpaar
Hauptverzugszone
Ausgangswalzenpaar
Doppelriemchen
Druckroller
Wirkrichtung der
Federkraft
2
Bild 5: Elemente eines Streckwerks.
Die Aufgabe eines Streckwerks besteht in der Verfeinerung des vorgelegten
Vorgarns (1). Realisiert wurde diese Aufgabe bei den ersten Streckwerken mittels
Holzrollen, deren Umfangsgeschwindigkeit in Materialflussrichtung anstiegen. Durch
deren Eigengewicht oder zusätzliches Aufbringen von Gewichten stellte sich die
notwendige Klemmung für den Verzug ein. Später wurde erkannt, dass zusätzlich zur
Verfeinerung des Vorlagematerials die Faserführung eine entscheidende Rolle für
die Garnqualität spielt [27]. Casablanca und Le-Blanc-Roth [28] waren die ersten, die
- 19 -
Riemchen zur Faserführung im Streckwerk empfahlen. Somit ebneten beide den
Weg für die heutigen, als Stand der Technik geltenden Doppelriemchenstreckwerke.
Ein wichtiger Einflussfaktor auf den Verzugsprozess in Streckwerken ist der Druck,
mit dem die Oberwalzen (Druckroller) belastet werden [29-32]. Gerade bei kritischen
Fasertypen mit hoher Faser/Faserhaftung, die hohe Verzugskräfte zur Folge haben,
sind hohe Belastungsdrücke unabdingbar [33]. Belastungsgewichte oder gar das
Eigengewicht der Druckroller ergaben völlig unzureichende Klemmdrücke. Somit
mussten bessere Belastungssysteme gefunden werden. Vorgeschla gen wurde u.a.,
den Belastungsdruck durch Magnetkräfte aufzubringen. Heute sind, vor allem in den
USA, noch Millionen von Spinnstellen in Betrieb, bei denen dieses Belastungsprinzip
genutzt wird. Streckwerke mit Magnetkraftbelastungen kamen aber schnell an ihre
Leistungsgrenzen als Chemiefasern aufkamen. Aber auch beim Durchlaufen einer
Dickstelle nimmt die Belastung degressiv ab. Wird die Belastung mittels Federkraft
oder pneumatisch aufgebracht, so steigt die Kraft dagegen beim Durchlaufen einer
Dickstelle durch die Klemmlinie an. Diese Art der Belastung ist an modernen
Ringspinnmaschinen Stand der Technik. Wichtig ist bei beiden Systemen, dass der
Belastungsdruck an die Verarbeitungseigenschaften des Fasermaterials angepasst
werden kann [34].
Neben der Höhe des Belastungsdrucks spielt auch die Art der Faserklemmung im
Hinblick auf die Garnqualität eine wichtige Rolle [35]. Durch den Einsatz weicher
Druckrollerbezüge vergrößert sich die Klemmfläche zwischen Druckrollerbezug und
Unterzylinder. Die Faserklemmung wird verbessert und der Schlupf zwischen den
Walzen verringert. Auch verbessert sich die Faserführung durch den Einsatz weicher
Druckrollerbezüge. Während harte Druckroller das Faserbändchen eher verbreitern,
umhüllen weiche Druckrollerbezüge die Fasern, was zu einer kontrollierteren
Faserführung und zu einer besseren Einbindung der Fasern im Spinndreieck führt
[36, 37].
Der Abstand des Ausgangswalzenpaars zum Doppelriemchen hat einen entscheidenden Einfluss auf die Kontrolle der Kurzfasern. Der Anteil nicht kontrollierbarer
Kurzfasern ist um so höher, je weiter der Verzugspunkt vom Doppelriemchen entfernt
ist [38]. Daher haben sich Doppelriemchen durchgesetzt, deren “Maul“ bis in den
- 20 -
Zwickel des Abzugwalzenpaars hineinreicht. Durch den Einsatz von Hauptfeldverdichtern, die die Fasern im Verzugspunkt zusammenführen, wird ein Breitlaufen
der Fasern verhindert. Infolgedessen reduzieren sich die Garnhaarigkeit und der
Faserflug. Die Garnhaarigkeit hängt somit unmittelbar mit der Fasereinbindung im
Spinndreieck zusammen [39]. Die Reibung der Fasern an der Hauptfeldverdichterwand wirkt sich nachteilig aus, was wiederum die Garngleichmäßigkeit
verschlech-
tert und einen Anstieg der IPI-Werte 3 zur Folge hat [40]. Solche Systeme sind sehr
störanfällig. Für ein Spinnverfahren, das Garne geringer Haarigkeit gewährleisten
soll, ist es von Vorteil, wenn der Verzugsprozess von der Verdichtung (Bündelung)
getrennt wird. Beim Verdichtungsspinnen wird genau dieser Forderung nachgekommen, wobei die Verdichtung pneumatisch durchgeführt wird. Hierdurch entfällt
die bei mechanischen Verdichtern störende Reibung der Fasern an der Verdichterwand.
5.2 Verfahren der Faserbündelung
Ein Ansatz zum Verdichtungsspinnen kann aus einem Patent von Fehrer [41]
abgeleitet werden. Ziel der Entwicklung war es nicht, die Garnqualität zu verbessern,
sondern den Ringspinnprozess wirtschaftlicher zu gestalten [42]. Dazu waren nach
Ansicht von Fehrer zwei Dinge notwendig. Erstens sollten mit einem Druckroller zwei
Spinnstellen betrieben werden, um im Bereich des Streckwerks Kosten einzusparen.
Zweitens sollte der Flyerprozess eliminiert werden, wodurch nicht nur die Transportkosten der Flyerspulen zur Ringspinnmaschine eingespart werden, sondern auch
Platz-, Lohn- und Energiekosten. Die Summe dieser Einsparungen sollten das
Ringsspinnverfahren auch für die Zukunft interessant machen.
3
Imperfections: Anzahl der Dünn- und Dickstellen in einem Garn
- 21 -
Bild 6: DREF-Spinnverfahren mit Bandvorlage und pneumatischer Verdichtung.
Auf der ATME 1989 wurde diese Ringspinnmaschine als DREF-Spinntester
vorgestellt (Bild 6). Dem Spinntester wurden Streckenbänder vorgelegt, die zunächst
verzogen, danach im Hauptverzugsfeld pneumatisch zu zwei Bändchen aufgeteilt
und anschließend durch Saugen und Blasen verdichtet wurden. Das Verdichten
erfolgt auf dem perforierten Vorderzylinder, auf dem zwei Druckroller angeordnet
sind. Der erste Druckroller bildet die Klemmlinie des Hauptverzugsfelds, der zweite
verhindert die Drehungsfortpflanzung.
Nach diesem Verfahren wurden Garne hergestellt, die mit Ring -, Rotor- und
Luftspinngarnen verglichen wurden. Vergleiche ergaben Vorteile bezüglich der
Feinheitsfestigkeit [43]. Hiernach ergaben sich bei gekämmten Garnen, je nach
Garndrehung, Garnfestigkeitssteigerungen von 0,01 bis 0,02 N/tex. Beispielsweise
betrug die Feinheitsfestigkeit eines gekämmten Ringgarns (15 tex, 960 T/m) beim
konventionellen Ringspinnverfahren 0,187 N/tex, beim DREF-Verfahren 0,197 N/tex.
Auch die Haarigkeit der DREF-Ringgarne war geringer als die der konventionellen
Ringgarne, wodurch sich das Laufverhalten in der Webereivorbereitung und in der
- 22 -
Weberei [44] verbessert. Die Verflugung 4 von Maschinen reduziert sich. Die
Eigenschaften der DREF-Garne waren nach diesen Untersuchungen deutlich besser
als die der konventionellen Ringgarne [45-47].
Da die DREF-Ringgarne eine höhere Festigkeit aufwiesen als herkömmliche
Ringgarne, wurde vorgeschlagen, die Drehung so weit zu reduzieren, bis die
Festigkeit der DREF-Garne derjenigen herkömmlicher Ringgarne entsprach. Diese
Drehungsreduzierung kommt einer Produktionssteigerung der Ringspinnmaschine
gleich. Aus diesem Grund schrieb Fehrer in der Offenlegungsschrift: „Die Spinnleistung ist innerhalb der gegebenen Grenzen für den Spulenantrieb zu steigern,
ohne einen Festigkeitsverlust befürchten zu müssen“ [48]. Da die Teilung der
Streckenbänder nicht gleichmäßig genug gelang, wird in dieser Offenlegungsschrift
vorgeschlagen, der Spinnmaschine keine Streckenbänder, sondern Flyerlunten
vorzulegen. Die Entwicklungen der Fa. Fehrer wurden von der Fa. Rieter übernommen. Die Fa. Rieter erkannte das im Verdichten liegende Potenzial und brachte
als erste Firma eine serienreife Verdichtungsringspinnmaschine auf den Markt.
Darauf wird später eingegangen.
1991 meldete die Firma SKF Textilmaschinen-Komponenten GmbH ein Streckwerk
zum Patent an, mit dem folgendes bewirkt werden sollte „...Nachteile bekannter
Doppelriemchenstreckwerke zu verringern, wie zum Beispiel die Garnhaarigkeit, die
Faserverluste und die Fadenbrüche zu reduzieren und die Spinnqualität, vor allem
bei hohen Drehzahlen, zu verbessern...“ [49]. Bild 7 enthält eine Skizze dieses
Streckwerks. Die Fasern werden durch das Doppelriemchen in der Faserbündelungszone zum perforierten Druckroller transportiert. Der Druckroller ist hohl
und wird von innen besaugt. Fasern, die in den Wirkungsbereich der Luftströmung
kommen, werden auf der Perforation gebündelt, wodurch das Spinndreieck
unterdrückt werden soll. Neu an diesem Verfahren ist, dass die Fasern nicht mehr
mittels Saugen und Blasen gebündelt werden, sondern nur durch Saugen.
4
Störende Ablagerungen von kurzen Fasern und Faserfragmenten auf der Maschine.
- 23 -
perforierte
Oberwalze
Vorgarn
Garn
Faserbündelungs
-zone
Bild 7: Skizze des SKF-Streckwerks zur Faserbündelung [49].
Das Streckwerk nach SKF weist allerdings einige Nachteile auf. Da ein Riemchen
über die Ausgangsunterwalzen läuft , muss ein hoher Druck aufgebracht werden, um
einen einwandfreien Verzug in der Klemmlinie zu erreichen [50]. Der hohe Druck und
die für ein Streckwerksriemchen vergleichsweise hohe Geschwindigkeit führen zu
einem hohen Riemchenverschleiß. Auch findet das Bündeln der Fasern erst
unmittelbar vor dem Lieferwalzenpaar statt, was die Faserbündelung erschwert.
Weiterhin ist es nicht möglich, einen Verzug zwischen Ausgangswalzenpaar und
Lieferwalzenpaar zu realisieren, da die Walzenpaare über ein Unterriemchen
miteinander verbunden sind. All diese Nachteile waren gewichtig genug, die
Entwicklung nicht weiter zu verfolgen.
Das Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf (ITV) meldete 1993 ein
Patent an, das die zuvor aufgeführten Nachteile verhindert [50]. Ausführung und
Funktions weise dieser Entwicklung werden weiter unten ausführlich beschrieben.
5.2.1 Varianten der Verdichtungseinheiten
Auf der ITMA in Paris 1999 stellten vier Firmen - MAL (ITV-Patent), Rieter (FehrerPatent), Suessen und Zinser (ITV-Patent) - Verdichtungsspinnmaschinen vor. Bei
allen Maschinen wird das Spinndreieck durch eine pneumatische Verdichtung
eliminiert. Auch wird bei allen Verfahren mit einer Trennung von Verzug und
Verdichtung gearbeitet. Der Verzug erfolgt über ein Drei-Zylinder-DoppelriemchenStreckwerk, wobei der Ausgangsunterzylinder des Rieter-Streckwerks aus einer
- 24 -
perforierten Walze besteht. Ausschlaggebend für die verbesserte Garnqualität ist in
erster Linie das Eliminieren des Spinndreiecks. Dies wird bei allen drei Verfahren
erreicht. Hinsichtlich der Ausführung der pneumatischen Verdichtung unterscheiden
sich die drei Verfahren (Bild 8). Beim ITV-Verfahren (Fa. Zinser) werden die aus dem
Ausgangswalzenpaar austretenden Fasern auf einem perforierten Riemchen
gebündelt [50]. Die Fa. Rieter verwendet zur Bündelung der Fasern eine perforierte
Walze mit innenliegender Saugdüse [51]. Beim Streckwerk der Fa. Suessen werden
die Fasern mit Hilfe eines Saugrohrs, über das ein feines Gitterriemchen geführt
wird, verdichtet [52].
Die Ausführung der Verdichtungseinheiten und deren Antrieb sind wichtig für das
Laufverhalten der Maschine und die Konstanz der Verdichtung über eine lange
Maschine. Aus diesem Grund werden die drei Verdichtungssysteme nachfolgend
ausführlich beschrieben. Bild 8 zeigt die drei Verdichtungseinheiten und die
Kraftübertragung auf die Verdichtungselemente.
Fa. Rieter
Die Verdichtungseinheit der Fa. Rieter besteht aus einer perforierten Walze, die nach
dem Doppelriemchen angeordnet ist und die gleichzeitig als Ausgangsunterwalze
des Streckwerks dient. Auf der perforierten Walze befinden sich zwei Druckroller. In
Materialflussrichtung betrachtet, dient der erste Druckroller als Klemmlinie für das
Hauptverzugsfeld und der zweite als Drallstop, damit die Garndrehung nicht in die
Verdichtungszone hineinläuft. Innerhalb der perforierten Walze, und zwar im Bereich
zwischen den Druckrollern, befindet sich die Absaugeinheit. In diesem Bereich
werden die Fasern gebündelt.
Fa. Suessen
Das Verdichtungssystem der Fa. Suessen besteht aus einem Saugrohr, über das ein
Gitterriemchen
läuft,
und
einem
Druckroller,
der
über
ein
Zahnrad
vom
Ausgangsdruckroller angetrieben wird. Das Saugrohr besitzt einen schrägen Schlitz,
über den das sehr feine Gitterriemchen läuft. Die Luft strömt durch das Gitterriemchen in den schrägen Schlitz und bündelt die Fasern an der Schlitzkante. Das
Gitterriemchen wird vom Druckroller angetrieben.
- 25 Hersteller (Erfinder)
Rieter (Patent Fehrer)
Zinser (Patent ITV-Denkendorf)
Suessen
Antriebselement
feststehendes
Saugluftelement
perforiertes
Medium
+
Druckroller
FRAD
FRDG
FNDG
FRR
Kräfte zur Übertragung
des Antriebmoments MA
MA
FNR
FRR
MA
FNDG
FRDG
FNGS
Gitterriemchen
FRAD
MA
FRGS
FNGS
FNAD
FRGS
Saugrohr
Luft durchströmtes
Faserführungselement
Perforierte Walze
Bild 8: Übersicht über die unterschiedlichen Verdichtungssysteme.
Perforiertes Riemchen
Gitterriemchen
- 25 -
FNR
FNAD
- 26 mit
MA
FNR
Antriebsmoment,
Normalkraft zwischen Riemchen und Unterzylinder,
FRR
Reibkraft Riemchen,
FNA D
Normalkraft zwischen Antrieb und Druckroller,
FRA D
Reibkraft zwischen Druckroller und Antrieb,
FNDG
Normalkraft zwischen Druckroller und Gitterriemchen,
FRDG
Reibkraft zwischen Druckroller und Gitterriemchen,
FNGS
Normalkraft zwischen Gitterriemchen und Saugrohr,
FRGS
Reibkraft zwischen Gitterriemchen und Saugrohr.
Fa. Zinser
Die Verdichtungseinheit der Fa. Zinser ist dadurch gekennzeichnet, dass dem
Streckwerk ein weiteres Walzenpaar nachgeschaltet ist. Über den Ausgangsdruckroller läuft ein perforiertes Riemchen, das durch einen Saugschuh geführt wird.
Im Bereich des Saugschuhs strömt Luft durch die Perforation des Riemchens,
wodurch die Fasern auf der Perforation gebündelt werden. Zwischen der Ausgangswalze des Streckwerks und der Verdichtungseinheit kann ein Verzug eingestellt
werden. Druckroller, Streckwerksriemchen und Unterzylinder sind Elemente, die sich
in der Spinnerei seit Jahrzehnten bewährt haben.
5.2.2 Variantenvergleich
Ein Vergleich der drei Systeme ergibt, dass beim Verdichtungssystem der Fa. Rieter
ein Gleichlauf aller Verdichtungseinheiten gewährleistet ist. Aus technischen
Gründen muss mit einer vergleichsweise großen perforierten Ausgangsunterwalze
gearbeitet werden. Beim Verdichtungssystem der Fa. Zinser wird die Kraftübertragung über einen Teilformschluss und einen Kraftschluss erreicht. Teilformschluss
deswegen, weil, wie anhand Bild 8 zu erkennen ist, die elastische Oberfläche des
Riemchens sich in die Riffelung des Unterzylinders eindrückt. Durch die Art der
Kraftübertragung ist ein Gleichlauf der Verdichtungseinheiten auch bei langen
Maschinen gewährleistet. Das perforierte Gitterriemchen der Verdichtungseinheit der
Fa. Suessen wird über eine feststehende Fläche gezogen, wobei, ähnlich wie beim
Riemchen der Fa. Zinser, stärkere Reibkräfte überwunden werden müssen. Die
Verdichtungseinheit ist zwar einfach aufgebaut, der Antrieb des Gitterriemchens aber
- 27 -
eher komplex. Werden die angreifenden Kräfte (Bild 8) betrachtet, so wird deutlich,
dass der Antrieb des Gitterriemchens nur möglich ist, wenn die Reibung zwischen
Gitterriemchen und feststehendem Saugrohr viel kleiner ist als die Reibung zwischen
Druckroller und Gitterriemchen. Für die wirkenden Kräfte erhält man:
FRDG = µD * FNDG
mit
Indizes
µD
FR
FN
D
G
S
(1)
Reibungskoeffizient zwischen Druckroller und Gitterriemchen [-],
Reibkraft [N],
Normalkraft [N],
Druckroller,
Gitterriemchen,
Saugrohr.
FRGS = µ S * FNGS
(2)
mit µS als Reibungskoeffizient zwischen Saugrohr und Gitterriemchen.
Für die Normalkräfte gilt: FNDG = FNGS ;
Damit gilt für die Reibkraft:
µ
FRDG = µD * FRGS
s
(3)
Da die Normalkraft FN mit zunehmendem Belastungsdruck ansteigt, kann der
Belastungsdruck nicht sehr hoch gewählt werden, um die Reibkraft FRGS zwischen
Saugrohr und Gitterreimchen in Grenzen zu halten. Sonst steigt zwangsläufig der
Verschleiß der Verdichtungselemente.
Werden die Verdichtungsspinnmaschinen bezüglich ihrer Flexibilität betrachtet, so
bestehen zwischen den einzelnen Lösungen Unterschiede. Während die Fa. Rieter
ihre Maschinen bevorzugt für die Verspinnung gekämmter Baumwollen und zur
Herstellung feiner Garne empfiehlt, nennt die Fa. Zinser eine solche Begrenzung
nicht. Bei dem Streckwerk der Fa. Zinser handelt es sich um ein Standard
Hochverzugsstreckwerk, auf dem alle üblichen Kurzfasern versponnen werden
können. Als weiteres kann das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen Ausgangswalzenpaar und Streckwerk variiert werden. Dieses Geschwindigkeitsverhältnis wird
als Anspannverzug bezeichnet. Er wird in dieser Arbeit ausführlich untersucht, da die
Einstellmöglichkeiten eine Voraussetzung dafür sind, verschiedene Rohstoffe verspinnen zu können.
- 28 -
Die Fa. Rieter ist mit der derzeitigen Verdichtungseinheit nicht in der Lage, einen
Anspannverzug einzustellen. Bei der Verdichtungseinheit der Fa. Suessen kann ein
Anspannverzug durch die Wahl von Druckrollern mit unterschiedlichem Durchmesser
erreicht werden. In der Praxis ist dies jedoch nicht praktikabel, da ein häufiger
Wechsel von den Druckroller zu aufwendig ist.
Für einige Anwendungsfälle ist es wünschenswert, die Haarigkeit des Garns gezielt
einzustellen, da Gewebe aus Verdichtungsgarn “magerer“ ausfallen können als
solche aus Ringgarn. Bei der Verdichtungseinheit der Fa. Zinser besteht die
Möglichkeit die Garnhaarigkeit durch entsprechende Wahl der Riemchenperforation
und des Anspannverzugs gezielt einzustellen.
5.3 Bereich der Drehungserteilung und der Fasereinbindung
Beim Ringspinnen ist die Reißfestigkeit des Garns im Bereich des Spinndreiecks
sowohl von der Breite des austretenden Faserbändchens als auch von der Länge
des Spinndreiecks abhängig [53]. Die ungedrehten, parallelen Fasern führen in
diesem Bereich zu einer Festigkeit, die etwa 50 % der Feinheitsfestigkeit beträgt
[54, 55]. Andere Untersuchungen haben ergeben, dass bei einer Baumwolle mit
einer mittleren Faserlänge von 28 mm nur 65 % der Fasern zur Festigkeit beitragen
[56]. Die restlichen 35 % der Fasern sind mit einem Ende im Bereich des
Spinndreiecks nicht geklemmt. Somit stellt das Spinndreieck das schwächste Glied
beim Ring spinnen dar, weshalb der überwiegende Teil der Fadenbrüche im
Spinndreieck auftritt. Durch die pneumatische Verdichtung ist das Spinndreieck beim
Verdichtungsspinnen weitgehend eliminiert. Damit ist die Schwachstelle, welche
durch das Spinndreieck hervorgerufen wird, beseitigt.
Die glattere Oberflächenstruktur der Verdichtungsgarne hat positive, wie auch
negative Auswirkungen. Die glattere Oberfläche führt zu einem geringeren
Drehungsstau an den fadenführenden Elementen, weshalb sich die Drehung besser
vom Kops in Richtung des Verdichtungszylinders fortpflanzt [57]. Aus diesem Grund
können Verdichtungsgarne mit einer geringeren Anzahl an Drehungen im Garn
ausgesponnen werden, als dies bei Ringgarnen der Fall ist. Negativ wirkt sich
- 29 -
hingegen die glattere Oberflächenstruktur der Verdichtungsgarne im Bereich des
Ring/Läufers aus. Für die Schmierung müssen Fasern in den Zwickel zwischen Ring
und Läufer eingezogen und zerquetscht werden. Beim Verdichtungsgarn sind sehr
wenig lange Fasern vorhanden, die aus dem Garnkörper herausstehen. Hieraus
resultiert ein schwächerer Schmierfilm. Daraus folgen eine erhöhte Fadenzugkraft
und ein erhöhter Läuferverschleiß [55]. Die genaueren Ursachen des Ring - und
Läuferverschleißes werden in [58-66] dargelegt.
- 30 -
6 Verzugsprozess
Nachfolgend wird die Nummerierung der Unterzlinder U festgelegt (Bild 9). Wird in
den nachfolgenden Kapiteln vom Eingangswalzenpaar gesprochen, so ist der
Unterzylinder UI mit dem entsprechenden Druckroller gemeint. Das Ausgangswalzenpaar besteht aus dem Unterzylinder UIII und dem entsprechenden Druckroller.
Ausgangswalzenpaar
Doppelriemchen
UIII
UII
Eingangswalzenpaar
Materialflussrichtung
Unterzylinder:
UI V
Verdichtungszone
Hauptverzugszone
UI
Vorverzugszone
Bild 9: Nummerierung der Unterzylinder U im Streckwerk.
Ein Garn hoher Qualität zeichnet sich unter anderem durch eine hohe Garngleichmäßigkeit aus. Die bestmöglichste Garngleichmäßigkeit würde vorliegen, wenn in
jedem Garnquerschnitt die Faseranzahl gleich wäre. Aufgrund der Längenunterschiede von Naturfasern und des Verzugsvorgangs ist das nicht zu erreichen.
Somit wird jeder Verzugsprozess zu einer Erhöhung der Ungleichmäßigkeit führen
[68], sofern nicht, wie an der Strecke, vor dem Verzugsprozess eine Doublierung 5
durchgeführt wird.
Der Verzugsprozess beim Ringspinnen wird mittels eines Streckwerks durchgeführt
(Bild 10), dessen Aufgabe in der Verfeinerung des Vorlagematerials bis zur
gewünschten Garnfeinheit besteht. Realisiert wird dies durch Walzenpaare, deren
Umfangsgeschwindigkeit in Materialflussrichtung sukzessive ansteigt. Im Haupt-
5
Vorlage mehrer Faserbänder statt nur eines Faserbandes.
- 31 -
verzugsfeld wird die Faserführung durch ein Doppelriemchen unterstützt. Die
Faseranzahl wird von ca. 3000 Fasern auf beispielsweise 150 Fasern im Garnquerschnitt reduziert.
Um die Fasern relativ zueinander bewegen zu können, muss die Faser/FaserReibung überwunden werden. Diese ist neben einer Vielzahl von weiteren
Parametern vom Rohstoff abhängig. Die Einstellung der Streckwerksparameter muss
also an den jeweiligen Rohstoff angepasst werden.
Materialflussrichtung
vIII
vII
>>
>
vI
Bild 10: Umfangsgeschwindigkeiten v der Unterzylinder im Streckwerk.
Im Hinblick auf das Verziehen einer Faser im Streckwerk kommt der Faserlänge lFaser
in Relation zum Klemmlinienabstand dK eine große Rolle zu. Die Faserlänge Fl aser
kann ihrer Länge nach in 3 Klassen eingeteilt werden (vgl. Bild 11):
lFaser < d K (Fall A)
lFaser = d K (Fall B)
lFaser > d K (Fall C)
mit
lFaser
dK
Faserlänge [m]
Klemmlinienabstand [m]
Materialflussrichtung
vII
Faser
B
K2 Klemmlinie
A
dK
C
K3 Klemmlinie
vIII
vIII >> vII
Bild 11: Drei unterschiedlich lange Fasern zwischen den Klemmlinien.
- 32 -
Die Faser B ist für das Verziehen ideal, da sie an der Klemmlinie K3 erfasst und
beschleunigt wird, sobald das Faserende an der Klemmlinie K2 freigegeben wird.
Anders sieht es bei der Faser A aus. Die Faser A ist deutlich kürzer als der
Klemmlinienabstand dK. Da sie nur von den umgebenden Fasern gehalten wird,
spricht man von einer “schwimmenden“ Faser. Die Geschwindigkeit der Faser kann
jeden Wert zwischen vII und vIII annehmen. Mit welcher Geschwindigkeit sich die
schwimmende Faser zwischen den Klemmlinien bewegt, hängt davon ab, von
welchen Fasern die größere Reibkraft ausgeübt wird. Überlange Fasern wie die
Faser C werden zwischen den Klemmlinien gerissen, was Verzugsstörungen zur
Folge hat. Eine detaillierte Beschreibung des Verzugsvorgangs und entsprechende
theoretische Betrachtungen finden sich bei Wegener [70].
Wie bereits in Kapitel 5 beschrieben, ist der Verzugsprozess vor der pneumatischen
Bündelung identisch mit dem Verzugsprozess beim Ringspinnen. Aus diesem Grund
sind die Einflussgrößen auf den Verzugsprozess vom Ring - und Verdichtungsspinnen gleich. Ein für das Ringspinnen optimal eingestellter Verzugsprozess ist
auch beim Verdichtungsspinnen optimal.
Zu den Einflussgrößen, die sich auf den Verzugsprozess auswirken, gehören der
Rohstoff, die Vorgarndrehung, der Vorverzug, die Faser/Faser-Reibung, die Druckaufteilung und die Härte des Ausgangsdruckrollers. Sie können in zwei Gruppen
eingeteilt werden: Rohstoffparameter, die bei gegebener Rohstoffqualität unveränderlich sind und technologisch einstellbare Parameter (Bild 12).
unveränderlich
Einflussgrößen
auf den
Verzugsprozess
Rohstoffparameter
Vorgarnparameter
(z.B. Vorgarndrehung etc. )
Optimierung des
Verzugsprozesses
technologisch
Streckwerksparameter
(z.B. Vorverzug etc. )
Bild 12: Einflussgrößen auf den Verzugsprozess.
- 33 -
Der Rohstoff ist vorgeschrieben. Er wird anhand von Garnqualitäts- und Kostengesichtspunkten ausgewählt. Um einen optimalen Verzugsprozess zu gewährleisten,
muss zunächst das Vorgarn optimal hergestellt werden, dass heißt Vorgarndrehung
und -feinheit müssen an den Rohstoff und an die Garnfeinheit angepasst werden
(Bild 12). Zum anderen ist das Streckwerk so einzustellen, dass ein optimaler
Verzugsprozess gewährleistet ist. Nur wenn das Streckwerk auf die Rohstoff- und auf
die Verzugsparameter abgestimmt ist, kann eine gute Garngleichmäßigkeit erzielt
werden.
6.1 Beurteilungskriterien
Wichtigstes Kriterium zur Beurteilung des Verzugsprozesses ist die Garngleichmäßigkeit. Sie wird mit dem Garngleichmäßigkeitsprüfgerät UT3 der Fa. Uster
ermittelt. Je geringer die Faseranzahl im Garnquerschnitt ist, desto schlechter ist die
Garngleichmäßigkeit.
Eine weitere wichtige Messgröße stellt die Vorverzugskraft FV dar, welche vom
Rohstoff, der Vorgarndrehung, der Höhe des Vorverzugs VV und der zu
verziehenden Fasermasse abhängt. Die Vorverzugskraft FV wird mit einem vom ITV
Denkendorf entwickelten Messgerät bestimmt, dessen Eingangswalzenpaar gelenkig
gelagert ist. Aufgrund der Vorverzugskraft FV wird das Walzenpaar ausgelenkt und
gegen einen Kraftsensor gedrückt. Das erzeugte Spannungssignal ist proportional
zur Vorverzugskraft F V (Bild 13).
Eingangswalzenpaar
Vorverzugsbereich
Garn
Kraftsensor
Bild 13: Prinzip der Vorverzugskraftmessung.
Materialflussrichtung
- 34 -
Die zwei Messgrößen Garngleichmäßigkeit CV und Vorverzugskraft FV ermöglichen
es, Veränderungen im Verzugsprozess zu erfassen. Während die Garngleichmäßigkeit CV am fertigen Garn im Labor bestimmt wird, wird die Vorverzugskraft FV
während des Verzugsprozesses aufgenommen.
6.2 Einfluss des Rohstoffs
Um einen Verzug im Streckwerk durchführen zu können, muss die Faser/FaserReibung überwunden werden. Diese hängt von der Oberflächenstruktur der Faser
(Rohstoff), der Faserlängenverteilung, der Faserfeinheit FF, der Faseranzahl nFaser
im Querschnitt, dem Kräuselungsgrad und der Biegesteifigkeit der Faser ab. Die
Gleichmäßigkeit des Verzugs hängt - bei gleicher Garnfeinheit - vornehmlich von der
Faserfeinheit FF und der Faserlängenverteilung ab [71-74]. Je feiner die Fasern,
desto gleichmäßiger ist das Garn [75]. Dieser Zusammenhang gilt allerdings nur
dann, wenn eine bestimmte Faseranzahl nFaser im Garnquerschnitt unterschritten wird
(weniger als 120 Fasern). Das ist vermutlich auch der Grund dafür, dass
Balasubramanian und Iyengar [76] bei der Verspinnung von Baumwolle keinen
direkten Zusammenhang zwischen Faserfeinheit FF und Garngleichmäßigkeit CV
feststellen konnten. Wegener und Meister [77] untersuchten den Einfluss der
Chemiefaserfeinheit auf die Garngleichmäßigkeit CV. Sie stellten fest, dass Garne
aus Fasern mit gestaffeltem Titer und gestaffelter Schnittlänge wie auch Garne mit
konstantem Titer und konstanter Schnittlänge ungleichmäßiger ausfallen als Garne
mit konstantem Titer und gestaffelter Schnittlänge. Wie auch immer die beste
Kombination der Fasereigenschaften aussieht, der Verzugsprozess muss an den
jeweiligen Rohstoff angepasst werden.
Einen besonders negativen Einfluss auf den Verzugsprozess und damit auf die
Garngleichmäßigkeit CV haben Kurzfasern mit weniger als 12,5·10-3 m Länge. Diese
“schwimmenden“ Fasern stören die Bewegung der “normal“ langen, kontrolliert
verzogenen Fasern. Das ist vor allem dann der Fall, wenn sich das Faserbändchen
im Hauptverzugsfeld spreizt. Dann können sich kurze Fasern sogar querlegen, was
zu einer geringeren Festigkeit des Spinndreiecks führt. Beim Verdichtungsspinnen
kann die Bewegung der einzelnen Fasern – auch die der kurzen – nach dem
- 35 -
Hauptverzug deutlich besser kontrolliert werden, was dazu führt, dass Rohstoffe mit
einem hohen Kurzfaseranteil nach dem Verdichtungsspinnverfahren versponnen
werden können, was mit dem üblichen Ringspinnen aufgrund zu hoher Fadenbrüche
nicht möglich ist. So konnten Garne nach dem Verdichtungsspinnprinzip mit einem
Kurzfaseranteil (Faserlänge lFaser < 12,5 . 10-3 m) von 48,7 % im Streckenband versponnen werden. Im Vergleich hierzu liegt der Kurzfaseranteil bei einer kardierten
Baumwolle mit Standardqualität im Streckenband zwischen 13 % und 20 %.
6.3 Einfluss des Vorverzugs auf die Vorverzugskraft und die
Garngleichmäßigkeit
Neben der Vorgarndrehung TV beeinflusst auch die Höhe des Vorverzugs VV die
Garnqualität. Nachfolgend wird daher der Einfluss des Vorverzugs VV auf die
Vorverzugskraft FV und die Garngleichmäßigkeit CV betrachtet. Die Aufgabe des
Vorverzugs besteht darin, das Vorgarn quasi für den Hauptverzug “vorzubereiten“,
um optimale Hauptverzugsbedingungen zu haben. Während der Vorverzug VV im
Bereich von etwa 1,09 bis 1,80fach gewählt wird, liegt der Hauptverzug in der
Größenordnung von 20 bis 60fach. Der Vorverzug VV ist also im Vergleich zum
Hauptverzug gering, aber von großer Bedeutung für die Garnqualität, wie
nachfolgend dargelegt wird.
Durch den Vorverzug VV wird eine Vorverzugskraft FV erzeugt, die aus der
Faser/Faser-Reibung resultiert. Je nach Höhe des Vorverzugs VV kann eine unterschiedliche Reibungsart vorliegen, die von der Höhe der Relativgeschwindigkeit
zwischen den Fasern abhängt:
•
Haftreibung (Bereich A),
•
Haft- Gleitreibungswechsel (Bereich B),
•
Gleitreibung (Bereich C).
Wie sich die Vorverzugskraft FV ändert, wenn der Vorverzug VV erhöht wird, macht
Bild 14 deutlich.
- 36 -
Vorverzugs kraft FV
FVmax
A
C
Haftreibung
B
Haft-Gleitreibungswechsel
Gleitreibung
Vorverzug VV
Bild 14: Prinzipieller Verlauf der Vorverzugskraft FV in Abhängigkeit vom Vorverzug VV.
Zunächst ergibt sich eine Haftreibung bis zur maximalen Vorverzugskraft FVmax
(Bereich A). Wird der Vorverzug VV weiter erhöht, so finden Haft- Gleitreibungswechsel zwischen den Fasern statt (Bereich B), die zu einer starken Schwankung der
Vorverzugskraft FV und zu einem sehr ungleichmäßigen Verzug, mit fatalen Folgen
im Hinblick auf Dünn- und Dickstellen im Garn führen. Bei weiterer Erhöhung des
Vorverzugs VV geht die Faser/Faser-Reibung in Gleitreibung über (Bereich C), was
die Faserführung stark verschlechtert.
Die unterschiedlichen Bereiche der Faserreibung machen sich nicht nur in der
Vorverzugskraft FV sondern auch in der Garngleichmäßigkeit CV bemerkbar. So ist in
den Bildern 15 a und 15 b deutlich zu erkennen, dass sich die geringste
Garngleichmäßigkeit CV für einen Vorverzug VV von etwa 25 % einstellt. Die
Vorverzugskraft FV ist dann am größte n. Unter diesen Bedingungen verrichtet das
Streckwerk die meiste Arbeit. Die Fasern stützen sich gegenseitig und werden gut
geführt. Bis zu diesem Vorverzug VV , der auch als “kritischer Vorverzug“ bezeichnet
wird, ergeben sich geringe Auswirkungen auf die Garngleichmäßigkeit CV.
Liegt der Vorverzug VV über dem kritischen Bereich, dann treten Haft-Gleitreibungswechsel ein; die Faserführung im Vorverzugsfeld ist ungenügend; infolgedessen verschlechtert sich die Garngleichmäßigkeit CV. Der optimale Vorverzug VV hängt nicht
von der Faserlänge lFaser ab. Er ist für eine gekämmte bzw. eine kardierte Baumwolle
gleich.
- 37 -
10
Baumwolle kardiert
Baumwolle gekämmt
Vorverzugskraft
Vorverzugskraft
F [N]
FVV [N]
8
6
4
2
0
0
10
Garngleichmäßigkeit
Garngleichmäßigkeit
CVCV
[%][%]
Uster
22
20
30
40
50
60
70
Vorverzug VV [%]
Vorverzug VV [%]
Baumwolle kardiert
80
90
100
Baumwolle gekämmt
20
18
16
14
12
10
0
0
10
20
30
Kritischer
Vorverzug
40
50
60
70
Vorverzug
VV [%]
Vorverzug
VV [%]
80
90
100
Bild 15 a bis b: Vorverzugskraft FV und Garngleichmäßigkeit CV in Abhängigkeit vom
Vorverzug VV (100 % Baumwolle, Garnfeinheit Tt = 20 tex).
In einer weiteren Untersuchung wurde ermittelt, bei welchem Vorverzug VV sich für
eine bestimmte Vorgarndrehung TV die beste Garngleichmäßigkeit CV ergibt
(Bild 16).
- 38 -
Dazu wurden Vorgarne gleicher Feinheit mit fünf verschiedenen Vorgarndrehungen TV ausgesponnen; der Vorverzug VV wurde jeweils im Bereich von 5 %
bis 100 % geändert. Bild 16 gibt für jede Vorgarndrehung TV den Vorverzug VV
wieder, der zur besten Garngleichmäßigkeit CV führt.
Baumwolle gekämmt
18
Baumwolle kardiert
Garngleichmäßigkeit
Uster CV [%]
17
16
15
14
13
12
11
10
0
Vorverzug VV [%] 5
Vorgarndrehung TV [1/m] 107
10
125
15
143
20
161
25
179
Bild 16: Vorverzug VV, der die höchsten Garngleichmäßigkeit CV je Garndrehung T ergibt
(100 % Baumwolle, Garnfeinheit Tt = 20 tex).
Es wird deutlich, dass ein Zusammenhang zwischen optimalem Vorverzug VV und
optimaler Garndrehung besteht. Nur eine bestimmte Kombination von Vorverzug VV
und Vorgarndrehung TV liefert das beste Garn. Für die vorliegende Baumwolle wird
die beste Garngleichmäßigkeit CV bei einer Vorgarndrehung TV = 143 1/m und
einem Vorverzug V V = 15 % erzielt.
6.4 Schleppströmung am Ausgangswalzenpaar
Beim Verdichtungsspinnen folgt auf den Verzugsprozess die “Verdichtung“, d.h. die
Faserbündelung mittels Luft. Die Luftströmung, die sich an den Walzen (Druckroller
bzw. Unterzylinder) ausbildet, wird als “Schleppströmung“ bezeichnet. Die Luftschicht
unmittelbar an den Walzen wird von der Walzenoberfläche mitgerissen. Infolge der
geringen
Reibung
zwischen
den
einzelnen
Luftschichten
breitet
sich
die
Schleppströmung nur langsam senkrecht zur Walzenoberfläche aus. Nachfolgend
soll geklärt werden, wie sich die Schleppströmung um einen Unterzylinder bzw. um
- 39 -
das Ausgangswalzenpaar ausbildet und ob die Schleppströmung um das
Ausgangswalzenpaar den Bündelungsvorgang beeinflussen oder gar stören kann.
Die Luftströmung um die Walzen wurde mit Hilfe eines Particle -Image-Velocimetry
Messsystems (PIV) gemessen und analysiert.
6.4.1 Schleppströmung eines rotierenden Unterzylinders
Um zu klären, wie sich das Strömungsprofil um einen geriffelten Unterzylinder
ausbildet, wird das Luftgeschwindigkeitsprofil für verschiedene Umfangsgeschwindigkeiten vIII ermittelt. Messort, Bildausschnitt und Vektorbild der Luftströmung sind in
Bild 17 wiedergegeben.
Bildausschnitt, in dem die PIV
Messungen durchgeführt wurden
Unterzylinder UIII
1 mm
Auswertebereich
xU
Unterzylinder UIII
1 m/s
Bild 17: Luftströmungsuntersuchung am rotierenden Unterzylinders UIII.
Bild 17 macht deutlich, dass die Luft mit dem Unterzylinder UIII rotiert. Wie sich die
Luftgeschwindigkeit im Auswertebereich mit zunehmendem Abstand xU verändert, ist
Bild 18 zu entnehmen.
Die
erste
auswertbare
Geschwindigkeitsmessung
konnte
im
Abstand
von
xU = 0,4·10-3 m vorgenommen werden. In diesem Abstand hat die Luftgeschwindigkeit bereits auf ca. 83 % der Umfangsgeschwindigkeit des Unterzylinders
abgenommen.
Luftgeschwindigkeit v L [m/s]
Luftgeschwindigkeit vL [m/s]
- 40 -
vIII = 0,58 m/s
0,60
vIII = 0,50 m/s
vIII = 0,33 m/s
vIII = 0,17 m/s
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
00
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
-3
Abstand
zum
Unterzylinder
Abstand
xUdz
zum
Unterzylinder
UIII[mm]
[·10 m]
Bild 18: Luftgeschwindigkeit vL in Abhängigkeit vom Abstand xU zum Unterzylinder UIII für
vier verschiedene Umfangsgeschwindigkeit vIII des Unterzylinders UIII.
Aus der Strömungsmechanik ist bekannt, dass die Oberflächenstruktur keinen
Einfluss auf die Grenzschicht nimmt, sofern eine laminare Strömung vorliegt und die
Oberflächenstruktur merklich kleiner ist als die Grenzschicht [78]. Wird der
Durchmesser des Druckrollers mit dD = 27 . 10-3 m als charakteristische Größe zur
Berechnung der Reynoldszahl Re eingesetzt und eine maximale Umfangsgeschwindigkeit von vIII = 0,67 m/s angenommen, ergibt sich eine Reynoldszahl von
Re = 1005. Das heißt bei den Versuchen liegt eine laminare Strömung vor, so dass
die Struktur des Unterzylinders keinen Einfluss auf die Luftströmung nimmt.
Messungen an glattem als auch geriffelten Unterzylindern haben dies bestätigt. Für
einen glatten Unterzylinder bildet sich die gleiche Grenzschicht wie für einen
geriffelten.
6.4.2 Schleppströmung um ein Walzenpaar
Im folgenden wird die Schleppströmung um ein Walzenpaar, bestehend aus
Unterzylinder und Druckroller, betrachtet. Der Druckroller wird vom Unterzylinder UIII
reibschlüssig angetrieben. Dadurch wird der Aufbau der Grenzschicht immer wieder
in der Klemmlinie gestört und baut sich erneut auf. Messort, Bildausschnitt und
Vektorbild der Luftströmung sind in Bild 19 wiedergegeben.
- 41 Ausgangswalzenpaar
1 mm
Druckroller
Auswertebereich
Materialflussrichtung
Druckroller
Bildausschnitt
VerdichtungsHauptverzugszone
zone
Unterzylinder UIII
xD
1 m/s
Bild 19: Luftströmungsuntersuchung am Ausgangswalzenpaar des Streckwerks.
Wie zu erwarten war, ähnelt das Strömungsbild des Druckrollers dem des
Unterzylinders UIII (Bild 20). Allerdings nimmt die Luftgeschwindigkeit vL, unabhängig
von der Umfangsgeschwindigkeit vIII des Unterzylinders UIII, deutlich rascher ab als
bei dem rotierenden Unterzylinder UIII ohne Druckroller. Der Grund ist in der
ständigen Unterbrechung der Grenzschicht zu suchen. Der Aufbau der Grenzschicht
beginnt immer wieder aufs Neue. Die äußeren Luftschichten werden bei den
durchgeführten Versuchen nur bis zu einem Abstand von ca. xD = 2,5 ·10-3 m
mitgerissen. Im Gegensatz hierzu stellt sich beim allein rotierenden Unterzylinder UIII
eine größere Grenzschicht ein.
Luftgeschwindigkeit vL [m/s]
Luftgeschwindigkeit v L [m/s]
0,70
vIII = 0,67 m/s
vIII= 0,50 m/s
vIII= 0,33 m/s
vIII = 0,17 m/s
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
00
0,0
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Abstand d zum Druckroller [mm]
Abstand xD Dzum Druckroller [·10-3 m]
Bild 20: Luftgeschwindigkeit vL in Abhängigkeit vom Abstand xD zum Druckroller für vier
verschiedene Umfangsgeschwindigkeit vIII des Unterzylinders UIII, der den Druckroller
reibschlüssig antreibt.
4,0
- 42 -
6.4.3 Luftströmung im vorderen und hinteren Bereich der Klemmlinie
Im Rahmen der Überlegungen zum Verzugsprozess interessiert vor allem, wie sich
die Luftströmung im Eintrittszwickel (Bildausschnitt 1, Bild 21) bzw. im Austrittszwickel (Bildausschnitt 2, Bild 21) auf die Faserbewegung auswirkt. Daher wurde die
Luftströmung mit Hilfe des PIV in diesen Bereichen bestimmt, wobei aus messtechnischen Gründen auf das eigentliche Verziehen des Fasebändchens verzichtet
werden muss.
Ausgangswalzenpaar
Druckroller
Austrittszwickel
(Bildausschnitt 2)
Eintrittszwickel
(Bildausschnitt 1)
Unterzylinder
UIII
Bild 21: Bildausschnitte, in denen PIV Messungen durchgeführt und ausgewertet wurden.
Bild 22 zeigt, dass vom Druckroller als auch vom Unterzylinder UIII die Luft
gleichermaßen mitgenommen wird. Im Zwickel selbst staut sich die Luft und strömt in
Richtung der Hauptverzugszone.
Auswertebereich
xZ
Unterzylinder UIII
Druckroller
1 m/s
Bild 22: Geschwindigkeitsvektoren einer Luftströmung im Bereich des Eintrittszwickels
(Bildausschnitt 1).
- 43 -
Wird das Strömungsprofil bei unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten vIII des
Unterzylinders UIII betrachtet, so ist festzuhalten, dass sich dieses nicht prinzipiell
ändert, sondern dass lediglich die Luftgeschwindigkeit entsprechend zunimmt
(Bild 23 a und Bild 23 b).
Unterzylinder UIII
Druckroller
1 m/s
Bild 23 a: Geschwindigkeitsvektoren einer Luftströmung im Bereich des Eintrittszwickels bei
einer Umfangsgeschwindigkeit von v III = 0,17 m/s des Unterzylinders UIII.
Unterzylinder UIII
Druckroller
1 m/s
Bild 23 b: Geschwindigkeitsvektoren einer Luftströmung im Bereich des Eintrittszwickels bei
einer Umfangsgeschwindigkeit von v III = 0,50 m/s des Unterzylinders UIII.
- 44 -
Festzuhalten bleibt, dass die Luftgeschwindigkeit nur durch die Umfangsgeschwindigkeit vIII des Unterzylinders UIII beeinflusst wird.
In Bild 24 ist die Luftströmung im Austrittszwickel (Bildausschnitt 2) zu erkennen.
Vom Strömungsprofil her gleichen sich die Bilder am Eintritts- und Austrittszwickel,
jedoch mit jeweils umgekehrter Strömungsrichtung. Der Grund hierfür liegt darin,
dass auf Grund der Haftbedingung an Oberflächen Luft vom Druckroller und dem
Unterzylinder UIII aus dem Zwickel heraustransportiert wird, wodurch im Zwickel ein
Unterdruck entsteht. Da keine Luft durch den Zwickel transportiert werden kann,
strömt die Luft in den Zwickel hinein.
Druckroller
Unterzylinder UIII
Auswertebereich
xZ
1 m/s
Bild 24: Geschwindigkeitsvektoren einer Luftströmung im Bereich des Austrittszwickels
(Bildausschnitt 2).
Ein Vergleich der mittleren Luftgeschwindigkeit vLm in Bildausschnitt 1 mit der
mittleren Luftgeschwindigkeit vLm in Bildausschnitt 2 macht deutlich, dass die
Luftgeschwindigkeit im Auswertebereich des Eintrittszwickels höher ist als im
Auswertebereich des Austrittszwickel (Bild 25).
mittlere
Luftgeschwindigkeit
mittlere
Luftgeschwindigkeitv Lm
[m/s]
vLm
[m/s]
- 45 -
0,40
Austrittszwickel
Eintrittszwickel
0,30
0,20
0,10
0,00
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Umfangsgeschwindigkeit vvIII
des Unterzylinders [m/s]
Umfangsgeschwindigkeit
III des Unterzylinder UIII [m/s]
Bild 25: Mittlere Luftgeschwindigkeit vLm im Auswertebereich des Eintrittzwickels (Bildausschnitt 1) und des Austrittzwickels (Bildausschnitt 2) in Abhängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit vIII des Unterzylinders UIII.
Der Quotient aus den beiden mittleren Luftgeschwindigkeiten beträgt etwa 2. Das
bedeutet, dass im Eintrittszwickel doppelt soviel Luft herausgedrückt wird, als im
Austrittszwickel angesaugt wird.
In der Tabelle 1 ist zusammenfassend schematisch dargestellt, an welchen
Messstellen PIV -Messungen durchgeführt und welche qualitativen Messergebnisse
erhalten wurden. Aus dieser Übersicht und den vorangegangenen Untersuchungen
kann abgeleitet werden, wie sich die Luftströmung um einen Unterzylinder U oder ein
Walzenpaar ausbildet (Bild 26).
- 46 Tabelle 1: Übersicht über die Ergebnisse der durchgeführten Messungen und über den
qualitativen Verlauf der Luftgeschwindigkeit vL bzw. vLm in Abhängigkeit vom
Walzenabstand xU , xD , xZ bzw. in Abhängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit vIII.
Messaufbau
Ergebnisse aus den Messungen
Mittlere Luftgeschwindigkeit
v Lm
Luftgeschwindigkeit v L im Auswerte- in Abhängigkeit von der Umbereich in Abhängigkeit vom Abstand fangsgeschwindigkeit vIII des
xU zum Unterzylinder, xD zur Druck- Unterzylinders.
rolleroberfläche und x z zum Zwickel.
vL
vLm
Messbereich
vIII
xU
vL
vLm
vIII
xD
E
Eintritt
A
Austritt
vL
E
E
vLm
A
A
vIII
xz
6.4.4 Schlussfolgerung aus den PIV Messungen
Wird das Ergebnis der PIV -Messungen zusammengefasst, dann lässt sich die
Luftströmung um einen Unterzylinder bzw. um ein Walzenpaar wie in Bild 26
darstellen. Während die Grenzschicht des Unterzylinders über den Umfang gleich ist,
nimmt die Grenzschicht bei einem Walzenpaar in Drehrichtung zu.
(Nicht maßstäblich)
Grenzschicht
Unterzylinder
Zeitpunkt t = t1
Unterzylinder
Zeitpunkt t = t1+∆t
Walzenpaar
Zeitpunkt t = t1
Bild 26: Zeitabhängiger Aufbau der Grenzschicht bei einem freilaufenden Unterzylinder und
Aufbau der Grenzschicht bei einem angetriebenen Walzenpaar.
- 47 -
Die vorangegangenen Untersuchungen bedeuten für den Verzugsprozess, dass die
Luftströmung im Bereich des Eintritts- und des Austrittszwickels immer gegen die
Fasertransportrichtung gerichtet ist. In dem relevanten Geschwindigkeitsbereich
beträgt die mittlere Luftgeschwindigkeit vLm im Austrittszwickel max. vLm = 0,15 m/s,
wenn die Fasern mit einer Spinngeschwindigkeit von vsp = 0,67 m/s aus dem
Streckwerk austreten. Somit ergibt sich eine Relativgeschwindigkeit vR zwischen der
Faser und der mittleren Luftgeschwindigkeit vLm von vR = 0,82 m/s. Wie spätere
Untersuchungen zeigen werden (Kapitel 7.3.1), ist eine Mindest-Luftgeschwindigkeit
von vLmin = 1,00 m/s notwendig, um einen Fasertransport auf dem Riemchen
durchführen zu können. Somit kann ausgeschlossen werden, das die Luftströmung
am Ausgangswalzenpaar in der Lage ist den Faserbündelungsvorgang in der
Verdichtungszone zu beeinflussen.
Auf Grund der Untersuchungen lässt sich leicht ermitteln, dass ab einer
Spinngeschwindigkeit von vsp = 0,88 m/s die Relativgeschwindigkeit von Faser und
Luft vR = 1,00 m/s beträgt, so dass die zuströmende Luft in den Austrittszwickel den
Faserbündelungsvorgang beeinflussen könnte.
- 48 -
7 Analyse der Vorgänge in der Verdichtungszone und bei der
Drehungserteilung
Die Analyse des Verdichtungsspinnens betrifft zwei Bereiche: die Verdichtungszone
selbst und den Bereich der Drehungserteilung. Die Analyse der Vorgänge in der
Verdichtungszone wird unter zwei Aspekten vorgenommen, zum einen wird der
Einfluss der Fasereigenschaften, zum anderen der Einfluss der Luftströmung auf die
Bündelung der Fasern untersucht (Bild 27). Üblicherweise wird der Faserstoff einer
Spinnerei vorgegeben, so dass das Hauptaugenmerk dem Einfluss der Luftströmung
auf die Faserbündelung gilt.
Einfluss
faserspezifischer
Parameter
Bündelungsvorgang
Einfluss
strömungsmechanischer
Parameter
In der Verdichtungszone
Analyse des
Verdichtungsspinnens
Nach der Verdichtungszone
Bereich der
Drehungserteilung
Bild 27: Gliederung der Analyse des Verdichtungsspinnens.
Zunächst werden die Voraussetzungen für den Fasertransport durch den Luftstrom
beschrieben. Anschließend wird der Einfluss der Garnfeinheit Tt, der Faserlänge lFaser, der Faserfeinheit FF und des Rohstoffes auf den Bündelungsvorgang
beleuchtet. Danach werden die Strömungsvorgänge bei der Bündelung untersucht
und es werden Möglichkeiten aufgezeigt, die Luftgeschwindigkeit zu steigern, um die
Changierbreite zu erhöhen.
Die neue Garnstruktur hat Auswirkungen auf die Drehungserteilung. Unterschiede
zum konventionellen Ringspinnen werden diskutiert.
- 49 -
7.1 Bündelung von Fasern mit Hilfe eines Luftstroms
Beim Verdichtungsspinnen werden die Fasern pneumatisch gebündelt. Dabei
müssen Kräfte überwunden werden, die der Bündelung entgegenwirken. Wie hoch
diese Kräfte sind, hängt von den jeweiligen Randbedingungen ab. Nachfolgend
werden drei Fälle betrachtet:
-
Der Transport einer freien Faser durch einen Luftstrom;
-
Bündelung eines geklemmten Faserverbands durch einen Luftstrom;
-
Bündelung eines geklemmten Faserverbands, der auf einem Riemchen
geführt wird, durch einen Luftstrom.
7.1.1 Definition der Luftwiderstandskraft
Die Kraft, die von einem Luftstrom auf eine Faser ausgeübt wird, entspricht der
Luftwiderstandskraft F Luft:
FLuft = c w
mit
?
v Luft2 A st
2
cw
Luftwiderstandsbeiwert [-],
ρ
Dichte der Luft [kg/m³],
(4)
vLuft Luftgeschwindigkeit [m/s],
Ast
angeströmte Querschnittsfläche [m²].
Wird die Faser vereinfacht als Zylinder betrachtet und eine schleichende Strömung
um einen Zylinder ohne Ablösung vorausgesetzt, so gilt für eine Reynoldszahl Re < 4, das der Luftwiderstandsbeiwert cW annä hernd umgekehrt proportional
zur Reynoldszahl Re ist [79]. Somit ist die Luftwiderstandskraft FLuft proportional zur
Luftgeschwindigkeit vLuft.
- 50 -
Um zu klären ob dies für den vorliegenden Fall zutrifft wird die Reynoldszahl Re
abgeschätzt. Ausgehend vo n einer Baumwollfaser mit einem Durchmesser von
dFaser = 21 . 10-6 m und einer Luftgeschwindigkeit von vLuft = 1 m/s ergibt sich eine
Reynoldszahl von Re = 1,2. Somit ist die auf die Faser wirkende Luftwiderstandskraft
FLuft direkt proportional zur Geschwi ndigkeit vLuft.
Wird von einer konstanten Luftgeschwindigkeit vLuft und Dichte ρ der Luft ausgegangen, so hängt die Luftwiderstandskraft FLuft nur von der angeströmten Fläche
Ast und von dem Luftwiderstandsbeiwert cW ab. Damit die Fasern gebündelt werden,
muss die Luftwiderstandskraft FLuft größer sein als die ihr entgegengerichteten Kräfte
Fw i:
FLuft >
∑F
wi
(5)
Die Größe der Kräfte Fw i hängt von den jeweiligen Randbedingungen ab. Nachfolgend werden diese typischen Situationen diskutiert.
7.1.2 Transport einer freien Faser
Der Transport einer Faser in einer Luftströmung erfolgt über Kräfte, welche an der
Faseroberfläche angreifen. Diese Oberflächenkräfte sind der Luftgeschwindigkeit vLuft
proportional. Da bei einer freien Faser dem Transport keine Kräfte entgegengesetzt
werden, ist dies die effektivste Art des Fasertransportes.
Bei üblichen Fasertransportvorgängen ist die Luftwiderstandskraft FLuft deutlich
größer als die Gewichtskraft FG. Bezogen auf den Faserschwerpunkt ergeben sich
schematisch die in Bild 28 dargestellten Kräfte und die daraus resultierende
Bewegungsrichtung.
- 51 -
Richtung der
Luftströmung
FLuft
+ SF
FG
Fres
+
FLuft
FG
Fres
Faserschwerpunkt SF
Luftwiderstandskraft
Gewichtskraft
resultierende Kraft
Faser
Bild 28: Transport einer freien Faser im Luftstrom.
7.1.3 Bündelung eines geklemmten Faserverbands
Wirkt der Luftstrom auf einem Faserverband, der zwischen zwei Walzenpaaren
geklemmt ist, dann muss, um eine Faser in Luftströmungsrichtung zu bewegen, noch
die Faser/Faser-Reibung überwunden werden (Bild 29). Die Faser/Faser-Reibung
hängt zum einen vom Faserrohstoff (Länge, Feinheit, Biegesteifigkeit, Avivage,
Oberflächenstruktur) und der Fasermenge, zum anderen von der Höhe der
Verzugskraft, die die Fasern aneinander presst, ab. Die Klemmkraft in den
Walzenpaaren hat nahezu keinen Einfluss auf den Fasertransport, da die Klemmlinie
zu weit vom Fasertransport entfernt liegt.
Schnittebene
FLuft - FFF
FLuft
Fres
FG
FFF
Richtung
der
Luftströmung
FLuft
FG
FFF
Fres
Luftwiderstandskraft
Gewichtskraft
Faser/Faser-Reibkraft
resultierende Kraft
Bild 29: Kräfte, die bei der Bündelung eines geklemmten Faserverbands durch einen
Luftstrom wirken.
- 52 -
7.1.4 Bündelung eines geklemmten Faserverbands, der auf einem Riemchen
liegt
Die in Kapitel 7.1.3 diskutierte Situation wird um ein Riemchen, auf dem die Fasern
liegen, erweitert. Damit ein Luftstrom diesen Faserverband bewegt, muss zusätzlich
zu den zuvor aufgezählten Kräften noch die Faser/Riemchen-Reibung überwunden
werden (Bild 30). Die Faser/Riemchen-Reibung hängt von der Normalkraft und von
dem Reibungskoeffizienten zwischen Riemchen und Faser ab. Die Normalkraft wird
von der Verzugskraft, von der Umlenkung des Faserbändchens am Riemchen und
vom Reibwert Faser/Riemchen bestimmt. Da die Fasern auf dem Riemchen liegen,
wirkt sich die Gewichtskraft F G nicht richtungsändernd aus.
Schnittebene
FLuft
Fres
+
FFF + FFR
Richtung
der
Luftströmung
FLuft
FFF
FFR
Fres
Luftwiderstandskraft
Faser/Faser-Reibkraft
Faser/Riemchen-Reibkraft
resultierende Kraft
Fres = FLuft - FFF - FFR
Riemchen
Bild 30: Kräfte, die bei der Bündelung eines auf einem Riemchen liegenden Faserverbands
durch einen Luftstrom wirken.
Anhand der diskutierten Fälle wird deutlich, dass die effektivste Lufteinwirkung dann
vorliegt, wenn die Fasern im freien Raum transportiert werden. Technisch wäre die
Bündelung eines geklemmten Faserverbands, welcher die nächstbeste Faserbündelung ermöglichen würde, zwar zu realisieren, allerdings nur dann mit Erfolg,
wenn der Klemmlinienabstand dK größer ist als die maximale Faserlänge. Dann ist
jedoch eine sichere Faserführung nicht mehr gewährleistet, weshalb ein Riemchen
zur Stützung des Faserverbandes eingesetzt wird. Da die Luft durch die Löcher im
Riemchen angesaugt wird, hat dies darüber hinaus den Vorteil, dass die Luft von
beiden Seiten auf das Faserbändchen einwirkt und so die Bündelung verstärkt.
- 53 -
7.2 Einfluss des Anspannverzugs und der Fasereigenschaften auf die
Faserbündelung
Der Anspannverzug mit der sich einstellenden Verzugskraft verhindert in einem
gewissen Umfang, dass die Fasern “auseinanderlaufen“. Daher wird zunächst der
Einfluss des Anspannverzugs auf die Ablage der Fasern auf das Riemchen
betrachtet. Anschließend wird der Widerstandsfaktor eingeführt und der Einfluss der
faserspezifischen Parameter auf die Bündelung untersucht.
7.2.1 Einfluss des Anspannverzugs auf die Faserbündelung
Der Anspannverzug AV wird als Geschwindigkeitsverhältnis vom vierten Unterzylinder (UI V) zum dritten Unterzylinder (UIII) verstanden. Er ist wie folgt definiert:
AV = 1 +
mit
v IV − v III
∆v
= 1+
v IV
v IV
(6)
AV
vIII
Anspannverzug [-],
Umfangsgeschwindigkeit des Unterzylinders UIII [m/s],
vIV
Umfangsgeschwindigkeit des Unterzylinders UIV [m/s].
Der Anspannverzug AV kann sowohl größer, auch kleiner als 1 sein. Welcher
Anspannverzug gewählt wird, hängt von den Fasereigenschaften ab, wie noch
gezeigt wird. Ist der Anspannverzug AV kleiner als 1, spricht man von Überliefern.
Die Fasern werden schneller in die Verdichtungszone transportiert, als sie aus der
Verdichtungszone abgezogen werden. Infolgedessen findet eine Entspannung bzw.
eine Stauchung der Fasern statt, die im Extremfall zu einer wellenförmigen
Faserablage auf der Riemchenoberfläche führt (Bild 31 a und Bild 31 b). Ist der
Anspannverzug AV größer als 1, spricht man vom Anspannen. Die Fasern werden
langsamer in die Verdichtungszone transportiert, als sie abgezogen werden.
- 54 -
Hierdurch werden die Fasern gespannt und gegen die Riemchenoberfläche gedrückt
(Bild 31 c und Bild 31 d). Im Extremfall bildet sich ein breites, flaches Bändchen
(Bild 31 e).
Materialfluss
-richtung
3 mm
a
b
c
d
AV = 0,98
AV = 1,00
AV = 1,05
AV = 0,95
e
AV = 2,00
Bild 31: Faserbündelung auf der Riemchenoberfläche bei unterschiedlichen Anspannverzügen AV und zentrischer Zuführung des Faserverbands (100 % Baumwolle
gekämmt, Garnfeinheit Tt = 25 tex).
7.2.2 Grenzen des Anspannverzugs
Der Anspannverzug AV wird nur innerhalb gewisser Grenzen variiert; zum einen, weil
die Wirkung sich im Hinblick auf die Faserbündelung negativ auswirkt, zum anderen,
weil ein ungünstiger Anspannverzug die Garngleichmäßigkeit CV negativ beeinflusst.
Der Anspannverzug AV beeinflusst jedoch auch die Position der Fasern zur
Perforation. Bei zentrischer Zuführung des Faserverbands laufen die Fasern,
unabhängig vom Anspannverzug AV immer auf der Perforation. Wird der
Faserverband durch das Changieren des Vorgarns außerhalb der Perforationsmittellinie zugeführt, dann werden die Fasern bei hohem Anspannverzug AV von der
Perforation weggezogen (Bild 32). Dem Luftstrom wird somit eine vom Anspannverzug AV abhängige Widerstandskraft entgegengesetzt, die die Bündelungswirkung
stark beeinflussen kann. Unter dem Gesichtspunkt der Faserbündelung gibt es somit
für den Anspannverzug AV zwei Grenzen, eine untere, bei der die Fasern wellig auf
der Perforation liegen, und eine obere, bei der die Fasern von der Perforation
weggezogen werden (Bild 33).
- 55 -
Faserverband
Luftstrom
Luftstrom
Faserbandzufuhr außerhalb der
Perforationsmittellinie
Bild 32: Verlauf des Faserbändchens bei einer Faserzufuhr außerhalb der Perforationsmittellinie und hohem Anspannverzug von AV = 1,50.
Materialflussrichtung
3 mm
untere Grenze
Faserbändchen wellig
optimal
obere Grenze
Faserbändchen wird von
der Perforation
weggezogen
Anspannverzug
AV = 0,95
Anspannverzug
AV = 1,05
Anspannverzug
AV = 1,15
Bild 33: Grenzen des Anspannverzugs AV.
7.2.3 Definition des Widerstandsfaktors
Es gibt also eine Reihe von Parametern, teils fix, teils variabel, die den Bündelungsvorgang in der Verdichtungszone positiv oder negativ beeinflussen können (Bild 34).
- 56 -
Parameter
variabel
Riemchentyp
Anspannverzug
Perforation
Auslenkung des
Faserbändchens
fix
Fasereigenschaften
Faserbündelung
Luftstrom
Bild 34: Parameter, die den Bündelungsvorgang beeinflussen.
Die bisherigen Versuche haben gezeigt, dass ein leicht zu bündelndes Faserbändchen wenig empfindlich auf den Anspannverzug AV reagiert. Das führte zu der
Überlegung, einen Widerstandsfaktor W zu definieren, der auf der Empfindlichkeit
gegenüber dem Anspannverzug AV basiert. Je kleiner der Widerstandfaktor ist, desto
leichter ist es die Fasern zu bündeln. Hierbei berechnet sich der Widerstandsfaktor
aus dem reziproken Wert der Differenz aus dem maximalen und minimalen
Anspannverzug ∆AV (Gleichung 7).
W=
1
∆AV
(7)
7.2.4 Einfluss der Garnfeinheit auf den Widerstandsfaktor
Je gröber das Garn ist, desto höher ist die Fasermasse in der Verdichtungszone und
desto größer ist der Wert der Garnfeinheit Tt . Mit zunehmender Garnfeinheit Tt
steigen sowohl die Faseranzahl als auch die Anzahl der Berührungspunkte zwischen
den Fasern und die Anzahl der Berührungspunkte zwischen den Fasern und der
Riemchenoberfläche. Die Faserbündelung wird also schwieriger. Die Ermittlung des
Widerstandsfaktors W in Abhängigkeit von der Garnfeinheit Tt bestätigen dies
(Bild 35).
- 57 -
Widerstandsfaktor W
W[-]
[-]
Widerstandsfaktor
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Garnfeinheit
[tex]
Garnfeinheit
Tt Tt
[tex]
Bild 35: Widerstandsfaktor W in Abhängigkeit von der Garnfeinheit Tt (100 % Baumwolle,
mittlere Faserlänge ML = 24·10- 3 m).
7.2.5 Einfluss der mittleren Faserlänge auf den Widerstandsfaktor
Der Einfluss der mittleren Faserlänge ML auf den Bündelungsvorgang soll zunächst
theoretisch betrachtet werden. Dazu werden zwei Faserbändchen herangezogen,
deren mittlere Faserlänge ML um den Faktor 2 unterschiedlich ist:
ML1 = 2 ML2
(8)
In Bild 36 ist dargestellt, wie sich diese Fasern in der Verdichtungszone verhalten.
Den größten Widerstand gegen die Faserbündelung stellen die Fasern dar, die in der
Klemmlinie geklemmt sind und gleichzeitig auf der Riemchenoberfläche liegen
(Klemmbereich). Je größer die mittlere Faserlänge ML ist, desto größer ist der
Klemmbereich auf dem Riemchen und um so größer ist der Widerstand gegen die
Bündelung durch den Luftstrom.
- 58 Faserbändchen I
mit ML1
Faserbändchen II
mit ML2
Klemmbereich 1
Klemmbereich 2
Luftstrom
Luftstrom
Klemmlinie
Riemchen
Riemchen
Transportrichtung
Transportrichtung
Bild 36: Bündelung von Faserbändchen mit zwei unterschiedlichen mittleren Faserlängen ML1 und ML2.
Diese Überlegungen werden durch die Ergebnisse von Experimenten, die in Bild 37
dargestellt sind, bestätigt. Sowohl mit zunehmender mittlerer Faserlänge ML als auch
mit einer gröberen Garnfeinheit Tt nimmt der Widerstandsfaktor W zu.
Tt = 10 tex
Widerstandsfaktor
WW[-]
Widerstandsfaktor
200
Tt = 25 tex
150
100
50
0
22
0
23
24
25
26
27
mittlere Faserlänge
Faserlänge ML
mittlere
ML [mm]
[mm]
28
29
30
Bild 37: Widerstandsfaktor W in Abhängigkeit von der mittleren Faserlänge ML für zwei
unterschiedlichen Garnfeinheiten Tt (100 % Baumwolle).
7.2.6 Einfluss der Faserfeinheit auf den Widerstandsfaktor
Je gröber eine Faser ist, desto größer wird die Biegesteifigkeit, was sich wiederum
auf den Widerstandsfaktor W auswirken wird. Um die Größe des Einflusses der
Faserfeinheit FF auf den Widerstandsfaktor W zu untersuchen, werden daher
- 59 -
unterschiedliche Faserfeinheiten FF eingesetzt. Da sich bei Naturfasern mit der
Faserfeinheit FF auch die Faserlänge lFaser ändert, wurden für diese Untersuchungen
Viskosefasern der Firma Lenzing mit unterschiedlichen Faserfeinheiten von FF =0,10,
0,13 und 0,17 tex eingesetzt. Bei den Versuchen musste berücksichtigt werden, dass
bei konstanter Garnfeinheit Tt die Faseranzahl nFaser mit zunehmender Faserfeinheit
FF ansteigt (Tabelle 2):
nFaser =
mit
Tt
Garnfeinheit [tex]
FF
Faserfeinheit [tex]
Tt
FF
(9)
Tabelle 2: Zusammenhang zwischen Faserfeinheit FF , Faseranzahl nFaser und
Garnfeinheit Tt .
Faserfeinheit FF
[tex]
Faseranzahl nFaser bei
konstanter Garnfeinheit
Tt = 25 tex
Garnfeinheit Tt bei
nFaser = 147
[tex]
0,10
250
14,7
0,13
192
19,1
0,17
147
25,0
Wird die Faserfeinheit FF bei konstanter Garnfeinheit Tt verändert, so ändert sich
nicht nur die Biegesteifigkeit, sondern auch die gesamte Faserberührfläche und die
Faser/Faser-Reibung. Um trotzdem den Einfluss der Biegesteifigkeit auf die Faserbündelung herausarbeiten zu können, wurde bei den Versuchen zunächst die
Faseranzahl n Faser bei unterschiedlicher Faserfeinheit F F konstant gehalten.
7.2.6.1 Zusammenhang zwischen der Faserfeinheit und dem Widerstandsfaktor
bei konstanter Faseranzahl
Die Versuche wurden mit konstanter Faseranzahl nFaser im Garnquerschnitt
durchgeführt, d.h. dass mit zunehmender Faserfeinheit FF ein gröberes Garn
ausgesponnen wurde. Die Versuche mit den Viskosefasern unterschiedlicher
Faserfeinheit FF ergaben, dass zwischen dem Widerstandsfaktor W und der
- 60 -
Faserfeinheit FF ein exponentieller Zusammenhang besteht (Bild 38). Somit gilt: Je
gröber die Faser, desto mehr Widerstand wird der Bündelung entgegengesetzt.
Widerstandsfaktor
WW[-]
Widerstandsfaktor
250
200
150
100
50
0
0
0,08
0,10
0,13
0,15
0,18
0,20
Faserfeinheit F
[tex]
Faserfeinheit
F [tex]
Bild 38: Zusammenhang zwischen dem Widerstandsfaktor W und der Faserfeinheit FF
(100 % Viskose, mittlere Faserlänge ML = 39·10- 3 m, Faseranzahl nFaser = 147).
7.2.6.2 Zusammenhang zwischen der Faserfeinheit F F und dem Widerstandsfaktor W bei konstanter Garnfeinheit T t
Wird die Garnfeinheit Tt konstant gehalten und die Faseranzahl nFaser in Abhängigkeit
von der Faserfeinheit FF variiert, dann wird der komplexe Einfluss von Faser/FaserReibung, Haftung der Fasern am Riemchen und gegenseitige Faserabdeckung
deutlich. Es ist keine eindeutige Abhängigkeit des Widerstandsfaktors W von der
Faserfeinheit FF zu erkennen (Bild 39). Der geringste Widerstandsfaktor W wurde für
eine Faserfeinheit von FF = 0,13 tex ermittelt. Offensichtlich wird bei sehr feinen
Fasern der Einfluss der Biegesteifigkeit durch andere Effekte kompensiert. Hier
spielen insbesondere die Faser/Faser-Reibung, die Faser/Riemchen-Reibung und
die gegenseitige Faserabdeckung eine wichtige Rolle.
Nimmt man den Widerstandsfaktor W aus Bild 38 für die jeweilige Faserfeinheit FF
und dividiert diese Werte durch die Faseranzahl nFaser = 147, so erhält man einen
rechnerischen Widerstandsfaktor WF für eine einzelne Faser bei der entsprechenden
Faserfeinheit FF. Dieser Wert kann bei konstanter Garnfeinheit Tt mit der jeweiligen
- 61 -
Faseranzahl nFaser multipliziert werden (vgl. Tabelle 2), was zu einem berechneten
Widerstandsfaktor WBr bei konstanter Garnfeinheit Tt, aber unterschiedlicher
Faserfeinheit FF führt (Bild 40). Es ergeben sich zwischen den Versuchen (Bild 39)
und den Berechnungen (Bild 40) qualitativ ähnliche Zusammenhänge.
Widerstandsfaktor W [-]
Widerstandsfaktor W
250
Tt = 25 tex
Tt =20 tex
200
150
100
50
0
0,08
0
0,10
0,13
0,15
0,18
0,20
Faserfeinheit
FaserfeinheitFF
FF [tex]
[tex]
Bild 39: Widerstandsfaktor W in Abhängigkeit von der Faserfeinheit FF bei zwei
unterschiedlichen Garnfeinheiten Tt (100 % Viskosefasern,
Widerstandsfaktor
WiderstandsfaktorW
WBr [-]
mittlere Faserlänge ML = 39·10- 3 m).
Tt =25 tex
250
Tt =20 tex
200
150
100
50
0
0,08
0
0,11
0,14
0,17
Faserfeinheit
FaserfeinheitFF
FF [tex]
[tex]
Bild 40: Berechneter Widerstandsfaktor W Br in Abhängigkeit von der Faserfeinheit FF für unterschiedliche Garnfeinheiten Tt (100 % Viskose, mittlere
Faserlänge ML = 39·10-3 m).
0,20
- 62 -
7.2.7 Einfluss der Spinngeschwindigkeit auf den Widerstandsfaktor
Mit zunehmender Spinngeschwindigkeit vsp steigt auch die Geschwindigkeit, mit der
die Fasern durch die Verdichtungszone geführt werden, an; die Verweilzeit der
Fasern in der Verdichtungszone und somit die Zeit für den Bündelungsvorgang
nimmt ab. Wie sich dies auf den Widerstandsfaktor W für zwei Baumwollen
unterschiedlicher mittlerer Länge ML auswirkt, ist Bild 41 zu entnehmen. Es wird
deutlich, dass in der für das Ringspinnen relevanten Spinngeschwindigkeit von
vsp = 0,25 bis 0,42 m/s die mittlere Faserlänge ML einen größeren Einfluss auf die
Faserbündelung hat, als die Spinngeschwindigkeit vsp. Wenn vergleichsweise lange
Baumwollen versponnen werden, ist der Einfluss der Spinngeschwindigkeit vsp nicht
zu vernachlässigen.
Widerstandsfaktor
Widerstandsfaktor W
W [-]
200
ML = 25 mm
ML = 23 mm
150
100
50
0
0,00
0
0,25
0,50
0,75
1,00
Spinngeschwindigkeit
SpinngeschwindigkeitVsp
vsp [m/s]
[m/s]
Bild 41: Widerstandsfaktor W in Abhängigkeit von der Spinngeschwindigkeit vS p für zwei
unterschiedliche mittlere Faserlängen ML (100 % Baumwolle, Garnfeinheit Tt = 10 tex).
7.2.8 Einfluss des Rohstoffs auf den Widerstandsfaktor
Der Widerstand, den eine Faser der Bündelung entgegensetzt, hängt auch von der
Oberflächenstruktur der Faser, der Faserquerschnittsform und der Faseravivage ab.
- 63 -
Bild 42 zeigt exemplarisch den Widerstandsfaktor W für unterschiedliche Fasern. Es
wird deutlich, dass eine Faser um so schwieriger zu bündeln ist, je länger sie ist.
Dieser Trend ist vor allem bei den mittelfeinen Garnen der Garnfeinheit Tt = 25 tex
stark ausgeprägt.
WiderstandsfaktorWW [-]
Widerstandsfaktor
400
Tt =25 tex
Tt = 10 tex
300
200
100
0
Rohstoff
Faserlänge
PES
(1,3/38)
Polyester
Modal
(1,3/39)
Modal
ML=
38·10-3 m
ML =
39·10-3 m
Bw-PES
Bw
gek. (28
Baumwolle/
Baumwolle
mm)
Polyester
gekämmt
Rohstoff
ML =
ML = 26·10-3 m /
-3
28·10-3 m
38·10 m
Bw
kard. (23
Baumwolle
mm)
kardiert
ML =
23·10-3 m
Bild 42: Widerstandsfaktor W in Abhängigkeit vom Rohstoff für zwei unterschiedliche
Garnfeinheiten Tt .
Für
den
Spinnprozess
ist
es
wesentlich
zu
wissen,
welche
Mindest-
Luftgeschwindigkeit notwendig ist, um die Fasern zu bündeln, und welche MindestLuftgeschwindigkeit bei unterschiedlichem Anspannverzug AV benötigt wird. Diese
Fragen werden nachfolgend geklärt.
7.3 Untersuchung des Einflusses strömungstechnischer Parameter auf die
Faserbündelung
Im
Hinblick
auf
den
Fasertransport
zur
Perforation
ist
die
Höhe
der
Luftgeschwindigkeit quer zur Fasertransportrichtung von Bedeutung, da - lässt man
die Reibungseinflüsse außer acht - die von der Luft auf die Fasern ausgeübte Kraft
von der Luftgeschwindigkeit abhängt. Für einen besseren Fasertransport zur
Perforation gilt es also, die Luftgeschwindigkeit quer zur Transportrichtung zu
erhöhen. Gelänge das, dann wäre es auch denkbar, die Changierung des
zugeführten Vorgarns zu verbreitern, wodurch sich der Verschleiß an den
- 64 -
Druckrollern verringern und sich die Wirtschaftlichkeit des Verdichtungsspinnens
verbessert.
Um
einen
Fasertransport
zur
Perforation
zu
erreichen,
ist
eine
Mindest-
Luftgeschwindigkeit notwendig, welche nachfolgend bestimmt wird. Danach werden
Möglichkeiten zu deren Erhöhung aufgezeigt.
7.3.1 Erforderliche Mindest-Luftgeschwindigkeit für den Fasertransport zur
Perforation
Die zur Verfügung stehenden Strömungsmessgeräte erlauben keine Messung der
Luftströmung, wenn sich Fasern im Messbereich befinden. Aus diesem Grund wurde
zunächst der Unterdruck bestimmt, ab dem ein aus der Perforationsmitte ausgelenkter Faserverband zur Perforationsmitte gezogen wird. Anschließend wurde die
Luftgeschwindigkeit im Bereich der Faserbandzuführung mit Hilfe eines Laser
Doppler Anemometers (LDA) bestimmt.
Die für einen Fasertransport notwendige Mindest-Luftgeschwindigkeit vLmin ist in
Bild 43 in Abhängigkeit vom Anspannverzug AV, von der mittleren Faserlänge ML
und von der Garnfeinheit Tt dargestellt.
Mindest-Luftgeschwindigkeit
Mindest-Luftgeschwindigkeit
v Lmin
[m/s][m/s]
VLmin
1,4
1,2
1,0
0,8
2
0,6
3
1
0,4
Tt =33 tex (ML = 24mm)
0,2
Tt =10 tex (ML = 28mm)
Tt =10 tex (ML = 24mm)
0,0
0
0
0,8
0,9
1
1,1
Anspannverzug
Anspannverzug
AVAV
[-]
1,2
Bild 43: Einfluss des Anspannverzugs AV, der Garnfeinheit Tt und der mittleren Faserlänge
ML auf die für einen Fasertransport notwendige Mindest-Luftgeschwindigkeit vLmin
(100 % Baumwolle).
1,3
- 65 -
Der Kurvenverlauf in Bild 43 lässt sich in 3 Bereiche einteilen. In Bereich 1 wurde das
Fasermaterial so stark überliefert (AV = 0,9), dass die Fasern beim Übergang vom
Ausgangswalzenpaar auf das Riemchen leicht von der Riemchenoberfläche abheben
und somit kann die Faser/Riemchen-Reibkraft vernachlässigt werden. Unter diesen
Bedingungen ist die Faserbündelung unabhängig von der Garnfeinheit Tt oder der
mittleren Faserlänge ML. Für eine Garnfeinheit von Tt = 10 tex ist die gleiche
Mindest-Luftgeschwindigkeit (vLmin = 0,8 m/s) erforderlich wie für eine Garnfeinheit
von Tt = 33 tex. Wird der Anspannverzug AV gesteigert, dann legen sich die Fasern
immer stärker an die Riemchenoberfläche an. Die Faser/Riemchen-Reibkraft wird
wirksam (Bereich 2). Die Mindest-Luftgeschwindigkeit
vLmin
muss
für
den
gewünschten Fasertransport gesteigert werden.
Wird der Anspannverzug auf AV > 1,1 erhöht, dann stellen sich konstante
Reibkraftverhältnisse zwischen Riemchenoberfläche und Fasern ein (Bereich 3). Es
herrscht ein deutlicher Einfluss der mittleren Faserlänge ML und der Garnfeinheit Tt
auf die für die Faserbündelung erforderliche Mindest-Luftgeschwindigkeit vLmin.
Die
wichtigste
Erkenntnis
aus
den
Versuchen
ist,
dass
eine
Mindest-
Luftgeschwindigkeit von vLmin = 1 m/s für die Faserbündelung von Baumwolle fast
immer ausreicht. Ist dies nicht der Fall, muss der Anspannverzug AV reduziert
werden.
7.3.2 Möglichkeiten zur Steigerung der Changierbreite durch Veränderung der
Luftführung
Zunächst wird eine Übersicht über die Möglichkeiten zur Steigerung der Changierbreite und der Luftgeschwindigkeit gegeben. Die Ergebnisse der einzelnen
Maßnahmen werden unten beschrieben. In Bild 44 sind die Bezeichnungen
dargestellt, welche nachfolgend verwendet werden.
Die Luftgeschwindigkeit vx und somit auch die Energie für einen Fasertransport
nehmen mit zunehmenden Abstand Ll vom Lochrand ab (Bild 45). Wird für einen
Fasertransport eine Luftgeschwindigkeit von vx = 1 m/s vorausgesetzt, so werden
nach Bild 45 noch Baumwollfasern zur Perforation transportiert, die etwa 2,5 mm
- 66 -
vom Lochrand entfernt sind. Sollen die Fasern aus einer größeren Entfernung
transportiert werden, könnte man die Löcher länglich formen und damit der Abstand
lF bei konstantem Abstand lL vergrößert werden (Tabelle 3, Lösungsvariante 1).
Treibende
Druckdifferenz
Vorderansicht
z
x
∆p = 3,2 kPa
Draufsicht
Luftgeschwindigkeit
Lochperforation
Riemchenoberfläche
y
y
lL
lF
vx
x
x
Lochperforation
lF
Faserverband
Luftgeschwindigkeit
Luftgeschwindigkeit v x [m/s]
v x [m/s]
Bild 44: Ausgangssituation vor dem Bündelungsvorgang.
4
3
2
1
0
0,0
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Abstand llL zum
zum Lochrand
Lochrand [mm]
Abstand
[mm]
L
Bild 45: Luftgeschwindigkeit vx in Abhängigkeit vom Abstand lL zum Lochrand.
Eine weitere Möglichkeit, die Changierbreite zu erhöhen, besteht in der Änderung der
Luftführung. Hierzu werden im Abstand von 2,5 ·10-3 m zur Mittellinie links und
- 67 -
rechts weitere Löcher angebracht. Außerdem wird der Saugluftschlitz unter dem
Riemchen verändert. Der Anfangsbereich ist dreimal so breit wie der eigentliche
Bündelungsbereich. Dadurch werden die Fasern zunächst von den äußeren
Luftströmen erfasst und dann auf die mittlere Lochreihe gezogen (Tabelle 3,
Lösungsvariante 2).
Eine Erhöhung der Luftgeschwindigkeit vx kann auch durch ein Luftleitblech erreicht
werden, das oberhalb des Riemchens angebracht wird. Dies reduziert die
Luftströmung in z-Richtung; es entsteht ein Spalt (Tabelle 3, Lösungsvariante 3).
Der einfachste Weg, die Luftgeschwindigkeit vx zu erhöhen, besteht in der Erhöhung
der treibenden Druckdifferenz (Tabelle 3, Lösungsvariante 4). Allerdings ist das die
teuerste Lösung; sowohl technisch als auch bezüglich der variablen Kosten.
Tabelle 3:
Lösungsvariante
Möglichkeiten zur Erhöhung der Changierbreite durch Veränderung der
Luftführung.
1
KurzbeVerbreitern der
schreibung
Perforation
Skizze
Saugöffnung
2
3
4
Ändern
der
Luftführung
Ändern der
Luftführung
mittels
Luftleitblech
Erhöhen
der treibenden
Druckdifferenz
z
Saugöffnung
z
x
Fangzone
Bündelungszone
Luftleitblech
Draufsicht
y
x
x
- 68 -
Nachfolgend werden die einzelnen Lösungsvarianten auf ihre Effektivität hin
untersucht. Welche Lösung zur industriellen Realisierung empfohlen werden sollte,
wird anhand der Garnqualität entschieden.
7.3.3 Versuchsstand zur Ermittlung der optimalen Luftströmung
Die Luftströmung, die sich durch Riemchen mit unterschiedlichen Perforationen
ergibt,
wurde
mit
Hilfe
des
Particle-Image-Velocimetry
Messsystems
(PIV)
untersucht. Solche Untersuchungen können nicht direkt an der Verdichtungszone der
Spinnmaschine
durchgeführt
werden;
sie
wurden
auf
einem
speziellen
Versuchsstand vorgenommen (Bild 46). Da die Abmessungen der verschiedenen
Perforationslöcher eines Riemchens herstellungsbedingt etwas schwanken, wurden
anstelle der Gummiriemchen Stahlplatinen verwendet, in denen der gewünschte
Lochquerschnitt
mittels
Laser
präzise
eingebracht
wurde.
Alle
Grund-
lagen-Messungen erfolgten also im stationären Zustand und nicht am bewegten
Riemchen.
austauschbare
Stahlplatine
treibende
Druckdifferenz
∆p = 3,2 ·103 Pa
Absaugung
Bild 46: Versuchsstand zur Bestimmung der Luftgeschwindigkeit im Bereich der Perforationslöcher.
7.3.4 Ermittlung der optimalen Lochquerschnittsgeometrie
Zunächst wurde geklärt, wie hoch der Energieverlust bei verschiedenen Lochquerschnittsgeometrien bei gleicher Fläche ist. Es wurde untersucht, ob sich die
Lochquerschnittsgeometrie bei den ausgewählten Perforationen auf den Volumenstrom auswirkt. Ob Riemchen mit solchen Löchern auch die beste Garnqualität
- 69 -
liefern, wird an dieser Stelle noch nicht diskutiert. Untersucht wurden die in Tabelle 4
aufgeführten Querschnittsgeometrien.
Tabelle 4: Lochquerschnittsgeometrien der verschiedenen Perforationslöcher bei
unterschiedlichen hydraulischen Durchmessern dh, (Fläche konstant mit
A = 4,6 · 10-6 m 2, Umfang variabel).
Form der
untersuchten
Geometrien
hydraulischer
Druchmesser
dh
2,35
2,00
1,82
1,60
1,38
Die Ergebnisse dieser Versuche sind Bild 47 zu entnehmen. Es zeigt sich, dass die
Lochquerschnittsgeometrie keinen signifikanten Einfluss auf den Volumenstrom hat.
Somit ist ein möglicher Einfluss der Querschnittsgeometrie zu gering und liegt im
Volumenstrom V
-6
-6
Gasvolumenstrom
[m³/s] x 10
V [m³/s]x10
Rahmen der Messgenauigkeit.
•
120
100
80
60
40
20
0
2,35
1,96
1,79
1,60
1,37
hydraulischerDurchmesser
Durchmesserddh[-][-]
hydraulischer
h
•
Bild 47: Volumenstrom V in Abhängigkeit vom hydraulischen Durchmesser dh
(Fläche A = 4,6 ·10-6 m², treibende Druckdifferenz ∆p = 3,2 ·103 Pa).
Somit kann für die Perforation der Riemchen jede der untersuchten Lochquerschnittsgeometrien verwendet werden.
- 70 -
7.3.5 Ermittlung der optimalen Perforationsbreite
In einer weiteren Versuchsserie wurden die Lochquerschnittsgeometrien der
Perforationslöcher in drei Stufen verändert. Die Luftströmung wurde mit dem PIV System in der x-z-Ebene gemessen (Bild 48). Betrachtet man die Luftgeschwindigkeiten in x- und z-Richtung im Randbereich, so ist festzustellen, dass die Luftgeschwindigkeit vx mit der Länge des Langlochs in diesem Bereich zunimmt (Bild 48).
z
z
Randbereich
Randbereich
Randbereich
z
x
x
x
3 m/s
Kreisrundes Loch,
d = 0,8 ·10-3 m
Langloch
d = 1,5 ·10-3 m
b = 0,8 ·10-3 m
Langloch
d = 3,0 ·10-3 m
b = 0,8 ·10-3 m
Bild 48: Geschwindigkeitsvektoren einer Luftströmung von kreisrunden Löchern und
Langlöchern (treibende Druckdifferenz ∆p = 3,2 ·103 Pa).
Die Zunahme der Luftgeschwindigkeit in z-Richtung führt dazu, dass die Fasern
stärker gegen die Riemchenoberfläche gedrückt und damit weniger stark verdichtet
werden. Was das für die Garnqualität bedeutet, wird nachfolgend beschrieben.
Einfluss von Lochquerschnittsform und Lochgröße auf die Garnqualität
Wird anstelle eines Riemchens mit kreisrunden Löchern ein Riemchen mit
Langlöchern eingesetzt, dann verändert sich die Garnqualität in der in Tabelle 5
dargestellten Weise, wobei die Garnqualität des Garns, das mit dem Riemchen mit
Kreislochperforation hergestellt wurde, als Referenz verwendet wurde.
- 71 -
Perforation:
kreisrundes Loch
Langloch
Langloch
Abmessungen:
d = 0,8 ·10-3 m
d = 1,5 ·10-3 m
b = 0,8 ·10-3 m
d = 3,0 ·10-3 m
b = 0,8·10-3 m
Vergleichsmaßstab
Tabelle 5: Einfluss der Lochquerschnittsgeometrie auf die Garnqualität (100 % Baumwolle,
Garnfeinheit Tt = 20 tex).
0
−
0
−
−
−−
−
−−
Garngleichmäßigkeit
Garnimperfektion
Garnhaarigkeit nach UT3
Garnhaarigkeit nach
Zweigle, S3-Wert
mit
0
keine Veränderung,
−
geringfügige Verschlechterung,
−−
mittelstarke Verschlechterung.
Die Versuchsergebnisse zeigen, dass sich die Garngleichmäßigkeit CV und Garnhaarigkeit mit zunehmender Länge des Langlochs verschlechtern. Der Grund hierfür
wird anhand der Fotos von den Fasern auf der Riemchenoberfläche deutlich
(Bild 49). Zwar werden die Fasern auch auf einem Riemchen mit Langlochperforation
gebündelt; sie legen sich aber breiter ab, als dies bei einer Kreislochperforation der
Fall ist. Infolgedessen kommt es zu einem breiteren Spinndreieck, wodurch sich
insbesondere die Garnhaarigkeit erhöht. Riemchen mit ausschließlich Langlöchern
sind somit spinntechnologisch nicht geeignet.
3 mm
a
b
Ohne Unterdruck
Kreislochperforation
d = 0,8 ·10-3 m
Bündelung
Kreislochperforation
d = 0,8 ·10-3 m
c
d
Ohne Unterdruck
Bündelung
Langlochperforation Langlochperforation
d = 0,8 ·10-3 m
d = 0,8 ·10-3 m
-3
b = 3 ·10 m
b = 3 ·10-3 m
Bild 49: Faserbündelung auf der Riemchenoberfläche bei unterschiedlicher Perforation.
- 72 -
7.3.6 Betrachtung der Volumenströme durch eine Perforation, bestehend aus
kreisrunden Löchern und Langlöchern
Die bisher beschriebenen Untersuchungen machten deutlich, dass die Fasern zwar
von Riemchen mit Langlöchern aus einer größeren Entfernung besser transportiert
werden, dass dies aber mit einer Verringerung an Garnqualität erkauft wird. Daher
wurde untersucht, wie sich eine Kombination aus kreisrunden Löchern und
Langlöchern auf den Faserbündelungsprozess auswirkt. Zunächst wurde dazu auf
dem Luftströmungsprüfstand ermittelt, welche Einzelvolumenströme sich bei den verschiedenen Löchern ergeben und zu welchen Gesamtvolumenstrom ein Riemchen,
das sowohl kreisrunde Löcher als auch Langlöcher aufweist, führt (Bild 50).
Einzelvolumenströme
•
VL
•
VLL
•
VL
Gesamtvolumenstrom
treibende
Druckdifferenz
∆p = 3,2 ·103 Pa
•
V
Bild 50: Volumenströme beim Einsatz einer Platine mit kreisrunden Löchern und
Langlöchern.
Untersuchung der Volumenströme
•
•
Welche Volumenströme sich bei einem kreisrundem Loch (V L), einem Langloch (V LL)
•
und einer Kombination von beiden Löchern (V L+LL) ergeben, ist der Tabelle 6 zu
entnehmen.
•
Tabelle 6: Gesamtvolumenströme V durch Löcher unterschiedlicher Querschnitte,
(treibende Druckdifferenz ∆p = 3,2 ·103 Pa).
Abmessungen der
Lochquerschnitte
Kreisloch
d = 0,8 ·10-3 m
Langloch
d = 0,8 ·10-3 m
b = 3 ·10-3 m
Kreisloch &
Langloch
20·10-6
91·10-6
102·10-6
•
Gesamtvolumenstrom V
[m³/s]
- 73 -
Wie zu erwarten, strömt deutlich mehr Luft durch das Langloch als durch das kleinere
kreisrunde Loch. Nicht selbstverständlich ist jedoch, dass dann, we nn beide Löcher
offen sind, weniger Luft strömt als es der Summe der Einzelvolumenströme
entspricht. Es wurde daher untersucht, welchen Einfluss die durchströmte Fläche A
•
auf den Gesamtvolumenstrom V der austretenden Luft hat (Bild 51). Untersucht
wurde dies sowohl für die kreisrunden Löcher als auch für das Langloch. Wie dem
•
Bild 51 zu entnehmen ist, strebt der Gesamtvolumenstrom V mit zunehmender
Fläche A einem Grenzwert zu, der sich aus der treibenden Druckdifferenz ∆p ergibt.
•
Der Gesamtvolumenstrom V für eine bestimmte Fläche A ist unabhängig von der
Lochgeometrie.
•
V [m³/s] ·10
•
Gasvolumenstrom
V [l/h]
-6
Gesamtvolumenstrom
400
max. Gesamtvolumenstrom V = 393 ·10-6 m³/s
bei einer treibenden Druckdifferenz von ∆p = 3,2 ·103 Pa
300
200
Langloch
Langloch
kreisrundes
KreisrundesLoch
Loch
100
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Offene Fläche
A [mm2]
Durchströmte
Fläche
A [·10-6 m²]
•
Bild 51: Abhängigkeit des Gesamtvolumenstroms V von der Größe der durchströmten Fläche
A (treibende Druckdifferenz ∆p = 3,2 ·103 Pa).
Der statische Druck pst nimmt ab, wenn die durchströmte Fläche A zunimmt. Je
größer die durchströmte Fläche A wird, desto stärker nimmt die für einen höheren
Volumenstrom zur Verfügung stehende Energie der Luftströmung ab (Bild 52). Dies
hat zur Folge, dass bei zunehmender durchströmter Fläche A die mittlere
Luftgeschwindigkeit vm abnimmt (Bild 53), bei gleichzeitiger Zunahme des Gesamt•
volumenstroms V.
DruckverhältnisPVPV
von
statischem
Druckverhältnis
von
statischem
und
dynamischem
Druck[%]
[%]
und
dynamischem
Druck
- 74 -
100%
pges = pst+pdy =100 %
75%
statischer Druck
statischer
Druck pst
dynamischer Druck
dynamischer
Druck pdy
50%
25%
0%
0
1,5
3
4,5
6
7,5
9
10,5 12 13,5 15 16,5 18 19,5
-6
Durchströmte
Fläche
A [mm2]
Durchströmte
Fläche
A [·10
m²]
Bild 52: Druckverhältnis PV von statischem und dynamischem Druck (potentieller und
kinetischer Energie) in Abhängigkeit von der durchströmten Fläche A bei konstanter
•
600
60
500
50
400
40
300
30
200
20
•
•
Gesamtgasvolumenstrom
durch
die Ellipsen
Gesamtvolumenstrom
V durch
die Langlöcher
mittlere
Luftgeschwindigkeit
in den Langlöchern
Ellipsen
mittlere
Luftgeschwindigkeit
vm in
100
0
0,0
0
2,5
5,0
7,5
10,0
12,5
15,0
17,5
10
0
20,0
mittlereLuftgeschwindigkeit
Luftgeschwindigkeitv m
mittlere
in den Langlöchern
Langlöchern[m/s]
[m/s]
Gesamtgasvolumenstrom
Gesamtvolumenstrom
V durch
durch
Langlöcher
[m³/s]
diedie
Langlöcher
[m³/s]
treibender Druckdifferenz ∆p.
-6
Anzahl
der geöffneten
Durchströmte
FlächeLanglöchern
A [·10 m²]
Bild 53: Mittlere Luftgeschwindigkeit vm in den Langlöchern in Abhängigkeit von der
durchströmten Fläche A.
Wird
anstelle
einer
Perforation
bestehend
aus
kreisrunden
Löchern
eine
Kombinationsperforation bestehend aus kreisrunden- und Langlöchern eingesetzt,
•
erhöht sich der Gesamtvolumenstrom V. Das bedeutet, dass mehr Energie zur
Faserbündelung zur Verfügung steht. Für die verschiedenen Perforationsvarianten
wurde die Luftströmung parallel zur Riemchenoberfläche (x-y Ebene) in einer Hö he
- 75 -
von z = 0,5 mm mit Hilfe des PIV (Bild 54) gemessen. Um den Wirkungsbereich6 der
Luft im Bereich der Perforation deutlich zu machen, ist in den Vektorbildern der
Bilder 54 a bis c eine Grenzlinie eingezeichnet, ab der sich ein Fasertransport zur
Perforation einstellt.
Die Bilder 54 a bis c machen deutlich, dass sich durch den Einsatz der Langlöcher
der Wirkungsbereich vergrößert, sich jedoch die Luftgeschwindigkeit um die kreisrunden Löcher verringert. Wird die Langlochfläche zu groß gewählt (Bild 54 c), ist die
Entfernung der Fasern zu den kreisrunden Löchern zu groß, so dass die Fasern nur
von den Langlöchern gefangen werden und somit die Faserbündelung auf den
kreisrunden Löchern ausbleibt.
Grenzlinie
Grenzlinie
2 m/s Grenzlinie
3 mm
a
b
c
Bild 54: Geschwindigkeitsvektoren einer Luftströmung von verschiedenen Perforationen bzw.
Bilder der Faserablage auf dem Riemchen bei nicht zentrischer Faserzuführung.
Einfluss der Perforationsgeometrie auf die Garnqualität
Entspricht die Perforation derjenigen von Bild 54 b, dann kann kein signifikanter
Unterschied zu der Qualität der Garne, die auf einem Riemchen mit kreisrunden
Löchern gesponnen wurden, festgestellt werden (Tabelle 7). Lediglich die Garnhaarigkeit ist etwas höher. Entspricht die Perforation dem Bild 54 c, dann
verschlechtern sich sowohl das Laufverhalten als auch die Garnhaarigkeit drastisch.
6
Bereich, in dem ein Fasertransport stattfindet.
- 76 Tabelle 7: Einfluss der Perforationsgeometrie auf die Garnhaarigkeit und die Anzahl der
Fadenbrüche beim Spinnen, (100 % Baumwolle, Garnfeinheit Tt = 15 tex).
Perforationsgeometrie
Garnhaarigkeit nach
Zweigle, S3-Wert
148
162
268
4,18
4,20
4,60
14
13
49
[Anzahl Faserenden/50 m]
Garnhaarigkeit nach UT3 [-]
Laufverhalten der
Spinnmaschine
[Fbr/1000 Sph 7]
7.3.7 Optimierung der Perforation
Wird ein Riemchen eingesetzt, dessen Perforation aus einer Folge von jeweils zwei
kreisrunden Löchern und einem Langloch besteht, dann ergibt sich die in Bild 55
dargestellte Luftströmung mit den jeweiligen Geschwindigkeitsvektoren. Es wird
deutlich, wie stark die Langlöcher die Gesamtluftströmung beeinflussen. Diese
Tatsache führte zu der Überlegung, die zwei kreisrunden Löcher durch Langlöcher,
die um 90 Grad gedreht sind, zu ersetzen (Bild 56). Hierdurch haben alle Löcher auf
dem Riemchen die gleiche Fläche, so dass durch alle Löcher der gleiche
Volumenstrom strömt und sich eine gleichmäßige Faserbündelung einstellt.
Allerdings ergaben die Versuche, dass einzelne Faserenden in die Perforation
eingesaugt werden. Das führte zu einem nicht mehr tolerierbaren Anstieg der
Fadenbrüche (von 13 Fbr/1000 Sph auf 57 Fbr/1000 Sph). Die Garnqualität
verschlechterte sich gleichfalls stark (Tabelle 8).
7
Die Anzahl der Fadenbrüche (Fbr) werden je 1000 Spindelstunden (Sph) angegeben.
- 77 -
Platine
5 m/s
Draufsicht
Platine
Bild 55: Geschwindigkeitsvektoren einer Luftströmung durch eine Platine mit kreisrunden
Löchern und Langlöchern.
3 mm
Bild 56: Faserbündelung auf einem Riemchen mit einer Folge von gleich großen, jedoch im
Verhältnis 2:1 um 90° gedrehten Langlöchern.
Tabelle 8: Einfluss der Perforationsgeometrie auf die Garnhaarigkeit und die Anzahl
Fadenbrüche beim Spinnen, (100 % Baumwolle, Garnfeinheit Tt = 15 tex).
Perforation
Garngleichmäßigkeit [%]
16,93
18,10
Garnhaarigkeit nach UT3 [-]
4,20
4,60
13
57
Laufverhalten
[Fbr/1000 Sph]
Schlussfolgerung:
Die vorstehend beschriebenen Untersuchungen haben ergeben, dass ein Riemchen
mit einer Perforation aus kreisrunden Löchern und Langlöchern den besten
Kompromiss zwischen Changierung und Garnqualität darstellt. Dies gilt besonders
dann, wenn berücksichtigt wird, dass das Vorgarn nicht immer mit der erforderlichen
Exaktheit (wegen der benötigten Changierung) auf die Perforation geführt werden
- 78 -
kann. Die beste Garnqualität wird allerdings mit einem Riemchen mit ausschließlich
kreisrunden Löchern erreicht.
7.3.8 Einsatz eines Riemchens mit drei Lochreihen und T-förmiger
Saugöffnung
Geht man davon aus, dass mit der für die Faserbündelung erforderliche MindestLuftgeschwindigkeit von vLmin = 1 m/s, mit kreisrunden Löchern mit einem
Durchmesser von d = 0,8·10-3 m und mit einer treibenden Druckdifferenz von
∆p = 3,2 ·103 Pa gearbeitet wird, dann werden noch Fasern angesaugt, die 2,5 mm
vom Lochmittelpunkt entfernt sind. Das schließt eine Changierung des Vorgarns
praktisch aus. Eine Lösung, mit Changierung arbeiten zu können, könnte darin
bestehen, zwei weitere Lochreihen im Abstand von 2,5·10-3 m links und rechts zur
Mittellinie anzubringen. Die beiden äußeren Lochreihen würden dabei nur dem
Ansaugen der Fasern dienen. Die eigentliche Verdichtung würde dann auf der
mittleren Lochreihe stattfinden. Diese Lösung bedingt eine spezielle, T-förmige
Saugöffnung unterhalb des Riemchens. Die beiden Bereiche der Saugöffnung
könnte man auch als “Fangzone“ bzw. “Bündelungszone“ bezeichnen. Eine solche
Lösung wurde im Rahmen der Arbeit entwickelt und erprobt. Bild 57 a zeigt die
Saugöffnung, Bild 57 b die mit dieser Lösung erreichte Faserbündelung bei einer
Auslenkung des Vorgarns um etwa 4·10-3 m. Die mit einer solchen Anordnung
erzielten Garnkennwerte sind in Tabelle 9 wiedergegeben. Das Garn unterscheidet
Fangzone
Bündelungszone
Materialflussrichtung
sich nicht signifikant von den zuvor diskutierten, optimierten Garnen.
Faserverband
3 mm
a) Saugöffnung
b) Faserbündelung
Bild 57: Faserbündelung auf einem Riemchen mit 3 Lochreihen und T-förmiger Saugöffnung
(a: Saugöffnung, b: Riemchen über der Saugöffnung).
- 79 Tabelle 9: Vergleich der Garnwerte, die mit dem Riemchen mit drei Lochreihen (T-förmige
Saugöffnung) bzw. mit abwechselnd zwei kreisrunden Löchern und einem
Langloch erzielt werden, (100 % Baumwolle gekämmt, Garnfeinheit Tt = 20 tex).
Riemchen
3 Lochreihen und T-förmiger
Saugöffnung
1 Lochreihe mit 2
kreisrunden Löchern
und 1 Langloch
235
273
Garnhaarigkeit nach UT3 [-]
3,80
3,85
Garngleichmäßigkeit [%]
11,50
11,56
Garnhaarigkeit nach
Zweigle, S3-Wert
[Anzahl Faserenden/50 m]
7.3.9 Betrachtung der Luftströmung im Bereich der Perforation beim Einsatz
eines Luftleitblechs
Bislang wurden die Luftströmungsverhältnisse betrachtet, wenn die Luft ungehindert
angesaugt werden kann (Bild 58). Nachfolgend wird untersucht, wie sich die
Luftströmung ändert, wenn ein Luftleitblech eingesetzt wird (Bild 59). Mit Hilfe eines
Luftleitblechs wird die Luftströmung parallel zur Riemchenoberfläche ausgerichtet. Je
geringer die Spalthöhe HS ist, desto höher sind die Luftgeschwindigkeiten vx und vy .
Die minimale Spalthöhe HS wird durch die Höhe der gebündelten Fasern auf der
Perforation vorgegeben. Bild 59 zeigt, wie die Luftgeschwindigkeit vx im Randbereich
des Spalts deutlich gegenüber einer freien Luftströmung zunimmt (Bild 58).
Freie Luftströmung
z
x
Platine mit Lochquerschnitt
8 m/s
Bild 58: Geschwindigkeitsvektoren einer Luftströmung durch eine Platine mit einem Langloch
(treibende Druckdifferenz ∆p = 3,2 ·103 Pa).
- 80 -
Luftströmung im Spalt
HS
z
x
Platine mit Lochquerschnitt
8 m/s
Bild 59: Geschwindigkeitsvektoren einer Luftströmung im Spalt durch eine Platine mit einem
Langloch (Spalthöhe HS = 2,0·10-3 m, treibende Druckdifferenz ∆p = 3,2·103 Pa).
Um zu verdeutlichen, wie sich die Strömung im Spalt gegenüber einer freien
Strömung verändert, wurde die Luftgeschwindigkeit vx quantitativ aus den PIV Messungen in einem Abstand von 2·10-3 m zur Mittellinie der Perforation
betragsmäßig ausgewertet. Aus diesen Messungen wird die Eulerzahl Eu für eine
freie Strömung, als auch für eine Strömung bei unterschiedlichen Spalthöhen HS
berechnet und über den reziproken Wert der Spalthöhe HS aufgetragen (Bild 60). In
Bild 60 ist die treibende Druckdifferenz konstant, sodass die Eulerzahl Eu
proportional zum reziproken Wert des Quadrats der Luftgeschwindigkeit vx ist. Je
kleiner die Eulerzahl ist, desto höher ist die Luftgeschwindigkeit vx .
A=0,63
10-6 m²- 6 m 2
A = 0,63·10
700
A=1,20
10-6 m²- 6
A = 1,20·10
2
Eu
Eulerzahl Eu [-]
600
500
400
300
200
100
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1/Hs
reziproker Wert der Spalthöhe 1/HS [1/m]
Bild 60: Eulerzahl in Abhängigkeit von dem reziproken Wert der Spalthöhe HS für zwei
unterschiedlich durchströmte Flächen A (treibende Druckdifferenz ∆p = 1000 Pa,
Re = 500).
1400
- 81 -
Wird eine unendliche Spalthöhe angenommen, so entspricht dies der freien
Strömung und der reziproke Wert der Spalthöhe geht gegen Null. Wird die
Luftgeschwindigkeit über die treibende Druckdifferenz verändert, so bleibt im
untersuchten Bereich die Eulerzahl Eu konstant. Somit ist die Luftgeschwindigkeit
proportional zur Wurzel aus der treibenden Druckdifferenz ∆p. Um beispielsweise
eine Verdoppelung der Luftgeschwindigkeit vx zu erreichen, muss die treibende
Druckdifferenz ∆p vervierfacht werden, was einem hohen energetischen Aufwand
gleichkommt.
Aus Bild 60 wird weiterhin deutlich, dass durch den Einsatz eines Luftleitblechs die
Eulerzahl von Eu = 266 auf Eu = 27 abnimmt, was einer Verdreifachung der
Luftgeschwindigkeit vx entspricht und dies bei konstanter treibender Druckdifferenz ∆p. Hieraus wird deutlich, das der Einsatz eines Luftleitblechs unumgänglich ist, um das Verdichtungsspinnen wirtschaftlich zu betreiben.
Nachfolgend wird überprüft, ob das Luftleitblech selbst bzw. die Spalthöhe HS die
Garnqualität beeinflusst.
Einfluss des Luftleitblechs auf die Garnqualität
Um den Einfluss der Spalthöhe HS auf die Garnqualität zu untersuchen, wurden
Spinnversuche auf einem Spinntester durchgeführt, bei dem die Spalthöhe HS im
Bereich von 0,8 bis 2·10-3 m einstellbar war. Wie Tabelle 10 zu entnehmen ist, war –
im Vergleich zu der schon zuvor optimierten Perforation (vgl. Tabelle 8) – durch den
Einsatz des Luftleitblechs keine weitere Verbesserung der Garnqualität zu erzielen.
Aus technologischen Gründen kann die Spalthöhe HS nicht beliebig reduziert
werden. Die Versuche haben ergeben, dass bei geringeren Spalthöhen von
HS = 0,8·10-3 m Fasern an dem Luftleitblech hängen bleiben. Um solche Effekte zu
vermeiden, wird vorgeschlagen, mit einer Spalthöhe von HS = 1,0 ·10-3 zu arbeiten.
- 82 Tabelle 10: Garnqualität in Abhängigkeit von der Spalthöhe HS (100 % Baumwolle,
Garnfeinheit Tt = 10 tex).
Ohne
Luftleitblech
Mit Luftleitblech
Spalthöhe
HS = 2·10-3 m
Mit Luftleitblech
Spalthöhe
HS = 1·10-3 m
146
144
150
Garnhaarigkeit nach UT3 [-]
3,2
3,2
3,2
Garngleichmäßigkeit [%]
13,8
13,9
13,7
Garnhaarigkeit nach
Zweigle, S3-Wert
[Anzahl Faserenden/50 m]
7.4 Untersuchung des Garnbildungsprozesses beim Ring- bzw. beim
Verdichtungsspinnen
7.4.1 Bereich der Drehungserteilung
Die Fasern treten aus dem Ausgangswalzenpaar des eigentlichen Streckwerks in
einer Breite von etwa 3 bis 7·10-3 m aus. Diese Breite ist um ein Vielfaches größer
als der Garndurchmesser, der bei Garnen im Feinheitsbereich von 10 tex bis 100 tex
bei 0,1 bis 0,5·10-3 m liegt. Durch eine Faserbündelung in der Verdichtungszone
wird die Einbindung vor allem der Randfasern im Spinndreieck verbessert. Hierdurch
reduziert sich neben der Garnhaarigkeit auch die Reibung des Garns an den
fadenführenden Elementen. Nachfolgend wird untersucht, welchen Einfluss die neue
Garnstruktur
des
Verdichtungsgarns
im
Vergleich
zum
Ringgarn
auf
die
Fasereinbindung, den Drehungsstau an den fadenführenden Elementen und auf die
Fadenzugkraft hat.
Vergleicht man die Fasereinbindung beim Ring- und beim Verdichtungsspinnen,
dann stellt man fest, dass das Spinndreieck beim Verdichtungsspinnen praktisch
eliminiert ist. In Bild 61 ist das schematisch dargestellt. Beim Ringspinnen werden die
äußeren Fasern unter einer höheren Spannung eingebunden als die mittig liegenden,
was im Prinzip durchaus positiv ist, denn das ist die Basis der Fasermigration: die
- 83 -
Fasern, die unter hoher Zugkraft stehen, verdrängen die weniger belasteten Fasern
und legen sich in die Garnmitte. Dieser Wechsel einer Faser vom Garnmantel in den
Garnkern und zurück ist der festigkeitsbildende Mechanismus beim Spinnen. Dieser
als Fasermigration bezeichnete Vorgang findet aber auch dann statt, wenn ein
Faserbändchen nur eine Breite von 1 bis 1,5·10-3 m hat, wie das beim Verdichtungsspinnen der Fall ist.
Höhe und Breite des Spinndreiecks sind für die Garnhaarigkeit von Bedeutung. Beim
Ringspinnen mit dem breiten Spinndreieck ragen Fasern seitlich aus dem Spinndreieck heraus (Bild 61). Beim Verdichtungsspinnen ist das nicht der Fall. Die Fasern
werden nahezu “perfekt“ ins Garn eingebunden. Die Verdichtungsgarne sind deshalb
deutlich weniger haarig als die Ringgarne, weshalb sich die Drehungsfortpflanzung
im Bereich der Drehungserteilung vom Ring/Läufer-System bis zum Ausgangswalzenpaar des Streckwerks ändert. In welchem Ausmaß das der Fall ist, wird
nachfolgend untersucht. Der Literatur folgend [80] wird die Behinderung der
Drehungsfortpflanzung als Drehungsstau bezeichnet.
Ringspinnen
breites Spinndreieck
BSR
Verdichtungsspinnen
Spinndreieck nahezu
„eliminiert“
BSV
Breite des
Spinndreiecks
Klemmlinien
LSV
LSR Länge des
Spinndreiecks
Fasereinbindepunkt
Fadenzugkraft
Fadenzugkraft
Bild 61: Schematische Darstellung des Garnbildungsprozesses beim Ring- bzw. beim
Verdichtungsspinnen.
- 84 -
7.4.2 Drehungsstau an den Fadenleitorganen
Die Spindel erteilt dem Garn die Drehung. Diese pflanzt sich über Ring und Läufer
nach oben zum Ausgangswalzenpaar hin fort. Auf diesem Weg wird der Faden vom
Balloneinengungsring (BE-Ring) eingeschnürt, um den Fadenballon nicht zu groß
werden zu lassen. Ein Fadenführer positioniert das Garn zentrisch zur Spindel. Jedes
fadenführende Element stellt einen Reibungspunkt dar, den die Garndrehungen nicht
ungehindert passieren können; es kommt an dieser Stelle zu einem Drehungsstau
Ts . Um die Größe des Drehungsstaus Ts sichtbar zu machen, wurden Versuche
durchgeführt, bei denen gleichzeitig ein schwarzes und ein weißes Vorgarn
versponnen wurde. Hierdurch lässt sich die Garndrehung einfach auszählen. Mit
dieser Methode fand Trommer [80] heraus, dass Parameter wie Garnfeinheit,
Durchmesser des Fadenführerdrahts, Fadeneinlaufwinkel, Fadenzugkraft oder
Reibungskoeffizient den Drehungsstau Ts beeinflussen. Das gleiche Verfahren wurde
im Rahmen dieser Arbeit verwendet, um Unterschiede im Drehungsstau Ts zwischen
Verdichtungsspinnen und Ringspinnen bestimmen zu können. Bild 62 zeigt den
Drehungsstau Ts an zwei verschiedenen fadenführenden Elementen exemplarisch
für das Ringspinnen.
Garnlauf
-richtung
Garnlauf
-richtung
Fadenführer
BERing
5 mm
5 mm
Bild 62: Drehungsstau Ts am BE-Ring und am Fadenführer beim Ringspinnen.
- 85 -
Versuche zeigten, dass je nach Rauhigkeit des BE-Rings der Drehungsstau Ts
zwischen 4 % und 12 % variieren kann, während unter gleichen Bedingungen der
Drehungsstau Ts am Fadenführer zwischen 8 % und 12 % variiert. Der Drehungsstau Ts am BE-Ring reagiert somit stärker auf äußere Einflüsse. Daher wurde der
Vergleich für die beiden Spinnverfahren bezüglich Drehungsstau Ts am BE-Ring
durchgeführt. Tabelle 11 zeigt die erzielten Versuchsergebnisse. Der Drehungsstau Ts am BE-Ring ist beim Verdichtungsspinnen deutlich geringer als beim
Ringspinnen; die Anzahl der Drehungen nach dem BE-Ring entspricht beim
Verdichtungsspinnen deutlich besser der vorgegebenen, maschinell eingestellten
Anzahl der Drehungen als beim Ringspinnen, d.h. die Drehung setzt sich besser bis
zum Ausgangswalzenpaar fort.
Tabelle 11: Untersuchung des Drehungsstaus Ts vor und nach dem BE-Ring
(100 % Baumwolle, Garnfeinheit Tt = 50 tex).
Drehungen vor
dem BE-Ring
[1/m]
Drehungen nach
dem BE-Ring
[1/m]
Drehungsstau T s
Ringspinnen
614
562
8
Verdichtungsspinnen
532
510
4
[%]
Eine höhere Drehung ist gleichbedeutend mit einer höheren Feinheitsfestigkeit FGarn.
Daher besitzt das Verdichtungsgarn im kritischen Bereich zwischen Ausgangswalzenpaar und Fadenführer eine höhere Festigkeit als das Ringgarn. Das war ein
wesentlicher Grund zu untersuchen, ob die Garndrehung nicht reduziert werden
kann, ohne eine Einbuße hinsichtlich der Feinheitsfestigkeit FGarn hinnehmen zu
müssen. Bild 63 zeigt die Ergebnisse der Versuche. Man erhält bei einer Garndrehung von T = 836 1/m noch Verdichtungsgarne mit einer Feinheitsfestigkeit FGarn,
die bei Ringgarnen nur mit einer Garndrehung von T = 1171 1/m erzielt werden.
Zudem treten bei einer Garndrehung von T = 836 1/m beim Ringspinnen extrem viel
Fadenbrüche auf (40 Fbr/1000 Sph).
- 86 -
Feinheitsfestigkeit FGarn
Feinheitsfestigkeit
[N/tex] FGarn
[N/tex]
0,20
Verdichtungsgarn
Ringgarn
920
1171
0,15
0,10
0,05
0,00
0
836
1338
Garndrehung T[1/m]
Garndrehung
[1/m]
Bild 63: Feinheitsfestigkeit FGarn in Abhängigkeit von der Garndrehung T (100 % Baumwolle,
Garnfeinheit Tt = 14,3 tex).
7.4.3 Fadenzugkräfte
Die dynamischen Belastungen des Ring/Läufer/Garn-Systems sind von E. Sonntag
[81] ausführlich untersucht worden. Seine Untersuchungen ergaben, dass sich auf
der Gleitfläche des Spinnrings ein Schmierfilm bilden muss, um den Verschleiß von
Ring und Läufer gering zu halten. Dieser Schmierfilm zwischen der Kontaktfläche
Ring/Läufer besteht aus zerquetschten Fasern, die in diesen Spalt geraten. Die
Menge an Fasern, die für die Schmierfilmbildung zur Verfügung steht, hängt von der
Garnhaarigkeit
ab.
Sinkt
die
Garnhaarigkeit,
d.h.
nimmt
die
Anzahl
der
zerquetschbaren Fasern ab, dann steigt der Läuferverschleiß. Verdichtungsgarne
sind extrem glatt. Daher gab es vor allem in der Anfangsphase der Entwicklung des
Verdichtungsspinnens extreme Probleme mit dem Läuferverschleiß. Statt der
üblichen sechs Wochen hielt der Läufer maximal acht Stunden der Beanspruchung
stand.
Das Ergebnis intensiver Entwicklungsbemühungen der Ring- und Läuferhersteller ist
beachtlich; inzwische n werden Läuferstandzeiten von etwa 2 Wochen erreicht. Die
Spinnversuche
im
Rahmen
dieser
Arbeit
wurden
mit
diesem
optimierten
Ring/Läufersystem durchgeführt. Von Interesse war jedoch weiter, ob die glattere
- 87 -
Garnstruktur der Verdichtungsgarne mit entsprechend geringerem Luftwiderstand
auch zu einer geringeren Fadenzugkraft führen oder ob die schlechtere
Schmierfilmbildung tatsächlich eine insgesamt höhere Fadenzugkraft ergeben würde.
Wäre ersteres der Fall, würde sich die Fadenbeanspruchung beim Spinnen
reduzieren, und es wären weniger Fadenbrüche zu erwarten. Das Ergebnis
entsprechender Versuche wird nachfolgend beschrieben.
7.4.3.1 Vergleich der Fadenzugkräfte beim Ring- und beim Verdichtungsspinnen
Die Fadenzugkraft Fz wird von einer Reihe an Parametern beeinflusst, u.a. von der
Spinngeometrie, dem Einlaufwinkel des Garns in die fadenführenden Elemente, dem
Abstand des BE-Rings vom Fadenführer oder dem Raumklima. Um beim Ring - und
Verdichtungspinnen
die
gleichen
Spinnbedingungen
zu
haben,
wurden
die
Spinnversuche und die Fadenzugkraftmessungen auf einer Ringspinnmaschine
durchgeführt, deren eine Seite für das Verdichtungsspinnen umgebaut wurde. Zwei
parallel eingesetzte Fadenzugkraftsensoren ermöglichten eine zeitgleiche Messung
der Fadenzugkraft auf der Ring- wie auch auf der Verdichtungsseite. Die Ergebnisse
sind in Bild 64 a für eine Garnfeinheit von Tt = 15,6 tex und Bild 64 b für eine
Garnfeinheit von Tt = 10,0 tex zu entnehmen.
Verdichtungsspinnen
VS
z
Fadenzugkraft FZ [cN]
Fadenzugkraft F [N]
0,4
RS Ringspinnen
0,3
0,2
0,1
0
13.500
0
14.000
14.500
15.000
15.500
16.000
16.500
17.000
Spindeldrehzhal
nSPI
100 [U/min]
Spindeldrehzahl
nsp x[U/min]
Bild 64 a: Fadenzugkraft F z beim Ringspinnen bzw. beim Verdichtungsspinnen in Abhängigkeit von der Spindeldrehzahl nspi (100 % Baumwolle, Garndrehung T = 960 1/m,
Garnfeinheit Tt = 15,6 tex, Ring: Flansch1 DD, Läufer: El 1 hd 6/0 DD).
- 88 Verdichtungsspinnen
VS
Fadenzugkraft F [N]
Fadenzugkraft FZ z[N]
0,4
RSRingspinnen
0,3
0,2
0,1
0
13.500
0
14.000
14.500
15.000
15.500
16.000
16.500
17.000
Spindeldrehzahl
[U/s]
Spindeldrehzahl nSPI
nsp [U/min]
Bild 64 b: Fadenzugkraft F z beim Ringspinnen bzw. beim Verdichtungsspinnen in Ab hängigkeit von der Spindeldrehzahl nspi (Baumwolle, Garndrehung T = 1200 1/m,
Garnfeinheit Tt = 10 tex, Ring: Flansch1 DD, Läufer: El 1 hd 10/0 DD).
Es zeigt sich, dass die Fadenzugkraft Fz beim Verdichtungsspinnen je nach
Spindeldrehzahl nsp und Garnfeinheit Tt zwischen 10 und 30 Prozent über der des
Ringspinnens liegt. Infolgedessen ist beim Verdichtungsspinnen mit geringeren
Läuferstandzeiten als beim Ri ngspinnen zu rechnen.
7.4.3.2 Möglichkeiten zur Reduzierung der Fadenzugkraft beim
Verdichtungsspinnen
Zur Reduzierung der erhöhten Fadenzugkraft sind folgenden Lösungen denkbar:
1. Einsatz geschmierter Ringe,
2. Aufbringen von gut gleitenden Beschichtungen auf Ring und/oder Läufer,
3. Reduzieren des Läufergewichts.
Die Probleme bei der Realisierung der einzelnen Möglichkeiten werden nachfolgend
kurz diskutiert.
Einsatz geschmierter Ringe
Geschmierte Ringe werden in der Langfaserverspinnung eingesetzt. Obwohl damit
die Verschleißprobleme eliminiert werden könnten, werden geschmierte Ringe von
- 89 -
Baumwolle verarbeitenden Betrieben abgelehnt, da der Wartungsaufwand hoch ist
und zudem die Garne beim Fadenbruch mit Schmiermittel und Stahlabrieb
verschmutzt werden. Vor allem der Stahlabrieb führt in der Veredelung zu großen
Problemen.
Aufbringen von gut gleitenden Beschichtungen
Versuche, Ringe oder auch Läufer mit gut gleitenden Beschichtungen zu versehen,
beispielsweise mit Teflon, ergaben nur kurzzeitig eine Reduzierung der Fadenzugkraft. Aufgrund der hohen Belastung werden Beschichtungen dieser Art sehr
schnell zerstört.
Reduzierung des Läufergewichts
Die einfachste Möglichkeit, die Fadenzugkraft zu reduzieren, besteht in der
Verringerung des Läufergewichts. Um den Einfluss des Läufergewichts unabhängig
vom Ringbankhub untersuchen zu können, wurden diese Versuche auf einem
Spinntester durchgeführt, bei dem sich die Spindel auf und ab bewegt; damit ist stets
ein Ballon konstanter Größe vorhanden. Für die Versuche wurden auch Läufer mit zu
geringem Gewicht eingesetzt, um den Zusammenhang zwischen Läufergewicht mL
und Fadenzugkraft besser zeigen zu können (Bild 65). Die Spindeldrehzahl nsp wurde
gleichfalls variiert.
Fadenzugkraft F [N]
Fadenzugkraft FZ z[N]
0,20
nsp = 12000 U/min
nsp =13000 U/min
nsp =14000 U/min
0,15
0,10
0,05
0
0,00
080
100
120
140
160
180
200
220
-6
Läufergewicht
Läufergewicht
mL 10°-6
m L [·10
[kg]
kg]
Bild 65: Fadenzugkraft F z in Abhängigkeit vom Läufergewicht m L und der Spindeldrehzahl nsp
(100 % Baumwolle gekämmt, Garnfeinheit Tt = 10 tex, Läufer: El 1 hd, Fa. Reiners
und Fürst, Ring: El 1, Fa. Reiners und Fürst).
- 90 -
Die Versuche ergeben, dass die Fadenzugkraft Fz mit abnehmendem Läufergewicht mL linear abnimmt. Bei gleichem Läufergewicht mL besteht für den
untersuchten Spindeldrehzahlenbereich auch ein etwa linearer Zusammenhang
zwischen Fadenzugkraft F z und Spindeldrehzahl nsp.
Nicht nur der Läuferverschleiß hängt von der Fadenzugkraft Fz ab, sondern auch die
Fadenbruchrate. So kann die Anzahl der Fadenbrüche durch den Einsatz eines
leichteren Läufers reduziert werden (Tabelle 12). Allerdings kann das Läufergewicht mL nur wenig variiert werden, da zu leichte Läufer zum Kollabieren des
Fadenballons führen. Für Baumwollgarne der Feinheit Tt = 10 tex und für eine
Spindeldrehzahl von nsp = 17.000 U/min empfiehlt der Läuferhersteller für das
Ringspinnen den Einsatz eines Läufers (Type El 1 hd) mit einem Läufergewicht von
mL = 200·10-6 kg. Die Versuche ergaben für das Verdichtungsspinnen, dass mit
einem Läufergewicht von mL = 180·10-6 kg bessere Fadenbruc hwerte erzielt werden.
Es ist also sinnvoll, beim Verdichtungsspinnen mit leichteren Läufern zu arbeiten als
vom Läuferhersteller für das Ringspinnen empfohlen wird.
Tabelle 12: Fadenbrüche pro 1000 Spindelstunden beim Einsatz von Läufern mit
unterschiedlichem Läufergewicht m L (Garnfeinheit Tt = 10 tex, Spindeldrehzahl nsp = 17.000 U/min).
Läufergewicht mL [10-6 kg]
200
180
165
Laufverhalten
[Fbr/1000 Sph]
17
11
12
7.4.3.3 Möglichkeiten zur Reduzierung des Läuferverschleißes beim
Verdichtungsspinnen
Wie erwähnt, werden beim Spinnen von Ringgarnen, wie sie auch im Rahmen dieser
Arbeit hergestellt wurden, Läuferstandzeiten von etwa sechs Wochen erzielt.
Geringere Läuferstandzeiten beeinflussen die Wirtschaftlichkeit des Spinnverfahrens,
denn ein Läuferwechsel kostet etwa 1500 € pro Spinnmaschine. Verschlissene
- 91 -
Läufer erhöhen die Garnhaarigkeit und führen zu nissenartigen Faseraufschiebern.
Es wurde daher nach Maßnahmen gesucht, die Läuferstandzeit zu verlängern. Der
Läuferverschleiß wurde nach einem von E. Sonntag [81] vorgeschlagenen Verfahren
beurteilt, wobei die Läufer je nach Verschleiß in 6 Klassen eingeteilt werden. Eine
Einteilung in die Klasse 1 bedeutet einen geringen Verschleiß, in Klasse 6 einen
hohen.
Im ersten Ansatz wurde versucht, für den Läufer sehr harte, verschleißfeste
Materialien einzusetzen. Diese Läufer waren zu spröde und brachen beim
Aufbringen auf den Ring. Daher wurde versucht, die Läufergeometrie zu verändern
bzw. den Läufer zu beschichten.
Einfluss von Geometrie und Beschichtung auf den Läuferverschleiß
Läufer für Spinnringe gibt es in einer Vielzahl von Varianten bezüglich Läuferquerschnitt und Bogenform (weit über 200). Im Rahmen dieser Arbeit wurden nur
Läufer für hohe Geschwindigkeiten (El-Läufer; UR-Läufer), was eine niedrige
Bogenform bedingt, eingesetzt. In Tabelle 13 sind die für die Läuferverschleißversuche eingesetzten Läufertypen aufgelistet.
Tabelle 13: In den Versuchen verwendete Läufertypen der Fa. Reiners und Fürst
Läuferbezeichnung
Beschreibung
UR 1 ET
UR = Läuferquerschnitt: Ultra Rapid
1 = Flanschgröße
ET = Läuferform: Eng, Tief
UR ½ hr TT
UR
½
hr
TT
= Läuferquerschnitt: Ultra Rapid
= Flanschgröße
= Drahtprofil des Läufers (halbrund)
= Läuferform: Tief, Tief
El 1 hd W
El
1
hd
W
= Läuferquerschnitt: Elliptikprofil
= Flanschgröße
= Drahtprofil des Läufers: halbrund breit
= Läuferform: Weit
El ½ hd W
El = Läuferquerschnitt: Elliptikprofil
½ = Flanschgröße
hd = Drahtprofil des Läufers: halbrund breit
- 92 -
Bild 66 enthält die Ergebnisse der Versuche. Es ist zu erkennen, dass der
Verschleißgrad stark von der Läuferform und - bei gleicher Läuferform - von der
Härte der Beschichtung abhängt. Der Einfluss der Läufergeometrie überwiegt. Der
Läufer UR ½ hr TT weist zwar den geringsten Verschleiß auf, aber die
Garnhaarigkeit ist zu hoch (Bild 67). Mit dem Läufer El 1 hd W wurden die glattesten
Garne gesponnen und zwar unabhängig von der Härte der Beschichtung.
tL = 10 h
tL = 50 h
tL = 150 h
tL = 200 h
Läuferverschleiß
LäuferverschleißLV
LV
nach
E.
Sonntag
nach E. Sonntag
6
5
4
3
2
1
0
Härte [Vickers] 1000
UR ET
Läufertyp
1000
El 1 hd W
4500
El 1 hd W
1000
El 1/2 hd
2900
El 1/2 hd
1000
UR 1/2 hr TT
Bild 66: Läuferverschleißgrad LV in Abhängigkeit von der Laufzeit t L für unterschiedliche
Läufertypen. Einstufung der Läufer nach Sonntag [81]. Läufer der Fa. Reiners und
Fürst, Läufergewicht m L= 280·10-6 kg (100 % Baumwolle, Garnfeinheit Tt = 16 tex,
Spindeldrehzahl nsp = 1900 U/min).
Das insgesamt beste Ergebnis wurde mit dem Läufer El½ hd erzielt. Die Garnhaarigkeit ist ähnlich gut wie beim Läufer El 1 hd W, bei einem wesentlich geringeren
Verschleiß. Wird das Läuferprofil betrachtet so zeigt der Läufer El 1 hd W eine
weitere Bogenform als der Läufer El ½ hd. Hierdurch kann sich der Läufer El ½ hd
nicht so stark verkanten wie der Läufer El 1 hd W. Die am Ring anliegende
Kontaktfläche wird gleichmäßiger belastet. Zudem führt der enge Garndurchlauf
dazu, dass auch kürzere Fasern erfasst und für die Schmierfilmbildung genutzt
werden. Bislang ist es jedoch nicht gelungen den Spinnprozess für alle Läufergewichte stabil zu halten, so dass mit diesem Läufer nicht alle Garnfeinheiten
gesponnen werden können.
Garnhaarigkeit
Zweigle
S3-Wert
Garnhaarigkeit,
Zweigle,
S3-Wert [Haare/50m]
[Faserenden/50m]
- 93 -
1200
1000
800
600
400
200
0
EL 1/2 hd
EL 1 hd-W
UR 1/2 hr TT
Läufertype
Läufertyp
Bild 67: Garnhaarigkeit nach Zweigle (S3-Wert) in Abhängigkeit von der Läufertype
(100 % Baumwolle, Garnfeinheit Tt = 14,7 tex).
Schlussfolgerung:
Der Läuferverschleiß ist über die Läufergeometrie stärker zu beeinflussen als über
eine Beschichtung. Auf Grund der geringeren Schmierung der Ring/Läufer beim
Verdichtungsspinnen wird der Läuferverschleiß LV immer höher sein als beim
Ringspinnen.
7.5 Zusammenfassende Analyse der Vorgänge in der Verdichtungszone und
der Drehungserteilung
Die Versuche haben eine Fülle von Erkenntnissen erbracht, die es ermöglichen,
konkrete Vorschläge zur Auslegung bzw. zur Optimierung des Verdichtungsspinnprozesses zu machen. So muss die Luftgeschwindigkeit vLuft = 1 m/s betragen,
damit die Fasern zur Perforation transportiert und gebündelt werden. Als optimale
Perforation hat sich eine Kombination von kreisrunden Löchern (d = 0,8·10-3 m) und
Langlöchern (d = 0,8·10-3 m, b = 2,2·10-3 m) im Verhältnis von 2:1 erwiesen (Bild 54
b). Mit Hilfe der Langlöcher werden auch 4·10-3 m von der Perforationsachse
entfernt liegende Fasern sicher zur Perforation transportiert, was eine Changierung
- 94 -
des Vorgarns ermöglicht. Die eigentliche Faserbündelung erfolgt im Bereich der
kreisrunden Löcher. Wird oberhalb der Perforation ein Luftleitblech im Abstand von
HS = 1·10-3 m angebracht, dann erhöht sich die Luftgeschwindigkeit der seitlich
zuströmenden Luft und damit auch die Effektivität des Faserbündelungsprozesses.
Die Läuferstandzeit, ein Problem beim Verdichtungsspinnen, kann durch den Einsatz
beschichteter, flachbogiger Läufer (z.B. El ½ hd der Fa. Reiners & Fürst) auf übliche
Werte – eine Woche bei einer Spindeldrehzahl von nsp = 19.000 U/min, sechs
Wochen bei einer Spindeldrehzahl von nsp = 14.000 U/min – gebracht werden.
Durch die starke Verkleinerung des Spinndreiecks beim Verdichtungsspinnen ist die
Schwachstelle des Ringspinnprozesses eliminiert. Die höhere Fadenzugkraft beim
Verdichtungsspinnen hebt diesen Vorteil jedoch zum größten Teil wieder auf.
Die Struktur und Eigenschaften der Verdichtungsgarne lassen beachtliche Vorteile
bei der Weiterverarbeitung erwarten, worauf im abschließenden Kapitel eingegangen
wird.
- 95 -
8 Vorteilhafte Eigenschaften von Verdichtungsgarnen in der Weberei im
Vergleich zu Ringgarnen
Üblicherweise wird ein Garnhersteller, der Verdichtungsspinnmaschinen installiert,
auf diesen Maschinen zunächst Garne aus dem gleichen Rohstoff wie beim
Ringspinnen herstellen. Dabei wird er feststellen, dass das Garn, im Vergleich zum
Ringgarn,
−
gleichmäßiger und glatter ist,
−
eine erhöhte Festigkeit hat und
−
zu besseren Laufeigenschaften in den nachfolgenden Prozessen führt.
Nachfolgend wird diskutiert, wie sich Verdichtungs- und Ringgarne bezüglich des
Weiterverarbeitungsverhaltens in der Weberei unterscheiden. Das betrifft vor allem
die Anfälligkeit gegenüber Aufrauhungen.
8.1 Einfluss der Garnstruktur auf die Aufschiebefestigkeit von
Verdichtungsgarnen
Die Widerstandsfähigkeit eines Garns gegenüber den Beanspruchungen bei der
Weiterverarbeitung, speziell beim Weben, - auch als Aufschiebe- oder Kettfestigkeit
bezeichnet - ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Sie entscheidet darüber, ob z. B. ein
Kettgarn geschlichtet werden muss, und wenn ja, mit welchem Beschlichtungsgrad.
Die wirtschaftliche Auswirkung kann sehr groß sein. Es war daher von Interesse zu
ermitteln, inwieweit sich die neue Garnstruktur der Verdichtungsgarne auf die
Aufschiebefestigkeit auswirkt. Die Versuche wurden auf einem Re utlinger Webtester
durchgeführt. Er simuliert den Fachwechsel an der Webmaschine. Der Reutlinger
Webtester wurde eingesetzt, um die Aufschiebefestigkeit von Verdichtungs- und
Ringgarnen zu ermitteln. Geprüft wurden ungeschlichtete Garne. Das Ergebnis einer
solchen Vergleichsprüfung von Ring- und Verdichtungsgarnen ist dem Bild 68 zu
entnehmen. Die deutlich bessere Aufschiebefestigkeit der Verdichtungsgarne wird
durch die bessere Einbindung der Fasern in den Garnkern erzielt. Einzelne Fasern
werden nicht so schnell aus dem Garn herausgezogen und zu Aufschiebern zusammengeschoben.
- 96 -
Verdichtungsgarn
Ringgarn
1000
1000
Anzahl der Hübe
Anzahl der Hübe
5050
8080
100
100
2000
2000
4000
4000
150
150
6000
6000
200
200
8000
8000
20 mm
20 mm
Bild 68: Erscheinungsbild eines Ring- (links) und Verdichtungsgarns (rechts) nach der
Prüfung mit dem Reutlinger Webtester nach unterschiedlicher Anzahl von Hüben.
Dieses Ergebnis lässt eine Reduzierung des Beschlichtungsgrads BG und ein
besseres Laufverhalten des Verdichtungsgarns auf der Webmaschine erwarten. Die
nachfolgend beschriebenen Versuche bestätigen diese Erwartung.
8.2 Möglichkeiten zur Reduzierung des Beschlichtungsgrads
Kettgarne müssen, sofern es sich nicht um Zwirne handelt, geschlichtet werden. Das
Schlichtemittel verfestigt das Garn und klebt abstehende Haare an den Garnkörper
an. Wie effektiv das Schlichten ist, kann anhand von zwei Prüfverfahren beurteilt
werden: Prüfung auf dem Reutlinger Webetester oder anhand von Webversuchen
auf einer Bandwebmaschine, einer etwas praxisnäheren Prüfung, die im Rahmen
dieser Arbeit vorgenommen wurde. Bei Versuchen auf der Bandwebmaschine
werden die Garne ohne Schusseintrag “gewebt“. Dabei werden die Garne
aufgerauht. Diese Aufrauhung führt zu einem Klammern der Garne, d.h. dass vom
Garn abstehende Fasern sich miteinander verwirren.
- 97 -
Wird die Kraft gemessen, die auf einen Kamm wirkt, der durch die klammernde
Fadenschar geführt wird, dann ist die Höhe dieser Kraft, die Trennkraft FK, ein Maß
für die Wirksamkeit der Beschlichtung. Bild 69 gibt die Ergebnisse dieser Versuche
wieder.
Verdichtugsgarn
Verdichtungsgarn
-3
Trennkraft
[·10
N/Faden]
TrennkraftFKFK
[mN/Faden]
2,0
Ringgarn
Ringgarn
1,5
1,0
0,5
0
0,0
0
2
4
6
8
10
12
14
Beschlichtungsgrad
BeschlichtungsgradBG
BG [%]
[%]
Bild 69: Trennkraft FK von Ring- und Verdichtungsgarnen in Abhängigkeit vom
Beschlichtungsgrad BG (100 % Baumwolle, Garnfeinheit Tt = 20 tex).
Es ist offensichtlich, dass der Beschlichtungsgrad BG erheblich reduziert werden
kann, wenn statt der Ringgarne Verdichtungsgarne eingesetzt werden. Geht man
von einem Beschlichtungsgrad von BG = 13 % für das Ringgarn aus, so könnte der
Beschlichtungsgrad auf etwa BG ≅ 3 % reduziert werden, wenn die Trennkraftwerte
FK linear mit dem erforderlichen Beschlichtungsgrad BG korrelieren würden. Das ist
nicht ganz der Fall. Erste Praxisversuche [82] haben jedoch ergeben, dass eine
Beschlichtungsgradreduktion von etwa 40 % ohne weiteres möglich ist. Dadurch
werden nicht nur in der Schlichterei erhebliche Kosten eingespart, sondern auch in
der Vorbehandlung der Färberei, in der die Schlichte wieder ausgewaschen werden
muss. Zudem wird die Umwelt entsprechend geringer belastet.
- 98 -
8.3 Festigkeitsprüfung von Ring- und Verdichtungsgarnen mit dem Tensojet
Auf Hochleistungswebmaschinen wird das Schussgarn stärker beansprucht als das
Kettgarn. Der Schusseintrag erfolgt mit einer Geschwindigkeit von etwa 70 m/s,
häufig verbunden mit einer schlagartigen Beanspruchung. Die höhere Feinheitsfestigkeit FGarn und die bessere Fasereinbindung der Verdichtungsgarne müssten
eigentlich zu einer besseren Verwebbarkeit der Verdichtungsgarne, verglichen mit
Ringgarn, führen. Webversuche haben das bestätigt [83]. Aber auch bei der
Kettbaumherstellung, dem Zetteln, ergab sich ein besseres Laufverhalten. Die
Fadenbrüche nahmen um etwa 30 % ab [83]. Die Erfahrung lehrt, dass eine Kette um
so besser abwebt, je weniger Störungen bei der Kettherstellung (Zetteln und
Schlichten)
auftreten.
Insofern
entspricht
das
bessere
Laufverhalten
der
Verdichtungsgarne in der Weberei den Erwartungen (Nutzeffektsteigerung um etwa
2 % absolut).
Seit einigen Jahren ist ein Prüfverfahren auf dem Markt (Tensojet der Fa. USTER),
mit dem die Garnfestigkeit bei schlagartiger Belastung geprüft wird [84]. Pro Stunde
werden etwa 36.000 Reißungen am laufenden Faden durchgeführt. Auf diese Weise
können ganze Garnspulen geprüft und vor allem Garnschwachstellen ermittelt
werden. Üblicherweise werden 80.000 Reißungen pro Garnvariante durchgeführt.
Das Prüfergebnis wird nicht nur als Prüfprotokoll ausgegeben, sondern auch in Form
eines Diagramms, in dem jeder Prüfwert durch einen Punkt dargestellt wird.
Bild 70 gibt die Prüfdiagramme von einem Ringgarn bzw. von einem Verdichtungsgarn
gleicher
Feinheit
und
gleichem
Rohstoff
wieder.
Zwei
Dinge
sind
bemerkenswert: Zum einen ist, wie erwartet, die Punktwolke des Verdichtungsgarns
zu höheren Werten hin verschoben. Zum anderen sind die Schwachstellen
(Messpunkte im eingezeichneten Kasten) beim Verdichtungsgarn deutlich reduziert.
Gerade diese Garnschwachstellen sind es, die zu den Laufproblemen in der
Webereivorbereitung und in der Weberei führen.
Die Webereipraxis lehrt weiter, dass bestimmte Ringgarne nicht auf Luftdüsenwebmaschinen, sondern nur auf einer Greiferwebmaschine verarbeitet werden
können, weil sie sonst “verblasen“ werden können. Stellt man die gleichen Garne auf
- 99 -
Verdichtungsspinnmaschinen her, so lassen sich die Verdichtungsgarne ohne
Probleme auch auf Luftdüsenwebmaschinen verweben. Da Luftdüsenwebmaschinen
deutlich produktiver sind als Greiferwebmaschinen, steigt die Wirtschaftlichkeit beim
Verweben dieser Garne [84].
Bereich potentieller Schwachstellen
Garnfestigkeit [N]
Verdichtungsgarn
Dehnung [%]
Garnfestigkeit [N]
Ringgarn
Dehnung [%]
Bild 70: Ergebnis der Tensojetprüfung eines Verdichtungs- bzw. eines Ringgarns (80.000
Reißungen, 100 % Baumwolle, Garnfeinheit Tt = 11,8 tex).
- 100 -
8.4 Weben von Verdichtungsgarnen aus spröden Fasern, untersucht am
Beispiel von hochfesten Polyamid-Garnen
Aromatische Polyamid-Garne mit Parastruktur und hoher Orientierung zeichnen sich
durch eine extrem hohe Festigkeit aus. Fasern aus solch einem Rohstoff haben eine
Festigkeit von 1,70 bis 2,70 N/tex. Im Vergleich hierzu besitzen Baumwollfasern eine
Faserfestigkeit von etwa 0,25 N/tex. Aufgrund der hohen Faserfestigkeit werden
solche Polyamid-Garne für Schutzbekleidung, z. B. schusssichere Westen oder
schnittfeste Hand schuhe und für Hochleistungswerkstoffe eingesetzt. Die Fasern
sind hochfest, aber auch spröde. Garne aus hochfesten Polyamid sind haarig, und
haarige Garne neigen, wie erwähnt, beim Weben zum Klammern (Bild 71). Während
beim Verweben von Baumwollgarnen die meisten klammernden Fasern
beim
Fachwechsel zerrissen werden, ist das bei den hochfesten Polyamidfasern nicht der
Fall. Es bildet sich ein sogenanntes “unreines“ Fach aus, d. h. die klammernden
Fäden geraten in die Flugbahn des Greiferschützen oder Greifers und werden
“abgeschossen“. Im Extremfall muss eine solche Kette abgeschnitten und verworfen
werden, was bei einem Faserpreis von 24 €/kg ein großer Verlust ist. Es lag deshalb
nahe zu versuchen, ob auch die Haarigkeit eines Garnes aus sehr spröden Fasern
durch das Verdichtungsspinnen reduziert werden kann. Über diesen Versuch wird
nachfolgend berichtet.
100 µm
Bild 71: REM-Aufnahme von klammernden Fasern eines hochfesten Polyamidgarns.
- 101 -
Bild 72 verdeutlicht anhand der Garnhaarigkeitswerte (S3-Wert nach Zweigle), wie
stark die Garnhaarigkeit durch den Verdichtungsprozess abnimmt. Bei diesen
Versuchen war bis zu einer Garndrehung von T = 609 1/m ein eindeutiger Einfluss
der Drehungshöhe auf die Garnhaarigkeit erkennbar (bei beiden Spinnverfahren),
darüber hinaus nicht mehr. Es wird daher empfohlen, mit einer etwas höheren
Garndrehung als sonst üblich zu arbeiten (T = 609 1/m statt T = 487 1/m).
Ringgarn
Garnhaarigkeit Zweigle
Garnhaarigkeit
S3 -Wert
[Faserenden/50m]
S3 Wert
[Haare/50m]
800
Verdichtungsgarn
600
400
200
0
0
360
410
460
510
560
610
660
710
760
Garndrehung
T [1/m]
Garndrehungen
T [1/m]
Bild 72: Einfluss der Garndrehung T auf die Garnhaarigkeit (S3-Wert) von Garnen aus
hochfestem Polyamid (Garnfeinheit Tt = 27 tex).
Durch den Einsatz von Verdichtungsgarn konnte die Weiterverarbeitung drastisch
verbessert werden. Die Warenoberfläche war glatter und wirkte dadurch “eleganter“
als beim Einsatz von Ringgarnen. Das Verdichtungsspinnen bietet sich also auch
besonders für die Herstellung von Garnen aus spröden Fasern an, da solche Garne
üblicherweise zu haarig und sehr empfindlich bei der Weiterverarbeitung sind.
- 102 -
9 Zusammenfassung
Beim Verdichtungsspinnen handelt es sich um ein neues Spinnverfahren auf der
Basis des Ringspinnens, bei dem nach der eigentlichen Verzugszone eine sogenannte Verdichtungszone nachgeschaltet wird. In dieser Verdichtungszone
werden die aus der Verzugszone breit auslaufenden Fasern pneumatisch gebündelt,
was zu einer stark verbesserten Fasereinbindung bei der Drehungserteilung führt.
Als Folge davon sind Verdichtungsgarne wesentlich glatter als übliche Ringgarne
und zumeist auch reißfester. Da es sich beim Verdichtungsspinnen um ein noch sehr
junges Spinnverfahren handelt, sind viele technologische Details noch ungeklärt, vor
allem was die Auswirkung auf die Garneigenschaften und auf die Prozesssicherheit
anbetrifft. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist es daher, das Verständnis über die
Vorgänge beim Verdichtungsspinnen zu verbessern und die Auswirkungen von
Prozessvarianten auf die Garnqualität zu untersuchen. Daraus ergaben sich folgende
Aufgabenstellungen:
•
Bestimmen der optimalen Streckwerkseinstellungen, um Garne höchster
Qualität zu spinnen.
•
Analyse der Luftströmung um das Ausgangswalzenpaar, um zu klären, ob der
pneumatische Bündelungsvorgang hierdurch gestört wird.
•
Analysieren und Optimieren des Bündelungsvorgangs in der Verdichtungszone.
•
Analyse des Bündelungsvorgangs bezüglich rohstoffspezifischer Einflüsse.
•
Herausarbeiten von unterschiedlichen Prozessvarianten, die den Bündelungsvorgang effektiver und somit auch wirtschaftlicher machen.
•
Untersuchung der Läuferstandzeit.
Im Rahmen des ersten Versuchsabschnitts wurde untersucht, wie sich der
Verzugsprozess selbst optimal gestalten lässt, vor allem welche Auswirkungen die
Höhe der Vorgarndrehung TV und der Vorverzug VV auf die Garnqualität haben. Als
Qualitätskriterien dienten neben der Garngleichmäßigkeit CV selbst auch die
Vorverzugskraft FV . Die wichtigsten Erkenntnisse aus dieser Versuchsserie lassen
sich wie folgt zusammenfassen:
•
Die beste Garngleichmäßigkeit CV wird dann erzielt wenn die Vorverzugskraft FV sehr hoch ist.
- 103 -
•
Um die bestmögliche Garnqualität zu erreichen, muss der Vorverzug VV an die
Vorgarndrehung TV angepasst werden.
•
Die optimale Vorgarndrehung TV und der optimale Vorverzug VV sind unabhängig von der mittleren Faserlänge ML.
Im zweiten Versuchsabschnitt wurde die Luftströmung im Bereich des Ausgangswalzenpaars untersucht. Da die Bündelung der Fasern auf dem Verdichtungsriemchen mittels Luftströmung erfolgt, war die Frage zu klären, ob die Schleppströmung um das Ausgangswalzenpaar den Bündelungsvorgang auf der Riemchenoberfläche stört. Die Luftströmungsuntersuchungen wurden mit Hilfe eines PIV Systems durchgeführt, mit dem nicht nur die Luftströmungsrichtung, sondern auch
die Luftströmungsgeschwindigkeit bestimmt werden kann. Die bei den Luftströmungsmessungen gewonnenen Erkenntnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:
•
Im untersuchten Geschwindigkeitsbereich ist die Schleppströmung am Druckroller und am geriffelten Unterzylinder gleich. Beim Spinnen hat also die Oberflächenstruktur der Walzen keinen nennenswerten Einfluss auf die Ausbildung
der Schleppströmung.
•
Am Ausgangswalzenpaar bildet sich immer eine Luftströmung entgegen der
Materialflussrichtung aus. Die Stärke dieser Luftströmung ist allerdings zu
gering, um den Faserbündelungsvorgang zu stören.
Kernstück der Arbeit sind die Untersuchungen zur Faserbündelung in der
Verdichtungszone. Die aus dem Streckwerk austretenden Fasern werden in der
Verdichtungszone auf einem perforierten Riemchen mittels eines Saugluftstroms
gebündelt.
Dieser
Faserbündelungsvorgang,
das
eigentlich
Neue
des
Verdichtungsspinnens, wird von einer Vielzahl von Parametern beeinflusst. Die
Parameter
lassen
strömungstechnische
sich
in
zwei
Parameter.
Kategorien
Die
einteilen:
faserspezifische
Fasereigenschaften
sind
durch
und
die
Garnkonstruktion vorgegeben. Allerdings variieren sie in einem weiten Bereich. Die
strömungstechnischen Parameter sind diejenigen Größen, deren Einfluss es zu
ermitteln und dessen optimale Auslegung es zu bestimmen galt. Um die Bedeutung
der einzelnen Parameter besser beurteilen zu können, wurde ein sogenannter
- 104 -
Widerstandsfaktor
definiert,
der
den
Widerstand,
den
die
Fasern
einer
Faserbündelung entgegensetzen, beschreibt.
Für den Einfluss der Fasereigenschaften und der Garnfeinheit Tt auf den
Widerstandsfaktor W ergaben sich folgende Zusammenhänge:
•
Je feiner die Fasern sind, desto leichter lassen sich die Fasern bündeln.
•
Je länger eine Faser bei gleicher Feinheit ist, desto schwieriger sind die
Fasern zu bündeln.
•
Der Widerstand gegen den Bündelungsvorgang steigt mit zunehmender
Garnfeinheit Tt an.
•
So offensichtlich der Einfluss der Faserfeinheit an sich auch ist, bei der
Herstellung einer bestimmten Garnfeinheit Tt wird der Feinheitseinfluss der
Fasern manchmal durch den Faseranzahleinfluss kompensiert. Ist die
Garnfeinheit Tt konstant, dann nimmt die Faseranzahl nFaser proportional zur
Faserfeinheit zu. Messungen und Berechnungen ergaben, dass der Einfluss
der geringeren Biegesteifigkeit feinerer Fasern zumindest teilweise durch die
höhere Faseranzahl nFaser kompensiert wird.
•
Der Einfluss der Spinngeschwindigkeit vsp auf den Faserbündelungsvorgang
hängt vor allem von der mittleren Faserlänge ML ab. Während sich die
Spinngeschwindigkeit vsp bei langstapligen Baumwollen stark auf den
Widerstandsfaktor W auswirkt, ist der Einfluss bei kardierten, kurzen
Baumwollen unerheblich.
Ein wichtiges Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Wirtschaftlichkeit des Verdichtungsspinnens weiter zu erhöhen. Das ist vor allem dadurch möglich, dass der
Bündelungsvorgang noch effektiver gestaltet wird. Wichtige, technisch rele vante
Einflussgrößen auf die Faserbündelung sind die Mindest-Luftgeschwindigkeit vLmin
und der Anspannverzug AV. Die Untersuchungen ergaben:
•
Eine Luftgeschwindigkeit von vLuft = 1 m/s reicht in den meisten Fällen aus, um
bei Baumwolle eine gute Faserbündelung zu erreichen.
•
Wird der Anspannverzug AV verringert, reduziert sich auch die MindestLuftgeschwindigkeit vLmin , um eine Faserbündelung zu erreichen.
- 105 -
Geht man davon aus, dass eine Mindest-Luftgeschwindigkeit von vLmin = 1 m/s für die
Faserbündelung erforderlich ist, dann kann man für jede geometrische Form einer
Perforation eine “Wirkungsbreite“ bestimmen, innerhalb der die Fasern vom
Saugluftstrom erfasst und gebündelt werden. Die Größe dieser Wirkungsbreite geht
nicht unbedingt einher mit der Garnhaarigkeit. Die wichtigsten Erkenntnisse aus den
Untersuchungen über den Fasertransport lassen sich wie folgt zusammenfassen:
•
Längsschlitze quer zur Transportrichtung erhöhen zwar die Wirkungsbreite,
aber auch die Garnhaarigkeit.
•
Eine Kombination aus kreisrunden Löchern und Langlöchern im Verhältnis
von zwei zu eins hat sich als optimal herausgestellt, um die maximale
Changierbreite zu erreichen, ohne gleichzeitige Verschlechterung der Garnqualität.
•
Wird die Luftströmung im Faserbündelungsbereich mit einem Luftleitblech
geändert, dann erhöht sich die Luftgeschwindigkeit. Infolgedessen erhöht sich
auch die Changierbreite, was sich positiv auf den gesamten Verdichtungsspinnprozess auswirkt.
Durch die Faserbündelung in der Verdichtungszone sind Verdichtungsgarne deutlich
glatter als Ringgarne. Hierdurch verändert sich das Laufverhalten im Bereich der
Drehungserteilung. Die Untersuchungen ergaben:
•
Durch die glattere Struktur der Verdichtungsgarne verschlechtert sich die
Schmierung von Ring und Läufer, wodurch sich die Fadenzugkraft und der
Läuferverschleiß drastisch erhöhen.
•
Bei Versuchen den Läuferverschleiß zu reduzieren ergab sich, dass die
Läufergeometrie den Läuferverschleiß stärker reduzieren kann als eine
verschleißfeste Beschichtung.
Nicht nur im Spinnprozess selber, sondern auch in der Weiterverarbeitung können
Unterschiede zum Ringgarn festgestellt werden. So konnten folgende Erkenntnisse
in der Weberei gewonnen werden:
•
Der Beschlichtungsgrad BG kann bei Verdichtungsgarnen um 40 % gegenüber
Ringgarnen reduziert werden.
- 106 -
•
Beim Verweben von spröden Garnen zeigen Verdichtungsgarne ein besseres
Laufverhalten auf der Webmaschine. Dies ist auf die Reduzierung der Garnhaarigkeit bei den Verdichtungsgarnen zurückzuführen ist.
Die vorgegebenen Ziele der Arbeit - erweitern des Prozessverstä ndnisses und
verbessern der Wirtschaftlichkeit des Verdichtungsspinnens - wurden erreicht. Die
Ergebnisse der Untersuchungen versetzen den Hersteller von Verdichtungsspinnmaschinen in die Lage, seine Maschinen technisch optimal auszulegen, und
gestatten es dem Betreiber, die wählbaren Parameter optimal an den Rohstoff
anzupassen. Der Weiterentwicklung des Verdichtungsspinnens werden Impulse
gegeben, die vor allem in Richtung einer verbesserten Wirtschaftlichkeit weisen.
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Beruflicher
Hintergrund
seit Mai 2001
Temafa Maschinenfabrik GmbH, Bergisch Gladbach
Entwicklung
Verkauf
Leiter Technik
1996 – 2001
Institut für Textil- und Verfahrenstechnik, Denkendorf
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
1992 – 1994
Institut für Textiltechnik RWTH Aachen, Aachen
Wissenschaftliche Hilfskraft
Hochschulausbildung
1996 – 2001
Institut für Textil- und Verfahrenstechnik, Denkendorf
1995 – 1996
Diplomarbeit am CSIRO, Australien
1992 – 1996
Institut
für
Textiltechnik
der
RWTH
Aachen
Abschluss: Diplom
1989 – 1992
Ruhr-Universität
Bochum
Abschluss: Vordiplom
Wehrdienst
1988 – 1989
Instandhaltung, Lüneburg
Schule
1978 – 1988
Gymnasium,
Abschluss: Allgemeine Hochschulreife
Herkenrath
- 113 -
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