基于纖維斷裂的棉精梳機“柔性精梳”分析

李新榮， 蔣秀明， 楊建成， 王曉維

(1. 天津工業大學 機械工程學院， 天津 300387； 2. 經緯紡織機械有限公司 榆次分公司， 山西 晉中 030601)

基于纖維斷裂的棉精梳機“柔性精梳”分析

李新榮1,2， 蔣秀明1， 楊建成1， 王曉維1

(1. 天津工業大學 機械工程學院， 天津 300387； 2. 經緯紡織機械有限公司 榆次分公司， 山西 晉中 030601)

棉精梳機高速運轉時錫林梳理纖維造成棉纖維斷裂和損傷，影響了精梳的梳理質量。因此，本文針對棉纖維的斷裂損傷現象，在分析研究理想狀態下棉精梳梳理時單纖維的平均梳理力和棉纖維斷裂強力的基礎上，建立棉精梳機的最高車速即“柔性精梳值”的計算模型；結合現場試驗測試錫林梳理纖維前后的短絨含量變化，提出精梳“柔性精梳率”的概念，并提出“柔性精梳”的概念，即車速低于“柔性精梳值”且“柔性精梳率”在合理范圍內的精梳梳理為“柔性精梳”。該研究可為新型高速棉精梳機研制及提高精梳質量提供理論依據。

柔性精梳； 柔性精梳值； 柔性精梳率； 平均梳理力； 最高車速； 纖維斷裂

當前，紡織行業的工程技術人員主要研究棉精梳機的機構特性[1-3]、工藝參數的合理配置等影響棉精梳機高速的因素[4-6]，而對于棉精梳機高速運轉后由于錫林梳理對棉纖維造成的斷裂損傷卻研究甚少[7-9]，并且對精梳須叢錫林梳理前后的短絨變化沒有技術指標來衡量。棉精梳采用握持梳理纖維須叢，這種握持梳理作用強烈，可以比較徹底地清除棉結、雜質和短絨，但同時也會損傷纖維，造成新的短絨。隨著紡織品檔次和品質的提高，對精梳設備不僅要求高產，而且要求高質，所以棉精梳機錫林高速梳理對棉纖維的斷裂損傷，尤其是對纖維梳理前后的短絨含量變化的研究十分必要。

本文就當前棉精梳機高速錫林對棉纖維斷裂損傷的研究缺陷，分析棉纖維在精梳機錫林梳理過程中的受力，基于棉纖維受梳理力斷裂，從棉纖維平均梳理力與車速之間的關系著手，建立理想狀態時棉精梳機錫林梳理纖維須叢的力學模型，結合質點系動量定理計算出基于棉纖維理想狀態時不斷裂受損的精梳機車速理論最大值，即“柔性精梳值”。

本文分析了棉精梳機柔性梳理(棉纖維在棉精梳機錫林梳理過程中不斷裂受損)的實現條件，建立了棉精梳機“柔性精梳值”的計算模型，并結合現場試驗測試錫林梳理纖維前后的短絨含量變化即“柔性精梳率”；提出“柔性精梳”的概念，即車速低于“柔性精梳值”且“柔性精梳率”在合理范圍內的精梳梳理為“柔性精梳”，彌補了對精梳機高速運轉時錫林造成纖維梳理損傷的研究缺陷，為新型高速棉精梳機的研制及精梳設備的高質、高產提供了理論依據。

1 “柔性精梳值”與“柔性精梳率”

精梳機梳理的目的是排除一定長度以下的短纖維，進一步提高纖維的平行、伸直和分離度，為紡制特細紗和優質紗創造條件。為此，握持梳理的要求是：喂入棉網的結構要均勻，保證梳理時握持狀態可靠，合理控制各機件的運動配合關系，在排除短絨的同時，減少纖維斷裂損傷形成新的短絨[10]。棉精梳梳理元件有錫林、頂梳，錫林是主要元件，本文研究錫林的梳理。

1.1 錫林對纖維的平均梳理力Fd

精梳單纖維平均梳理力是直接表示單纖維在精梳錫林梳理工作區所承受梳理作用強弱的指標，此概念是在單纖維梳理理論研究的基礎上提出的[11]。

設棉精梳機每鉗次梳理的纖維量為Q(g)、纖維根數為N、纖維線密度為Nt(tex)、纖維長度根數加權平均值為L(mm)、錫林每轉作用到棉纖維上的總梳理力為∑F(N)、錫林對棉纖維平均梳理力為Fd(N),則有：

(1)

(2)

設錫林梳針共有m排，在梳理角內平均布置，單排梳針瞬時梳理下的棉纖維質量分別為q1、q2、…、qm，錫林轉1圈時，梳理下來的棉纖維總質量用q表示，則q=q1+q2+…+qm。纖維由于梳理點和握持點的速度差被錫林梳下或斷裂損傷，此時棉纖維速度與錫林表面線速度相同為vx(mm/s)。當前，精梳設備錫林采用變速梳理技術，變速梳理技術是指梳理時精梳錫林以高于正常車速的速度對纖維的前端進行積極梳理，增加棉精梳機分離準備時間，提高棉精梳條質量[12]，設錫林速度變化系數為k。

為便于分析研究，設錫林梳針排列均勻，每排梳針的梳理力為Fw、作用時間為△t(s)、錫林梳理纖維分度數為γx(分度)、棉精梳機車速為n(r/min)、錫林半徑為R(mm)，則有：

(3)

(4)

由質點系的動量定理，錫林轉1圈，當1到m排梳針轉過時，對上述纖維質點系有

由上式可得

(5)

設落棉率為αlm，則q=Qαlm。纖維平均梳理力可表示為

(6)

1.2 棉纖維的斷裂強力

棉纖維的斷裂強力是指被拉伸的纖維在斷裂時所承受的最大負荷或者是抵抗破壞的強弱程度。斷裂強力是反映棉纖維的一項重要力學指標，以細絨面為例，其濕態斷裂強度Pc為0.29～0.56 N/tex[13]。由于棉精梳機輸入棉網的伸直、平行、分離度不均勻，造成棉纖維受力不均勻，部分纖維將承受較大的梳理力，所以有必要增加安全系數。棉纖維按強度極限規定的安全系數為nb，通常取值為3.0～5.0。棉纖維的斷裂強力F與斷裂強度Pc關系如式(7)所示。

(7)

1.3 精梳機最高理論車速

在確保纖維梳理充分的前提下，理想狀態下對纖維沒有造成損傷，滿足式(8)即可，將式(6)、(7)代入式(8)可得式(9)，即理論上纖維基于不斷裂的最高車速nmax的計算式為式(10)。

Fd≤F

(8)

(9)

(10)

1.4 “柔性精梳值”

柔性梳理是指在確保梳理元件對纖維須叢充分梳理的前提下，盡量從工藝和器材方面減少對纖維的損傷，棉精梳機“柔性精梳”是指精梳機車速應該滿足式(9)的要求，理想狀態下對纖維沒有造成損傷的梳理。綜上，“柔性精梳值”是指精梳機車速小于理想狀態棉纖維不斷裂時精梳機的最高車速，“柔性精梳值”可用式(10)中的nmax表示。

1.5 “柔性精梳率”

在精梳過程中，由于輸入的棉網纖維分離度、平行度、伸直度的不平均，纖維受力不均勻，部分纖維將承受較大的梳理力，其中部分纖維的受力大于纖維的斷裂強力，將導致棉纖維在精梳梳理過程中有一定的斷裂損壞，設精梳機梳理前棉網含短絨率為βq，經精梳機梳理后棉纖維含短絨率為βh，精梳條含短絨率為βt，精梳落棉含短絨率為βl，精梳機落棉率αlm，精梳機纖維斷裂率為η，各參數關系見式(11)、(12)。

βh=αlmβl+(1-αlm)βt

(11)

(12)

針對棉纖維在精梳過程中的損壞和斷裂程度，本文提出“柔性精梳率”的概念，精梳前后短絨增加率η可以充分表示棉纖維在精梳過程中的損壞和斷裂程度，滿足“柔性精梳率”的要求，即精梳前后短絨增加率η為“柔性精梳率”。

2 試 驗

本文精梳機錫林軸為非圓齒輪傳動，錫林速度變化系數k=1.4；錫林采用90°進口四分割錫林，梳針排數m=40；精梳機落棉率αlm=18.5%，錫林梳理纖維占運動周期分度γx=6.5；試驗原料為229鋸齒棉，Nt=0.179 tex，L=27.3 mm，斷裂強度Pc=0.336 1 N/tex、棉纖維強度極限安全系數nb=3.0。將以上參數代入式(10)，即可得到本文的“柔性精梳值”為850 r/min。

精梳機車速范圍300～400 r/min，每10 r/min為1檔，對棉卷及精梳落棉、精梳條的短絨進行測量。試驗測試設備采用Uster公司的AFIS纖維測試儀器，測量數據如表1所示。由于受精梳機實際車速的影響，試驗速度沒有到“柔性精梳值”，有待將來條件允許時進一步試驗研究。

表1 精梳前后短絨含量表Tab. 1 Short-staple content before and after combing

注：短絨<16 mm。

3 結 語

研究棉纖維在精梳過程中的斷裂受損對提高紗線的質量具有重要意義，本文通過分析研究與試例驗證可得到如下結論：

1)“柔性精梳值”是指精梳機車速小于理想狀態下棉纖維不斷裂時精梳機車速最高值，在此理想狀態下錫林對纖維沒有造成斷裂損傷，滿足柔性梳理的要求。

2)由于棉精梳機棉網纖維三度的不平均，部分纖維的受力大于纖維的斷裂強力，導致棉纖維的斷裂損壞?！叭嵝跃崧省北硎久蘩w維在精梳梳理過程中的損壞和斷裂程度。

3)精梳機錫林單纖維梳理力與纖維須叢質量無關；與錫林速度的平方、錫林速度變化系數、落棉率、錫林半徑、纖維細度及纖維長度成正比；與錫林梳理纖維占運動周期分度值成反比。由此，在一定的原料和工藝條件下，梳理力與速度關系緊密。

4)“柔性精梳率”在64%～65.7%之間波動，屬于正常測量波動，即棉精梳機車速在不超過“柔性精梳值”時“柔性精梳率”不受精梳機車速影響。

5)“柔性精梳”是指棉精梳機車速低于“柔性精梳值”且“柔性精梳率”在合理范圍內的梳理。

通過對“柔性精梳值”與“柔性精梳率”的計算，可進一步研究棉精梳機“柔性精梳”過程中影響纖維斷裂率的工藝參數，從而優化工藝，減少纖維的斷裂，為新型高速棉精梳機及梳理專件的研制及精梳設備的高質、高產提供理論依據。

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[1] 任家智, 郁崇文. E7/6 型精梳機鉗板運動特性分析[J] . 紡織學報, 2004, 25(3):33- 34. REN Jiazhi, YU Chongwen. Analyze the kinematical characteristics of driving mechanisms of nipper on E7/6 type comber[J]. Journal of Textile Research, 2004, 25(3): 33- 34.

[2 ] Rieter India Private Limited.E80 Comber for produc-tivity, quality & economy[J]. Indian Textile Journal,2012,122(12):95.

[3 ] KULKARNI S G,PRAMOD R Badbade,NIYIN V Kalas,et al. Optimization of comber draft[J]. Indian Textile Journal,2007,117(10):30-32.

[4] SUBRAMANIAN S, GOBI N. Effect of process parameters at comber on yam and fabric properties[J]. Indian Journal Of Fibre & Textile Research,2004,29(2):196-199.

[5] 任家智, 郁崇文. E7/6 型精梳機曲柄半徑對工藝性能的影響[J] . 紡織學報, 2004, 25(4):45- 46. REN Jiazhi, YU Chongwen. Influence of crack radius of E7/6 type comber on its process performance[J]. Journal of Textile Research, 2004, 25(4) : 45- 46.

[6] 任家智, 賈國欣. E7/6 型精梳機落棉隔距對工藝性能的影響[J] . 紡織學報, 2006, 27(6) : 78- 80. REN Jiazhi, JIA Guoxin. Influence of dropping scales of E7/6 comber on process performance[J]. Journal of Textile Research, 2006, 27(6) : 78- 80.

[7] 嚴廣松，任家智，張立彬. 纖維在精梳加工中斷裂率的度量方法[J] . 紡織學報, 2010, 31(9) : 20- 24. YAN Guangsong, REN Jiazhi, ZHANG Libin. A measurement of fiber breakage ratio in combing process[J].Journal of Textile Research, 2010, 31(9):20- 24.

[8] CHATTOPADHYAY R,GHOSH R . Studies on mass distribution profile of detached fibre fringe in a comber[J]. Indian Journal of Fibre & Textile Research,2003,28(4),393-398.

[9] 嚴廣松, 林倩, 任家智,等. 基于棉纖維長度根數分布的精梳機梳理效能分析[J] . 紡織學報, 2009, 30(5): 20- 24. YAN Guangsong, LIN Qian, REN Jiazhi, et al. Analysis of the effectiveness of combing machine based on cotton fiber length distribution by number[J]. Journal of Textile Research, 2009, 30(5):20- 24.

[10] 陸再生.棉紡工藝原理[M].北京：中國紡織出版社,1995:62-107. LU Zaisheng. Principle of Cotton Technology[M]. Beijing: China Textile & Apparel Press,1995:62-107.

[11] 王兟,李恩生,夏龍全.單纖維平均梳理力的研究[J].棉紡織技術,2005,33(4):198-200. WANG Xian, LI Ensheng, XIA Longquan. Research on average carding force of single fiber[J].Cotton Textile Technology,2005, 33(4):198-200.

[12] 劉允光.國產高效能精梳機技術發展近況與建議[J].棉紡織技術,2012,40(5):65-68. LIU Yunguang. Development situation and suggestions of domestic high efficiency comber technology[J]. Cotton Textile Technology,2012, 40(5):65-68.

[13] 于偉東.紡織材料學[M].北京：中國紡織出版社, 2006:5. YU Weidong. Textile Materials[M]. Beijing: China Textile & Apparel Press, 2006:5.

Analysis of "soft combing" of cotton comber based on fiber breakage

Li Xinrong1,2, JIANG Xiuming1， YANG Jiancheng1， WANG Xiaowei1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China；
2.JingweiTextileMachineryCo.Ltd.YuciBranch,Jinzhong,Shanxi030601,China)

When cotton comber is carding at high speed, fibers damage and breakage will be caused by its cylinder carding, which influences the combing quality. Therefore, based on the analysis of average carding force of single fiber in the process of combing as well as the breaking strength of cotton fiber under ideal conditions, this paper, aiming at the cotton fiber breakage, constructs a maximum theoretical velocity model of cotton comber, i.e. calculation model of ″soft combing value″. And, combining with the field experiments, a new concept of ″soft combing ratio″ is proposed according to short fiber content variation before and after cylinder combing. In conclusion, the concept of ″soft combing″ is proposed, i.e. the combing that the speed of cotton comber is lower than the ″soft combing value″ and the “soft combing ratio” is in a reasonable range is defined as ″soft combing″ .This study provides a theoretical foundation for the development of new type of high-speed cotton comber and the improvement of combing quality.

soft combing; soft combing value; soft combing ratio; average carding force; maximum velocity; fiber breakage

0253- 9721(2013)09- 0130- 04

2013-01-14

2013-03-26

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2010CB334711)

李新榮(1975—)，男，高級工程師，博士生。主要研究方向為紡織機械設計及自動化。蔣秀明，通信作者，E-mail:jxjxm@163.com。

TS 112.2

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