刺輥鋸齒螺旋傾角與分梳質量關系的理論研究

王 盼, 程隆棣, 華志宏

(1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620； 2. 東華大學 理學院， 上海 201620)

刺輥鋸齒螺旋傾角與分梳質量關系的理論研究

王 盼1, 程隆棣1, 華志宏2

(1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620； 2. 東華大學 理學院， 上海 201620)

針對梳棉機刺輥分梳時刺輥鋸齒的螺旋傾角使得鋸齒傾斜分梳纖維層，易加重纖維損傷的問題，以單個鋸齒為研究對象，對嵌入式和自鎖式刺輥鋸齒的分梳過程進行深入的理論分析，采用建立力學模型的方法對螺旋傾角為0°和θ時纖維的受力情況進行研究。通過顯式動力學模塊對傾角為0°、1°、2°時鋸齒的運動進行仿真。結果表明：當傾角為0°時，被梳纖維束所受的摩擦阻力及應力、應變均最小，且隨著傾角的增大，摩擦阻力、應力及應變逐漸增大，束中纖維損傷越嚴重，纖維斷裂概率越大；螺旋傾角的存在使得鋸齒分解能力降低，易導致束纖維比例增大，分梳質量下降。

梳棉機； 刺輥； 鋸齒； 螺旋傾角； 顯式動力學

刺輥分梳是梳棉機上唯一一處握持分梳，主要負責纖維束的預分梳和除雜。其分梳工作的好壞決定著錫林、蓋板區域的梳理質量和針布的使用壽命，并直接影響生條的質量和梳棉機產量的提高。齒條是刺輥完成分梳最重要的器材。現階段對刺輥齒條的研究主要集中在齒條規格(齒高、齒密、鋸齒工作角、齒頂寬度等)和齒形(自鎖式、梳針式、雙曲面式等)[1-3]上。梳針式刺輥僅在三刺輥系統上用到，而鋸齒式刺輥仍占主導地位[4-5]。

刺輥齒條螺旋纏繞滾筒，故有螺旋傾角產生，傾角會影響刺輥的分梳效果。前人[6-7]關于刺輥螺旋傾角的研究往往從氣流方面入手，卻忽略了鋸齒的傾斜分梳對刺輥分梳效果的影響。

本文以單個鋸齒為研究對象，對嵌入式和自鎖式刺輥齒條的分梳過程進行理論分析，采用力學模型的方法對螺旋傾角為0°和θ時纖維的受力情況進行研究，并通過顯式動力學模塊對傾角為0°、1°、2°時鋸齒的運動進行仿真，以期為新型刺輥齒條的制備及生產實踐提供理論依據。

1 齒分梳理論

本文基于嵌入式齒條和自鎖式齒條的螺旋傾角進行討論。嵌入式刺輥主要由刻有若干相同螺距的螺旋溝槽的滾筒和齒條組成，齒條嵌入螺旋溝槽形成針布，螺旋傾角較大，記傾角為θ。自鎖式刺輥針布由單根齒條螺旋纏繞并依靠齒條間的相互自鎖形成，齒條螺旋傾角很小，本文中假設為0°。圖1示出1根齒條螺旋纏繞的刺輥截圖，螺旋傾角使得鋸齒齒身與刺輥軸向截面產生夾角，即在分梳過程中鋸齒齒身傾斜打擊棉束，如圖2所示。本文從理論上探討傾角大小對分梳質量的影響。

圖1 1根齒條纏繞的刺輥Fig.1 Licker-in with one saw blade

圖2 鋸齒分梳纖維圖Fig.2 Fiber carded by licker-in

1.1傾角變化影響鋸齒分梳的幾何證明

假設嵌入式和自鎖式刺輥的差異僅在螺旋傾角上，簡化鋸齒的齒形，如圖3所示。依據圖2中鋸齒對纖維的分梳作用方式，取圖3中齒高1/2處的截面進行研究，截面長為a，寬為b。

圖3 齒型圖Fig.3 Shape of single tooth

圖4 傾角0°和θ時鋸齒截面幾何比較圖Fig.4 Comparison of cross-section of saw-tooth with spiral angle 0°and θ

當傾角存在時，鋸齒在其前進方向上的幾何變化如圖4所示。記l1、l2分別是傾角為0°和θ時鋸齒的投影寬度，D1、D2分別是相鄰兩齒間的垂直距離，D1=D2。則：

l1=a=Lsinγ

(1)

l2=acosθ+bsinθ=Lsin(γ+θ)

(2)

式中：L為截面對角線的長度；γ為截面對角線夾角。

由以上公式可知l1

鋸齒傾斜不僅使鋸齒與纖維相互作用的長度增長，而且使相鄰兩齒間豎直通道的水平寬度d減小，如圖4所示。假設0°和θ傾角下，相鄰兩齒的水平距離一致。沿齒高方向取微小長度△y，則傾角為0°時,d1=D1-l1,體積V1=d1b△y；傾角為θ時,d2=D2-l2,體積V2=d2b△y，所以V1

1.2傾角變化影響鋸齒分梳的力學分析

刺輥分梳纖維層的過程可總結為拍、劈、梳3個字。即鋸齒剛接觸纖維層、進入纖維層和梳理纖維層3個過程。本文針對這3個過程建立數學模型，討論螺旋傾角分別為0°和θ時纖維束的受力。記Q為鋸齒與被梳纖維間的摩擦阻力。

1)拍。在始梳點處，被梳纖維受到較強的握持力P和鋸齒高速沖擊力F，模型簡化如圖5所示。當力F與P大于纖維的強力時，纖維斷裂。

圖5 始梳點處纖維的受力分析
Fig.5 Analysis of stress of fiber at beginning of carding

2)劈。刺輥表面線速度與纖維層的速度存在百倍差異，鋸齒作用于被梳纖維，當被梳纖維兩端所受的張力P1，P2滿足如式(3)所示的關系，纖維會產生繞針運動，即被梳纖維一端被握持，另一端沿齒工作面繞動，實現纖維束的分劈[8]。選取圖3中齒高1/2處的截面進行研究，將2個角度下齒截面上被梳纖維的受力情況進行簡化，如圖6所示。以被梳纖維為研究對象，討論了不同傾角下纖維作繞針運動時，摩擦阻力Q1，Q2的大小。則：

P2=P1eμβ

(3)

Q1=P2-P1+(L1+L2)(μN1+T1)=

P1(eμβ-1)+(L1+L2)(μN1+T1)

(4)

(5)

式中：P1，P2分別為無摩擦力和黏附力時纖維兩端的拉力，cN；β，ψ為纖維在鋸齒棱邊的包圍角，rad；L1，L2為纖維與鋸齒兩側的接觸長度，mm；N1，N2傾角分別為0°和θ時鋸齒兩側所受的單位長度上的正壓力，cN/cm；T1，T2傾角分別為0°和θ時纖維束對鋸齒的單位長度上黏附力，cN/cm。

圖6 纖維繞針運動的受力分析圖Fig.6 Analysis of friction force when fiber moves around saw-tooth. (a) Spiral angle is 0°；(b)Spiral angle is θ

傾角的存在，使鋸齒多了1個棱邊作用于纖維。1.1小節已經討論過，鋸齒傾斜使得鋸齒與纖維作用長度增大，且相鄰兩齒間纖維密度增大，N1

3)梳。被梳纖維一端被鋸齒握持，另一端被周圍纖維束約束作用，纖維兩端速度差使纖維得到梳理伸直。

刺輥分梳過程中，纖維的損傷主要發生在鋸齒剛接觸纖維層時和鋸齒進入纖維層時[9]。鋸齒齒尖接觸纖維層，對纖維進行“拍打”，螺旋傾角對纖維斷裂的影響較小。鋸齒進入纖維層，被梳纖維主要進行繞針運動。對式(4)、(5)分析可得Q1

2 齒運動仿真

顯式動力學分析可用來確定結構承受變載荷時產生的動力學響應情況，對于時間尺度短的固體、流體、氣體及它們之間相互作用的非線性動力學仿真有極強的優勢[10]。本文采用ANSYS Explicit Dynamic模塊進行仿真。由于刺輥表面線速度約是給棉羅拉輸送棉層速度的100倍，可近似為碰撞問題，且單個鋸齒經過纖維層的時間約為0.1 ms(設刺輥速度為900 r/min)，鋸齒與纖維層間的相互作用為非線性行為，因此，選擇顯示動力學對傾角分別為0°、1°和2°時鋸齒的運動過程進行仿真，分析被梳纖維受力的不同。

2.1前處理

假設條件：1)將齒截面簡化為等腰三角形，齒簡化為等腰三角體；2)將纖維集合體簡化為一整塊纖維實體；3)鋸齒的運動簡化為直線運動；4)纖維實體中間存在截面為等腰三角形的窄縫，代替棉網中的縫隙。

前處理：1)建立幾何模型，纖維塊中間建立窄縫，其截面斜角遠小于鋸齒齒頂斜角，縫深高于齒高。通過系統坐標z軸旋轉改變鋸齒傾角，如圖7所示。2)定義材料，將鋸齒定義為剛性體，選擇結構鋼；纖維塊定義為柔性體，纖維層離開給棉板鼻尖時彈性回復率約為80%[11]，故選擇Rubber，其拉伸特性近似于棉纖維的拉伸特性。3)劃分網格，整體網格精度為100，網格細化，鋸齒和纖維塊采用Sweep法進行劃分[10]， 窄縫作用區的網格得到精細劃分。4)邊界及初始條件，纖維層底面固定，鋸齒沿系統坐標y軸負方向做勻速運動，位移為-3.6 mm，時間為3.6×10-4s，結果輸出總點數為20，如圖8所示。5)設定分析選項，選取最大拉應力、最大壓應力、最大壓應變、總位移4個指標。

圖7 幾何模型Fig.7 Geometric model

圖8 初始條件設置Fig.8 Initial conditions

2.2結果及分析

仿真結果輸出了20個時間點處對應的應力、應變值。為便于比較，本文選取1、5、9、13、17、21這6個點處對應的結果進行分析，并根據結果分別繪制應力、應變及總位移隨時間變化的曲線，如圖9～12所示。

圖9 拉應力Fig.9 Tensile stress

圖10 壓應力Fig.10 Compressive stress

圖11 壓應變Fig.11 Compressive strain

圖12 總位移Fig.12 Total displacement

從圖9～12可得，應力、應變及位移各指標在不同傾角下隨時間變化的趨勢相同，且隨著傾角的增大，其對應的結果依次增大。用最大拉應力、最大壓應力、應變及總位移分別模擬鋸齒與纖維束間的摩擦阻力、分梳時纖維束受到的正壓力及應變和分梳過程中纖維束的位移。分梳過程中被梳纖維所受的力與摩擦阻力成正相關變化[12]，故當傾角越小時被梳纖維所受的力越小，纖維斷裂的概率越低，有利于短絨率和落棉率的降低。壓應力及應變呈現先增大后減小的趨勢，主要是由于給棉板上棉層逐漸變薄，鋸齒在進入纖維層時纖維束受到的壓應力逐漸增大，但隨著分梳的進行，纖維層密度減小，應力及應變也逐漸減小。同樣由于給棉板上纖維的減少，纖維層受鋸齒作用而產生的位移逐漸增大。當纖維所受的外力大于其強力的時候，纖維斷裂，4個指標的仿真結果均顯示傾角為0°時纖維束受力最小,因此，在生產實踐中應盡可能保持較小的螺旋傾角。

3 結 語

本文基于嵌入式齒條和自鎖式鋸齒螺旋傾角的不同，討論了螺旋傾角對分梳的影響，為新型刺輥齒條的設計提供了理論依據。通過幾何證明和力學分析發現，螺旋傾角的存在，使得纖維間相互作用力增大，纖維與鋸齒間的摩擦路徑增長，不僅導致纖維斷裂概率增大，而且使得束纖維比例增高，降低分梳質量。

纖維集合體是一個復雜的結構，鮮有研究者借助有限元進行力學分析，本文僅做了簡單的嘗試。仿真結果與理論證明匹配。仿真結果不僅能給人直觀的感受，而且能得到較為精確的分析結論。這為梳理器件的研發提供了思路，在進行生產實驗前，可借助于有限元進行定性分析，使得產品設計周期減短。

FZXB

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Theoreticalstudyofinfluenceofspiralangleoflicker-inoncardingquality

WANG Pan1, CHENG Longdi1, HUA Zhihong2

(1.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology，MinistryofEducation，DonghuaUniversity，Shanghai201620，China； 2.CollegeofScience，DonghuaUniversity，Shanghai201620，China)

Spiral angle of the licker-in caused the fiber bundles to be combed by slant saw-teeth, which caused fibers to by more easily damaged during the carding process of the licker-in of carding machine. To solve this problem, single saw-tooth was regarded as an object of study, and the mosaic and self-locking carding process was theoretically analyzed. Fiber stress was researched by building mechanical model under condition of different spiral angles. Also, the carding process of single saw-tooth was simulated with explicit dynamics module when spiral angle was 0°, 1° and 2°, respectively. The results show that when spiral angle is 0°，the friction force, stress and strain of fiber are smallest, and the larger the spiral angle, the more seriously the fiber is damaged, and the probability of fiber fracture is increased. Due to the spiral angle, the carding capability of single saw-tooth is declined, and the percentage of bundle fibers is increased, leading to the worse coming quality.

carding machine; liker-in; saw blade; spiral angle; explicit dynamics

TS 103.8

：A

10.13475/j.fzxb.20161002106

2016-10-11

：2017-01-10

王盼(1990—)，女，碩士生。主要研究方向為梳棉機針布工藝改進理論研究及實踐。程隆棣，通信作者，E-mail:ldch@dhu.edu.cn。