不同密度原棉滑動(dòng)摩擦分析

任永強(qiáng)，鄧 敏，張 樂，楊宇昕，高華興，李 勇

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300）

原棉是一種松散的纖維堆積材料，其力學(xué)形態(tài)受多種因素的影響[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維集合體進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，陳運(yùn)能等人研究了纖維集合體的種類和排列順序等對(duì)壓縮及回復(fù)性能產(chǎn)生的影響[3-8]。向忠等人闡述了纖維集合體摩擦性能的測(cè)試方法以及摩擦因數(shù)的測(cè)試與分析[9-13]。

纖維的摩擦性質(zhì)是纖維表面重要的物理特性，棉纖維在成紗過程中，通過一定的力學(xué)性能使其結(jié)合在一起，這個(gè)力叫做摩擦力。棉纖維集合體摩擦機(jī)能不僅影響紡紗工藝，還會(huì)影響紗線的質(zhì)量，間接影響紡紗制品的質(zhì)量，因此對(duì)纖維集合體進(jìn)行摩擦機(jī)能測(cè)定是必要的。

本文針對(duì)纖維集合體摩擦力測(cè)試方法的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題，結(jié)合國(guó)內(nèi)外纖維摩擦力測(cè)試方法的研究成果，研究原棉摩擦力測(cè)試方法并設(shè)計(jì)一款提拉裝置進(jìn)行摩擦力測(cè)試，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

原料為新疆阿克蘇市新陸中53 號(hào)手摘原棉，原棉提取于新疆新越絲路有限公司。FA1104 電子天平（上海安亭科學(xué)儀器廠）、往復(fù)電動(dòng)機(jī)、電源、調(diào)速器、拉力傳感器、艾德堡HP-10KN 大量程測(cè)力計(jì)數(shù)顯推拉力計(jì)壓力表HP-5KN 外置S 型傳感器HP-2K 2000 N/200 kg。

圖1 提拉裝置結(jié)構(gòu)示意

1.2 提拉裝置

1.2.1 結(jié)構(gòu)組成

原棉提拉裝置由電動(dòng)機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。

該裝置傳動(dòng)系統(tǒng)中的2 連桿與電動(dòng)機(jī)的輸出端連接，隨著電動(dòng)機(jī)動(dòng)力的輸出，連桿帶動(dòng)光桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，緊密固定的光桿保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的受力始終在同一直線上。數(shù)顯拉力傳感器伴隨拉伸的同時(shí)，完成原棉摩擦力的采集。

1.2.2 工作原理

如圖2，裝置在提拉過程中原棉被夾持，并與筒壁發(fā)生滑動(dòng)摩擦。工作時(shí)，通過變頻器開關(guān)控制電機(jī)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的輸出端與連桿相連接，連桿的一端繞減速器的輸出端口做圓周運(yùn)動(dòng)，另一端與緊密固定的光桿連接做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次則為一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，即原棉在亞克力圓筒內(nèi)做一次往返運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，在夾板內(nèi)添加一定質(zhì)量的原棉后，開啟電動(dòng)機(jī)，棉纖維在拉伸過程中與筒壁進(jìn)行摩擦，傳感器采集原棉與圓筒筒壁之間的摩擦力力值。通過調(diào)節(jié)原棉的質(zhì)量、改變夾板之間的距離以及使用不同轉(zhuǎn)速的電機(jī)，收集不同情況下原棉與筒壁產(chǎn)生的摩擦力值，最后分析原棉摩擦力變化規(guī)律，從而完成棉纖維摩擦力檢測(cè)。

圖2 電動(dòng)機(jī)及其部件連接圖

1.3 試驗(yàn)方法

稱取 30 g、40 g、50 g、60 g、70 g、80 g 原棉，裝入亞克力圓筒（外徑110 mm，壁厚3 mm，填充高度150 mm、200 mm、250 mm），兩個(gè)夾板處于松弛狀態(tài)，置于提拉裝置工作臺(tái)上，用螺絲釘固定儲(chǔ)棉箱上下端，再由拉力傳動(dòng)裝置提拉絲杠，以一定的加載速度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)（室內(nèi)溫度20 ℃，相對(duì)濕度50%）。原棉提拉量分別為300 mm、500 mm、700 mm。

通過調(diào)節(jié)圓筒中棉花的重量，來(lái)調(diào)節(jié)原棉的密度。原棉的相對(duì)密度計(jì)算公式為：

式中m—原棉質(zhì)量（g）；V—原棉體積（cm3）；W—原棉相對(duì)密度；ρ—原棉的平均密度（g/cm3）；ρ0*—原棉壓縮致密的密度，值取1.0 g/cm3。

調(diào)節(jié)兩夾板之間的距離，以此改變?cè)薜奶畛溟L(zhǎng)度來(lái)控制原棉密度，填充長(zhǎng)度用原棉與圓筒的接觸面積代替。原棉單位面積摩擦力計(jì)算公式為：

式中σ—筒壁單位面積上摩擦力大小（N/cm2）；FN—原棉與圓筒的摩擦力幅值（N）；S—原棉與圓筒的接觸面積（cm2）；

提拉試驗(yàn)過程中原棉處于松弛狀態(tài)，三次改變兩夾板之間的距離，換算成原棉與筒壁之間的接觸面積，填充不同質(zhì)量的棉纖維得到不同的密度。其接觸面積、質(zhì)量和密度關(guān)系如表1。

表1 原棉接觸面積、質(zhì)量和密度對(duì)照

由表2 可知不同質(zhì)量的原棉密度不同，不同密度的原棉在提拉作用下產(chǎn)生的摩擦力也不同。隨著密度的增加，產(chǎn)生的摩擦力也增加，變化周期在5S~7S 內(nèi)波動(dòng)，其頻率的波動(dòng)范圍為1/5~1/7。由此可見原棉的摩擦力與密度是成正相關(guān)的。

2 試驗(yàn)分析

2.1 原棉密度與摩擦力幅值的關(guān)系

如圖3，保持電機(jī)的頻率和提拉的行程一致，通過改變兩夾板之間的距離和原棉的質(zhì)量來(lái)控制原棉的密度，隨著原棉質(zhì)量的增加，密度增大，所受摩擦力的幅值隨之增大。棉纖維的質(zhì)量一定，通過改變兩夾板之間的距離控制原棉的密度，兩夾板之間的距離分別取15cm、20cm、25 cm。其中2、4、6、7、8點(diǎn)的密度是在夾板長(zhǎng)度為25cm時(shí)測(cè)得的，11、12 點(diǎn)的密度是在兩夾板距離為20 cm 時(shí)測(cè)得的。兩夾板之間的距離為20 cm 和25 cm 時(shí)，隨著棉纖維質(zhì)量的增加，棉纖維密度變大，曲線的斜率均大于1，即密度增加較慢但摩擦力幅值增加較快；當(dāng)夾板之間棉纖維的填充量為80 g 時(shí)，摩擦力幅值均能達(dá)到10 N 左右。綜上所述，隨著密度的增大，摩擦力幅值變大，但摩擦力幅值還受其它因素的影響。

圖3 不同密度的原棉與摩擦力幅值之間的關(guān)系

2.2 提拉作用下不同填充長(zhǎng)度摩擦力幅值的變化

圖4 不同填充長(zhǎng)度與摩擦力幅值之間的關(guān)系

由圖4 可知，摩擦力還受其它因素的影響，改變夾板之間的填充距離，帶來(lái)了兩個(gè)方面的影響：一方面改變了夾板內(nèi)原棉的的密度，進(jìn)而影響摩擦力幅值；另一方面通過增大或縮小夾板之間的距離改變棉纖維與筒壁的接觸面積，從而影響摩擦力幅值。如圖4，原棉的密度一定，隨著填充長(zhǎng)度的增加，摩擦力幅值增加。綜上所述，改變了填充長(zhǎng)度的同時(shí)也改變了棉纖維與筒壁的接觸面積，并且摩擦力與接觸面積的大小呈正相關(guān)關(guān)系。

2.3 電機(jī)的頻率對(duì)摩擦力幅值的影響

圖5 不同頻率的電機(jī)與摩擦力幅值的關(guān)系

表2 同一填充長(zhǎng)度(15 cm)不同密度原棉摩擦力參數(shù)表

由圖5 可得，每個(gè)圖中的四種曲線分別代表著不同轉(zhuǎn)速的電機(jī)，橫坐標(biāo)是原棉的密度，在密度一定的情況下，隨著轉(zhuǎn)速（12 r/min、16 r/min、27 r/min、40 r/min）的增加，摩擦力幅值變大。在夾板之間填充的原棉超過60g時(shí)，摩擦力幅值增加較為明顯。綜上所述，電機(jī)的頻率也是影響摩擦力幅值的重要因素，且兩者為正相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種纖維集合體提拉裝置，闡述了裝置總體結(jié)構(gòu)及工作原理，研究了原棉在提拉過程中的摩擦力變化規(guī)律。

（2）通過原棉摩擦力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：夾板之間的距離保持一定，隨著原棉的克數(shù)增加，密度增大，原棉與圓筒內(nèi)壁的摩擦力幅值增加；增加棉纖維填充長(zhǎng)度，棉纖維與筒壁的接觸面積增大，摩擦力幅值也隨之增大；原棉的填充密度保持一定，改變電機(jī)的參數(shù)（即分別取12r/min、16 r/min、27 r/min、40 r/min），隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，摩擦力幅值增大。試驗(yàn)研究表明，原棉的密度是影響摩擦力幅值最重要的指標(biāo)。

（3）本試驗(yàn)中，僅考慮了填充密度、棉纖維與筒壁的接觸面積、電機(jī)的參數(shù)對(duì)摩擦力幅值的影響，并沒有考慮圓筒的材質(zhì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。