棉紡精梳機(jī)錫林梳理力動態(tài)測試及變化規(guī)律

賈振飛 任家智 陳宇恒 常昊雨

（中原工學(xué)院，河南鄭州，450007）

棉紡精梳機(jī)主要是通過錫林梳理排除短纖維、雜質(zhì)、棉結(jié)，提高纖維的伸直度、平行度和分離度，從而提高紗線質(zhì)量及面料的品質(zhì)，改善面料的風(fēng)格。在錫林對棉層梳理過程中，如果梳理力過大，就會造成纖維的損傷；若梳理力過小，會因梳理效果不良而影響成紗質(zhì)量。因此弄清錫林對纖維層梳理過程中梳理力曲線的變化規(guī)律，對于合理設(shè)計與選用梳理部件及精梳工藝參數(shù)、減少纖維損傷、提高精梳質(zhì)量具有重要的意義。

早期的對棉紡精梳機(jī)錫林梳理力的研究是在國產(chǎn)A 201型、FA 251型精梳機(jī)上進(jìn)行的，其方法是將原有的上鉗板改制成帶有應(yīng)變片傳感器的懸臂梁，并與下鉗板共同實(shí)現(xiàn)對棉層的握持，在錫林對纖維層進(jìn)行梳理時，產(chǎn)生的摩擦力通過纖維層傳遞至上鉗板，并得到了A 201型、FA 251型精梳機(jī)錫林梳理過程的梳理力曲線，分別呈現(xiàn)倒“V”形及“M”形［1］。毛紡精梳機(jī)錫林梳理力的測試也是基于植針式錫林及上鉗板改制成帶有應(yīng)變片傳感器的懸臂梁進(jìn)行的［2-4］。現(xiàn)代精梳機(jī)與A 201型、FA 251型精梳機(jī)及老式毛紡精梳機(jī)相比，在部件的結(jié)構(gòu)等方面有了很大的變化。第一，采用鋸齒嵌入式錫林取代原來的植針式錫林，錫林針齒數(shù)量由原來的不足0.8萬針增加到3萬針以上［5］；第二，鉗板的支撐方式由A 201型精梳機(jī)的下支點(diǎn)變?yōu)橹兄c(diǎn)，梳理過程中梳理隔距變化較小；第三，精梳機(jī)的生產(chǎn)速度由A 201型精梳機(jī)的130鉗次/min提高到400鉗次/min以上。為了研究現(xiàn)代棉紡精梳機(jī)錫林梳理過程中梳理力的變化規(guī)律，我們在HC500型精梳機(jī)上利用扭矩傳感器測定錫林梳理過程中錫林軸扭矩的大小，并根據(jù)錫林半徑獲得梳理過程中的梳理力。在精梳小卷定量為75 g/m及精梳機(jī)速度分別為50鉗次/min、150鉗 次/min、250鉗次/min、400鉗次/min時，采用錫林總齒數(shù)為37 180齒的五分區(qū)錫林進(jìn)行了梳理力測試，獲得了不同條件下的錫林梳理力曲線及變化規(guī)律。

1 精梳機(jī)錫林梳理力及其主要影響因素

在棉紡精梳機(jī)上，主要是通過錫林對棉層進(jìn)行梳理，以排除短纖、棉結(jié)及雜質(zhì)，并使纖維分離、伸直及平行［6］。如圖1所示，棉層在上、下鉗板握持狀態(tài)下，錫林針齒刺入棉叢，使纖維快速滑向針齒根部，產(chǎn)生相對滑動，從而實(shí)現(xiàn)纖維的分離、伸直與平行，并使棉結(jié)、雜質(zhì)及短纖嵌入錫林針齒內(nèi)，由高速回轉(zhuǎn)的毛刷予以清除。在錫林梳理纖維層的過程中，纖維與錫林針齒之間產(chǎn)生的滑動摩擦力稱為梳理力。梳理力的大小主要與以下因素有關(guān)。

圖1 精梳錫林梳理力示意圖

（1）纖維結(jié)構(gòu)與性能：纖維的分離度、伸直度及平行度好時，梳理力小；纖維紊亂時梳理力大。纖維與針齒之間的摩擦因數(shù)大時，梳理力大。當(dāng)纖維細(xì)度較細(xì)時，易產(chǎn)生彎曲變形，梳理力較大。

（2）梳理隔距：梳理隔距是指在精梳錫林的梳理過程中，上鉗板的下緣與錫林針面間的距離［6］。梳理隔距越小，錫林針齒刺入纖維層的深度越深，針齒與纖維的摩擦力越大，梳理力越大。

（3）針齒規(guī)格：針齒的密度大時，單位長度的纖維層接觸的針齒數(shù)量多，梳理力越大。針齒深度深時，梳理過程中纖維沉入針齒的長度越長，纖維與針齒接觸幾率越大，梳理力越大。針齒的前角小時，纖維在梳理過程中易沉入針齒根部，增加纖維與針齒的接觸幾率，梳理力增大。齒片與錫林周向的夾角越大，梳理時針齒受到的阻力越大，梳理力越大。

（4）纖維叢長度與厚度：鉗口外纖維叢長度長時，在梳理時針齒接觸的纖維根數(shù)多，梳理力大。纖維層的厚度越大時，梳理時纖維與針齒之間的擠壓力越大，纖維與針齒間的梳理力越大。

2 錫林梳理力測定的方法

2.1 錫林梳理力的測試原理

如圖1所示，在錫林梳理的過程中，纖維對錫林針齒的滑動摩擦力（即梳理力）通過錫林齒片及錫林體傳向錫林軸，并使錫林軸產(chǎn)生扭矩。

設(shè)P為纖維與錫林針齒之間的梳理力，M為梳理力對錫林軸軸心產(chǎn)生的扭矩，r為錫林的半徑，則錫林軸所受的扭矩M為：

在錫林梳理過程中，梳理力對錫林軸產(chǎn)生的扭矩M可利用扭矩傳感器測得，因此根據(jù)式（1）可求出梳理力P值。

2.2 錫林梳理力測試裝置

在錫林梳理過程中，根據(jù)錫林軸扭矩與梳理力的關(guān)系，在原有精梳機(jī)的基礎(chǔ)上自制的棉紡精梳機(jī)錫林梳理力測試裝置如圖2所示。該裝置取精梳機(jī)的一個工作單元（即一個眼）為研究對象，由驅(qū)動單元、連接單元、測試單元、負(fù)載單元組成。驅(qū)動單元包括驅(qū)動電機(jī)1、齒形帶2、驅(qū)動軸3；連接單元4、7為兩個聯(lián)軸器；測試單元由扭矩傳感器5、數(shù)據(jù)采集器9及計算機(jī)11組成；負(fù)載單元由錫林軸8、錫林體10組成。精梳機(jī)在工作過程中，錫林梳理棉叢時產(chǎn)生的梳理力，通過錫林體10使錫林軸8產(chǎn)生扭矩，由扭矩傳感器5產(chǎn)生扭矩信號，并由扭矩傳感器輸出口6傳遞至數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行信號采集，經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理計算后反饋至智能終端顯示結(jié)果。

圖2 錫林梳理力測試裝置

3 測試條件與數(shù)據(jù)處理方法

3.1 工藝條件

原料為新疆細(xì)絨棉，棉卷定量為75 g/m，給棉方式為前進(jìn)給棉，給棉長度為4.3 mm，落棉隔距為9 mm，錫林定位為37分度，頂梳插入深度為0格，頂梳齒密28齒/cm，搭接刻度為0格。

3.2 錫林的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

錫林針面梳理分為5個梳理區(qū)，各梳理區(qū)周向長度均為20.28 mm，錫林總齒數(shù)為37 180齒。各梳理區(qū)針齒排數(shù)、齒片前角、齒片數(shù)量及齒深如表1所示。各梳理區(qū)具體分區(qū)情況如圖3所示，齒片的排列方式如圖4所示，其中第1區(qū)齒片與錫林周向垂直，第2區(qū)、第4區(qū)齒片為左傾，第3區(qū)、第5區(qū)齒片為右傾。從第1梳理區(qū)至第5梳理區(qū)針齒密度逐漸增大，其增加率分別為167.0%、87.7%、19.9%、42.9%。

表1 錫林結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 錫林針面梳理區(qū)

圖4 錫林齒片及其排列

3.3 梳理隔距及梳理開始結(jié)束定時

根據(jù)實(shí)際觀測，在36分度時錫林梳理開始，其梳理隔距為0.55 mm；約在0.6分度時，鉗板擺至最后位置，梳理隔距最小，其值為0.30 mm；在5分度時錫林末排針到達(dá)鉗板鉗口，其梳理隔距為0.50 mm；在8分度時錫林末排針脫離纖維叢。36分度至5分度時的梳理隔距變化情況如表2所示。

表2 不同分度梳理隔距

3.4 數(shù)據(jù)處理方法

在錫林梳理力測試過程中，由于錫林體難以做到完全平衡而存在偏心，對錫林軸產(chǎn)生附加力矩，并對錫林梳理力曲線產(chǎn)生干擾。為了排除錫林體偏心附加力矩產(chǎn)生的影響，在精梳機(jī)速度相同時，分別測試空車（無纖維層喂入）及正常生產(chǎn)（有纖維層喂入）時一個工作周期內(nèi)錫林軸扭矩的變化曲線及相關(guān)數(shù)據(jù)，再利用對比法得到一個工作周期內(nèi)梳理力的變化曲線。

4 測試結(jié)果分析

4.1 低速時梳理力變化曲線

為了探討精梳機(jī)低速時錫林梳理力的變化規(guī)律，利用自制的錫林梳理力測試裝置，在工藝條件相同的情況下，在精梳機(jī)速度50鉗次/min時測得梳理力的變化曲線如圖5所示。

圖5 精梳速度50鉗次/min時梳理力變化曲線

由圖5可知：

（1）在一個工作周期內(nèi)，36分度時錫林第一排針接觸纖維叢，梳理開始；錫林最后一排針在8分度脫離纖維叢，整個錫林梳理過程為12個分度。在梳理過程中，纖維叢同時由兩個梳理區(qū)針齒梳理的現(xiàn)象稱為交互梳理，如圖6所示。根據(jù)錫林線速度及鉗板的擺動速度測算得到第2～第5梳理區(qū)第一排針接觸纖維的時間分別為37.8分度、39.8分度、2.1分度及4.7分度。

圖6 纖維叢經(jīng)過不同梳理區(qū)

（2）在梳理過程中，梳理力曲線的特征是：開始梳理時隨著錫林針齒刺入纖維層數(shù)量的增多，梳理力迅速增大，梳理力曲線呈鋸齒式階梯上升，在1分度時到達(dá)最大值，而后急劇減小；從2分度至8分度梳理力平緩下降，直至為零。因此梳理力曲線可分為3個區(qū)域，即迅速增大區(qū)、急劇下降區(qū)及緩慢減小區(qū)。

（3）在梳理開始時，錫林第一排針刺入纖維叢，齒片與纖維叢摩擦產(chǎn)生梳理力；當(dāng)?shù)诙裴橗X刺入纖維叢時，纖維頭端已沉入第一排針齒的根部，纖維與針齒的接觸面積增加，梳理力迅速增大，并到達(dá)鋸齒波峰A點(diǎn)。由于第1梳理區(qū)四排針齒均與錫林軸向垂直（如圖4所示），當(dāng)?shù)谌⒌谒呐裴橗X逐步刺入纖維層時，針齒均沿第一、第二排針的梳理通道運(yùn)動，針齒與纖維的摩擦力減小，因此梳理力達(dá)到峰值A(chǔ)點(diǎn)后迅速減小，并在E點(diǎn)梳理力出現(xiàn)谷值。此時，第1梳理區(qū)的頭排針已脫離纖維叢，同時第2梳理區(qū)的第一排針開始接觸纖維叢（如圖6所示）。由于第2梳理區(qū)的針齒密度大幅度增加（如表1所示）及齒片傾斜排列（如圖4所示），隨著錫林第1梳理區(qū)的第一、第二排針逐漸脫離纖維叢及第2梳理區(qū)第一、第二排針逐漸參與梳理，梳理力值迅速上升。

（4）在38分度至39分度，隨著第2梳理區(qū)參與梳理的針排數(shù)量的增加及纖維向針齒根部的滑移，梳理力迅速增大，在B點(diǎn)出現(xiàn)第二個峰值。由于第2梳理區(qū)后幾排梳針沿前排針形成的梳理通道運(yùn)動，梳理力逐漸減小，在D點(diǎn)到達(dá)最小值。在D點(diǎn)，第2梳理區(qū)的頭排梳針脫離纖維層，而第3梳理區(qū)頭排梳針開始接觸纖維層。由于第3梳理區(qū)針齒密度增大，參與梳理的針齒數(shù)量大幅度增加，梳理力持續(xù)增大，約在1分度到達(dá)梳理力最大值C點(diǎn)。由于第3梳理區(qū)后部梳針沿前排針齒形成的梳理通道運(yùn)動，錫林針齒受到纖維的摩擦力（即梳理力）出現(xiàn)迅速減小。

（5）在2分度至8分度，纖維叢逐漸進(jìn)入到第4、第5梳理區(qū)。盡管錫林針齒密度大幅度增大，但梳理力仍繼續(xù)平緩減小。其原因有以下3個方面。第一，由于纖維叢經(jīng)第1、第2及第3梳理區(qū)錫林針齒的梳理，纖維的分離度、伸直度、平行度大幅度提高，梳理過程中纖維對針齒的阻力減小；第二，梳理隔距逐漸增大，沉入針齒中的纖維長度減小，纖維與針齒接觸面積減小；第三，錫林針齒高度大幅度減小，即沉入針齒根部的纖維量減少，而浮于針面的纖維量增多，因此纖維與針齒接觸的幾率大幅度降低。

4.2 精梳機(jī)的速度對梳理力曲線的影響

在精梳機(jī)速度分別為150鉗次/min、250鉗次/min及400鉗次/min時，測得精梳機(jī)一個工作周期內(nèi)錫林梳理力變化曲線如圖7所示，梳理力曲線峰值及其分度數(shù)如表3所示。

圖7 精梳機(jī)速度對梳理力曲線的影響

表3 梳理力曲線的峰值及其分度數(shù)

由圖7和表3可知：

（1）隨著精梳機(jī)速度的提高，梳理力變化曲線先增大，到達(dá)最大值后迅速減小的基本規(guī)律不變，但在36分度至1分度之間的鋸齒波明顯減小，梳理力曲線幅度擴(kuò)展；當(dāng)速度超過250鉗次/min時，梳理力曲線的鋸齒波基本消除。因?yàn)樵陂_始梳理階段，纖維叢中纖維結(jié)構(gòu)較紊亂，隨著梳理速度的急劇增加，針齒對纖維梳理的同時會產(chǎn)生輕微的沖擊，致使梳理力曲線幅度擴(kuò)展。另外，梳理速度的急劇增大，使錫林不同梳理區(qū)交互梳理的時間大幅度減小，從而使鋸齒波減小。

（2）在1分度至4分度，梳理力曲線隨著精梳機(jī)速度的提高其幅度有所擴(kuò)展；在4分度至8分度，在不同梳理區(qū)交替時梳理力曲線的波動仍然明顯。梳理力曲線幅度的擴(kuò)展是由于梳理速度增大所致。

（3）隨著精梳機(jī)速度的提高，梳理力曲線的峰值有所增加，這也是精梳機(jī)速度增加導(dǎo)致伸直平行度較差的纖維與錫林針齒產(chǎn)生沖擊所致；但梳理力曲線峰值出現(xiàn)的位置在40分度至1分度之間波動。

5 結(jié)論

（1）應(yīng)用扭矩傳感器研制的梳理力檢測裝置，可以精準(zhǔn)檢測精梳機(jī)一個工作周期中錫林梳理力變化規(guī)律，并實(shí)現(xiàn)了精梳機(jī)錫林梳理力的在線檢測。

（2）棉紡精梳機(jī)錫林梳理力隨著梳理時間的增加而迅速增大，到最大值后急劇下降，在后續(xù)梳理過程中梳理力緩慢減小至零；錫林梳理力曲線可分為3個區(qū)域：迅速增大區(qū)、急劇下降區(qū)及緩慢減小區(qū)。

（3）精梳機(jī)低速運(yùn)行時，在開始梳理階段梳理力呈現(xiàn)鋸齒階梯式上升，隨著精梳機(jī)速度的提高，開始梳理階段梳理力曲線的鋸齒波明顯減小，梳理力曲線的幅度擴(kuò)展，梳理力曲線的峰值略有增加。

（4）纖維層結(jié)構(gòu)、梳理隔距、針齒密度、針齒深度的變化是引起梳理力波動的關(guān)鍵因素；提高精梳小卷中纖維的分離、伸直及平行度，減少梳理隔距、針齒密度、針齒深度的差異可以減少梳理力的突變。