棉纖維短絨率檢測快速制樣裝置的結構設計

牛虎利 楊佳俊 楊 碩 閆海鵬 趙婉晴

（河北科技大學，河北石家莊，050018）

原棉和棉纖維條中的短絨率對紡織品的質量和生產工藝有著十分重要的影響，纖維的長度長且整齊度高時，紗的強度、均勻度較好，紗的表面光潔、毛羽少，成紗質量高，因此對棉纖維短絨率進行準確檢測顯得尤為重要［1-3］。在測試棉纖維短絨率之前先要進行制樣工作，即把棉團原料分解成纖維平順的棉片狀態［4］。在棉纖維制樣中，開松和牽伸是兩個重要步驟，目前常用的單刺輥和錫林等開松方式，雖然能夠改善開松效果，提高纖維原料的質量，但是鋸齒開松對棉纖維的損傷比較大，制樣后大大增加了棉纖維的短絨率［5-6］。傳統的牽伸手段主要是手工撕棉和羅拉牽伸，傳統手扯檢測存在目光不穩定、檢測速度慢等缺點，已不能適應現代精細檢測的要求；目前，羅拉分析法測試短絨率仍被廣泛采用，但這種方法受人為因素影響較大，誤差在所難免，影響測試結果的可信度［7-9］。

改進現有短絨檢測的制樣形式，探討一種對棉纖維無損傷的新方法和裝置，對于棉纖維短絨率快速檢測具有重要的工程意義。我們研發了一套對纖維損傷少、制樣效率高、操作簡便的快速制樣裝置，為解決現階段棉短絨檢測勞動強度高、制樣效率低、檢測周期長等問題提供了解決方案。

1 原理方案設計

該研發設備應用于短絨率檢測之前的棉片樣條制樣，主要技術參數：棉團質量2.5 g，羅拉模塊間隔可調范圍30 mm～50 mm，制樣時間不超過2 min（過程中不損失棉條），樣品棉片長200 mm，樣品棉片寬度50 mm，棉纖維品質長度25 mm～32 mm。

1.1 開松原理方案設計

開松是將壓緊的塊狀纖維變成單纖維狀，同時將棉纖維與其中的雜質分離。傳統開松方式包括單輥筒軸流方式和混棉梳松方式。單輥筒軸流式開松效果好，開松時間短，但設備占地面積較大，結構較為復雜。混棉梳松方式開松充分，但對纖維層破壞較嚴重。綜合分析兩種開松方式的優缺點，以及實際使用中所遇到的問題，將單輥筒軸流式開松方式和氣流開松方法相結合，創新設計出一種高效開松裝置，如圖1所示。棉纖維從開松裝置下方進入裝置，利用空腔內氣流對棉纖維和雜質阻力不同分選出雜質和棉纖維，配合安裝有豎排圓頭角釘的輥筒，增強了開松效果。

圖1 開松裝置原理圖

1.2 牽伸原理方案設計

棉纖維牽伸是纖維快速制樣過程中的一道重要工序。牽伸裝置主要是依據羅拉牽伸原理，利用前后兩組輥輪速度差，在不損傷棉纖維的前提下完成纖維抽長拉細的過程［10］。棉纖維牽伸形式可分為曲線牽伸和直線牽伸。對比兩種牽引方式，直線牽引方式結構更為簡單，可進行不同間距的羅拉組調整，可操作性強。為更好控制短纖維的運行軌跡，對直線牽引方式進行改進，創新設計出一種直線雙膠圈的羅拉牽伸方式，如圖2所示。通過送料機構將棉纖維送入羅拉機構中，牽伸完成后，棉纖維被纏繞到收料機構的絨輥上。羅拉機構的對數影響牽伸后樣品棉條的厚度，選取4對效果最優［11］。

圖2 棉纖維牽伸原理圖

2 結構設計

2.1 棉纖維牽伸裝置的結構設計

棉纖維牽伸裝置由送料機構、間距調整機構、羅拉機構、收集機構4部分組成，如圖3所示。經過開松后的棉團纖維，由送料機構送入第1組羅拉機構中，通過各羅拉模塊之間的轉速差及膠圈間的摩擦力，將棉團纖維轉變為可進行短絨率檢測的樣品棉條，最后再由收料機構將樣品棉條纏繞收集。間距調整機構可輔助羅拉機構工作，調節各羅拉模塊的間距，以達到最優的牽伸效果。

圖3 棉纖維牽伸裝置整體結構圖

2.2 羅拉機構結構設計

羅拉機構具體結構如圖4所示。該結構由四上四下4對羅拉輥直線排列的方式構成，利用羅拉輥間的速度差、膠圈間的摩擦力對棉塊拉伸［12-13］。為了優化羅拉機構對棉塊拉伸效果，4組裝有膠圈的羅拉輥均采用彈簧加壓方式，并在其上方加裝量程為0 mm～25 mm的數顯微分頭，精度為0.001 mm，更加直觀地了解到施加壓力的大小與牽伸效果，為后續試驗驗證奠定基礎。

圖4 羅拉機構結構圖

羅拉結構中隨著羅拉輥直徑的增大，纖維不勻率呈先下降再上升的狀態，在羅拉輥直徑為17 mm時不勻率最小［14］。羅拉輥轉速設定為1 r/s～8 r/s。

2.3 送料機構的結構設計

送料機構主要為帶傳動模塊，為降低后續試驗難度，在送料機構處對棉團進行預處理。送料機構采用帶傳動的方式運送初步開松后的棉塊，帶傳動模塊與第1組羅拉機構中的羅拉輥軸通過同步帶連接，共用同一電機，保持輸送帶與第1組羅拉輥之間的速度同步，如圖5所示。為了使松散的棉絮順利喂入第1組羅拉機構中，在傳送帶末端加裝彈簧加壓模塊，增加棉絮表面平整度，傳送帶兩側加裝擋料板實現導向，通過擋料板進行棉絮寬度調節，調節范圍為50 mm～80 mm。

圖5 送料機構結構圖

將樣條寬度取至50 mm，標準棉層厚度為3 mm，根據式（1）計算得到棉纖維體積為16.7 cm3。

式中：v為棉纖維體積；m為棉纖維質量，取2.5 g；ρ為棉纖維密度，取0.15 g/cm3。

依據棉纖維制樣長度要求為115 mm，纖維品質長度為25 mm～32 mm，設計了羅拉輥直徑為17 mm；為防止纖維損傷，羅拉輥與壓緊輥間距應不低于25 mm，故壓緊輥直徑設定為33 mm。

2.4 收集機構結構設計

收集機構主要由絨輥和彈簧加壓模塊組成，如圖6所示。采用大直徑的絨輥收集牽引后的棉纖維，根據樣品棉條的尺寸設計，絨輥直徑63 mm、寬度60 mm。彈簧加壓模塊由彈簧、螺母、安裝板組成，其目的是將絨輥與第4組羅拉機構的羅拉輥緊密安裝，并施加壓力，以減少纖維損失。收集完成后即完成1次牽伸，循環上述牽伸步驟直至棉纖維樣條達到檢測標準。

圖6 收集機構結構圖

2.5 間距調整機構的結構設計

間距調整機構具體結構如圖7所示。該機構設計的目的是為了增加設備的通用性，增加對不同棉纖維的適應能力。通過間距調整機構平移4組羅拉機構，實現調節功能。

圖7 間距調整機構結構圖

電機帶動帶輪將動力傳遞到各軸之間，軸帶動齒輪轉動，從而驅動齒條帶動羅拉機構固定板運動，達到間距調整的目的。將羅拉機構1固定，用其余3組羅拉機構的齒輪齒條、帶輪、同步帶進行位置調節，并且要求各組羅拉機構間距保持不變。軸Ⅰ與第4組羅拉機構固定板連接，以此類推。因此三組羅拉機構移動速度比為1∶2∶3，即傳動軸轉速比nⅠ∶nⅡ∶nⅢ=3∶2∶1。

3 試驗與驗證

設計的棉纖維短絨率檢測快速制樣裝置如圖8所示，試驗并檢驗其結構設計合理性及工作可靠性。樣機包括7個運動，其中6個直線運動，1個回轉運動。1號傳送帶的直線運動與2號壓緊的直線運動，完成對棉塊的送料及預處理；4號直線運動與3號羅拉輥壓力調節直線運動實現膠圈牽伸運動；5號絨輥的回轉運動與6號壓緊直線運動配合實現棉片的收集；7號直線運動實現各羅拉固定板間距調節。

為了驗證該裝置的使用性能，取2.5 g不同樣品號的棉花進行試驗，采用控制變量法對牽伸加壓、牽伸速度和牽伸倍數進行試驗，分析具有代表性的幾組數據，如表1所示。

表1 本裝置樣機試驗數據

通過上述試驗結果發現，第一組試驗中的牽伸速度、牽伸倍數和羅拉壓力整體效果較好，后續試驗依據此參數設定。為了驗證裝置的準確性及高效性，采用對比試驗的方法，分別取2.5 g同產地10種不同樣品號的棉花，分別使用手工方式制樣、Y111A型手搖引伸器、XJ129型測試儀和本裝置制樣，并通過K111-1型短絨率快速測試儀檢測短絨率，以手工制樣方式作為標值，對比數據見表2，將3種裝置制樣時間和短絨率進行對比，如圖9所示。

表2 3種不同裝置快速制樣短率試驗數據對比

從圖9中數據可以看出，相同質量的棉纖維，Y111A型手搖引伸器平均制樣時間約為20 min，XJ129型測試儀制樣時間約為5 min，本裝置只需1.5 min。

圖9 3種裝置制樣時間和短絨率對比

樣品制備前后短絨率變化的主要原因是來自制樣過程中的棉纖維損傷。計算棉纖維制樣后的短絨率與棉纖維制樣前增大的比值，XJ129型測試儀平均棉纖維損傷達到32%，檢測結果與棉纖維短絨率實際值偏差較大，檢測精度低；Y111A型手搖引伸器平均棉纖維損傷達到2.3%，而本裝置平均棉纖維損傷為1%，符合國家棉纖維制樣標準。

4 結語

針對目前國內外各種棉纖維短絨率檢測制樣方法效率低、棉纖維損傷高等問題，設計了一種棉纖維短絨率檢測快速制樣裝置。將單輥筒軸流式開松方式和氣流開松方法相結合，創新設計了一種高效開松裝置；為更好控制短纖維的運行軌跡，對直線牽引方式進行改進，設計出一種直線雙膠圈的羅拉牽伸方式，并進行了各模塊的結構設計。運用設計的棉纖維短絨率檢測快速制樣裝置進行試驗，通過對比驗證了本裝置在棉纖維制樣中用時較短、短絨率平均損傷較現有裝置較低，為棉纖維快速制樣提供了一種新方法。