基于ABAQUS 的錫林蓋板針齒角度與梳理效果關系研究

孟亞勇 韓賢國 曹繼鵬 張明光

（遼東學院，遼寧丹東，118003）

隨著科技的不斷進步，梳棉機向著高速高產高質量的方向發展，如TC19i 型智能梳棉機最高產量已經達到180 kg/h、C80 型梳棉機理論產量已經達到300 kg/h[1］，除了機械精度的提高帶來梳棉機的高速高產，梳理針布也起著至關重要的作用。在棉紡梳理機構中，錫林和蓋板的配合對產品的影響是非常關鍵的。評價錫林針布和蓋板針布這一主分梳區的梳理效果關鍵是看其對應針布的配置以及對原料和生產條件的適應程度。針齒角度的改變不僅對纖維的控制力有影響[2］，與纖維的受力情況也密切相關[3-4］。目前對梳理區的研究方法還比較陳舊，多數是通過試驗來說明針齒梳理的效果。

在梳理力的研究中，通常都是利用電機功率的變化來推測出梳理力的大小，這個方法在測量梳理力時，得到的是這段時間內纖維平均受到的力，對于單根纖維在細節上的變化是看不到的[5-6］。針齒角度的改變，對于纖維梳理力的影響是難以量化的，有限元分析軟件的出現為梳理可視化提供了理論基礎和參考[7］，對針布的合理選配有重要參考意義。

1 主分梳區的工作原理

在梳棉系統中，主分梳區主要由錫林部分和蓋板部分組成，錫林和蓋板上的針布是主分梳區的核心部件，其作用主要是梳理、均勻和混和纖維，纖維在兩種針布之間反復交替轉移，纖維時而向針齒外部、時而向針齒內部進行變化，通過梳理力、離心力及擠壓力等作用，實現了纖維的分梳[8］。

蓋板在工作時有正轉和反轉兩種情況，但錫林蓋板區的纖維都以轉移分梳和接觸分梳兩種分梳方式工作，由于錫林與蓋板間的線速比非常大，蓋板反轉時后區蓋板纖維層負荷大，前中區稍小，進口處幾乎沒有負荷。蓋板速度對梳理作用影響很大，低速時纖維在工作區上交替回程少，纖維梳理時間變短，高速時纖維回程長，停留在梳理工作區的時間長，梳理作用就會增加，但如果速度過高，棉結和落棉也會增多[9］。如何優化錫林與蓋板分梳區的有關工藝參數顯得尤為必要。

2 試驗數據確定及計算

有關研究[10］指出，梳理度和梳凝算式是可以用來衡量錫林及蓋板配置對纖維梳理程度的重要指標。梳理度一般用纖維根數和針布齒數的數量來體現，其計算方法包含兩種：利用纖維的公制支數和單根纖維在梳理過程中受到的平均齒數來計算。一般情況下，企業工藝設計用纖維公制支數計算，針對針布選型時選用單根纖維所用齒數來計算。當錫林上有負荷時，其梳理度C值的計算方法[11］如式（1）所示。

式中：Pro為生條產量（g/min）；N為一圈錫林表面總齒數（齒）；L為纖維平均長度（m）；NB為纖維公制支數（m/g）；nc為錫林速度（r/min）；γ為道夫轉移率（%）。

孫鵬子[12］64曾對生條產量做過統計，國外新型梳棉機出條速度最多可以達到400 m/min，在相同產量下出條極限速度不會超過416 m/min，國產梳棉機出條產量一般在350 m/min 以下。道夫轉移率的大小對梳棉質量有很大影響，當轉移率過小時，纖維會梳理過度，造成纖維損傷及增加短絨；轉移率過高，梳理效果會受到影響。王學元[13］曾對此做過研究，得出梳棉機道夫轉移率應根據原料具體情況控制在5%~15%，但隨著梳棉機產量的提高，通常高產梳棉機道夫轉移率控制在15%~25%，甚至在某些高配置梳棉機上道夫轉移率可以達到30%[14］。錫林速度對纖維的棉結雜質有較大影響，有學者曾做出試驗[12］65，認為錫林加工棉纖維的極限速度超過530 r/min 會嚴重損傷纖維，其一般速度在150 r/min~500 r/min[15］。纖維公制支數是衡量纖維細度的重要指標，一般其數值在5 211 m/g~7 547 m/g。根據GB 1103.1—2012《棉花 第1 部分：鋸齒加工細絨棉》中的規定，28 mm 為棉纖維長度標準，大于這個標準的纖維才適用于紡紗，我國新疆棉纖維長度級主要分布在28 mm~29 mm 之間，最長可以達到32 mm[16］。孫鵬子[12］65曾對梳棉機幅寬做過統計，20 世紀末梳棉機幅寬一般在1 016 mm，隨后國內梳棉機也有了1 216 mm 和1 500 mm 兩種幅寬規格，最新梳棉機采用了1 280 mm 的幅寬。總體上，錫林寬度一般在1 016 mm~1 500 mm，當前錫林直徑常見的有814 mm、1 016 mm 和1 290 mm，根據梳棉常用錫林針布型號得知，錫林針布針齒密度范圍一般在246 齒/（25.4 mm）2~993 齒/（25.4 mm）2，根據錫林直徑及寬度和針齒密度，通過計算可以得到一整圈錫林針齒個數，一般 在2 515 萬 齒~23 753 萬 齒。

為確保試驗方案的可行性及具有實際參考價值，本次模擬試驗相關參數設定如下：Pro為400 g/min，N為2 515 萬齒，NB為5 700 m/g，L為0.028 m，nc為450 r/min，γ為9%。求出錫林有負荷時每根纖維需要12.5 齒。

3 梳理機構UG 建模及網格劃分

UG 是一個集CAD/CAM/CAE 功能于一體的軟件系統，其建模功能強大，隨著機械制造技術的發展，對計算機設計軟件的要求越來越嚴格，UG 的應用也越來越廣泛。梳理機構建模是利用UG 軟件為錫林針齒、蓋板針齒及纖維進行建模，針布的類型均采用勻密型[17］。在建模中，會用到UG 軟件的畫圖、拉伸、求和及陣列等功能。由于真實錫林和蓋板針布針齒數量太多，這里采用縮小比例進行建模，把錫林和蓋板針齒數分別設定為每排24 齒、12 齒。為控制錫林和蓋板的齒數比例，并結合纖維模型寬度，以求達到纖維模型層被全部梳理，因此模型選擇6 排齒。根據生產實際，設定針齒角度的變化如表1 所示。

表1 不同針齒角度試驗數據

真實纖維是大量絮狀、毫無規律的一種集合體，為了建模具有可行性，在這次模擬中建立了12 根隨機狀態的條狀物作為纖維的模型，賦予12根纖維模型的投影長度（彎曲纖維在棉網方向上投影的長度）。棉纖維根數平均長度一般在25 mm~39 mm，考慮纖維的伸直度情況，選擇投影長度為19 mm 左右，分別為18.610 9 mm、18.994 8 mm、19.797 4 mm、17.847 9 mm、17.236 9 mm、19.110 4 mm、19.976 0 mm、18.848 2 mm、19.215 8 mm、18.887 7 mm、19.794 6 mm 和18.655 1 mm，具體如圖1 所示。

圖1 纖維模型梳理前模型圖

網格劃分對仿真結果有很大影響，因此采用專門劃分網格的軟件HYPER MESH，把建立好的模型導入HYPER MESH 中，在HYPER MESH 用 到 的 單 元 類 型 有 以 下3 種：Component、Material 和Property。通過Component 單元對模型進行分類及劃分網格等工作，這里由于針齒角不規則選擇了三角網格。在Material 單元中，根據楊氏模量表賦予材料的屬性，由于錫林針齒和蓋板針齒材質幾乎相同，且與纖維相比其硬度在工作時幾乎沒有形變。這里把錫林針齒和蓋板針齒的材料設置為鋼體，密度選擇7 850 kg/m3，楊氏模量210 000 MPa，泊松比0.3。纖維柔軟、質輕、密度小，賦予纖維的密度為500 kg/m3，楊氏模量20 MPa，泊松比0.47。在Property 單元中代入錫林、蓋板及纖維的屬性。以上工作完成后，由于HYPER MESH 和ABAQUS 兼容性不同，在保存模型時需要導出一個求解器的結構文件，以便于模型導入ABAQUS 后可以正常運作。

4 ABAQUS 有限元分析

4.1 分析步驟

利用ABAQUS 軟件對模型進行梳理分析，在Dynamic、Explicit 顯示動力學模塊中設置各種參數，由于在模型運行中，幾何非線性很大，超過了網格尺寸的1/3，存在大變形，需要把Nlgeom打開[18］，為了增加計算速度，選擇10%的質量縮放。在這個模塊中，需要用到的單元類型有Step、Interaction、Load 及Job。通過Step 創建兩個動力學分析步，選擇出關心的輸出結果。在Interaction 屬性中選擇接觸，給定摩擦因數，由于動力學需要一步步地計算，每次運行毫秒級就需要停下計算，本次模擬為10-4s，纖維之間和針齒之間接觸關系選擇通用接觸。Load 的目的是給錫林和蓋板施加動力。最后在Job 中提交工作及計算。把配置好的模型提交，ABAQUS 軟件會自動檢測是否有原則性錯誤，無誤后開始計算，在模型運轉的過程中，需要對模型不斷地調試至最優解[19］。

4.2 模擬結果

由于纖維在棉網中的狀態不是完全平行，有卷曲及彎鉤等形狀，這就導致測量長度的難度增加，這里采用纖維的有效長度（投影長度）來表征纖維的長度。計算機計算完畢后，需要在工具里找到測量項，把梳理后的纖維進行對應的投影長度測量，根據梳理前后投影長度的變化來衡量梳理的效果[20］。

在所選取的工作角中，隨著工作角的增大，針齒握持纖維的能力逐漸增強，對纖維梳理的效果比較顯著。圖2 為9 種方案下的梳理效果圖，從圖中纖維模型的投影長度分別求出9 種方案下的平均投影長度，通過對比平均投影長度來評價不同針齒角度的變化對梳理效果的影響。

圖2 9 種角度梳理效果圖

表2 為9 種方案經過計算機模擬后的纖維投影長度，方案1~方案9 的平均投影長度依次為26.131 9 mm、21.380 1 mm、21.434 7 mm、21.004 6 mm、21.911 5 mm、20.779 9 mm、21.582 9 mm、21.636 6 mm 和20.986 9 mm。

5 結果分析

梳理針布的針齒角度改變影響梳理過程中纖維的投影長度，一定程度上反映了纖維梳理效果的優劣。根據錫林與蓋板針齒的角度設置，以原模型平均投影長度為基準，得到了不同角度下梳理后投影長度的變化率，變化關系如圖3 所示。

圖3 9 種角度梳理后投影長度變化率

從表1、表2 及圖3 中數據可知，方案1 錫林和蓋板針齒工作角分別為30°、18°時，纖維的梳理效果最優，投影長度在原模型基礎上增加了38.2%，明顯優于其他組合。這說明，在當前纖維模型下，錫林針齒握持能力較弱、蓋板針齒握持能力相對較強的情況下梳理效果最好。方案5 顯示錫林針齒工作角為35°、蓋板針齒工作角為15°時，投影長度在原模型基礎上增加了15.8%，為次優方案。從錫林和蓋板針齒的握持力角度看，這是一種“中-中”組合，即錫林和蓋板握持能力在3 種角度方案中均為中等，也同樣取得較好的梳理效果。方案7 和方案8 的數據顯示，當錫林針齒工作角為40°、蓋板針齒工作角分別為18°、15°時，投影長度在原模型基礎上分別增加了14.1%、14.4%，說明錫林針齒握持能力強時與蓋板中等或較強的握持能力相搭配，梳理效果也較好。以上分析結果表明針齒工作角影響其對纖維握持能力的強弱，從而影響纖維在錫林和蓋板之間的轉移，進而影響分梳效果，纖維的伸直程度越好，對后序紡紗越有利。

6 結論

本研究基于ABAQUS 等分析軟件，結合生產實踐中錫林和蓋板針齒工作角的選擇原則，對蓋板式梳棉機的錫林和蓋板主分梳區進行建模和仿真分析。根據梳理前后纖維投影長度的變化情況，判定梳理效果的優劣。分析結果顯示，錫林與蓋板針齒工作角分別為30°、18°時，對纖維的梳理效果最好，為生產實踐中根據纖維種類合理選擇錫林和蓋板針齒的工作角，實現纖維在主分梳區充分的釋放和轉移起到很好的參考作用。當然，針齒角度對纖維的控制還僅僅是一個方面，關于齒形及密度等因素對纖維的控制同樣有十分重要的影響，此方面有待日后進行更為深入的研究和探討。