金属针布齿条齿型规格设计探讨（一）

2015-12-19许鑑良

纺织器材 2015年6期

许鑑良

（1.东华大学，上海 200051；2.金轮针布（江苏）有限公司，江苏南通 226009）

0 引言

金属针布齿条的尺寸规格参数主要有工作角α、前角δ、后角γ、基部宽b1、齿距p、齿深h6、齿顶长l及基部高h2等。这些参数对金属针布的分梳、转移、除杂、均匀、混和及齿条包卷的影响各不相同，应具有良好的穿刺和握持纤维的能力，使纤维能处于齿尖端与另一针布进行分梳；纤维易于从一个齿尖面向另一齿尖面转移；具有适当的齿隙容纤量及良好的吸放纤维的能力，以提高均匀、混和作用；齿条便于包卷；齿尖应锋利、光洁和耐磨。

到目前为止，国内外对这些尺寸规格参数还不能进行定量设计，都仅凭经验；国内更是少见自主创新的产品，绝大多数是照搬照抄国外产品的尺寸规格参数。笔者试图依据纤维与针布的摩擦因数和滚筒上纤维的离心力，估算针布齿条的前角；以梳棉机的产量、速度、道夫转移率、加工纤维的长度和线密度，计算针布的齿密；以纤维长度，计算齿距并确定基部宽；以梳理纤维层的厚度，计算齿条的齿深；按包卷要求，设计基部高等；尝试提出一个针布齿条尺寸规格参数的设计程序和计算方法，以供针布齿条设计人员参考，为棉纺厂选配针布齿条提供依据、抛砖引玉，以便后来者深入研究。

1 金属针布齿条齿型、尺寸和角度名称、代

号（新国标）［1］

1.1 普通基部齿条与自锁基部齿条

普通基部齿条如图1，自锁基部齿条如图2。

图1 普通基部齿条

图2 自锁基部（V型）齿条

金属针布齿条的尺寸名称、代号见图1、图2和表1。

表1 普通基部齿条尺寸

1.2 金属针布齿条的角度名称、代号

金属针布齿条的角度名称、代号见图3～图5和表2。

图3 前角δ≤90°

图4 棱形齿尖

图5 前角δ≥90°

表2 角度

1.3 金属针布齿条齿型

金属针布齿条齿型尺寸名称、代号见图6～图12和表3。

图6 棱形齿尖

图7 大齿距齿条

图8 “Morel”齿条

图9 平顶齿条

图10 尖顶弧背齿条

图11 平顶弧背齿条

图12 双弧形齿条

表3 齿条齿型尺寸名称、代号、定义

1.4 原行标与新国标的差异

a）原前角α改称为工作角α，原前角余角δ改称为前角δ；

b）原齿背角γ改称为后角γ；

c）原齿间角ε改称为内角ε，ε＝β。

本文中的角度名称、代号均以新国标为准。

2 角度设计

金属针布齿条的几何角度，包括前角δ、后角γ、工作角α、齿尖角β、背尖角η和内角ε。其中，前角δ对分梳、转移和除杂起决定性作用；工作角α与前角δ互为余角，即α＋δ＝90°；齿尖角β＝δ－γ；内角ε＝β；背尖角η对纤维起托持作用。

2.1 前角设计

2.1.1 锡林齿条前角δc的估算

锡林齿条前角δc影响齿尖抓取和握持纤维的能力，即影响纤维沿齿前面的运动方向。前角δc小，齿尖抓取握持能力强，抛除杂质和转移纤维难；前角δc大，则相反。

纤维在齿条齿尖端的运动与纤维在齿尖的受力有关，其受力情况如图13所示。

图13中：

R——切向力，包括梳理力、空气阻力，近似作用于针布切向；

U——法向力，包括纤维离心力，针布内层纤维对该纤维的弹性力，针布间纤维束、块的挤压力，作用于针布法向；

图13 锡林齿条齿尖上纤维受力

N0——针布对纤维的反作用力，垂直于齿前面；

F——纤维与齿前面的摩擦力，F＝μN0，纤维向针布外滑移时，其方向由齿尖指向齿根；纤维向齿根移动时，其方向由齿根指向齿尖，即与纤维的运动方向相反。

R和U的合力为K，K力与切线方向成θ角，θ＝arctanU／R。通过齿尖O点作齿前面的垂直线xx′，于垂直线两边各作纤维与针布的摩擦角ψ，得AO和BO两条直线。若合力K位于∠AOB内，则不论K力有多大，纤维或纤维束都不沿齿前面上、下滑移，即齿尖端握持纤维处于受梳状态；因此，符合引言所述梳理原则的前角δc应满足90°－ψ≤δc＋θ≤90°＋ψ，得：

棉纤维与针布的静摩擦因数为0.22，所以，tanψ棉＝0.22，ψ棉＝arctan0.22＝12°；涤纶纤维与针布的静摩擦因数为0.58，所以tanψ涤＝0.58，ψ涤＝arctan0.58＝30°。

θ角随锡林转速、产量、隔距的变化而变化。笔者曾在锡林周围无机件的情况下，用模拟棉纤维束闪光摄影测得：锡林转速为220r／min时，θ为3°～22°，平均为12.5°；锡林转速为260r／min时，θ为4°～30°，平均为17°。

可见锡林转速提高时，因力U增大，其它条件不变时，合力K增大，θ角增大。根据梳理力研究，隔距减小，力R增大，其他条件不变，θ角减小。现在产量为20kg／h的普通梳棉机，锡林转速nc为320r／min～360r／min，产量为30kg／h～60kg／h的高产梳棉机，nc为380r／min～500r／min。生产中梳棉机的隔距很小，一般为0.1mm～0.3mm，据此若取θ＝18°进行估算，则棉纤维：90°－12°－18°≤δ棉≤90°＋12°－18°，即60°≤δc棉≤84°，取其均值δc棉＝72°；涤纶纤维：90°－30°－18°≤δc涤≤90°＋30°－18°，即42°≤δc涤≤102°，取其均值δc涤＝72°。

表4 梳棉机锡林齿条前角δc与锡林转速nc的关系

由此可见，纤维与针布的静摩擦因数越大，摩擦角ψ越大，前角δc可选择的范围增大。对于化学纤维，除摩擦因数大外，生产中易产生静电，常出现缠绕锡林问题，为有利于纤维从锡林齿条向道夫齿条转移，锡林齿条前角应设计得偏大些，一般δc化常设计为75°～85°。瑞士格拉夫公司制造的锡林针布齿条为小齿深、小总高，纤维易从锡林针布上转移，为加强分梳，锡林齿条前角δc化可进一步减小，常设计为65°～75°。对于棉纤维，因纤维与针布的摩擦因数较小，为加强梳理作用，锡林齿条前角δc棉可偏小设计，低速梳棉机一般设计为70°～75°；高产梳棉机上锡林转速高、离心力大，齿深小、总高小的齿条使纤维转移能力强，为平衡分梳与转移、加强梳理，锡林齿条前角δc棉可设计为55°～70°。

锡林转速越高、离心力越大，纤维束翘出锡林针布的角度θ越大，可选取前角δc的均值减小；所以，锡林滚筒直径减小、锡林转速提高时，针布齿条的前角δc必须减小，我国小锡林梳棉机锡林针布齿条的前角δc已减小为58°～65°。锡林齿条前角δc随锡林转速提高而减小的情况见表4。

由表4可见，梳棉机锡林转速每提高50r／min，锡林针布齿条前角δc平均减小约3°～5°。国产锡林针布齿条的主要尺寸规格参数统计见表5［2］。

由表5可见，锡林金属针布齿条主要尺寸规格参数的发展规律是：随梳棉机产量、速度提高，则针布齿条总高降低、齿深减小，前角δc减小、基部宽减小、齿密增大。

究其原因，产量提高使针布上纤维负荷增大、梳理度降低、棉结杂质增加、成纱质量恶化。随着产量提高、齿深减小，以降低针布负荷；随着产量提高，锡林转速相应提高以保持梳理度不变；但锡林转速的提高使针布上纤维离心力增大，针布上纤维滑脱可能性增大、浮游纤维增多、搓成棉结的概率大大增大，为保持针布抓取握持纤维的能力，故锡林针布齿条前角δc必须减小、齿密相应增加。

为解决分梳与转移、分梳与抛除杂质的矛盾，国内外有负角前角、鹰嘴前角、圆弧前角（变前角）、大小前角、深浅齿和高低齿等齿型，如图14所示。

表5 国产锡林金属针布齿条主要尺寸规格参数统计表

图14 金属针布前角型式

图14a）中，有两个前角，齿上部的前角在自动制动范围内，齿下部的前角大于自制角，促使纤维上浮，提高转移率，易抛落杂质。负角离齿顶面的距离与纤维长度、锡林—盖板间隔距、锡林转速及齿条总高、齿深等因素有关，当纤维长、锡林—盖板隔距小、锡林转速低、齿深大时，负角离齿顶面的距离应小些；反之，应大些。负角离齿顶面过远，将纤维上托限在齿尖端受梳的作用小，负角效果不显著；过近则转移率高，且可能损伤纤维，齿尖磨损易变大，使用寿命缩短，一般设计为0.2mm～0.3mm。这种齿在梳理大棉束、块时，在挤压力作用下沉入齿根，压力消失则纤维又很快上浮齿尖端受梳，不易损伤纤维，可提高成纱强力，如表5中的SAC3型和JT49型金属针布。

图14b）中，近齿顶处（离齿顶面约为0.2mm）前角小于自制角，抓取和握持能力特别强，其余前角设计在一般自制角范围内，以防止纤维下沉或绕花。由美国霍林斯沃斯（Hollingsworth）制造的这种锡林针布齿条，降低棉结特别显著，其齿型在磨针后仍能保持锋利的齿尖，不易衰退而使用寿命延长。

图14c）中，从齿顶到齿根的前角由小连续变大，越近齿顶面处的前角越小、抓取握持纤维的能力越强；但随齿深增大，前角不断扩大以防止纤维沉入齿根，减小针布负荷，提高转移率，易抛落杂质。

图14d）中，小前角抓取、握持能力强，分梳效果好；大前角，释放能力强，转移纤维好，也易抛落杂质，兼顾分梳、转移、除杂的矛盾；高、低齿的高齿主梳、低齿补充梳理，进行二次分梳；适应大小棉束梳理，小棉束高齿梳，大棉束低齿梳，防止损伤纤维；且低齿有托持纤维在高齿尖上充分受梳的作用；大小齿深，齿深小转移和释放性强，齿深大容纤量大，可容纳大棉束块，均匀混和作用好，也可避免大棉束块强力梳理损伤纤维；不等距齿，可适应长纤和短纤维梳理，使单根纤维的梳理度既不过多也不过少，还可增加锡林、盖板齿条间的反复分梳和转移次数，充分提高分梳效果。如青岛纺织机械厂曾制造的JT211型纺中长化纤用针布齿条，上海金属针布厂制造的SC31老型纺棉及化纤的针布齿条和SC32老型纺中长化纤的针布齿条，都有非常好的纺纱效果（见表6、表7）。

表6 SC31老型针布纺棉27.76tex效果

表7 SC32老型针布纺腈纶5.6dtex×70mm中长化纤效果

由表6～表7可见：大小前角、高低齿、大小齿深和不等齿距对改善分梳质量，减少棉结或毛粒，减少纤维损伤，提高强力，改善条干，减少盖板花均有显著效果，棉网（或毛网）清晰度显著提高。

必须指出，上述负前角、鹰嘴齿、变前角、大小前角、大小齿深、高低齿和不等齿距等设计于制造不利，其模具制作、修磨困难，特别不适宜圆盘高速冲齿机冲齿，已制出的JT211、SC31和SC32型都是摆式冲齿机制造的。

2.1.2 道夫齿条前角δD

道夫齿条与锡林齿条为分梳配置，其任务是通过分梳，转移锡林齿条上已梳理好的纤维，为部分转移。锡林与道夫的转速比非常大，道夫上凝聚的纤维层厚度是锡林的数倍，为抓取和容纳厚纤维层、泄导高速气流，道夫齿条前角δD小，齿深大，以提高其凝聚纤维的能力。

道夫齿条前角δD小、转移率高，锡林—盖板梳理区的负荷轻、一次分梳效率高；但其均匀混和作用差、平均梳理时间短且梳理不充分；δD大，其作用则相反；δD与转移率的关系如图15所示［2］，故δD应在自制角范围内偏小设计，然而δD过小时，其齿部抗轧性能差，应以58°～65°为宜，国外产品最小甚至仅为50°。

图15 道夫针布齿条前角与转移率的关系

道夫金属针布齿条代表性型号的主要尺寸规格参数统计如表8所示［2］。

由于道夫金属针布齿条齿深大、前角过小而易倒伏，抗轧性能差，为进一步提高道夫针布的转移率，设计了鹰嘴形齿尖和沟槽或凸纹侧面的齿部，以进一步提高高产梳棉机道夫齿条的转移率，防止抱合力差的纤维掉网，如图16所示。

2.1.3 刺辊针布齿条前角δT

刺辊针布齿条的主要任务是对握持的纤维层和棉束进行握持分梳，并清除其中杂质和短绒，把分梳过的纤维完全转移给锡林针布；为抛除杂质和短绒，并完全将纤维转移给锡林针布，刺辊针布齿条的前角δT宜大不宜小。

表8 道夫金属针布齿条代表性型号的主要尺寸规格参数统计

图16 鹰嘴形齿尖，沟槽、凸纹侧面道夫针布齿条

刺辊针布齿条的前角δT小时，抓取握持纤维强，易损伤纤维，影响落棉和纤维转移，刺辊返花增加，与喂入棉层搓擦，形成大量棉结，δT偏大时，对握持分梳影响不大，利于排杂和完全转移纤维，δT可在自制角范围内偏大设计；纺棉可为80°～85°，棉型化纤可为85°～90°，中长化纤可为90°～95°。由于刺辊针布齿条齿隙深为2.0mm～2.6mm，故不论纺棉或化纤，均可设计为带负角的刺辊齿条，如纺0.89dtex×38mm涤和丙纶的齿条。对比刺辊齿条尺寸规格及结果见表9～表10［3－5］。

表9 刺辊齿条尺寸规格对比

由表9可见：AT5605×05011型细特化纤刺辊齿条的总高减小0.25mm，前角增大至85°，并带负角，齿距减小0.05mm，齿密增加5齿／（25.4mm）2。

表10 纺纱结果对比

由表10可见：刺辊针布齿条采用带负角的大前角后，较不带负角的小前角刺辊齿条生条棉结减少27.52%，MCZ18型盖板针布后区脉冲梳理力减小11.90%，MCZH35型盖板针布后区脉冲梳理力减小12.01%，成纱细节无显著差异，成纱粗节减少23.92%，成纱棉结减少24.68%，成纱条干CV值降低5.21%，成纱单强提高3.45%；工艺效果非常显著。这是因为齿条总高减小、前角增大并带负角后，抛落杂质好，能完全转移纤维，减少了返花与喂入棉层搓擦产生的棉结和纤维损伤，且齿距减小、齿密增大、提高了梳理度所致。

2.1.4 附加分梳件的前角

附加分梳件包括刺辊下预分梳齿条盖板、后固定齿条盖板和前固定齿条盖板。这些附加分梳件与刺辊、锡林均为分梳配置；为防止嵌花影响分梳，附加分梳件针布齿条的前角均应设计为相关纤维自制角的上限值。一般前角设计为90°～75°，预分梳刺辊下齿条盖板针布齿条和后固定齿条盖板针布齿条取大前角，前固定齿条盖板针布齿条取小前角，由后到前附加分梳用齿条盖板针布齿条的前角由大到小，以便逐渐加强握持分梳。

2.2 金属针布齿条其他角度设计

其他角度包括后角γ、工作角α、齿尖角β、背尖角η和内角ε。这些角度中，工作角α与前角δ互为余角，即α＝90°－δ；后角γ与齿尖角β之和即为前角δ，即γ＋β＝δ；内角ε等于齿尖角β，即ε＝β；对分梳和转移影响较大的是齿尖角β、后角γ和背尖角η。

2.2.1 齿尖角β

由前述纺纱工艺要求，欲使针布穿刺性能强，梳理效果好，则齿尖角βC越小越好，且磨针后齿顶面积变化不大，利于延长使用寿命。但βC过小，齿尖强度弱而易断裂、抗轧性能差，制造过程中冲齿时易扭尖，淬火时齿尖易脱碳、易氧化烧毁成圆头。青岛纺机针布有限公司根据实践认为，βC＝15°较好，双卷喂入时βC应稍大，以增大齿尖强度；道夫齿条齿尖角βD为20°，以提高其抗轧性能。

2.2.2 后角γ或棱形齿尖的背尖角η

后角γ可由前角δ和齿尖角β设计确定后算出，即γ＝δ－β。γ小，易托持纤维上浮齿尖，转移强；γ大，纤维易下沉，梳理负荷大、效果差。为托持纤维上浮齿尖，又增强齿尖强度，提高抗轧性能，可采用圆弧背（变后角）设计，齿顶处γ为零，以后γ连续增大。

棱形齿尖的背尖角η，既影响托持纤维和除草杂，又影响穿刺纤维层。η越小，托持纤维和除草杂能力越好，但齿尖角β增大，锋利度变差，对穿刺分梳不利。毛纺用除草辊、胸锡林和开松辊针布中采用棱形齿，η一般设计为5°。

3 齿密N、齿距p和基部宽b1

齿密N对分梳和转移都有影响，如锡林针布齿密增大，针布对纤维的握持能力增强，切向抓取转移纤维能力强，每根纤维受到的作用齿数多而梳理度提高；但齿密太大会影响锡林针布上纤维向道夫针布转移，使道夫针布转移率降低、平均梳理转数增加、损伤纤维，反而增加棉结。

3.1 梳理度

在纺纱工艺上，以梳理度C，即每根纤维的平均作用齿数，表示梳理效能的大小。

式（1）中：

Dc——锡林直径／m，A186型梳棉机Dc＝1.29m；

B——锡林幅宽／m，A186型梳棉机B≈1.0m；

Nm——纤维平均公制支数／（m·g－1）；

q——梳棉机单产／（kg·h－1）；

N——锡林针布齿密／（齿·m－2），N ＝

表11 梳棉机不同产量、不同锡林转速时道夫针布转移率

表12 相同锡林转速、不同产量时道夫针布转移率

表13 不同产量、不同锡林转速时道夫针布转移率

将A186型梳棉机有关常数代入得梳理度：

由式（2）可见：梳理度C与齿密N、锡林转速nc、转移率γD及纤维平均长度成正比；与梳棉机产量q、纤维平均公制支数Nm成反比。也就是说，若提高梳棉机产量，纺制纤维号数细时，为保持梳理度C，必须增大针布齿密N，或相应提高锡林转速，或配置锡林、道夫间转移率高的针布。式（2）中，常数0.243 16适合于锡林直径为1.29m、幅宽为1.0 m的梳棉机，不同直径和幅宽的梳棉机，应按式（1）计算。

根据日本金井公司经验，每根纤维的平均作用齿数至少应为3；国产FA203型梳棉机滚筒直径和幅宽与A186型相同，包卷AC2030×01550，锡林转速nc为420r／min，产量q为40kg／（台·h），锡林、道夫间转移率γD为12%，纺制纤维平均公制支数Nm为5 500m／g（即线密度为1.82dtex），纤维平均长度为0.028m时，由上式可求得锡林针布单位面积的齿密N＝1 333 333（齿／m2），锡林针布梳理度C＝2.1（齿／根）。

金井公司认为，若每根纤维的作用齿数接近1，则棉结增加。一般，梳理度应控制在3：梳理度过大则转移不良、损伤纤维、短绒增加；过少则梳理不充分、棉结增加。

产量为40kg／（台·h），锡林转速为420r／min，纤维平均长度为0.028m，纤维平均公制支数Nm为5 500m／g（即线密度为1.82dtex），道夫针布转移率为12%时，不同锡林针布齿条型号的梳理度列于表14。

由表14可见：基部宽和纵向齿距减小，梳理度增大。目前一般的梳理度在1.6～2.6。产量提高时，为保持一定的梳理度，锡林转速一定要随产量增加而相应提高；否则，棉结将增多。

针布齿条型号 AC2520×01565AC2030×01660AC2520×01560AC2520×01360AC2030×01550AC2030×01540梳理度C 1.60 1.63 1.73 1.99 2.08 2.59齿密／（齿·m－2） 1 025 642 1 041 667 1 111 111 1 282 051 1 333 333 1 666667

3.2 齿密N

3.2.1 锡林针布齿密Nc

由前述锡林针布梳理度C可求得齿密Nc：

由式（3）可见：锡林针布的齿密与锡林的直径、幅宽、转速及纤维平均长度、道夫转移率成反比，与梳棉机产量、加工纤维的平均公制支数和梳理度成正比。按A186型梳棉机的锡林直径和幅宽代入，即得：

例1：A186型梳棉机，单产为20kg／（台·h），锡林转速为360r／min，道夫针布转移率为9%，加工纤维平均长度为0.029m，纤维平均公制支数为5 800m／g（即线密度为1.72dtex），梳理度为2.5齿／根，可求得锡林针布齿密为1 269 290齿／m2；折合为818.90齿／（25.4mm）2。

例2：JWF1204型梳棉机，单产为40kg／（台·h），锡林转速为420r／min，道夫针布转移率为13%，加工纤维平均长度为0.029m，纤维平均公制支数为5 800m／g（即线密度为1.72dtex），梳理度为2.3齿／根，可求得锡林针布齿密为1 385 897.44齿／m2；折合为894.13齿／（25.4mm）2。

例3：FA201型梳棉机，单产为15kg／（台·h），锡林转速为320r／min，道夫针布转移率为7.5%，加工纤维平均长度为0.037m，纤维平均公制支数为6 800m／g（即线密度为1.47dtex），梳理度为2.6齿／根，可求得锡林针布齿密为1 228 192.57齿／m2；折合为792.38齿／（25.4mm）2。

3.2.2 道夫针布齿密ND

道夫针布齿条的前角小、齿深大，纵向齿密受限制，为增加道夫针布排泄锡林—道夫三角区的高压气流和增加道夫针布针隙容纤量、提高转移率，横向齿密也不能过大；所以，在道夫采用小前角、大齿深、齿隙大容量等加强对纤维的抓取和凝聚能力的情况下，道夫金属针布的齿密应减小。

3.2.2.1 道夫针布的梳理度CD