梳棉机附加盖板针布齿条的设计与创新

冯喜奎，王雪峰，郑凯旋

(1.郑州科技学院 机械工程学院，郑州 450064；2.恒天重工股份有限公司，郑州 450001)

•综合述评

梳棉机附加盖板针布齿条的设计与创新

冯喜奎1，王雪峰1，郑凯旋2

(1.郑州科技学院 机械工程学院，郑州 450064；2.恒天重工股份有限公司，郑州 450001)

为满足高速高产梳棉机提高棉网和成纱质量的要求，介绍其附加齿条盖板针布的现状，提出设计要则和细化分类方案，详细论述刺辊及前、后固定盖板针布齿条的齿形参数设计和齿密配套原则，探讨产品创新与优化的措施。指出：梳棉机附加盖板针布齿条应具有小前角、大容量、高自洁、免维护、高耐磨、长寿命等特性，设计时应结合不同分梳区的纤维状态和梳理任务优选梳理器材，才能达到高效、高质梳棉的要求。

梳棉机；齿条；固定盖板；针布；分梳；耐磨；齿隙

0 引言

随着“中国制造2025”国家战略的推进，中国高端装备制造和升级步伐不断加快，发展自动化、数字化、智能化生产线成为我国纺机业今后的发展方向，梳棉机则是纺织装备科技水平的标志性设备，而针布作为梳棉机的“心脏”，为其高效、智能生产提供强有力保障。随着梳理装备的技术进步，梳棉机附加分梳用齿条盖板对高产、高效梳理的作用与影响越来越受行业关注，附加分梳区延伸纤维路径，扩大梳理区、细化区域功能组合，不但增加产量，且能显著提高棉网和成纱质量。附加分梳用齿条盖板的核心是其针布齿条，其设计、优化及创新对梳棉机功效提升至关重要。

1 附加齿条盖板针布现状

随着梳理技术的发展，新型高产梳棉机在追求高产的同时，更加关注棉网与成纱质量。对此，业内普遍采用扩大分梳区的措施：在刺辊部位加装齿条盖板(俗称“预分梳板”)，在回转盖板前、后加装固定齿条盖板，以加强分梳和除杂，确保足够的梳理度，同时提高梳棉机的一次分梳能力，改善棉网及成纱质量[1-3]。进口梳棉机上附加齿条盖板的更换、国产新型梳棉机固定齿条盖板配套、老型梳棉机的改造，形成了巨大的市场需求。

历经20多年的不懈努力，特别是近10年对国外先进梳理机的研究和借鉴，国产固定齿条盖板作为高端器材，品种、规格不断增加，质量、性能显著提高，再加上国产固定齿条盖板的成本和价格优势，逐步形成了与国外名牌竞争的局面[4]；但高端梳棉机配用国产固定齿条盖板的比例仍然较小，这主要是因为国产固定齿条盖板在制造精度、使用寿命和设计创新等方面与国外一流品牌尚存在一定差距。

2 齿条盖板针布设计

2.1 齿条盖板针布设计要则

2.1.1根据分梳区任务

齿条盖板一般配置在梳棉机的三个分梳区：刺辊上/下分梳区、后固定齿条盖板分梳区及前固定齿条盖板分梳区，三个分梳区不仅跨度较大，而且因为不同分梳区及同分梳区的不同位置所处理纤维的状态不同，齿条盖板具体承担的任务及应具有的梳理特性也截然不同，所以应进行针对性的特殊设计[5-6]。其变化规律是随着纤维束的细化、分解、伸直，固定盖板针布齿条的齿距、齿深逐步减小，齿密逐步增大。

2.1.2小工作角α与大容量

齿条盖板针布梳理纤维时，齿部为凹弧面，在锡林或刺辊离心力作用下纤维层极易向固定盖板齿底沉积，影响梳理效果，而小工作角利于使纤维处于齿部上端。

在刺辊及后固定齿条盖板分梳区，以较大的束状纤维为主，且混杂较大的破籽、杂质，束状纤维的松解、细化，杂质的剥离、破碎，都需要足够的空间，大齿隙容量能保障良好的释放性能，可有效避免齿隙充塞及嵌杂的发生。在前固定齿条盖板分梳区，来自回转盖板区的纤维流不会因齿隙容量骤减(回转弹性盖板针布的针隙容量比齿条金属针布的大得多)，而影响精细分梳和整理分梳的效果。

2.1.3高自洁，免维护

齿条盖板针布被固定后，因为其工作状态无法直接观测、检查和维护，所以要求其自洁能力强，不挂花、不嵌杂，使其检修周期长、免维护。为此，盖板针布齿条采用小工作角、楔形齿部截面、较大齿尖角、圆弧形齿根和加大过渡圆弧等设计特点，齿条包覆做到错位排齿，以保障对纤维有效释放，最大限度避免挂花及嵌杂的发生。

2.1.4高耐磨，长寿命

由于刺辊梳理区的齿条盖板针布总齿数远少于刺辊，锡林—盖板梳理区的回转盖板和固定盖板的总齿数远少于锡林金属针布的总齿数，故齿条盖板针布的磨耗大，按产品寿命周期的匹配要求，齿条盖板针布应具有高耐磨、长寿命的特性。

为此，金属针布齿条应采用高碳细晶钢、合金钢材质，高耐磨齿形设计等措施，并采取特殊热处理工艺，以确保产品具有较高的纤维梳理量[7]。

2.1.5科学布局，增强分梳

在各附加分梳区，通过不同规格齿条盖板针布的科学设置与布局，强化对应针布间的协同作用，使纤维层处于合理的梳理条件下，增强分梳效果。

2.2 细化产品分类

与传统梳棉机不同，因为新型梳棉机大量采用新技术和新材料，具有高速、高效、高针对性的特点，所以固定盖板针布应根据梳理机梳理要求的不同而有针对性地配置，以保障高效梳理和产品的高质量。对此，笔者认为固定齿条盖板针布应细化产品类别，逐步形成以下产品类型。

2.2.1通用型盖板针布

通用型盖板针布，与中、低端具有附加分梳要求的梳棉机配套，或与老型梳棉机增加分梳区改造相配套，或适用于生产品种在棉和棉型化纤之间经常变更，对齿条盖板针布通用性有一定要求的梳棉机。

2.2.2高耐磨型齿条盖板针布

高耐磨型齿条盖板针布，适用于高档清梳联生产线配套的梳棉机。高档设备投资大，要求设备开台率高、维护周期长、梳理器材寿命长，需要配用高耐磨、长寿命的针布；所以，齿条应采用优质合金钢材料制造，并对齿部进行特殊的高耐磨强化热处理。

2.2.3高速高产型盖板针布

高速高产型盖板针布，适用于高速、高产梳棉机。梳棉机车速高使被梳理的纤维离心力加大，需增大针布工作角α；高产条件下的梳理强度高，针布应有足够大的齿密；高负荷、强分梳条件下，又要求针布齿条具有高耐磨、长寿命的特质；所以，需采用优质合金钢材料和特殊热处理工艺，对齿部做高耐磨强化处理。

2.2.4化纤型齿条盖板针布

化纤型齿条盖板针布，适用于纯化纤或以化纤为主的混纺，以大工作角、大齿隙设计解决化纤梳理中因静电而缠绕及糊齿的问题。

2.3 齿形设计

金属针布作用于纤维时，所表现的效能包括对纤维的穿刺、吸纳、握持、均混、分梳、释放和转移等，随金属针布梳理的机型特点、纤维种类、工艺配置、纺纱产品、包覆或固装工位等的不同，其效能的突出和强化要求就不同，从而形成了不同类别、不同齿形、规格众多的金属针布齿条。金属针布齿条的齿形在满足冲模加工和冲齿工序要求的前提条件下，有广阔的设计空间。

2.3.1直线齿前面大容纤量齿形

较大尺寸规格的盖板针布齿条也比刺辊针布齿条的齿深小,当齿前面设计成直线形时,齿前面工作角的直线部分过浅,容纤空间不足时应适当减小齿尖角β(约为40°),从而增大齿间容积,形成直线齿前面的大容纤量齿形，如图1所示。

图1 直线齿前面大容纤量齿形

2.3.2高耐磨、慢衰退齿条齿形

针布齿条为直齿形的齿尖角β设计过小,其缺陷一是齿尖强度不足而易掉尖,二是齿尖小而不耐磨损;而加大齿尖角β，会导致锋利度和齿隙容纤量下降。高耐磨、慢衰退齿形如图2所示，在较小齿尖角β的齿前面负工作角齿形基础上进行优化，即将齿前面靠近齿顶面处的(直线部分的1/3) 工作角α加大(约8°)，齿背面靠近齿顶面处设计为弧形(弧尖)。工作角是金属针布齿条的主要技术参数，影响对纤维的握持与释放，仅在齿部小区域加大工作角，对全齿握持与释放纤维流层不会造成大的影响。

图2 高耐磨慢衰退齿条齿形设计

此齿条齿形设计的主要优点表现在：采用较小齿尖角β，既能获得较大的齿隙容纤量，又增大了齿部强度而抑制掉尖的发生；有效地增加了齿部的可用磨损量，为梳理磨损储备了较多的材料，可明显提高齿条的耐磨性和使用寿命[7]；有效减慢金属针布的衰退。齿条齿部的衰退突出表现在3方面：齿高变小、齿尖及棱角圆钝、齿形改变。图2所示的齿形设计可以减缓齿条齿高变小，尤其是减缓了齿形衰退。针布齿条的磨损极不均匀，越靠近齿顶面的磨损越快，伴随着齿部磨损使工作角逐渐变小、纤维的握持逐渐不足而释放，滑脱加剧，梳理功效逐渐衰退。当加大工作角并做弧面设计后，齿条高耐磨慢衰退的优势明显。

如图3所示，是两种齿条齿部磨损衰退的对比，在其早期及中期磨损过程中，高耐磨、慢衰退齿条齿部特别增加的材料抵消了齿部磨损，使齿高磨损变慢，特别是工作角的衰变大幅减缓，有效保持齿部形态，为取得较好的梳理效果创造条件。

a) 高耐磨、慢衰退齿形 b) 普通直齿形图3 齿条齿部磨损衰退对比

2.3.3直线齿前面弧背齿形

如图4所示，弧背齿形设计使齿顶强度加大，不易掉尖；齿尖角β减小，形成较大齿隙容纤量；弧形齿顶耐磨性优于直齿形，可有效延长其使用寿命。

图4 直线齿前面弧背齿形

2.3.4其它齿形

其它齿形设计，如直齿齿形、直齿平底齿形及直线负工作角平底齿形等。

2.4 刺辊齿条盖板针布

刺辊齿条盖板针布的任务是开松和分解粗大棉束、剥离籽壳、细化杂质，工作中的针布受力大且不均衡，杂质、粉尘对针布的磨耗极大，应科学设计。

2.4.1小齿密

盖板针布齿密与刺辊针布齿密相匹配，并以前者不大于后者为准则。盖板齿密设置：特吕茨勒为78齿/(25.4 mm)2，90齿/(25.4 mm)2；格拉夫为40齿/(25.4 mm)2，60齿/(25.4 mm)2，90齿/(25.4 mm)2；鉴于盖板针布制造及应用日臻成熟，推荐采用齿密为60齿/(25.4 mm)2，90齿/(25.4 mm)2，120齿/(25.4 mm)2，纵向齿距采用3.2 mm～5.6 mm，横向可用隔距片作齿密调整，工作角α为-5°～5°。其中，当刺辊转速越高时，其工作角α应越小，或纤维静电越高时，其工作角α越小。

2.4.2大容纤量

横向齿距大，形成宽松的纤维通道；纵向齿距大，使齿底具有足够的容纤量；所以，盖板针布齿条设计为直线负工作角大容纤量齿形，或直线负工作角弧背齿形，或直线负工作角平底齿形，小齿密与大容纤量的结合，可实现对粗大纤维团、束握而不塞、释放自如的效果。

2.4.3高耐磨

除了齿条材质和淬火工艺保障之外，还可采取表面(层)强化措施，盖板针布齿条的齿顶宽可大于刺辊针布齿条的，并对齿形作高耐磨、慢衰退设计。

2.4.4高强度

齿部的高强度和齿条安装的高强度，以应对强大且不均匀的梳理力。一般应以较小的齿深、楔形齿来提高齿部强度，齿深为2.2 mm～3.0 mm；当齿尖角β不大于40°时，弧形齿前面或弧形齿背面可增加齿条齿部强度。

除了上述设计外，对盖板针布齿片段的错位排列、倾斜排列或“V”型排列等，可以优化对纤维的分梳效果。

2.5 后固定齿条盖板针布

后固定齿条盖板针布是预分梳的进步，为回转盖板针布与锡林针布主分梳创造条件，进一步开松和分解纤维束，分离杂质和短绒，均混纤维。梳理时齿条齿部受力较大且不均衡，应作合理地设计。

2.5.1针布齿密梯次渐增

从刺辊盖板到回转盖板, 针布齿密从刺辊盖板的60齿/(25.4 mm)2～90齿/(25.4 mm)2到回转盖板的400针/(25.4 mm)2～550针/(25.4 mm)2，但采用单一针布齿密不利于纤维的渐进梳理，因此,以几种齿密梯次渐增的配置,其梳理效果更好。生产过程中,应根据机型及纱线产品要求,针布齿密可在90齿/(25.4 mm)2～330齿/(25.4 mm)2进行优选组合。

2.5.2上下衔接

刺辊盖板针布齿条尺寸规格较大，回转盖板针布总高大，置于两者间的后固定盖板齿条总高、齿密配置应与这两者衔接，齿条总高应比盖板针布的渐小，宜在2.2 mm～0.9 mm间梯次渐减；否则会引起纤维流的涌堵而影响梳理效果。

2.5.3不充塞、不绕挂

后固定盖板分梳区存在较大且分布不均匀的束状纤维，瞬间涌堵时有发生，极易产生充塞绕挂，齿条工作角应以0°～7°设计为宜，并选择较大齿隙的齿形，确保其对纤维的有效释放。

以上设计的后固定盖板组(3种或2种规格)的齿条尺寸宜为梯次渐减、齿密梯次渐增、分级配套的盖板组合[8]。

2.6 前固定齿条盖板针布

前固定齿条盖板针布梳理区是梳理的补充、延伸，重点解决回转盖板针布出口端针密不足的缺憾，在齿密梯次渐增条件下完成精细分梳、整理分梳，以顺直纤维，进一步清除残余杂质、微尘及短绒，以达到改善棉网及成纱品质的目的。

2.6.1具有衔接性

前固定齿条盖板针布的齿密及梳理度与回转盖板针布的针密和梳理度相衔接(高于回转盖板针布)。

2.6.2具有延伸性

为实现精细分梳和整理分梳，进一步提升纤维的伸直度，要将梳理的收尾区段向大齿密延伸[8]，即前固定盖板针布齿条尺寸规格梯次减小，但不小于锡林针布，以5°～7°为工作角(梳理化纤时工作角应更小)；尽量选择较大容纤量的齿隙，根据机型及纱线产品的不同，齿密可为310 齿/(25.4 mm)2～860 齿/(25.4 mm)2，做到优选组合。

以上设计理念形成了前固定齿条盖板针布是一组(2种或1种规格)齿条尺寸规格较小、齿密大于回转盖板针布且梯次渐进加密的盖板组合。

3 附加盖板针布的创新与优化

3.1 普遍适用的创新优化

3.1.1齿条高耐磨、慢衰退设计

其必要性及设计理念已详述，经多次尝试不但得到精准的齿条几何尺寸，还大幅提高了冲模寿命。

3.1.2表面处理保障高自洁、不绕花

3.1.2.1机械刷光

利用回转式齿片刷光机软毛刷抛光辊(毛刷上覆有抛光磨料)对排列好的齿片进行刷光，对抛光辊的转向、转速、摆动和刷毛方向作科学设计，可有效地清除针布的毛刺及氧化膜。

3.1.2.2电化学抛光、镀层处理

电化学抛光也称电解抛光，是被抛光工件在黏膜作用下的阳极溶解。在去除毛刺和热处理氧化皮的同时，由于齿条表面凸起点的溶解度大于低凹点，从而使齿条表面粗糙度得到改善。镀层处理不仅能获得高耐磨的表面层，镀前的预处理也有溶解毛刺的作用，使镀后的齿条表面粗糙度得到改善。

3.1.3大齿隙设计

盖板金属针布齿条的总高比弹性针布的梳针总高要小很多，因此应做大尺寸齿隙设计，并增大齿条肩部，以保证足够的容纤空间及气流通道，提高了分梳能力，且有利于清除碎屑和嵌杂。

3.2 分类创新优化

3.2.1齿片式

3.2.1.1齿片无残齿、毛刺

入口及出口端不留残齿，如图5中箭头所示。当前排为整齿时，后排齿片可能会留下残齿(图中箭头所指齿片的端部)；模具精度有保障，将不产生毛刺。

图5 齿片上残齿

可行性方案为：优化冲齿工艺及模具以不留残齿；实施冲淬卷生产线的节段周期冲齿。应借助伺服及其它协同传动技术，将冲淬卷的冲齿牵料与齿条冲截送料长度进行统筹设计，即在冲淬卷生产线上的每牵料一组连续正常的齿距后，再牵引1～3个小齿距以生成一段无齿间隔，在此间隔区冲截齿段。无齿空隔设计长度不同，后续截冲时生成具有不同齿位起点的齿段，但都不再有较大的残齿。

3.2.1.2嵌镶充分露齿

固定齿条盖板针布易发生齿底积聚碎屑甚至于糊齿的问题。这与齿条工作角α过大而使纤维释放不足、齿部表面粗糙度大有关；或因总高太小、齿根陷入座板平面之下。为此，齿片在铝合金座板上嵌镶深度不应过大，齿片的齿部、肩部应完全高出座板平面以使纤维及气流畅通，不给碎屑积聚的空间，为纤维流拖带杂质、清除嵌杂创造条件。如图5所示，嵌镶深度较合适，图6所示则齿片嵌镶过深。

图6 齿片嵌镶过深

3.2.2隔距片式

隔距片式齿条盖板针布在全齿淬火、精细抛光、以隔距调齿密、全齿宽布齿等特点前提下，其创新是由等宽齿(齿顶与齿根等宽)改变为楔形齿(齿顶宽小、齿根宽大)，优化前齿形见图7a)，优化后齿形见图7b)。此时，半成品钢带单侧有斜面，加工工艺需进行相应调整。当为楔形齿后，齿顶宽变小、齿根宽变大，整齿强度增加，为加大齿高创造了条件，低齿密得以减小纵向齿密(大齿距)、增大横向齿密(减小隔距)，与锡林金属针布的齿密布局相匹配，以强化分梳效果；高齿密金属针布的齿部锋利度得以提高，还可有效遏制横向齿隙嵌杂的发生。

a) 优化前

b) 优化后

3.2.3边夹式

3.2.3.1加隔距片

边夹式盖板骨架属传统产品，除了还在用于边夹式固定盖板以外，现主要用于刺辊预分梳板，其规格尺寸较大，轧制时基台的形态规整有难度，台侧平面小或宽度不一致都会影响排列精度。设置隔距片，减小基台高度，可提高轧制精度，用板销串排后的齿片精度提高。加隔距片后，基部宽减小，可大幅降低材料成本(隔距片材料成本低)，如图8所示。

a) 整体式齿片

b) 隔距片式齿片

3.2.3.2齿片无残齿、毛刺

同齿片式。

钢针式在刺辊、刺辊盖板、固定盖板上的试验效果明显优于齿片式[9-11]，但在钢针截面与强度、钢针底布选材及结构设计、生产效率、大针密应用、针尖平面度等方面尚需有新的创新与突破，才能实现规模化生产和应用。

4 结语

4.1梳棉机附加盖板的设计与创新是一项系统工程，包括盖板结构及其配置、选型、配套及针布齿条技术性能、质量特征、规格参数设计、创新与优化。

4.2设计附加盖板针布要抓住3个关键： 结合不同分梳区纤维状态；围绕各分梳区金属针布齿条的具体任务；与刺辊、固定盖板以及锡林的合理配套。

4.3附加盖板的应用延伸了纤维路径，扩大了分梳区，实现了分梳多区段，利于梳理的分区域功能组合设计、优化针布配置，使梳理作用更加高效，为提高棉网和成纱品质创造了条件。

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DesignandInnovationofAdditionalFlatWireofCardingMachine

FENG Xikui1,WANG Xuefeng1,ZHENG Kaixuan2

(1.School of Mechanical Engineering Zhengzhou University of Science and Technology, Zhengzhou 450064,China;2. Hi-tech heavy Industy Co.,Ltd.，Zhengzhou 450001,China)

To meet the demand of high quality web and yarn on high-speed carding machine,introduction is made to the additional flat wire regarding the status quo plus the design concept and detailed classification scheme.Discussion is made to the parameters and tooth population of taker-ins and the front and rear stationary flats.Probing is done into measures of product innovation and optimization.It is pointed out that additional flat wire should be of small front angle,big capacity,highly self-cleaning performance,free maintenance,high wear resistantance,and long service life.Wire design should be combined with the varieties of fibers in different carding areas.Carding accessories optimization should be done in conformity with the carding task in order to achieve high efficiency and high quality of carding.

carding machine;wire;stationary flat;clothing;carding;wear resistance;backlash

TS103.82+1

A

1001-9634(2017)06-0048-06

2017-04-08

冯喜奎(1956—)，男，河南荥阳人，高级工程师，主要从事梳理器材方面的研究。