柔性梳理用针布设计原理探析

2018-08-20陈玉峰王子峰

纺织器材 2018年4期

陈玉峰，王子峰

(1.光山白鲨针布有限公司，河南光山 465450；2.项城市纺织有限公司，河南项城 466200)

0 引言

对纤维的柔性梳理，是基于对纤维强烈打击、梳理而受到的损伤提出的，其目的是为减少纤维损伤、多伸直且充分梳理。梳理过程中，在纤维与针布、纤维与纤维间的作用力与反作用力下，实现纤维和杂质分离及纤维的伸直平行,实现对纤维的柔性梳理，其中针布设计是基础，加强对柔性梳理理念和柔性梳理针布的研究具有积极意义。

1 梳理纤维的性质与特点

1.1握持梳理

纤维层一端在握持状态下由针齿对纤维进行梳理，称为握持梳理。握持梳理作用强度大，对纤维的损伤也较大，如发生在刺辊与固定盖板之间，其影响因素及梳理程度一般以梳理度来评价。

刺辊梳理度以每根纤维受到的平均作用齿数表示，其计算公式为：

(1)

式中：

C——每根纤维受到的平均作用齿数；

v——给棉罗拉线速度/(m·min-1)；

W——棉层定量/(g·m-1)；

nt——刺辊转速/(r·min-1)；

Z——刺辊针布总齿数；

L——纤维平均长度/m；

Tt——纤维平均线密度/tex。

刺辊针布总齿数Z由下式计算：

Z=Dt×π×b/(P×R)

(2)

式中：

Dt——刺辊针布齿尖面直径/mm；

b——刺辊针布齿尖面长度/mm；

P——齿条纵向齿距/mm；

R——齿条间距/mm。

高产梳棉机刺辊针布的梳理度值一般为0.5齿/根～1.0齿/根。分析式(1)可知，刺辊针布的梳理度与刺辊转速、刺辊总齿数、纤维平均长度、纤维线密度，刺辊针布齿尖面直径及长度成正比，而与喂入棉层线密度、给棉罗拉线速度、刺辊齿条齿距以及齿条间距成反比。该公式仅从接触纤维角度分析，未考虑齿条的工作角。原苏联则是考虑棉束开松和除杂的主要参数，未考虑棉束大小、刺辊结构、齿条工作角以及齿条总高、齿距的作用[1]。刺辊金属针布是减少纤维损伤和保证梳理效果的关键，其梳理作用是改善纤维的取向度，实现单纤维化约为70%，除大杂不少于50%。

由于握持梳理的针布对纤维的冲切力较大，是实现柔性梳理须首先攻克的重点。

1.2自由梳理

自由梳理的纤维层被配置的一对针布分别控制、交替分梳和转移，从而实现纤维层的分离。自由梳理主要发生在锡林—回转盖板间，同时存在于刺辊—锡林、锡林—道夫、固定盖板—锡林间。自由梳理强度取决于纤维的分布状态，其梳理度以梳理力和梳理负荷来评价。

1.2.1梳理力

束块状纤维在梳理区内同时受到两个工艺部件上的针布梳理，由于两部件存在速度差异，接触同一束块状纤维的两针布齿尖错开时则纤维必然受到一定张力，使束块状纤维张紧、伸长，而纤维以阻力R(工艺上称为梳理力)作用于针布上。梳理力是纤维轴向所受的力，其大小与针布结构、工作部件相对速度、纤维相互联系力等有关。采用功率测定法测得梳理力的数值，换算为单纤维的平均梳理力时仅为几毫克，因而梳理力大小并不是锡林—盖板工作区中纤维损伤的主要因素。梳理力过小，往往不能获得较好的梳理质量；但梳理力过大，也会局部地损伤纤维。设备运转时，锡林—回转盖板间有纤维负载的功率N(kW)和空车功率N0之差，可作为梳理消耗的功率。式(3)可近似求得锡林—回转盖板区的总梳理力。

ΣR=|N-N0|×102/vc

(3)

式中：

vc——锡林齿尖面线速度/(m·s-1)。

1.2.2锡林—回转盖板区总负荷Q

由于是自由梳理，锡林—盖板同时控制纤维，总负荷Q是指在锡林—盖板梳理区两针布面上内、外层纤维的总质量。Q的计算公式为：

Q=Pvv(1-a)/nc[(c1/g1-1)+c2+

Ng2vcHB/Kvfg1(1-g2)]

(4)

式中：

Pv——棉卷定量或筵棉质量/(g·m-1)；

v——给棉罗拉线速/(m·min-1)；

nc——锡林金属针布齿尖面转速/(r·min-1)；

a——后车肚落棉率/%；

g1——道夫转移率/%；

g2——回转盖板转移率/%(以单位时间内的盖板花总量与喂入棉层总量之比估算)；

N——梳理区回转盖板根数；

H——锡林滚筒上金属针布宽度/m；

B——回转盖板的植针宽度/m；

vc——锡林金属针布齿尖面线速/(m·min-1)；

vf——回转盖板针尖面线速/(m·min-1)；

K、c1、c2——由机台给定的常数。

在剔除特定机型的非变参数后，可得影响Q值的参数有v、Pv、g1、g2、vF、nc(vc)等；nc单独增速，其它参数不变时，并不能使Q降低，当增大g1时则可减小Q；道夫转速加快或锡林—道夫隔距减小，同样增大g1，从而降低梳理区的纤维负荷；Q值与梳理质量关系十分密切[2]。

锡林、回转盖板和道夫在梳理过程中，其针布上均有纤维层，纤维层的质量、密度和结构直接影响针布对纤维的握持能力、吸放性能和梳理次数，因此，对梳理功能有很大影响。纤维层在单位针面上的质量称为针面负荷，锡林、回转盖板和道夫针布上纤维层的质量、结构均不同；自由梳理不再以简单的梳理齿数计算，因为还有自由纤维。自由梳理被握持纤维以不同的形态存在，重点是实现精细梳理，以总纤维在两针布间的受力大小，细分到单根纤维方面主要是纤维间摩擦和接触分梳后的伸直平行状态。

自由梳理条件下的柔性梳理可以实现，而梳理强度是需要解决的问题。

2 柔性梳理

2.1柔性梳理的要求

柔性梳理的理想状态是纤维少损伤、多伸直，其相对强分梳要求主要是梳理器材、梳理纤维和梳理条件。

梳理器材指针布，梳理条件主要是对纤维的控制及工艺条件，三者协调作用进行梳理，以实现纤维与杂质分离、纤维伸直平行，在梳理过程中应避免纤维受力过大造成损伤，即进行柔性梳理。

2.2柔性梳理的特点

对纤维的梳理度，主要指梳理度和梳理强度。梳理度是针或齿作用于纤维的次数，梳理强度是纤维受力后的伸直状态。

柔性梳理是相对“紧隔距、强梳理”而言，其纤维受力伸直充分且损伤少，柔性梳理使伸直三度不小于95%，纤维损伤(短绒增长率)少且增长率不大于喂给筵棉，棉结清除率不小于80%，杂质清除不小于99%；后纺的质量指标主要体现在纱线强力和条干均匀度，同时部分自由纤维(浮游纤维)在牵伸运动中容易或者能够及时得到控制[3]。

2.3柔性梳理的影响因素

柔性梳理的影响因素是：针布材质及其尺寸规格、纤维的喂入状态、针布的运行状态和梳理作用力的相关工艺因素。

2.3.1握持条件下的柔性梳理

握持梳理条件下，针布损伤纤维的类型，如图1所示。

从图1可知，握持梳理条件下纤维的伸直状态、针布梳理的齿数、齿条齿部的尺寸规格(梳理时纤维的受力形式)对实现柔性梳理有很大的影响；同时合理的隔距和速度，都是实现柔性梳理的必要条件。

a) b) 图1 握持条件下针布损伤纤维的类型

2.3.2自由梳理条件下的柔性梳理

自由梳理时，纤维沿针布运动的形态：① 纤维向齿底部移动的力克服T(法向力)，则纤维向齿底部移动，沉入齿隙形成纤维层；② 不能克服T，纤维虽有向齿底移动的趋势，却只能停留在齿顶面接受梳理；③ 纤维有向齿顶面移动的趋势，但不足以克服T，只能停留在齿前面接受梳理；④ 纤维向齿顶面移动的力能克服T，结果滑出锡林齿尖面，纤维转移到回转盖板针尖面上。显然，②和③两种情况时纤维接受梳理的条件最佳。由于锡林、回转盖板两针面的弹性层并非恒定，因此纤维实际停留在齿前面接受梳理的情况要复杂得多。另外，齿条工作角α与纤维的运动有关：α大时纤维容易沉入齿底；α小时，又容易使纤维向齿顶滑出；所以，α的大小与纤维是否能获得充分梳理关系密切。

梳理过程中，纤维沿齿前面运动和绕齿部运动非常重要，前者是剥取和提升的基础，后者则是梳理的基础；没有沿齿前面运动，纤维无法沉入齿底部或提升到齿顶面，也不能脱离一个针布而转移到另一个针布上去。绕齿部运动可以把大束纤维分解成小束、直至分解成单根纤维状态。在梳理过程中，这两种运动经常同时发生。梳理的关键是减少纤维的横向联系，增强纤维的纵向联系，纤维的沿齿前运动以及绕齿部运动都会因受力造成纤维损伤。

在自由梳理条件下，针布对纤维的取向度、作用强度、齿条的尺寸规格和隔距等工艺条件有影响，因此，合理的尺寸规格、较小的齿条表面粗糙度值利于减小摩擦力；合理的隔距和速度是柔性梳理的必要条件[4]。

2.4柔性梳理的其它要求

柔性梳理是一项系统工程，应做好梳理前准备、梳理过程优化及梳理后整理。梳理前，纤维束需要开松以提高纤维取向度、减小梳理负荷；梳理中，需要合理的工艺和梳理条件的配合，减少过度强梳理后的纤维损伤；梳理后牵伸前，还要对纤维的伸直取向度进行保护和进一步整理，以提高牵伸效果。由此，棉束分解、单纤维梳理、伸直三度较佳纤维的进一步伸直和状态的保护都需要合理设计，才能实现系统的柔性梳理[5]。

3 柔性梳理用金属针布的设计

3.1设计要求

柔性梳理的核心是清梳用金属针布齿条的设计与流程工艺相结合，才能实现对纤维的精细梳解、充分除杂及有效整理，达到提高纤维伸直度的目的。

柔性梳理对金属针布齿条设计的要求：① 齿条齿部与纤维接触应柔和，减小摩擦力和打击力，减少直接打击；② 优化齿深、齿前面形态、角度和释放能力以及齿条表面粗糙度，减少齿前面负荷，提高转移率；③ 优化纤维转移角度以及针布间的配合以保证梳理强度，使纤维梳理、排杂充分、伸直效果好；④ 减少强烈打击，采用钢针穿刺扯松，实现清梳工序开松、分解、梳理和整理之间的柔性渐进。

3.2系统设计

3.2.1清棉用金属针布齿条

开清棉用金属针布是开松和梳理的源头，实现柔性梳理的金属针布齿条应做到齿距大、基部宽，刀片改成钢针，以利于减少棉块横向联系、增加梳理效果、降低纤维损伤。

3.2.2大齿距、小基部宽刺辊齿条

刺辊金属针布对纤维的冲击和摩擦是造成纤维损伤的主要原因，降低刺辊转速会导致梳理度下降。合理的刺辊转速，实现柔性梳理主要应在齿条齿部和齿型设计方面做研究，齿部光洁、齿顶宽由0.33 mm～0.24 mm减小为0.17 mm～0.18 mm，则刺辊金属针布的穿刺能力增强；齿顶与纤维的面接触变为点接触，实现柔和梳理；齿形由直线齿前面变为双弧面；提高齿部淬火硬度，以提高金属针布使用寿命[6]；普通刺辊齿条齿型与柔性梳理刺辊齿条齿型对比见图2。

a) 普通齿型

b) 双弧齿型

c) 驼峰齿型

3.2.3锡林金属针布齿条

锡林金属针布柔性梳理，重点从齿条的“矮、浅、尖、薄、密、小、硬、光”体现“柔”，锡林金属针布齿条的主要几何尺寸及作用见表1。

表1锡林金属针布齿条的主要几何尺寸及其作用

参数作用齿距P1.3 mm～2.2 mm,有逐步增大趋势,主要目的是减少纤维损伤基部宽b10.80 mm～0.35 mm,基部宽小,可加大对纤维须丛的横向梳理,同时弥补纵向大齿距带来的齿密减小的问题齿密棉纤维用金属针布有加密趋势,如双齿型金属针布齿条齿密增大为1500齿/(25.4 mm)2;差别化纤维也宜采用较小齿密工作角α10°～40°,逐步加大,以加强对纤维的控制能力(已有α= 50°)齿深h6/齿条总高h1齿深结合齿部的几何形状有变小趋势,以利于减少齿尖面负荷、提高纤维转移率、减少反复揉搓造成的棉结增加;目前齿深最小为0.25 mm,早期为0.50 mm,而齿条总高则降低为1.5 mm齿底形状和弧线曲率齿底形状和曲率逐步增大,齿底以容纤量适度、易于转移为宜,曲率以渐大变角为宜,以减少纤维控制点的集中,使纤维较为分散,延长针布的使用寿命;齿底形状由直角边发展为浅底、负角齿顶面积齿顶长l由0.08 mm逐步减小为0.04 mm,以提高齿尖的穿刺能力,减少纤维损伤横截面形状齿条横截面一般为左、右直角梯形和等腰梯形3种,其与纤维的轴向运动方向不同;等腰梯形横截面针布齿条是发展方向;目前已有各种齿形,如大平顶、驼峰弧背、直齿表面处理技术机械抛光、等离子、化学处理、镀层处理以及表面强化处理、金刚石纳米颗粒涂层等,重点解决齿条不耐磨的问题;通过表面强化处理的金属针布硬度由960 HV提升到1200 HV4测点硬度提高第1、第2测点的硬度,降低第4测点的硬度,前者为了提高梳理质量和金属针布使用寿命,后者为了包卷方便

3.2.4道夫金属针布齿条

在柔性梳理条件下，道夫金属针布齿条设计应兼顾转移和梳理，以提高转移率、减小齿尖面负荷为核心。齿条设计以增加容纤量与提高转移率相结合，齿密、齿深以控制转移相结合。道夫金属针布齿条型号规格和表面状态直接影响其对纤维的抓取、握持和释放能力，其核心是在梳理转移适度的基础上减少后弯钩纤维的产生。道夫金属针布齿条工作角大则抓取纤维能力弱，不利于转移率的提高；齿深大，可增大齿隙容纤量，同时使锡林高速回转产生的气流能够顺利从道夫金属针布齿尖溢出，提高纤维转移率；齿密大，道夫对纤维的抓取能力增强而有利于转移率的提高。此外，还须使齿顶面积适度，针布平齐锋利、光洁耐磨，避免轧伤[6]。传统道夫金属针布齿条和新型道夫金属针布齿条参数对比见表2。

表2 道夫金属针布齿条设计对比

项目道夫金属针布齿条传统型新型工作角α/(°)25～3030齿形直线齿直线齿,弧形齿多变齿条总高h1/mm3.5～4.54.0～5.0齿深h6/mm1.9～2.42.0～2.6齿顶长l/mm0.10～0.130.11～0.15齿密/[齿·(25.4 mm)-2]306～550306～550(直线齿纺化学纤维加密)基部高h2/mm1.2～1.41.0～1.3适纺范围通用专纺性强齿条侧面光洁有横纹和沟槽(1～5)表面处理技术无机械抛光、涂层等技术

分析表2可知：道夫金属针布齿条的技术进步主要是工作角α增大(当其稳定在30°时利于抓取和转移)、齿深h6增大、齿密结合齿形适度增减、齿形设计多样性以及采取表面处理技术等，既结合纤维性能又兼顾抓取、转移、控制和释放等性能，齿条齿部硬度增大，与纤维摩擦因数减小，在便于转移的同时提高防腐防锈能力，有利于柔性梳理。

3.2.5固定齿条盖板针布

固定齿条盖板针布是清梳联梳棉机重要的附加器材，后固定齿条盖板针布具有预梳理作用，前固定齿条盖板针布具有整理作用，其数量与梳理质量正相关[7]。固定齿条盖板针布—锡林针布间为自由梳理，以减少嵌杂为核心，从而忽视了梳理作用；因此存在柔性梳理但梳理强度不足的问题。如：大圆弧齿前面齿形，梳理效果好，但对纤维损伤大；负角齿底齿形齿条不嵌杂，梳理效果一般；平齿底齿形，排杂、梳理效果好，但使用寿命短，所以，梳理效果与不嵌杂对齿条盖板针布而言是一对矛盾体，设计时应兼顾齿密、减少纤维损伤和嵌杂问题。

3.2.6弹性盖板针布

弹性盖板针布设计的柔性理念是：针尖小(0.03 mm～0.05 mm)、总高小(7.0 mm～8.0 mm)、植针渐密、角α适中(12°～28°)、钢丝截面为卵形(也可为菱形、双凸形)、淬火后硬度高(960 HV)、针尖平面度好(同副偏差不平磨为±0.25 mm，平磨为0.15 mm)等，使控制纤维能力和排杂通道有机结合，以利于梳理兼顾排杂，达到控制纤维适度、抗弯能力强、排杂效果好和梳理效果好等目的[8]。