梳棉机用金属针布齿条的演变与研发思考

2020-12-21陈利国

纺织器材 2020年5期

陈利国

(金轮针布(江苏)有限公司，江苏南通 226143)

0 引言

1850年前后，西方国家发明的首台盖板梳棉机采用弹性针布梳理纤维，其台产量约为1.5 kg/h～4.0 kg/h。为提高梳棉机的适纺性和梳理效能历经百年研究改进，于1922年，由Platt Freres 研究的金属针布齿条在法国Ro-baix申请专利；1924年，由Platt设计、英国J·W·H Platt公司试制出梳棉机用锡林与道夫金属针布齿条；于1952年使欧洲半数以上梳棉机采用了金属针布[1-2]。我国于1955年引进了苏联制造的金属针布齿条；在1958年由青岛纺织机械厂开始制造梳棉机用金属针布齿条；20世纪70年代后，我国开始引进瑞士格拉夫(Graf)、英国ECC、瑞典ABK、日本金井(KANAI)和美国豪林沃斯(Hollingsworth)等公司针布；到80年代，先后引进格拉夫和ABK公司的梳棉机用金属针布齿条和盖板针布的制造设备和技术，经不断消化吸收和技术突破，国内梳棉机用金属针布齿条产品开发与制造技术取得长足进步。

1 梳棉机用金属针布齿条齿型演变

1.1 刺辊齿条

1.1.1金属针布齿条由基部和齿部组成，刺辊金属针布对纤维的梳理属于握持梳理，棉层在给棉罗拉与给棉板的握持下逐步送入刺辊金属针布梳理区，被握持的棉层在刺辊金属针布梳理时受到刺辊金属针布的挤压、穿刺和撕扯而被分解成较小的束状纤维和少量的单纤维，然后被锡林金属针布剥取带离刺辊金属针布表面；可见，刺辊金属针布是纤维在梳棉机中开始被松解和梳理的起点。

1.1.2刺辊齿条有普通基部和自锁基部(V型)之分，如图1所示。

1.1.2.1普通基部齿条仅用于槽式刺辊，由于是嵌入刺辊辊体的浅槽中，齿条基部宽要严格控制；在多次包、退卷后使辊体上的槽宽磨损变大，导致刺辊齿条无法可靠固定或出现嵌花而影响梳理效果；若齿条断裂(因基部硬度过高或梳理力过大)则易伤及其他机件，因此普通基部的刺辊齿条将随着槽式刺辊的淘汰而消失。

1.1.2.2自锁基部齿条适用于各种刺辊，其优点是齿条基部宽尺寸可实现系列化，利于刺辊横齿密的改变与选择，且齿条即使断裂也不会松开；缺点是其基部截面尺寸大使坯片成型相对困难、形状与尺寸精度不易控制；但其优势显著，已成为当代梳棉机用刺辊齿条基部的标准配置。

1.1.3刺辊齿条齿型主要有4种，见图2。

1.1.3.1直线与弧齿底齿型是最常见的刺辊齿条齿型，适纺各种纤维。

1.1.3.2负角齿底齿型的刺辊金属针布可以阻止纤维下沉到齿底，有利于刺辊金属针布上的纤维向锡林金属针布转移，主要适用于粘胶纤维(纤维素纤维)的中低产梳理。

1.1.3.3驼峰齿部齿型的刺辊金属针布是近两年由格拉夫推出的，主要适用于纺棉。对比验证发现，梳理皮马棉(长绒棉)的效果显著，这可能与驼峰齿部齿型阻止纤维下沉齿底、有利于纤维中结杂的排除、同齿距时容纤量小可减少抓纤维量、齿部对纤维打击减小而减轻纤维的损伤等有关；但在齿密、原棉、工艺条件相同情况下，与不同齿型刺辊金属针布进行梳棉对比试验，未见显著优势。

1.1.3.4钢针针布应用在三刺辊梳棉机的第1刺辊上，优点是圆滑的针尖有利于对棉层的穿刺并且减少对纤维的损伤；其缺点是当钢针磨损后无法单独更换，须整体更换针布，使生产成本远高于齿条式金属针布。国内有关对比试验验证，并未得到刺辊用钢针针布的梳理效果明显优异的结论，因此国内多数企业使用这种刺辊针布报废后仍应用了齿条式金属针布，钢针针布至今也未成为国内梳棉机的主流配置；但是，随着刺辊钢针针布结构优化、配套工艺研究的深入，以及制造成本的下降，或许未来能得到较好应用。

1.2 锡林齿条

1.2.1在梳棉机的锡林—盖板梳理区，锡林金属针布的主要功能是梳理与抓取纤维，而盖板针布主要功能是排除棉结、杂质和短绒，二者共同作用使束状纤维被分解成相对伸直平行的单纤维，梳理后的有用纤维由锡林金属针布向道夫金属针布转移或返回被反复梳理。所以，锡林金属针布是梳棉机最为重要的梳理器材。

棉纺锡林齿条都采用普通基部形式，其主要变化体现在齿部，而齿部的变化主要体现在齿前面和齿背面，近年来也开始对基部宽进行改变。

1.2.2常见的锡林齿条齿型如图3所示，这些齿型是中低产梳棉的标配，可结合不同的设计参数满足对各类纤维的梳理要求。

1.2.3近年来，国内外金属针布齿条供应商开发出各种齿型的锡林齿条(如图4所示)，目的是提高锡林金属针布的梳理效果。

图4中的前4种齿型的设计是用齿背面形成类似平台形，将被盖板针布握持的纤维末端托向盖板针布、使纤维不易沉入锡林金属针布齿底而得到有效梳理，适于高产梳棉机。图4a)所示为金轮针布公司采用[3]；图4b)所示为特吕茨勒(TCC)针布采用，后续发展为可维护齿型GX1[4]；图4c)所示为格拉夫针布采用；图4d)所示为贝卡尔特针布采用[5]。

锥齿齿型是对锡林齿条齿部棱边进行抛光、圆整，以有效降低锐棱对纤维的损伤而获得较好的梳理效果；但是抛光处理时无法避免对齿尖锐度的不利影响、进而影响其梳理效果或使用寿命[6]。

扭转齿齿型由东华大学与金轮针布公司共同研发，该设计增大了锡林金属针布横向齿密，利于梳理纤维，经验证，梳理效果较好。

图5所示为高效保质的锡林齿条齿型，均为金轮针布公司专利产品。图5a)和图5b)所示是在齿条的齿前面增加1个平台、齿背面增加1个斜面或驼峰形状，从而将纤维托持在锡林金属针布的齿尖面上，使纤维得到更多的梳理机会，分别适用于中粗号棉纱和粘胶纤维的梳理，在同等质量指标前提下，产量可提高15%～30%[7]。

图5c)所示是在锡林齿条的齿背面增加1个小齿，小齿在托持纤维的同时也有一定的梳理功能，增加被盖板针布握持的纤维末端的梳理概率，达到高效梳理目的[8]。

图6所示是金轮针布公司提出的一种通用型齿条齿型，其特征是相邻齿的工作角、齿深不相同，甚至齿距也不同；同卷金属针布齿条尺寸参数的变化有利于对不同特性的纤维或两种及以上类型纤维的混纺梳理，具有一定的通用性[9]。

图7所示为东华大学与金轮针布公司共有的专利产品——错位齿条齿型，齿条齿部沿基部宽方向上至少错开两个齿，以增大锡林金属针布的横向齿密，应用适当的横向齿距以提高锡林金属针布的梳理能力，用较低的锡林转速达到高效梳理的目的；该设计正在进行成型技术攻关，上述扭转齿金属针布已验证了其效果[10-11]。

1.3 道夫齿条

道夫金属针布在梳棉机上的作用主要是转移、梳理和均匀纤维，随着梳棉机的出条速度、梳理质量要求不断提高，道夫齿条齿型不断改进，以利于提高一次转移率。

1.3.1道夫齿条最常用的齿型有直线齿和弧形齿(又称“香蕉形”)，如图8所示。这两种齿型构成了早期道夫齿条的基本齿型，弧形齿的转移效果优于直线齿齿形。

1.3.2随着梳棉机出条速度和定量的提高，要求道夫金属针布的转移率更高，特别是随着高产梳棉机实时质量指标(如条干)检测报警系统的应用，高出条速度指标超过设定值即报警、甚至自停；因此，道夫齿条的齿前面、侧面出现了多种设计，如图9所示。

1.3.2.1齿部侧面凸出横纹的道夫齿条，横纹为2～4道，以下面2道以上向外凸出横纹，在纤维转移过程中，齿部侧面凸出的横纹能阻止纤维向齿尖滑移，从而提高转移效率。这种齿型的齿条目前在梳棉机上广泛应用，在出条速度不大于230 m/min时，能够保证梳棉机的正常运行。

1.3.2.2两侧面凸出横纹的道夫齿条，横纹为4～8道，它与两侧凹凸的横纹道夫金属针布目前尚未在梳棉机上应用，仅用于罗拉梳理机上；随着梳棉机出条速度进一步提高，这种齿型也可能会应用在梳棉机用金属针布齿条上。在冲淬这种齿型的齿条时，齿部斜面一侧凸出的横纹易被抹平、凹下的横纹易被撕裂带填充且强度下降，对转移效果不利，但总体效果仍优于单侧面凸出横纹的齿条。

1.3.2.3鹰嘴齿尖道夫齿条很早就被提出，其齿顶处形成1个很大的工作角防止纤维从齿尖处滑脱，但未见使用例证，可能因为齿型制造较困难所致。

1.3.2.4沟槽齿前面的齿条至少有1个凹进的弧形或矩形或梯形槽，凹槽加强了对纤维的抓取能力；经验证在出条速度为200 m/min的情况下，梳棉机能稳定运行。凹槽齿前面齿条制造困难，且冲切口容易出现毛刺，对CVb值不利。

2 金属针布齿条参数的演变

梳棉机用金属针布齿条的齿型及其参数，对纤维梳理、转移的影响很大，齿条的主要尺寸参数有总高h1、齿深h6、工作角α、齿距p和基部宽b1以及前根半径r4，分别叙述如下。

2.1 刺辊齿条

2.1.1齿条总高和齿深均为2档：自锁基部齿条总高为5.0 mm、齿深为2.6 mm；普通基部齿条总高为5.6 mm、齿深为3.6 mm。

2.1.2齿条的工作角主要为0°，5°和10°；前2个角度主要用于纺化学纤维，如涤纶等；第3个主要用于纺棉纤维和纤维素纤维，且多年未变。

2.1.3齿条的齿距为：2.1 mm，2.5 mm，2.6 mm，4.0 mm，4.2 mm，5.0 mm，5.6 mm和6.3 mm。其中，2.1 mm，2.5 mm和5.0 mm齿距的自锁基部齿条组合为三刺辊梳棉机标配；5.0 mm齿距的自锁基部齿条也广泛用于光滚筒的梳棉机上；2.6 mm齿距的自锁基部齿条是立达C60/C70型梳棉机的标配；4.0 mm和5.0 mm齿距的普通基部齿条主要用于色纺纱；5.6 mm齿距的普通基部齿条广泛用于有槽刺辊上；6.3 mm齿距的普通基部齿条因近些年柔性梳理概念出现，用于纺纤维素纤维，如粘胶和长绒棉、皮马棉，梳理效果良好。

2.2 锡林齿条

2.2.1齿条总高主要为：3.2 mm，3.0 mm，2.8 mm，2.5 mm，2.0 mm，1.8 mm和1.7 mm，随着梳理效果、产量等要求不断发生变化。3.2 mm和3.0 mm仅用于纺废棉，将逐步退出市场；2.8 mm主要适用于低端产品，随着齿条总高向矮发展，将逐步退出锡林主流应用的选择；2.5 mm主要用于化学纤维的梳理，如纺涤纶的AC2520×01660型；2.0 mm，1.8 mm和1.7 mm广泛应用于梳理各种棉纤维和纤维素纤维，而纺化学纤维如涤纶等应用较少，不排除对某些参数优化后扩大纺化纤的可能；1.7 mm为特吕茨勒主推齿条，其他则主推1.8 mm，随着梳棉机产量的进一步提高，1.7 mm～1.8 mm总高的锡林齿条将成为主流产品。

2.2.2齿条齿深在向小的方向发展，设计原则为：0.5 mm及以上齿深用于总高为2.5 mm及以上系列锡林齿条；2.0 mm系列锡林齿条普遍采用0.4 mm齿深，也已出现0.35 mm齿深的设计以达到更好的梳理效果；1.7 mm 和1.8 mm系列锡林齿条普遍采用0.35 mm甚至0.30 mm的齿深设计。

2.2.3齿条工作角(齿前面与底面垂线之间的夹角)随着梳棉机产量及纤维原料变化产生若干种角度，如15°，20°，25°，30°，35°和40°。其中，20°及以下工作角主要用于纺化纤，如涤纶；25°的工作角主要用于低速纺棉或废棉；30°及以上工作角已广泛用于纺棉和纤维素纤维；高速高产时宜选用大工作角的锡林针布齿条以保证握持纤维的能力。

2.2.4齿条的齿距决定了针布的纵向齿密，其对握持纤维起至关重要的作用；锡林齿条的齿距主要为1.3mm，1.5mm，1.6mm，1.7mm，1.8mm和2.0 mm；其中，1.3 mm的齿距主要用于较差的纤维原料的梳理，且主要用在A186型等低产梳棉机上，如AC2820×01365型；1.5 mm是最常用的适合中粗号纱梳理的齿距，除了涤纶以外的纤维都能使用，常用的型号为AC2030×01550；1.6 mm的齿距主要用于梳理涤纶和混纺，最常见的型号为AC2520×01660，近两年开始应用于梳理和成纱指标要求高的情况，如AC2040×01640型；1.7 mm的齿距也是最常用的，适用于中细号纱的梳理，常用型号为AC2030×01740；1.8 mm的齿距常用于总高为2.5 mm系列锡林金属针布，如AC2515×01850型；近年来随着台时产量地提高，双齿型齿条采用1.8 mm齿距的效果较好，如AC2040×01850-II型；2.0 mm的齿距主要用于回用棉，如开松布条的场合，非主流齿距配置。

2.2.5齿条基部宽决定横向齿密，目前常用的基部宽为0.40 mm，0.50 mm，0.60 mm和0.65 mm等。其中，0.40 mm和0.50 mm的基部宽广泛用于齿条总高为2.0 mm及以下系列锡林齿条，用于梳理棉和纤维素纤维；0.60 mm和0.65 mm基部宽主要在齿条总高为2.5 mm及以上系列锡林齿条上使用，用于梳理化纤和混纺。

2.2.6齿条前根半径r4对金属针布握持与释放纤维的能力有重要影响。在工作角相同时，该半径小则纤维被齿前面相对长的直线段握持、释放能力较弱，适合梳理较长的纤维，如长绒棉；反之，齿前面直线段短、握持能力相对弱，圆弧段上移有助于纤维向齿顶移动而释放纤维的能力加强，适合梳理长度较短的纤维。

2.3 道夫齿条

2.3.1齿条总高影响道夫针布的容纤量和气流，主要为3.8 mm，4.0 mm，4.5 mm和5.0 mm。其中，3.8 mm的总高主要用于低产梳棉机，其使用已越来越少；4.0 mm的齿条总高最常用，适用于各种纤维的梳理，常用型号为AD4030×01890；4.5 mm的总高主要用于MK系列梳棉机，如AD4530×02090型，近年来逐步开始用于纤维素纤维的梳理，特别是对减少纱线的细小纱疵有显著效果，如AD4530×01870型；5.0 mm的总高主要用于立达梳棉机，然而随着梳棉机产量的提高，不排除被其他梳棉机采用，如AD5030B×02190型。

2.3.2齿条齿深也影响道夫针布的容纤量和气流，主要的齿深为2.4 mm，2.6 mm和2.7 mm。其中，2.4 mm的齿深主要与4.0 mm的总高配对，用于单机梳棉机的道夫针布；2.6 mm的齿深主要用于清梳联高产梳棉机的道夫针布；2.7 mm的齿深主要与4.5 mm和5.0 mm的总高配对，用于小道夫梳棉机；随着产量提高，2.7 mm齿深的道夫针布可能会广泛应用于各种高产梳棉机上。

2.3.3齿条工作角对金属针布转移能力有一定的影响，目前基本为30°，随着梳棉机台时产量或道夫转速提高，工作角有增大趋势。

2.3.4齿条齿距决定金属针布纵向齿密，对抓取纤维有重要影响，目前主要齿距为1.8 mm，1.9 mm，2.0 mm和2.1 mm。其中，1.8 mm的齿距在早年梳棉机台时产量相对较低时广泛使用，如AD4030×01890型，目前在梳理纤维素纤维且对细小纱疵要求较高时也采用，如AD4530×01870型；1.9 mm的齿距是近两年特吕茨勒公司为TC系列梳棉机高出条速度下控制CV值采用，如AD4030BR×01990型；2.0 mm的齿距目前通用于各种纤维的梳棉机上，如AD4030×02090型；2.1 mm的齿距主要用于立达高产梳棉机，在其他梳棉机上少见，这可能与道夫直径及转速有关，如AD5030B×02190型。

2.3.5齿条基部宽决定金属针布的横向齿密，其对抓取纤维及棉网的均匀性有较大影响，目前主要为0.75 mm，0.80 mm，0.90 mm和1.00 mm。其中，0.75 mm的基部宽主要用于梳理纤维素纤维且细小纱疵要求高时，通过增大横向齿密以提高转移率、减少因梳理过度造成的纤维损伤，如AD4530×01875型；0.80 mm的基部宽出现得比较早，广泛用于各种中低产梳棉机，因该齿距介于0.70 mm与0.90 mm之间，近年来少有使用，也可能会在更高产的情形下重新使用；0.90 mm的基部宽使用得最普遍，与总高、齿距及齿型配合适用于各种梳棉机梳理各种纤维，如AD4030×01890型、AD4030BR×01990型、AD4030×02090型、AD4030BR×02090型等；1.00 mm的基部宽主要在立达高产梳棉机上使用，如AD5030BR×02110型。

3 金属针布齿条齿型和参数研发思考

金属针布齿部两侧面、齿前面和齿背面的几何形状已被充分挖掘，但仍然可以广开思路。

3.1根据不同需求开发新的齿型：如道夫金属针布齿条齿前面增加横纹以提高转移率，横纹可采用水滴形状，细小的水滴上部能减小针布穿刺纤维的阻力，大的水滴下部可阻止纤维向齿尖滑脱以控制纤维；还可将两种或两种以上齿型组合，双齿组合与双峰齿的组合能满足更高产的梳理要求，齿条齿前面横纹与侧面横纹组合以提高针布的转移能力等。

3.2关于金属针布参数如齿密与滚筒转速之间关系的研究，笔者作了刺辊金属针布齿密与转速合理搭配对梳理效果影响试验，得到了一些取值范围；同样，锡林转速与齿密、道夫转速与齿密对梳理和转移的匹配关系也值得研究。

3.3特吕茨勒公司专利“用在盖板式或罗拉式梳理机上的装置”(专利号：200910202845.8)，公开了对锡林金属针布与道夫金属针布齿密比率的关系研究，提出在不同工作条件下二者合适的齿密比率，能获得好的梳理与转移效果；同样，锡林金属针布与盖板针布齿/针密间的比率也值得研究，以为梳棉机针布配套提供理论依据。

3.4棉纺锡林金属针布横向齿密对梳理效果有非常重要的影响，开展对其齿条基部宽的细分及小于0.40 mm基部宽对梳理效果的研究，可能会产生新的适用范围或特殊梳理用途的锡林齿条。

4 金属针布齿条上机方式与研发思考

金属针布齿条上机对操作人员的技能有较高的要求，除了要求拆卸梳棉机、检查滚筒精度、包覆等技能之外，还要求根据开机后质量指标对工艺进行调整。现在具有符合能力要求的操作人员越来越少，愿意做这些工作的人也越来越少；这些都促使梳理器材供应商思考如何实现齿条以非包卷的方式上机，从而减少纺织企业拆装机的时间和难度。

建议合作开发模块化金属针布结构件，将若干弧形结构件通过磁性、螺钉、自锁或镶嵌等联接方式固定在滚筒上[12]；结构件之一的局部见图10，可以在不拆机的情况下，打开滚筒罩板或拆下前固定盖板、松开相对应件隔距，拆旧换新后恢复相对应件隔距，即实现金属针布快速更换。