不同密度原棉滑动摩擦分析

任永强，邓 敏，张 乐，杨宇昕，高华兴，李 勇

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔843300）

原棉是一种松散的纤维堆积材料，其力学形态受多种因素的影响[1-2]。国内外学者对纤维集合体进行了大量的试验研究，陈运能等人研究了纤维集合体的种类和排列顺序等对压缩及回复性能产生的影响[3-8]。向忠等人阐述了纤维集合体摩擦性能的测试方法以及摩擦因数的测试与分析[9-13]。

纤维的摩擦性质是纤维表面重要的物理特性，棉纤维在成纱过程中，通过一定的力学性能使其结合在一起，这个力叫做摩擦力。棉纤维集合体摩擦机能不仅影响纺纱工艺，还会影响纱线的质量，间接影响纺纱制品的质量，因此对纤维集合体进行摩擦机能测定是必要的。

本文针对纤维集合体摩擦力测试方法的发展现状及存在的问题，结合国内外纤维摩擦力测试方法的研究成果，研究原棉摩擦力测试方法并设计一款提拉装置进行摩擦力测试，并对试验结果进行处理分析。

1 试验

1.1 试验材料与设备

原料为新疆阿克苏市新陆中53 号手摘原棉，原棉提取于新疆新越丝路有限公司。FA1104 电子天平（上海安亭科学仪器厂）、往复电动机、电源、调速器、拉力传感器、艾德堡HP-10KN 大量程测力计数显推拉力计压力表HP-5KN 外置S 型传感器HP-2K 2000 N/200 kg。

图1 提拉装置结构示意

1.2 提拉装置

1.2.1 结构组成

原棉提拉装置由电动机、数据采集系统、传动系统、执行机构等部分组成。

该装置传动系统中的2 连杆与电动机的输出端连接，随着电动机动力的输出，连杆带动光杆做往复直线运动，紧密固定的光杆保证执行机构的受力始终在同一直线上。数显拉力传感器伴随拉伸的同时，完成原棉摩擦力的采集。

1.2.2 工作原理

如图2，装置在提拉过程中原棉被夹持，并与筒壁发生滑动摩擦。工作时，通过变频器开关控制电机启动，电动机的输出端与连杆相连接，连杆的一端绕减速器的输出端口做圆周运动，另一端与紧密固定的光杆连接做往复直线运动，往复运动一次则为一个运动周期，即原棉在亚克力圆筒内做一次往返运动。

进行拉伸试验时，在夹板内添加一定质量的原棉后，开启电动机，棉纤维在拉伸过程中与筒壁进行摩擦，传感器采集原棉与圆筒筒壁之间的摩擦力力值。通过调节原棉的质量、改变夹板之间的距离以及使用不同转速的电机，收集不同情况下原棉与筒壁产生的摩擦力值，最后分析原棉摩擦力变化规律，从而完成棉纤维摩擦力检测。

图2 电动机及其部件连接图

1.3 试验方法

称取 30 g、40 g、50 g、60 g、70 g、80 g 原棉，装入亚克力圆筒（外径110 mm，壁厚3 mm，填充高度150 mm、200 mm、250 mm），两个夹板处于松弛状态，置于提拉装置工作台上，用螺丝钉固定储棉箱上下端，再由拉力传动装置提拉丝杠，以一定的加载速度进行拉伸试验（室内温度20 ℃，相对湿度50%）。原棉提拉量分别为300 mm、500 mm、700 mm。

通过调节圆筒中棉花的重量，来调节原棉的密度。原棉的相对密度计算公式为：

式中m—原棉质量（g）；V—原棉体积（cm3）；W—原棉相对密度；ρ—原棉的平均密度（g/cm3）；ρ0*—原棉压缩致密的密度，值取1.0 g/cm3。

调节两夹板之间的距离，以此改变原棉的填充长度来控制原棉密度，填充长度用原棉与圆筒的接触面积代替。原棉单位面积摩擦力计算公式为：

式中σ—筒壁单位面积上摩擦力大小（N/cm2）；FN—原棉与圆筒的摩擦力幅值（N）；S—原棉与圆筒的接触面积（cm2）；

提拉试验过程中原棉处于松弛状态，三次改变两夹板之间的距离，换算成原棉与筒壁之间的接触面积，填充不同质量的棉纤维得到不同的密度。其接触面积、质量和密度关系如表1。

表1 原棉接触面积、质量和密度对照

由表2 可知不同质量的原棉密度不同，不同密度的原棉在提拉作用下产生的摩擦力也不同。随着密度的增加，产生的摩擦力也增加，变化周期在5S~7S 内波动，其频率的波动范围为1/5~1/7。由此可见原棉的摩擦力与密度是成正相关的。

2 试验分析

2.1 原棉密度与摩擦力幅值的关系

如图3，保持电机的频率和提拉的行程一致，通过改变两夹板之间的距离和原棉的质量来控制原棉的密度，随着原棉质量的增加，密度增大，所受摩擦力的幅值随之增大。棉纤维的质量一定，通过改变两夹板之间的距离控制原棉的密度，两夹板之间的距离分别取15cm、20cm、25 cm。其中2、4、6、7、8点的密度是在夹板长度为25cm时测得的，11、12 点的密度是在两夹板距离为20 cm 时测得的。两夹板之间的距离为20 cm 和25 cm 时，随着棉纤维质量的增加，棉纤维密度变大，曲线的斜率均大于1，即密度增加较慢但摩擦力幅值增加较快；当夹板之间棉纤维的填充量为80 g 时，摩擦力幅值均能达到10 N 左右。综上所述，随着密度的增大，摩擦力幅值变大，但摩擦力幅值还受其它因素的影响。

图3 不同密度的原棉与摩擦力幅值之间的关系

2.2 提拉作用下不同填充长度摩擦力幅值的变化

图4 不同填充长度与摩擦力幅值之间的关系

由图4 可知，摩擦力还受其它因素的影响，改变夹板之间的填充距离，带来了两个方面的影响：一方面改变了夹板内原棉的的密度，进而影响摩擦力幅值；另一方面通过增大或缩小夹板之间的距离改变棉纤维与筒壁的接触面积，从而影响摩擦力幅值。如图4，原棉的密度一定，随着填充长度的增加，摩擦力幅值增加。综上所述，改变了填充长度的同时也改变了棉纤维与筒壁的接触面积，并且摩擦力与接触面积的大小呈正相关关系。

2.3 电机的频率对摩擦力幅值的影响

图5 不同频率的电机与摩擦力幅值的关系

表2 同一填充长度(15 cm)不同密度原棉摩擦力参数表

由图5 可得，每个图中的四种曲线分别代表着不同转速的电机，横坐标是原棉的密度，在密度一定的情况下，随着转速（12 r/min、16 r/min、27 r/min、40 r/min）的增加，摩擦力幅值变大。在夹板之间填充的原棉超过60g时，摩擦力幅值增加较为明显。综上所述，电机的频率也是影响摩擦力幅值的重要因素，且两者为正相关关系。

3 结论

（1）设计了一种纤维集合体提拉装置，阐述了装置总体结构及工作原理，研究了原棉在提拉过程中的摩擦力变化规律。

（2）通过原棉摩擦力试验发现：夹板之间的距离保持一定，随着原棉的克数增加，密度增大，原棉与圆筒内壁的摩擦力幅值增加；增加棉纤维填充长度，棉纤维与筒壁的接触面积增大，摩擦力幅值也随之增大；原棉的填充密度保持一定，改变电机的参数（即分别取12r/min、16 r/min、27 r/min、40 r/min），随着电机转速的增加，摩擦力幅值增大。试验研究表明，原棉的密度是影响摩擦力幅值最重要的指标。

（3）本试验中，仅考虑了填充密度、棉纤维与筒壁的接触面积、电机的参数对摩擦力幅值的影响，并没有考虑圆筒的材质对试验结果的影响。