梳理机后部工艺技术结构的创新

吕林军，倪 远

(1.江苏金荣泰新材料科技有限公司，江苏 徐州 221600；2.纺之远(上海)纺织工作室，上海 200063)

1 梳理机后部梳理工艺与结构现状

以棉纺流程为例，梳理机后部喂棉的梳理工艺与结构发展，经历了喂入方式(棉卷、棉层)、握持方式(加压、喂棉罗拉直径、喂棉罗拉表面结构、顺向喂棉)、梳理元件和附加分梳元件、落棉控制等改进[1]，这些都是装备革新带来的工艺技术进步，其喂入方式从棉卷到棉层再到棉层加厚、定量加大，是一种消极的梳理机喂棉工艺，与精细梳理理念相悖。由于喂入棉层定量较大，现有技术有以下3个工艺项目和参数，对梳理带来不利影响。

1.1 刺辊梳理度离散与纤维损伤

在梳理机产量、刺辊梳理度和线速度相同的情况下，假如喂入棉层的定量增加100%，则喂棉罗拉的喂入线速度降低50%，相同长度内棉层或棉束经受刺辊齿条梳理的时间和齿数将增加100%，可能导致很多纤维或棉束处于过度梳理状态。虽然理论计算的每根纤维受梳齿数相同，即刺辊部分梳理度相同，但棉层内、外层纤维所受到梳理量的离散性极大，实际梳理度的差异率就很大。其中，棉层靠近刺辊一侧的梳理量和梳理力大，处于过度打击的梳理状态，导致纤维损伤甚至断裂、短绒率上升；而棉层靠近喂棉板一侧的梳理量和梳理力小，处于欠梳理状态，使纤维分梳不足。由于梳理度和梳理力的不匀，在生产中经常碰到，对生条乃至成纱的品质影响很大；既使在刺辊速度不太高的情况下，也可以通过适当降低刺辊速度使生条短绒率降低，但这是一种常用的粗劣工艺配置。

1.2 刺辊摩擦时长与纤维损伤

在棉层从喂棉钳口进入刺辊梳理区时，较厚的棉层同时与刺辊齿条及刺辊辊体表面接触，内外棉层的状态差异很大。无论是嵌入式还是自锁式刺辊齿条，当齿高约为5 mm、幅宽约为1000 mm、棉层定量为500 g/m～600 g/m时，经喂棉钳口加压后的棉层厚度为2.5 mm～3.0 mm。当棉层离开喂棉钳口进入刺辊梳理区时，棉层急速松弛释放，其厚度远超过5 mm，棉层与刺辊辊体表面和齿条基部以及齿侧面发生摩擦接触，此时，棉层厚度越大，受到的摩擦力越大；棉层输出线速度越低，摩擦接触的时间就越长，这样的摩擦会导致纤维损伤与棉结增加。生产中，经常采用放大刺辊与喂棉板隔距以改善生条品质的措施，也可以视为一种粗劣工艺配置。

1.3 喂棉钳口棉层握持力离散

目前普遍应用的喂棉罗拉两端点加压的结构中，在棉层密度较大且棉层横向密度差异大的情况下，棉层较薄的部位处于握持不良状态，常有大棉束或棉块被刺辊拉扯带入锡林梳理区，以致生产中经常在后固定盖板或回转盖板处，感觉到盖板跳动并发出声响。这种棉束或棉块，未被喂棉罗拉、喂棉板良好握持，也未被刺辊精细梳理，而是直接进入主梳理区，一方面增加了主梳理区的梳理负担，另一方面破坏了梳理的均匀度，造成偏差大的纤网结杂与短绒离散度，严重影响生条乃至成纱质量。

2 梳理机后部梳理工艺优化方案

梳理机后部梳理工艺配置存在两难的情况，即棉层定量偏小不利于握持、棉层定量偏大不利于梳理。仅从工艺和装备角度观察是不够的，会使其成为行业的“隐痛”。如果单纯从梳理工艺考量，偏小的棉层定量对分梳是有利的，即较薄的喂棉层有利于刺辊甚至锡林—盖板间的精细梳理，可以直接改善前文所述影响梳理品质的3个方面[2]。

2.1假设梳理机产量与刺辊的梳理度、线速度不变，如棉层定量降低50%，则喂棉罗拉线速度增大100%，相同长度的一段棉层或棉束受到刺辊梳理的时间与梳理的齿数就减少50%，理论计算每根纤维的受梳齿数是相同的，这种工艺称为“薄喂快进”，这使棉层内、外纤维的梳理均匀度大幅改善，刺辊实际的梳理度差异率显著减小。与现有“厚喂快进”的工艺相比较，在刺辊梳理度等同的条件下，纤维和棉束受到损伤的可能性降低；同时，棉层与刺辊齿条齿侧面及辊体表面的接触压力大幅降低，减少了纤维损伤及附加棉结的产生。

2.2设定棉纺梳理机后部梳理工艺：梳理机产量为50 kg/h，棉层定量为500 g/m；棉纤维平均长度为29 mm，纤维平均线密度为1.67 dtex；刺辊直径为250 mm，刺辊梳理区实际工作宽度为900 mm，刺辊转速为800 r/min。当刺辊齿条的齿高为5 mm，齿距为5.3 mm，齿条节距为3.17 mm，齿密度为38齿/(25.4 mm)2即为0.058齿/mm2时，计算得到棉层的喂入速度为28 mm/s或14 g/s，刺辊的表面线速度为10 467 mm/s。那么，相关3种梳理度的均值计算如下：

a) 每克纤维的梳理齿数=(10 467×900×0.058)÷14≈39 027(齿)；

b) 每根纤维的梳理齿数=39 027/6000×(29÷1000)≈0.189(齿)；

c) 每根纤维长度棉层的梳理齿数=(10 467÷5.3)×(29÷28)≈2045(齿)。

2.3当梳理机后部其余工艺不变，采用“薄喂快进”的喂棉工艺方式将棉层定量改为250 g/m时，可以得到棉层喂入速度为56 mm/s。那么相关3种梳理度的均值计算如下：

a) 每克纤维的梳理齿数=(10 467×900×0.058)÷14≈39 027(齿)；

b) 每根纤维的梳理齿数=39 027÷6000×(29÷1000)=0.189(齿)；

c) 每根纤维长度棉层的梳理齿数=(10467÷5.3)×(29÷56)≈1023(齿)。

从上述计算可知，“薄喂快进”与“厚给慢进”工艺相比，每克纤维或每根纤维的计算梳理齿数是相等的；而每根纤维长度棉层或单位棉层长度计算的梳理齿数，后者降低50%，可大幅度改善内、外棉层的梳理均匀度，减少梳理过度和梳理不足。

3 梳理机后部棉层加压和握持喂棉的技术创新

3.1现有技术能否实施梳理机后部“薄喂快进”的精细梳理工艺呢？答案是否定的。因为偏小的棉层定量不利于握持，甚至无法很好地握持。从棉层横向分布状况看，一方面偏小的棉层定量易暴露出棉层的横向不匀，甚至会出现棉层破洞；另一方面喂棉罗拉与喂棉板组成的近1000 mm(棉纺梳理机)甚至于3500 mm以上(非织造梳理机)宽度的刚性握持钳口，无法保证其在幅宽方向的每个部位都能很好地握持棉层，对于存在横向不匀的薄棉层更难以均衡握持；这是因为其只有在棉层具有足够厚度的情况下，才能依靠棉层的弹性滑移和横向挤压对棉层进行握持。即便如此，在理论上，横向幅宽内也只有数个点承载了喂棉钳口的最大压力和大部分加压力。

3.2梳理机要实施“薄喂快进”工艺，需要对现有加压、握持与喂棉方式进行大幅改造，使握持钳口对随机变化的厚薄棉层均能可靠握持；对于棉层横向厚度不匀的情况，也需满足幅宽内每单位宽度分段棉层都能受到良好地握持，使握持力大于梳理力，且不受相邻分段或整个棉层横向厚度变化的影响。

为了大幅改善握持钳口对棉层的握持效应，技术人员提出了细分段加压握持的喂棉概念和技术方案。其加压握持喂棉的具体实施方案是：采用压缩空气加压原理作用于细分段的加压握持面，成为类似于琴键式的细分段喂棉板，对机幅宽度内的棉层进行分段式加压握持。由于气加压的特殊性，使每分段均受到近乎相同的加压力，所以细分段加压握持喂棉技术符合“薄喂快进”的工艺需求，是一种先进的加压握持喂棉技术结构。

3.3细分段加压握持喂棉技术，将喂棉板横向分割为若干小段的加压握持块，实施分段加压和分段握持。细分段加压握持系统在棉纺梳理机的典型应用，是将喂棉板分为20～100段(机幅为1000 mm的梳理机，理论上最大可达1000分段以上)，这样细分段喂棉板握持单元的宽度为10 mm～50 mm，即在横向10 mm～50 mm内的棉层是独立加压和握持的，棉层的厚度变化不会影响其他分段的加压握持，握持钳口的隔距也在气加压系统的加压下动态调整，每分段的棉层都受到相同的或不小于工艺需求的加压握持力。

3.4顺向喂棉方式的梳理机，其气囊式加压握持喂棉细分段技术方案的实施，是在喂棉罗拉的上方设置1套与喂棉罗拉平行的气囊式加压机构，包括内置气囊的加压握持腔、连通压力源的气囊，以及与气囊接触的细分段加压握持块。细分段加压握持块由并列的加压块组成，其下部为喂棉棉层的握持面，加压块的横向集合即为喂棉板，压力源提供的气压通过控制系统达到无级加压，由气囊推动加压块对喂棉棉层加压。在压缩空气的作用下，加压块以稳定一致的握持力握持钳口中的棉层，使其不受喂入棉层横向厚度不匀的影响，从而可以为“薄喂快进”喂棉工艺提供合理而均衡的握持力。

3.5气囊式加压使机幅横向加压均衡，将现有技术的横向刚性握持钳口，变为类似于横向柔性的握持钳口，且每分段的加压基本相等和恒定，消除了对棉层加压过盈或不足，使纤维与喂棉板的滑动摩擦损伤大幅降低。由于整个横向握持钳口加压的均衡性得到保证，消除了喂棉罗拉弹性变形对加压的影响；喂棉罗拉的直径也可减小，甚至可采用空心罗拉。

4 梳理机后部棉层检测技术的现状与创新

4.1 棉层平均密度检测技术现状

自调匀整技术是改善纤网和棉条线密度均匀度的关键技术，用以检测喂棉棉层的密度。在现有技术中，大部分高产梳理机都采用了棉层密度检测的自调匀整技术。

4.1.1 棉纺梳理机棉层密度检测

4.1.1.1在棉纺梳理机中，绝大部分喂棉棉层线密度不匀的检测方法，是以假定加压后棉层横向密度一致为前提在线实时检测横向棉层的平均厚度。通过检测喂棉罗拉两端与喂棉板的相对位移量，利用喂棉罗拉两端点的位移参数，表征整个幅宽内棉层的横向平均厚度。事实上，该检测方式是将横向幅宽内棉层2个最高点位移值及其变化率，视为棉层横向平均厚度的度量值及其变化率，这在原理上偏离了棉层横向平均厚度及其波动。从另一角度看，棉层横向厚度不匀会使幅宽内棉层加压和密度不一致，棉层厚的地方承压大、棉层密度大，棉层薄的地方承压小、棉层密度小，加压后棉层横向密度的不一致加剧了棉层横向平均厚度检测的不准确度。这2个因素使两端点位移检测法，无法获得与实际情况一致的棉层平均线密度及其变化率信号[3]。

4.1.1.2也有采用刺辊梳理作用力矩检测棉层平均线密度及其变化率信号的方法，这属于中片段闭合环检测反馈技术，与一般检测输出棉条的方式不同，其检测与匀整点都在喂入棉层处。这种检测结构的原理是：梳理机刺辊采用单独伺服电机驱动或者变频电机驱动，以刺辊伺服器或变频器作为棉层平均厚度检测元件、喂棉罗拉为执行元件，由于棉层厚度与刺辊旋转梳理作用力矩及刺辊电机功率正相关，通过非电量电测法进行电量的检测和转换。刺辊施加在握持钳口输出棉层的作用力，可以通过刺辊伺服器或变频器的电流或功率间接检测，即通过电量转换表征为喂入刺辊的棉层横向平均厚度及其变化率信号。这是一种不增加附加检测元件的设计方案，完成的是定性叠加的棉层横向厚度信息，在棉层横向厚度不变或变化不大的情况下，可以近似得到棉层横向平均厚度的信号；但是这种检测反馈模式存在以下3方面的问题，使得针对自调匀整主扰因素的匀整精度和效果受到无法忽视的影响。

a) 在梳理机刺辊与喂棉板的隔距间，棉层厚度与刺辊旋转作用力矩存在非线性关系(大致是指数约为2的函数关系)。这一点，在理论上假定棉层横向厚度均匀一致的情况下，可以通过软件的运算模型来修正；但在生产中，梳理机幅宽内棉层横向的随机不匀是确实存在且无法忽略的，而这种棉层横向厚度随机不匀使棉层横向平均厚度与刺辊作用力矩间无确定的逻辑关系，无法通过软件运算得到准确的检测信号；这也是刺辊作用力矩检测反馈法，无法精确匀整的关键因素。

b) 由于检测反馈模式为闭环式的自调匀整，检测点位于匀整点下游，使得检测信号滞后于匀整执行动作，虽然滞后量不大，但是经过梳理机上百倍的牵伸，即30 mm的梳理棉层长度到生条输出时长度就变为约3 m，其对精度的影响也就比较大。

c) 刺辊及其传动系统自身较大的转动惯量，使检测信号进一步延迟，甚至淹没了棉层截面的随机瞬态信息，使检测的响应频率和灵敏度降低。

英国克罗斯罗尔(Crosrol)公司的MK4型梳理机，较早地采用了刺辊梳理作用力矩检测棉层平均线密度及其变化率信号的方法。

4.1.1.3由于棉层的纵向线密度不匀会直接造成输出棉条的线密度不匀，棉层的横向线密度随机不匀也会影响棉层的纵向不匀，而喂入棉层线密度客观上存在无法忽视的随机不匀，因此上述2种棉层厚度检测方法，均是在假定喂入棉层横向厚度完全均匀一致的理想条件下得出的棉层动态参数，严格说只是一种定性的非电量电测，其与实际工况的电量转换与定量检测相去甚远；2种检测方法中，后者的检测误差可能更大。这些方法历史性和广泛性应用的根源，既在于对梳理机输出纤网或棉条线密度均匀度的不够重视，更在于对梳理机后部工艺改善方向的认识不足、手段匮乏。

4.1.2 非织造梳理机棉层密度检测

非织造梳理机幅宽较大，目前主要采用皮带称量式和X射线检测式2种开环式自调匀整技术，通过检测喂入棉层的平均密度控制输出纤网的均匀度。

4.1.2.1皮带称量式自调匀整检测机构设置在棉箱与喂棉罗拉之间，使用一种对输送中的棉层进行连续称量的皮带秤，获得以机幅宽度乘以皮带秤长度的面密度信号及其动态变化率，经过运算反馈控制喂棉罗拉线速度。由于检测到的面密度长度较 长，采样信息只能表征该长度内平均面密度的变化率，而无法准确反馈喂入梳理机梳理区域的实时面密度或线密度，因而实时响应较差，匀整效果不好。

4.1.2.2X射线检测式自调匀整检测机构的检测点，也设置在棉箱与喂棉罗拉之间，对输送中的棉层两侧进行X射线照射，由于棉层对X射线有吸收和衰减，当X射线穿透发射器和接收器之间的棉层后，接收器接收到剩余X射线及其变化率，被用来表征棉层面密度或线密度及其变化率。与皮带称量式自调匀整检测机构比，X射线检测式自调匀整检测机构检测精度较高、实时响应较好，但不同纤维品种和不同回潮率棉层的X射线吸收衰减率不同，不利于对多纤维混纺和有回潮率波动状态棉层的检测。同时，X射线检测式自调匀整检测机构投资成本较高，并且含有放射性物质，存在安全性问题，仅有少量国外机型应用。

4.2 并条机自调匀整应用必要性探讨

棉纺棉条生产中的自调匀整技术，是改善纺纱纱条线密度均匀度的重要技术手段。因此，在纺纱生产中2道并条工序都有选用。虽然自调匀整大部分设置在第二道(末并)并条机上，但也有在第一道(头并)并条机上应用的。2种应用方式各有侧重，但实际应用中并无显著差异。并条工艺的特征是并合，有利于改善被牵伸破坏的线密度均匀度，特别是移距偏差造成的短片段线密度均匀度；如果并合和牵伸工艺配置得当，整体而言还是改善了线密度均匀度，特别是中长片段的线密度均匀度。

高速并条机自调匀整的应用，是以开环形式检测反馈执行的。由于输出线速度较高，无法将匀整结果再次反馈给执行系统，因此无法采用闭环方式来反馈控制。从匀整效果看，主要是改善中长片段的不匀率，短片段不匀率则主要靠并合作用改善。由于喂入棉条—生条是带来不匀的主要因素，所以将自调匀整设置在二道或头道并条机的效果是接近的，都是针对喂入棉条的线密度均匀度进行匀整的。随着并条机向高速化方向发展，也增加了自调匀整装置的检测反馈响应度和匀整精度的难度。

那么，如果能控制好生条线密度均匀度，则普梳流程的并条机就不必配置自调匀整系统。多年来，梳理机的技术进步，从无自调匀整系统逐渐发展到高产梳理机标配自调匀整系统；自调匀整系统也从单纯的开环或闭环控制发展到混合环控制，甚至将匀整结构整合到喂棉箱喂棉量的检测控制，以及梳理机组合式牵伸结构中，但生条线密度均匀度还是不尽如人意，究其原因是梳理机自调匀整的检测方法过于粗糙，使匀整精度难以进一步提高。

4.3 棉层厚度精确检测技术创新

梳理机喂棉棉层厚度检测技术的创新，是利用梳理机气囊式细分段气加压握持喂棉技术方案，将喂棉板横向分割为10 mm～50 mm的加压握持面单元，并采用气动加压，使每分段均得到相同的加压握持力，对横向幅宽内喂棉棉层进行可靠的细分段加压握持喂棉。在这个基础上，又在气囊中注入检测用液体介质，用传感器间接测量出气囊腔体内容积的变化率，换算出棉层的横向密度变化率。其物理原理两者的线性相关性完全一致，从而可以为自调匀整提供一致性良好的棉层线密度信号，实现喂棉棉层平均厚度的精确检测和控制。

细分段气加压握持喂棉系统，在梳理机的典型应用为握持和检测单元的宽度为10 mm～50 mm，对1000 mm幅宽的棉纺梳理机则可分为20～100段，即在横向10 mm～50 mm内都是相对独立的加压、握持和检测单元，其棉层的厚度及变化率，也是相对独立的反馈信号，液流流体均衡地合并了所有分段单元的棉层厚度及其变化率信息，输出整个棉层的横向厚度信号。这样的信号，很好地消除了棉层横向不匀或加压不匀对横向平均厚度的影响。细分段气加压握持喂棉系统的握持隔距，也在恒压力或者近似恒压力下进行动态调整，使每分段棉层获得相同的加压握持力。最终，在恒定加压力下，得到精确的棉层厚度信号有利于纤网或生条线密度的匀整，良好的分段握持有利于系统分梳对生条单纤维状态、纤维受损率和棉结杂质变异的改善，从总体上优化梳理机的生产质量。

细分段气加压握持液流传导检测喂棉技术，检测值与棉层实际平均厚度相关性高，瞬态响应好。

5 梳理机后部喂入预牵伸技术创新

结合“薄喂快进”工艺和细分段气加压握持检测喂棉结构，在喂棉罗拉握持钳口上游再设置一对预牵伸握持钳口，形成第一喂棉握持控制钳口，使喂棉罗拉与喂棉板变成第二喂棉握持控制钳口；在第一喂棉握持控制钳口与第二喂棉握持控制钳口间设置预牵伸倍数，组成棉层预牵伸结构。这样增加的后部工艺技术结构具有多方面效应：① 有利于减小从棉箱输送出来的棉层厚度，以便实施“薄喂快进”的喂棉工艺；② 改善喂入棉层中纤维对行进方向的取向度，更有利于后续梳理，大幅度降低刺辊和锡林梳理过程中的梳理不匀及对纤维的损伤；③ 第一喂棉钳口对较厚的喂入棉层，具有一定的弹性滑移和横向挤压的横向均匀效应，一定程度上改善了棉层横向不匀；④ 不改变喂棉箱的工艺和结构，降低了由于棉层定量减小对棉层形成和输送的工艺要求。

细分段气加压握持检测喂棉结构，可以握持较薄的棉层，若设置2～3倍的预牵伸倍数，可同时满足薄棉层与高取向度棉层的喂入条件。

预牵伸工艺和结构的设置，除了能改善喂入棉层中纤维的取向度外，还增加了一个对较厚喂入棉层的刚性握持点。

梳理机后部喂入预牵伸技术创新，同时运用了后部棉层预牵伸、细分段握持钳口、握持钳口气加压、棉层平均厚度液流传导检测等技术，兼顾了牵伸、加压、握持、检测和喂棉工艺技术结构，系统性地完善和升级了梳理机后部工艺技术结构和功能。

6 结语

梳理机气囊式加压喂棉棉层细分段握持和棉层线密度液流传导检测技术，再结合梳理机后部喂入预牵伸的3项组合工艺技术结构，可大幅度改善梳理机后部握持梳理存在的弊端，将原有粗劣梳理工艺优化为精细梳理工艺，由此产生有益效果：① 喂入棉层预牵伸技术在实现“薄喂快进”工艺的同时，大幅改善棉束和纤维的顺向排列取向度，既减少纤维损伤又使单纤维化更加提前和充分；② 细分段的加压握持有利于实施“薄喂快进”工艺，使梳理机后部的刺辊梳理工艺得到优化，梳理机整机的精细梳理从喂棉开始，减少纤维损伤；③ 细分段的加压与握持，改善了对棉层的横向握持效能，有利于刺辊区乃至锡林—盖板区的梳理，有效降低梳理不足和梳理过度造成的梳理变异，减少纤维损伤；④ 细分段握持和横向加压密度均衡，有利于实施棉层横向平均厚度的精确检测，通过棉层横向平均厚度与液流传导的精准转换，提高梳棉的匀整精度和匀整幅度。

因此，棉层预牵伸与“薄喂快进”工艺从2个方向实现了精细梳理，减少了纤维损伤；细分段气动均衡加压与精确检测从2个方向上提高了检测精度。

在行业普遍认同优势纺纱工艺技术的柔和均衡梳理相关理念情况下，创新梳理机后部梳理工艺技术机理和相关结构，使生条线密度和纤网均匀度、单纤维状态、梳理短绒率和棉结杂质变异程度得到改善，并将其提高到新的水平，为生条和纤网品质、后续工艺配置及成品质量的更优化创造软硬件条件。

梳理机气囊式加压喂棉棉层细分段握持和棉层线密度液流传导检测技术，结合梳理机后部喂入预牵伸的3项组合工艺技术结构，可用于梳理机新机或老机改造；应用于宽幅梳理机和非织造梳理机，更能显示出在薄喂快进、均衡握持、精细梳理与精确检测工艺技术方面的优势。