转杯纺分梳辊分梳质量研究初探

焉瑞安

(立达(中国)纺织仪器有限公司,江苏 常州 213022)

0 引言

近年来,随着各种落棉、再生棉及下脚料应用的不断突破与各种新型纤维产品的不断开发,转杯纺对原料适应性的优势不断凸显,尤其是在纺粗号纱时优势明显,使转杯纺纱技术得到长足发展。深入开展对转杯、分梳辊、阻捻头等主要器材的设计、研究和应用,充分利用纤维特性,更好地发挥其功能,生产多种性能的转杯纱,对于转杯纺的进一步发展具有重要的经济价值和现实意义[1]。

分梳辊作为转杯纺纱的三大核心器材之一,对纤维可纺性和成纱质量起到关键性作用[2]。经过多年技术发展及相关企业的持续努力,在分梳辊用齿条质量及新型针布齿条的开发等方面都取得了长足进步,甚至形成若干“头部企业”,满足不同客户从低端到高端的全系列需求,价格较低,个别低端齿条齿型的包卷价格更低。据了解,现有厂家过多依赖客户现场实践探索而缺少系统的深层次理论研究支撑,对于企业的长远发展不利。因此,笔者利用纤维损伤频率差异分析法检验不同型号分梳辊的分梳质量,并对比分析其纺纯棉纱和纯莱赛尔纱线性能指标,以期为业界拓展分梳辊应用及开发等提供借鉴和指导。

1 转杯纺分梳辊概述

1.1 分梳辊作用及分梳牵伸特点

分梳辊的作用是将喂入半制品(纤维条)进行开松、梳理、排杂,使连续的纤维条尽量分离成平行伸直的单纤维状态,为纤维在转杯内纺纱做好前期准备。

早期的转杯纺纱机采用多罗拉大牵伸(类似于现在的喷气涡流纺牵伸方式)来实现须条的抽长拉细,后来很快被全部更换为目前的分梳辊牵伸方式,这很可能是借鉴梳棉机的刺辊开松方式,其相较于罗拉牵伸具有明显的优势[3],主要体现在以下方面。

a) 分梳辊对棉条的梳理分梳较为细致,能将小束纤维大部分开松成单纤维状态,输送到转杯内,使凝聚的纤维层均匀,有利于提高转杯纺的均匀度。

b) 分梳辊牵伸能有效地消除罗拉式牵伸带来的罗拉牵伸不匀。

c) 分梳辊能将杂质等从纤维中分梳出来,其依靠附面层气流的厚度大小,对纤维、杂质及短绒进行分离和转移,排杂机构可减少因杂质等造成的断头和转杯内的积尘。

d) 分梳辊牵伸为转杯纺的高速高产创造条件,因为罗拉式牵伸分离装置中,罗拉速度的提高受到许多因素的限制。

e) 将分梳辊牵伸设计为封闭结构,减少在牵伸分离纤维过程中的飞花,改善车间卫生条件。

1.2 分梳辊牵伸分离机构存在的问题

分梳辊牵伸分离机构并不理想,主要存在以下几方面的问题。

a) 经过分梳辊齿部对纤维的抓取、输送,破坏了原棉条内纤维的平行伸直度。而转杯纺本身纤维从纱的轴心到表层间往复转移效果就差于环锭纺[4],影响其最终成纱结构,导致纱线性能差异显著。

b) 分梳辊在输送纤维的过程中,纤维处于“自由状态”,因此分梳辊齿部和周围气流对纤维运动的影响较大。

c) 分梳辊依靠齿部对纤维进行分梳、打击、抓取,完成牵伸分离作用。齿条齿部作用于纤维时,会对纤维造成损伤,但罗拉牵伸也会带来纤维损伤,有时甚至更为严重[5]。

1.3 影响分梳辊分梳牵伸的因素

1.3.1 分梳牵伸过程

分梳辊作用的发挥应结合全系统进行分析和配合,其作用过程较为复杂[6-7]。最开始是喂棉部分的握持开松分梳,当纤维被喂棉罗拉握持时发生单束纤维的横向位移;后纤维从纤维须丛中释放,由于受分梳辊齿尖与转杯壳内壁狭窄环形通道间高速反向回转气流的冲击,形成机械与气流相结合的开松分梳作用,此时纤维主要靠一侧齿条齿部对纤维产生约束,确保纤维能以近似分梳辊圆周速度运行,且纤维以弯钩形态环绕针布前侧,随后发生乱取向,大多数情况下可环绕分梳辊两次或多次,无法从分梳辊上剥离纤维和喂入输送管道;经过分梳辊齿部处理的纤维,依靠分梳辊高速回转产生的离心力和表面的气压差(由分梳辊表面速度、工艺负压及转杯回转产生的空气抽吸速度差形成)剥取和输送纤维到转杯,而纤维从分梳辊向转杯腔运动的过程中会颠倒其前后方向[8],从而使纤维形态进一步恶化。为了加强对分梳腔气流及纤维运动的控制,不同转杯纺纺纱器喂棉及分梳腔结构见图1。

a) R923型 b) R35/R36/R37型图1 不同转杯纺纺纱器喂棉及分梳腔结构

1.3.2 纺纱器结构

相对于早期,目前转杯纺纺纱器的结构日益简化,与分梳辊相关的参数设定也基本固定。给棉罗拉—给棉板隔距、给棉板—分梳辊隔距、给棉板压力等均固定,无变化和调节余地[9];喂棉罗拉为滚花(R923型及苏拉系纺纱器)和斜齿(全自动及R35/R36/R37型等纺纱器)2种类型;给棉板为陶瓷(苏拉系纺纱器,分为早期和改进型2种)和金属涂层(赐来福全自动纺纱器及所有立达纺纱器)2种类型,见图2;给棉板压力提供方式分为板簧(R923直线型与苏拉系纺纱器V型)和弹簧(全自动及R35/R36/R37型等纺纱器)2种。

a) 卓郎BD6(前苏拉) b) 卓郎赐来福AC08

1.3.3 气流控制

与气流相关的分梳腔排杂通道和输纤通道,尤以立达半自动纺纱器、苏拉系纺纱器排杂插件等发展较快。立达从R923型到R37型一直致力于排杂通道和输纤通道结构的优化和改造,也不断得到市场的检验和认可;而苏拉系纺纱器在双补风通道之外针对单通道的排杂插件进行大胆探索,利用不同插件进行补风和回风之间的精确控制,从而实现对不同原料附面层气流厚度的控制,进一步改善了原料的适应性。关于气流控制方面,则可通过设定工艺负压、排杂负压及转杯速度等,实现分梳针布和分梳壳体之间腔体中气流、排杂通道内气流、输纤通道内气流及转杯腔与转杯壳体内气流的稳定控制。

1.3.4 分梳辊转速

影响分梳效果最直观的因素是分梳辊转速,转速设置范围为6 kr/min～10 kr/min,据悉已有企业在进行11 kr/min～12 kr/min的测试。同时由于分梳辊具有独特的牵伸效果(调节分梳辊与喂棉罗拉之间的速比,可实现高达上千倍的牵伸),也可利用喂入速度/棉条定量的变化来增强分梳作用[10]。

2 分梳辊分类

2.1分梳辊针布的针齿种类有齿条式、植针式、齿片式和整体式4种,其中以齿条式居多。齿条型号有多种,通过不同的角度、几何尺寸和表面粗糙度(涂层等)来控制和梳理纤维。影响梳理质量和梳理效果的几何尺寸主要有分梳辊针布的纵向齿距、齿尖锋利度、工作面的几何形态、齿体的表面粗糙度及齿密等。为适纺不同特性的纤维原料和保证梳理质量,齿条的选用和维保非常重要,不仅要求其具有较高的硬度、强度和表面粗糙度,而且还要求有良好的分梳性能[11]。

2.2分梳辊针布齿条型号可分三大类：① 纺棉纤维或棉纤维为主的混纺产品用齿条;② 纺常规化学合成纤维用齿条;③ 针对特殊纤维(难转移)的特型齿条。

2.3转杯纺纱机自开发成功以来始终沿着德国系(全自动)和捷克系(半自动)两条线路发展,导致分梳辊的命名出现混乱。因棉型纤维柔软纤细,而杂质、灰尘、短绒较多,其分梳力和分解力需进行平衡,常用齿条型号有半自动的C40/OK40型、C74/OK74型,全自动的B174/OB20/B188型等。国内部分企业针对目前棉花含杂高的特点,开发出比以前齿条齿部更薄、分梳角更小、齿密更高的OB20/OB174型齿条等;而常规化学纤维刚性大且具有一定弹性,因此在分梳过程中分梳力较大,而其长度长整齐度好,几乎不含杂,又由于本身可能含低聚物且多使用化学油剂,过度打击会导致“白色粉末”析出(见图3),因此要侧重于对纤维的分离转移,常用齿条型号有半自动C21/OK21型、C61/OK61型、KN88/MK88型,全自动S21/S43型等;针对一些难转移的特殊纤维,其往往对纱线质量要求较低,但要注重纺纱稳定性,常用齿条型号有半自动C31型、C36型、C37型及植针式(见图4)等。

图3 分梳辊针齿上低聚物或油剂析出

图4 植针式分梳辊针布

3 分梳辊分梳质量对比

3.1 对分梳辊的研究

纱线作为纤维集合体,影响纱线质量的因素除纤维自身性能外,还包括纤维排列的空间组合形态。而转杯纺纱芯中纤维的形态几乎与转杯凝棉槽中环里的纤维形态相似。因此,影响转杯中纤维形态的各种参数也将影响最终纱线的纤维形态,其中进入转杯滑移面之前的纤维状态非常重要,且受分梳辊分梳牵伸作用的影响。

有关学者对分梳辊的研究很多,如：用高速摄影法对输送管道中的纤维流摄影,观察单纤维状态;用一根纤维上作用的齿数评定分梳质量的好坏;用纤维梳理力的大小推测分梳质量的好坏;用两对光电管测定纤维脉冲信号在时间轴上的宽度评定分梳质量的好坏等[12]。因测试条件的限制,若要直观地观察开松过程中纤维形态、输纤通道内纤维转移及运行状态等较为复杂[4,8,13],再加上分梳辊的作用更多体现在纤维准备阶段,很难直接用最终的纺纱稳定性和成纱指标加以衡量。基于现有条件可利用分梳工艺对纤维条中纤维损伤情况,在某种程度上对分梳质量进行评定,因此采用纤维损伤频率差异进行分析,通过纤维损伤差异反映分梳辊分梳质量差异。

3.2 试验设计

3.2.1 分梳辊规格

所选用的分梳辊均为生产使用中的常规型号,按针布齿密分别编号为A～G,7种试验用分梳辊针布规格见表1。

表1 7种分梳辊针布规格

3.2.2 原料性能

以100%美棉为纺纱原料,棉纤维AFIS测试结果见表2。

表2 棉纤维AFIS测试结果

为了更加充分地检验不同分梳辊的分梳质量,选用纤维表面更光滑、截面更接近于圆形的莱赛尔纤维(某国产品牌,规格为1.33 dtex×32 mm)进行对比,其纤维截面与棉纤维对比见图5,性能指标见表3。

表3 莱赛尔纤维性能指标

a) 莱赛尔纤维 b) 棉纤维图5 纤维横截面对比

3.2.3 试验设备及测试仪器

使用立达R37型转杯纺纱机纺制19.4 tex纱线,其他参数固定,仅更换不同型号的分梳辊进行对比。

测试仪器：Uster公司AFIS PRO2型单纤维测试仪、Uster Tensorapid 5型慢速强力仪、Uster Tensojet 4型高速强力仪及UTR4型强力伸长分析仪等。

3.3 试验结果分析

3.3.1 测试方法

由于目前尚缺乏大规模测试化学纤维长度的相应手段,因此仅将100%棉条喂入R37型纺纱器(更换不同的分梳辊)并收集转杯内的纤维环用于AFIS测试分析,同时测试成纱物理指标。

3.3.2 纤维损伤程度可靠性验证

纤维损伤频率差异分析法能更加直观地反映不同长度段纤维的损伤或变化情况。区别于常用的分布直方图,利用AFIS测得纤维长度根数分布,对区段长度与分布频率进行加权重构。

为了保证其可靠性,需对测试结果进行再现性验证,即将100%棉条先后喂入纺纱器并收集前后两次纤维环进行AFIS测试并进行频率差异分析,测试结果见图6。

图6 纤维损伤频率差异曲线

从图6中可以看出,前后两次测试的纤维损伤频率差异曲线几乎重叠,没有明显的拐点,且数据上差异占比仅约1.78%(可忽略不计),表现出较高的结果再现性。因此,用该方法来评价纤维损伤程度比较客观有效。

3.3.3 不同分梳辊分梳质量分析

利用AFIS频率差异分析法对不同分梳辊分梳质量进行分析。将不同分梳辊分梳所得纤维环进行AFIS测试,运用纤维损伤频率差异分析,结果见图7～图13。

图7 棉条/A型分梳辊纤维环频率差异曲线

图10 棉条/D型分梳辊纤维环频率差异曲线

图11 棉条/E型分梳辊纤维环频率差异曲线

图12 棉条/F型分梳辊纤维环频率差异曲线

图13 棉条/G型分梳辊纤维环频率差异曲线

从图7～图13可知,相对于棉条,分梳辊分梳所得的纤维环均出现不同程度的纤维损伤,且其损伤程度并不完全随分梳辊针布齿密的减小而减轻,反而呈现出加重趋势。其中,经齿密最小的G型分梳辊针布处理的纤维损伤最为严重,损伤程度占比约为22.2%,而经齿密最高的A型分梳辊针布处理的纤维损伤程度最轻,损伤程度占比约为16.2%,同时齿密居中的D型分梳辊针布处理的纤维损伤程度次轻,损伤程度占比约为17.1%。由此可见,分梳效果和纤维损伤不仅与分梳辊针布齿密有关,还受齿尖锋利度、工作面的几何形态、齿部表面粗糙度等因素的综合影响,同时还与纤维转移至输纤通道的状态、转杯滑移面接触时的状态等相关。

另外,由于E型和F型分梳辊针布齿形结构极为接近,仅表面涂层有所不同,使表面粗糙度存在差异,从纤维损伤的程度看二者几乎处于同一水平。E型分梳辊纤维损伤程度占比约为19.6%,而F型分梳辊纤维损伤程度占比约为19.9%,说明在某种程度上,分梳辊针布表面粗糙度对分梳质量的影响并不显著,应重点从使用寿命及与纤维摩擦导致低聚物或油剂析出的影响角度考虑。

3.3.4 不同分梳辊针布纺纯棉纱质量对比

使用不同分梳辊针布纺100%纯棉纱,纤维上四分位长度为29.1 mm,马克隆值为4.6,线密度为19.4 tex转杯纺针织纱,对所纺品种进行成纱质量指标测试,电容式条干CVm、光电式条干CVFS以及低敏感度纱疵IPI(-50%细节、+50%粗节和+280%棉结)测试结果见图14,高敏感度纱疵(-40%细节、+35%粗节和+200%棉结)及纱线毛羽指数H测试结果见图15,快/慢速断裂强度及伸长率测试结果见图16。

图14 不同分梳辊纺100%纯棉纱的条干CVm,CV FS及低敏感度纱疵测试结果

图15 不同分梳辊纺100%纯棉纱的高敏感度纱疵及毛羽指数H测试结果

图16 不同分梳辊纺100%纯棉纱的快/慢速断裂强度及伸长率测试结果

由图14～图16测试结果可知,成纱的整体质量指标基本上随着分梳辊针布齿密的减少而逐渐恶化。齿密最小的G型分梳辊针布,其纱线质量接近齿密最高的A型分梳辊的水平,其应用存在巨大的发展潜力;同时作为万能型的E型分梳辊纺纱质量也较为理想,而齿密居中的D型分梳辊所纺纱线整体质量最差。由此可见,高齿密不一定能实现最佳的纱线质量,其还受到齿部几何形态、表面粗糙度及其与喂棉机构、排杂通道及输纤通道内气流状态的适应性等综合因素的影响,而这些可能影响纤维的空间分布形态,从而决定最终的成纱结果。

E型和F型分梳辊针布齿密极为接近,但纱线质量差异较大,特别是在纱线断裂强度和毛羽方面,F型分梳辊相对较差。可见,分梳辊牵伸分梳作用对成纱质量的影响极为复杂,即使前面对纤维做到极好保护,也很有可能影响后面纤维转移及在转杯凝聚槽内铺层状态,从而引起纱线质量恶化。

3.3.5 不同分梳辊纺纯莱赛尔纱质量对比

使用不同型号分梳辊纺线密度为19.4 tex的100%莱赛尔纱,纤维规格为32 mm×1.33 dtex,对所纺纱进行指标测试,电容式条干CVm值,光电式条干CVFS值及低敏感度纱疵测试结果见图17,高敏感度纱疵及成纱毛羽H值测试结果见图18,快/慢速断裂强度及伸长率结果见图19。

图17 不同分梳辊纺100%莱赛尔纱的条干CVm,CV FS及低敏感度纱疵测试结果

图18 不同分梳辊纺100%莱赛尔纱的高敏感度纱疵及毛羽指数H测试结果

图19 不同分梳辊纺100%莱赛尔纱的快/慢速断裂强度及伸长率测试结果

由图17～图19结果可知,纱线纱疵结果和强伸指标基本延续棉纱趋势,随着分梳辊针布齿密减小而逐渐恶化,整体质量较好的是齿密最小的G型分梳辊,同时作为万能型的E型分梳辊纺纱质量也较佳,齿密居中的D型分梳辊所纺纱线整体质量较差。纯莱赛尔纤维纱质量与纯棉纱质量趋势的差异,主要和加工纤维性能的巨大差异有关;化学纤维特别要重视纤维分离与转移。E型和F型分梳辊针布齿密极为接近,纺纱质量差异较100%纯棉纱有所收窄,这是因为类似的齿型本就是为适应化学纤维而开发,显出一定质量优势,从而抵消了部分差异。

4 结论

4.1分梳辊对纤维的损伤程度随齿密的减小逐渐加大,还受齿尖锋利度、工作面的几何形态、齿体的表面粗糙度等因素的综合影响。

4.2棉纱的整体质量基本上随着分梳辊针布齿密的减小而逐渐恶化,齿密最小的G型分梳辊除外。纱线质量还受到针布齿条齿部几何形态、表面粗糙度及其与喂棉机构、排杂通道及输纤通道内气流状态的适应性(影响纤维空间分布形态)等综合因素的影响。

4.3莱赛尔纱线基本延续了棉纱的趋势,齿密最小的G型分梳辊整体上质量较好。与棉纱质量存在差异主要和加工纤维性能差异有关,不同原料都对应有适合的分梳辊齿型。

4.4分梳辊针布齿条表面粗糙度的不同对纤维损伤的影响较小,但对纱线质量影响较大。可见,分梳辊的牵伸分梳作用对最终成纱质量的影响极为复杂,即使前面极好地保护纤维,也很有可能影响后面的纤维转移及在转杯凝聚槽内的铺层状态。

4.5因本文侧重从纤维损伤层面来分析分梳辊的分梳质量,缺少对相应的分梳辊后纤维排列空间状态的观察,因此所得结论尚存在不足之处,需要后续更全面的对比进行检验和佐证。