轉杯紡快速成條儀的設計

張玉澤， 林惠婷， 汪 軍

（1.東華大學紡織學院紡織面料技術教育部重點實驗室，上海201620；2.泉州師范學院紡織與服裝學院，福建泉州362000）

0 引 言

“紡紗學”是紡織工程專業的一門應用基礎核心課程，涉及諸多紡紗設備的基本原理和實踐操作，對實踐性的要求很高［1-4］。因此，“紡紗實驗”在整個“紡紗學”的教學過程中所占比重極大。紡紗實質是將棉、毛等纖維從雜亂無章的狀態加工成具備足夠強力和外觀特性的紗線的加工過程。其第1 道工序是將纖維集合體由雜亂無章變為縱向有序排列的狀態，即將其制成符合一定規格和質量要求的條子，俗稱“生條”，紡紗學中將生產生條的工藝過程稱為“清梳聯”工序［5］。清梳聯加工是紡紗中的重要工序，其基本的機器配置為抓棉機→開棉機→混棉機→清棉機→梳棉機。現有工業用的清梳聯設備占地面積大、調節麻煩、運轉時耗費能源和原料多，不適合學生實驗使用；且各機臺間采用管道輸送原料，管道中儲留的原料數量巨大，完全不能滿足實驗室小批量試紡實驗的需求［6］。一般院校實驗室很難滿足現今工業用清梳聯設備對場地、設備數量和原料的要求，因此，制條困難成為制約紡織院校開展“紡紗實驗”教學的一個很重要的因素［7-8］。為了解決以上問題，王新厚等［9］參照現有蓋板式梳理機的結構，設計的小型清梳聯合機，該設備占地面積小、能耗和原料耗費相對較低，然而，在實際的使用過程中，依然存在著機器運轉慣性大、調節麻煩、更換品種復雜等問題。此外，還有一些院校由于條件有限，無配備基本的紡紗設備，只能以多媒體教學來代替實踐教學，對學生的動手實踐能力的培養幾乎沒有［10-11］。

基于轉杯紡紗的成紗原理，并借鑒傳統梳理機的梳理結構特點，本文設計了一種快速成條系統，該系統不僅可實現對纖維的快速梳理，其所制作的纖維條的條干和質量均能達到紡紗的質量要求，而且本機占地面積小（長寬高分別為1 200 mm ×700 mm ×1 300 mm）、能耗低、操作方便，極其適合用于紡紗實驗，對于推進紡織院校紡紗學的實驗改革具有重要意義。

1 設計原理

轉杯紡紗是目前除環錠紡紗外發展最為成熟的一種紡紗方式，它具有紡紗速度快、紗線條干均勻度高、毛羽少等優點［12］。轉杯紡紗機的核心部件為轉杯紡紗器，如圖1 所示，其結構主要由喂給喇叭口、喂給羅拉、分梳輥、輸纖通道、轉杯和殼體等組成。

圖1 轉杯紡紗器

轉杯安裝在轉杯腔體內，由外界風機抽氣而形成一定的負壓，轉杯腔體與殼體緊密連接，分梳輥安裝在殼體上，表面包覆針齒，可將纖維條梳理成單纖維狀態，轉杯腔體和分梳輥通過輸纖通道相連通。紡紗時，由梳理機制成的條子經給棉喇叭口和喂給羅拉喂入，在分梳輥針齒的高速分梳打擊作用下變成單纖維狀態，單纖維經輸纖通道伸直，在負壓的作用下沿轉杯杯壁進入轉杯的凝聚槽內，從而形成一個粗細均勻分布的纖維環。

從上述轉杯紡的成紗原理可知，轉杯紡紗器的分梳輥不僅可以將原料松開成單纖維狀態，還可以在離心力和氣流的共同作用下將原料中的雜質與纖維分離；纖維通過輸纖通道后，其伸直度和分離度進一步提高，纖維的彎鉤現象得到初步改善；轉杯和負壓氣流的共同作用可使纖維在轉杯的凝聚槽內集聚成粗細均勻的纖維環［13］。轉杯紡紗器與傳統梳理機相比，都具有對纖維梳理、除雜、集聚的功能，但相較于清梳聯的機器配置和工藝流程而言，轉杯紡紗器的結構更為簡單，操作更為方便，也更便于在實驗室進行紡紗實驗。

2 快速成條儀的結構與組成

2.1 快速成條儀的整體結構

借鑒轉杯紡紗器的結構特點和成紗原理，快速成條儀主要由喂給分梳裝置、輸纖通道、成條裝置、負壓裝置和機電控制裝置等組成，如圖2 所示。

圖2 快速成條儀基本結構組成

2.2 喂給分梳裝置

轉杯紡紗器梳理裝置的梳理對象是經傳統的“清梳聯”工序加工之后形成的纖維條，其纖維的離散性和含雜率都較少。而快速成條儀的梳理對象為散纖維，因此，為了保證對散纖維的充分梳理和良好的排雜效果，所設計的快速成條儀的喂給分梳裝置同時借鑒了轉杯紡的梳理裝置和傳統開松機多級開松的方式。

如圖3 所示，纖維原料均勻平鋪在傳送帶上，由給棉羅拉喂入，首先由刺輥對其進行初步的開松與除雜，使其呈塊狀分布，然后由分梳輥對其精細開松，使其盡可能成為單纖維狀態，最后由轉移輥將分梳輥上的單纖維剝離。為保證最佳的除雜效果，刺輥表面所包覆的針齒密度為300 ～500 齒/m2，分梳輥為1 500 ～2 000齒/m2；分梳輥的直徑為200 mm，轉速為6 000 ～10 000 r/min，刺輥的直徑為50 mm，轉速為2 000 ～3 000 r/min。

圖3 喂給分梳裝置示意圖

2.3 輸纖通道

輸纖通道是轉杯紡紗器的重要部件，分梳輥轉移出來的單纖維伸直程度較差，彎鉤較多，因此，為了保證后續成紗質量，單纖維在輸纖通道內部需受到氣流的加速作用而伸直［14］。由于纖維的彎曲程度會直接影響到后續成紗質量的好壞，因此輸纖通道的設計顯得尤為重要。現有的轉杯紡紗器輸纖通道（見圖4）的形狀一般為直線型漸縮漏斗狀，其優點在于通道內的氣流流線均是平滑的直線型分布能保證纖維充分伸直。

圖4 轉杯紡輸纖通道示意圖

本文設計的快速成條儀的整體結構與轉杯紡紗器有較大差異，由于整體機構的限制，輸纖通道的形狀只能采用折線型漏斗狀，然而這種形狀會造成通道內的氣流在折線處產生氣流漩渦。為改善此種狀況，本文在輸纖通道的轉折處增加了一個旁路通道作為補氣口，如圖5 所示。所采用得輸纖通道入口為矩形，出口為圓形，整個通道的長度為350 mm。

2.4 成條裝置

轉杯是成條裝置的主要部件，其形狀、大小以及轉速直接影響到最終成條的質量。如圖6 所示，本文設計的快速成條儀的轉杯主要由杯底、杯壁和杯軸組成。杯底和杯壁合圍組成弧形的纖維凝聚槽，轉杯的周長為1 000 mm，杯壁與杯底之間的夾角為45°，杯底到杯口的垂直距離為50 mm，轉杯的轉速為1 000 ～5 000 r/min。經分梳輥分梳后的單纖維在負壓氣流的作用下，經輸纖通道進入轉杯內，并沿著轉杯壁在凝聚槽內凝聚，從而形成粗細均勻分布的纖維環。

圖5 快速成條儀輸纖通道示意圖

圖6 轉杯

2.5 負壓裝置

各裝置氣流的穩定是快速成條儀能夠順利工作的關鍵。由于本機體積小，所需風量不大，整個機器的負壓氣流由一臺負壓風機提供即可。如圖7 所示，負壓風機通過過濾器由管道分別為喂給分梳裝置、輸纖通道和成條裝置提供負壓。由于各裝置所需負壓氣流的大小不同，各個裝置分別裝有控制負壓氣流壓力和流量的調節閥，從而實現對各裝置負壓氣流的精準控制。

圖7 負壓控制裝置設計圖

2.6 機電控制裝置

如圖8 所示，采用三菱FX3U 可編程控制器（PLC）對本機進行整體控制，通過RS-485 通信協議將PLC與各電動機變頻器之間建立通信連接，利用觸摸屏（型號：MT4414T）實現對本機各工藝參數的輸入和修改。

圖8 機電控制系統

3 應用與測評

為驗證快速成條儀在現實應用中的科學性和實用性，使用快速成條儀與傳統清梳聯合機制作棉條的過程進行比較。傳統的清梳聯工藝流程為：抓棉機→開棉機→混棉機→清棉機→梳棉機，上述機器通過管道進行連接，占地面積至少50 m2以上，且操作復雜，能耗高（綜合能耗為40 kW/h），教師和學生達到使用要求的基礎培訓時間長（一般需要2 d），如圖9 所示。

本文所設計的快速成條儀占地面積小（1 200 mm× 700 mm × 1 300 mm）且操作簡單，能耗低（5 kW/h），通常培訓0.5 h 即可進行操作使用，如圖10所示。

圖9 清梳聯合機

圖10 快速成條儀

兩種機器制作的條子在并條機上進行二道并條處理后，對條子的質量進行對比，結果如表1 所示。利用清梳聯合機所制成的條子由于纖維的梳理、除雜、混合各方面所經流程長，條子的不勻率（CV）、棉結個數、彎鉤纖維占比指標明顯優于快速成條儀所制成的條子，但是快速成條儀的原料用量極少，僅為清梳聯合機的萬分之一，并且條子經過并條工序后，基本可以滿足對原料可紡性研究的需要。

表1 快速成條儀與清梳聯合機制條的質量對比

4 結 語

本文設計的快速成條儀創造性地利用了轉杯紡紗的原理，并結合了傳統開松設備。在我校紡織工程專業學生的紡紗實驗及課題研究應用中，已經過為期64學時的教學應用和近2 a的科研實踐。它不僅可解決大部分紡織院校在紡紗實驗教學及科研中所遇到的成條機器配置臺數多、能耗高、操作復雜、占地面積大等問題，還有效地縮短了實驗所用的時間，減輕了教師授課和學生學習的負擔，為紡紗學實驗教學提供了新的思路和方法。