棉紡精梳機錫林梳理力動態測試及變化規律

賈振飛 任家智 陳宇恒 常昊雨

（中原工學院，河南鄭州，450007）

棉紡精梳機主要是通過錫林梳理排除短纖維、雜質、棉結，提高纖維的伸直度、平行度和分離度，從而提高紗線質量及面料的品質，改善面料的風格。在錫林對棉層梳理過程中，如果梳理力過大，就會造成纖維的損傷；若梳理力過小，會因梳理效果不良而影響成紗質量。因此弄清錫林對纖維層梳理過程中梳理力曲線的變化規律，對于合理設計與選用梳理部件及精梳工藝參數、減少纖維損傷、提高精梳質量具有重要的意義。

早期的對棉紡精梳機錫林梳理力的研究是在國產A 201型、FA 251型精梳機上進行的，其方法是將原有的上鉗板改制成帶有應變片傳感器的懸臂梁，并與下鉗板共同實現對棉層的握持，在錫林對纖維層進行梳理時，產生的摩擦力通過纖維層傳遞至上鉗板，并得到了A 201型、FA 251型精梳機錫林梳理過程的梳理力曲線，分別呈現倒“V”形及“M”形［1］。毛紡精梳機錫林梳理力的測試也是基于植針式錫林及上鉗板改制成帶有應變片傳感器的懸臂梁進行的［2-4］。現代精梳機與A 201型、FA 251型精梳機及老式毛紡精梳機相比，在部件的結構等方面有了很大的變化。第一，采用鋸齒嵌入式錫林取代原來的植針式錫林，錫林針齒數量由原來的不足0.8萬針增加到3萬針以上［5］；第二，鉗板的支撐方式由A 201型精梳機的下支點變為中支點，梳理過程中梳理隔距變化較小；第三，精梳機的生產速度由A 201型精梳機的130鉗次/min提高到400鉗次/min以上。為了研究現代棉紡精梳機錫林梳理過程中梳理力的變化規律，我們在HC500型精梳機上利用扭矩傳感器測定錫林梳理過程中錫林軸扭矩的大小，并根據錫林半徑獲得梳理過程中的梳理力。在精梳小卷定量為75 g/m及精梳機速度分別為50鉗次/min、150鉗 次/min、250鉗次/min、400鉗次/min時，采用錫林總齒數為37 180齒的五分區錫林進行了梳理力測試，獲得了不同條件下的錫林梳理力曲線及變化規律。

1 精梳機錫林梳理力及其主要影響因素

在棉紡精梳機上，主要是通過錫林對棉層進行梳理，以排除短纖、棉結及雜質，并使纖維分離、伸直及平行［6］。如圖1所示，棉層在上、下鉗板握持狀態下，錫林針齒刺入棉叢，使纖維快速滑向針齒根部，產生相對滑動，從而實現纖維的分離、伸直與平行，并使棉結、雜質及短纖嵌入錫林針齒內，由高速回轉的毛刷予以清除。在錫林梳理纖維層的過程中，纖維與錫林針齒之間產生的滑動摩擦力稱為梳理力。梳理力的大小主要與以下因素有關。

圖1 精梳錫林梳理力示意圖

（1）纖維結構與性能：纖維的分離度、伸直度及平行度好時，梳理力小；纖維紊亂時梳理力大。纖維與針齒之間的摩擦因數大時，梳理力大。當纖維細度較細時，易產生彎曲變形，梳理力較大。

（2）梳理隔距：梳理隔距是指在精梳錫林的梳理過程中，上鉗板的下緣與錫林針面間的距離［6］。梳理隔距越小，錫林針齒刺入纖維層的深度越深，針齒與纖維的摩擦力越大，梳理力越大。

（3）針齒規格：針齒的密度大時，單位長度的纖維層接觸的針齒數量多，梳理力越大。針齒深度深時，梳理過程中纖維沉入針齒的長度越長，纖維與針齒接觸幾率越大，梳理力越大。針齒的前角小時，纖維在梳理過程中易沉入針齒根部，增加纖維與針齒的接觸幾率，梳理力增大。齒片與錫林周向的夾角越大，梳理時針齒受到的阻力越大，梳理力越大。

（4）纖維叢長度與厚度：鉗口外纖維叢長度長時，在梳理時針齒接觸的纖維根數多，梳理力大。纖維層的厚度越大時，梳理時纖維與針齒之間的擠壓力越大，纖維與針齒間的梳理力越大。

2 錫林梳理力測定的方法

2.1 錫林梳理力的測試原理

如圖1所示，在錫林梳理的過程中，纖維對錫林針齒的滑動摩擦力（即梳理力）通過錫林齒片及錫林體傳向錫林軸，并使錫林軸產生扭矩。

設P為纖維與錫林針齒之間的梳理力，M為梳理力對錫林軸軸心產生的扭矩，r為錫林的半徑，則錫林軸所受的扭矩M為：

在錫林梳理過程中，梳理力對錫林軸產生的扭矩M可利用扭矩傳感器測得，因此根據式（1）可求出梳理力P值。

2.2 錫林梳理力測試裝置

在錫林梳理過程中，根據錫林軸扭矩與梳理力的關系，在原有精梳機的基礎上自制的棉紡精梳機錫林梳理力測試裝置如圖2所示。該裝置取精梳機的一個工作單元（即一個眼）為研究對象，由驅動單元、連接單元、測試單元、負載單元組成。驅動單元包括驅動電機1、齒形帶2、驅動軸3；連接單元4、7為兩個聯軸器；測試單元由扭矩傳感器5、數據采集器9及計算機11組成；負載單元由錫林軸8、錫林體10組成。精梳機在工作過程中，錫林梳理棉叢時產生的梳理力，通過錫林體10使錫林軸8產生扭矩，由扭矩傳感器5產生扭矩信號，并由扭矩傳感器輸出口6傳遞至數據采集器進行信號采集，經過轉換處理計算后反饋至智能終端顯示結果。

圖2 錫林梳理力測試裝置

3 測試條件與數據處理方法

3.1 工藝條件

原料為新疆細絨棉，棉卷定量為75 g/m，給棉方式為前進給棉，給棉長度為4.3 mm，落棉隔距為9 mm，錫林定位為37分度，頂梳插入深度為0格，頂梳齒密28齒/cm，搭接刻度為0格。

3.2 錫林的結構及參數

錫林針面梳理分為5個梳理區，各梳理區周向長度均為20.28 mm，錫林總齒數為37 180齒。各梳理區針齒排數、齒片前角、齒片數量及齒深如表1所示。各梳理區具體分區情況如圖3所示，齒片的排列方式如圖4所示，其中第1區齒片與錫林周向垂直，第2區、第4區齒片為左傾，第3區、第5區齒片為右傾。從第1梳理區至第5梳理區針齒密度逐漸增大，其增加率分別為167.0%、87.7%、19.9%、42.9%。

表1 錫林結構參數

圖3 錫林針面梳理區

圖4 錫林齒片及其排列

3.3 梳理隔距及梳理開始結束定時

根據實際觀測，在36分度時錫林梳理開始，其梳理隔距為0.55 mm；約在0.6分度時，鉗板擺至最后位置，梳理隔距最小，其值為0.30 mm；在5分度時錫林末排針到達鉗板鉗口，其梳理隔距為0.50 mm；在8分度時錫林末排針脫離纖維叢。36分度至5分度時的梳理隔距變化情況如表2所示。

表2 不同分度梳理隔距

3.4 數據處理方法

在錫林梳理力測試過程中，由于錫林體難以做到完全平衡而存在偏心，對錫林軸產生附加力矩，并對錫林梳理力曲線產生干擾。為了排除錫林體偏心附加力矩產生的影響，在精梳機速度相同時，分別測試空車（無纖維層喂入）及正常生產（有纖維層喂入）時一個工作周期內錫林軸扭矩的變化曲線及相關數據，再利用對比法得到一個工作周期內梳理力的變化曲線。

4 測試結果分析

4.1 低速時梳理力變化曲線

為了探討精梳機低速時錫林梳理力的變化規律，利用自制的錫林梳理力測試裝置，在工藝條件相同的情況下，在精梳機速度50鉗次/min時測得梳理力的變化曲線如圖5所示。

圖5 精梳速度50鉗次/min時梳理力變化曲線

由圖5可知：

（1）在一個工作周期內，36分度時錫林第一排針接觸纖維叢，梳理開始；錫林最后一排針在8分度脫離纖維叢，整個錫林梳理過程為12個分度。在梳理過程中，纖維叢同時由兩個梳理區針齒梳理的現象稱為交互梳理，如圖6所示。根據錫林線速度及鉗板的擺動速度測算得到第2～第5梳理區第一排針接觸纖維的時間分別為37.8分度、39.8分度、2.1分度及4.7分度。

圖6 纖維叢經過不同梳理區

（2）在梳理過程中，梳理力曲線的特征是：開始梳理時隨著錫林針齒刺入纖維層數量的增多，梳理力迅速增大，梳理力曲線呈鋸齒式階梯上升，在1分度時到達最大值，而后急劇減小；從2分度至8分度梳理力平緩下降，直至為零。因此梳理力曲線可分為3個區域，即迅速增大區、急劇下降區及緩慢減小區。

（3）在梳理開始時，錫林第一排針刺入纖維叢，齒片與纖維叢摩擦產生梳理力；當第二排針齒刺入纖維叢時，纖維頭端已沉入第一排針齒的根部，纖維與針齒的接觸面積增加，梳理力迅速增大，并到達鋸齒波峰A點。由于第1梳理區四排針齒均與錫林軸向垂直（如圖4所示），當第三、第四排針齒逐步刺入纖維層時，針齒均沿第一、第二排針的梳理通道運動，針齒與纖維的摩擦力減小，因此梳理力達到峰值A點后迅速減小，并在E點梳理力出現谷值。此時，第1梳理區的頭排針已脫離纖維叢，同時第2梳理區的第一排針開始接觸纖維叢（如圖6所示）。由于第2梳理區的針齒密度大幅度增加（如表1所示）及齒片傾斜排列（如圖4所示），隨著錫林第1梳理區的第一、第二排針逐漸脫離纖維叢及第2梳理區第一、第二排針逐漸參與梳理，梳理力值迅速上升。

（4）在38分度至39分度，隨著第2梳理區參與梳理的針排數量的增加及纖維向針齒根部的滑移，梳理力迅速增大，在B點出現第二個峰值。由于第2梳理區后幾排梳針沿前排針形成的梳理通道運動，梳理力逐漸減小，在D點到達最小值。在D點，第2梳理區的頭排梳針脫離纖維層，而第3梳理區頭排梳針開始接觸纖維層。由于第3梳理區針齒密度增大，參與梳理的針齒數量大幅度增加，梳理力持續增大，約在1分度到達梳理力最大值C點。由于第3梳理區后部梳針沿前排針齒形成的梳理通道運動，錫林針齒受到纖維的摩擦力（即梳理力）出現迅速減小。

（5）在2分度至8分度，纖維叢逐漸進入到第4、第5梳理區。盡管錫林針齒密度大幅度增大，但梳理力仍繼續平緩減小。其原因有以下3個方面。第一，由于纖維叢經第1、第2及第3梳理區錫林針齒的梳理，纖維的分離度、伸直度、平行度大幅度提高，梳理過程中纖維對針齒的阻力減小；第二，梳理隔距逐漸增大，沉入針齒中的纖維長度減小，纖維與針齒接觸面積減小；第三，錫林針齒高度大幅度減小，即沉入針齒根部的纖維量減少，而浮于針面的纖維量增多，因此纖維與針齒接觸的幾率大幅度降低。

4.2 精梳機的速度對梳理力曲線的影響

在精梳機速度分別為150鉗次/min、250鉗次/min及400鉗次/min時，測得精梳機一個工作周期內錫林梳理力變化曲線如圖7所示，梳理力曲線峰值及其分度數如表3所示。

圖7 精梳機速度對梳理力曲線的影響

表3 梳理力曲線的峰值及其分度數

由圖7和表3可知：

（1）隨著精梳機速度的提高，梳理力變化曲線先增大，到達最大值后迅速減小的基本規律不變，但在36分度至1分度之間的鋸齒波明顯減小，梳理力曲線幅度擴展；當速度超過250鉗次/min時，梳理力曲線的鋸齒波基本消除。因為在開始梳理階段，纖維叢中纖維結構較紊亂，隨著梳理速度的急劇增加，針齒對纖維梳理的同時會產生輕微的沖擊，致使梳理力曲線幅度擴展。另外，梳理速度的急劇增大，使錫林不同梳理區交互梳理的時間大幅度減小，從而使鋸齒波減小。

（2）在1分度至4分度，梳理力曲線隨著精梳機速度的提高其幅度有所擴展；在4分度至8分度，在不同梳理區交替時梳理力曲線的波動仍然明顯。梳理力曲線幅度的擴展是由于梳理速度增大所致。

（3）隨著精梳機速度的提高，梳理力曲線的峰值有所增加，這也是精梳機速度增加導致伸直平行度較差的纖維與錫林針齒產生沖擊所致；但梳理力曲線峰值出現的位置在40分度至1分度之間波動。

5 結論

（1）應用扭矩傳感器研制的梳理力檢測裝置，可以精準檢測精梳機一個工作周期中錫林梳理力變化規律，并實現了精梳機錫林梳理力的在線檢測。

（2）棉紡精梳機錫林梳理力隨著梳理時間的增加而迅速增大，到最大值后急劇下降，在后續梳理過程中梳理力緩慢減小至零；錫林梳理力曲線可分為3個區域：迅速增大區、急劇下降區及緩慢減小區。

（3）精梳機低速運行時，在開始梳理階段梳理力呈現鋸齒階梯式上升，隨著精梳機速度的提高，開始梳理階段梳理力曲線的鋸齒波明顯減小，梳理力曲線的幅度擴展，梳理力曲線的峰值略有增加。

（4）纖維層結構、梳理隔距、針齒密度、針齒深度的變化是引起梳理力波動的關鍵因素；提高精梳小卷中纖維的分離、伸直及平行度，減少梳理隔距、針齒密度、針齒深度的差異可以減少梳理力的突變。