精梳機分離牽伸力在線檢測與規律分析

陳宇恒，高衛東，任家智

(1.生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122；2.中原工學院 紡織學院，河南 鄭州 450007)

分離牽伸是精梳機的重要工藝過程，對輸出棉網的質量有著重要的影響[1-2]。牽伸過程中，分離羅拉將纖維從鉗口外須叢快速抽出，需要克服來自慢速纖維、頂梳梳針等部件的摩擦阻力，該阻力被稱為分離牽伸力[3]。由于精梳機鉗板、分離羅拉的速度與喂入鉗口的纖維數量不斷變化，導致分離牽伸力呈現時刻變化的動態特征。受分離牽伸機構的限制，精梳機對細絨棉具有良好的適紡性，但對纖維長度較長的長絨棉、棉型化纖加工時會出現因牽伸力過大造成棉網破裂、斷網，精梳質量惡化的問題[4-5]，因此，精梳機分離牽伸力的檢測與分析是紡紗研究中的重要課題。

利用牽伸力測試裝置對紡紗過程的須條狀態進行在線監測是優化紡紗工藝、提高成紗質量的有效手段。目前，有關牽伸力的研究主要集中在并條與細紗工序[6-8]。有研究者在并條機牽伸區增加了上托式壓力棒，運用力傳感器研究纖維特性、并條工藝對牽伸力的影響，采用降低牽伸力不勻率的方法提高了紗線條干質量[9-11]。亦有研究者在細紗機后牽伸區借助于電阻應變片式懸臂梁壓力傳感器獲得牽伸力的變化規律，研究后區牽伸工藝對牽伸力及其不勻率的影響，為合理制定細紗工藝提供了理論依據[12-13]。精梳機分離牽伸力的研究尚處于通過建立分離羅拉動力學模型，對牽伸力進行理論估算的探索階段[3]，缺少相關的定量檢測手段。

為探究精梳機分離過程中牽伸力的變化規律，本文基于動態扭矩傳感器自主開發了精梳機分離牽伸力在線檢測裝置。保持精梳機其他工藝參數不變，分別改變車速、頂梳齒密和頂梳插入深度，研究不同工藝參數對分離牽伸力的影響，以期為進一步優化精梳工藝提供理論參考。

1 精梳機分離牽伸機制及影響因素

1.1 精梳機分離牽伸作用機制

精梳機分離牽伸裝置如圖1所示。給棉羅拉與下鉗板上方的導棉板組成給棉鉗口，分離羅拉與分離皮輥組成分離鉗口。2個鉗口之間有適當的羅拉握持距，并且分離羅拉的順轉速度遠大于鉗板前擺速度，因此，給棉、分離鉗口之間形成了精梳機分離牽伸區，承擔了纖維的分離工作。

圖1 精梳機分離牽伸裝置Fig.1 Separation and drafting device of comber

錫林梳理結束后，鉗板逐漸打開并攜帶須叢向分離鉗口移動，此時，分離羅拉開始順轉，如圖1中箭頭所示方向。當鉗板攜帶的須叢頭端到達分離鉗口時，分離開始，以鉗板速度運動的慢速纖維變為以分離羅拉順轉速度運動的快速纖維，須叢中不同截面的纖維產生了位移差，實現了須叢的分離牽伸；此時，頂梳刺入須叢對其尾端進行梳理，產生較大的摩擦阻力。牽伸過程中，鉗板不斷將須叢送入分離鉗口，分離羅拉將纖維快速抽出；當鉗板到達最前位置時，須叢不再送入分離鉗口，分離羅拉繼續順轉將分離叢輸出；當纖維與須叢徹底分離后，分離工作結束。每個工作周期，分離羅拉將鉗口外頭端須叢抽長拉細，輸出一個兩端薄、中間厚的分離叢，如圖2所示。

圖2 鉗口外須叢分離牽伸示意圖Fig.2 Schematic diagram of whisker cluster separation and drafting outside jaw

1.2 精梳機分離牽伸力影響因素

精梳機分離牽伸力是決定分離牽伸工作能否順利進行的重要因素，可用牽伸力公式[14]定性表示：

可見，分離牽伸力的主要影響因素有：纖維長度l，纖維摩擦因數μ，總纖維根數M(x)和快、慢速纖維根數K(x)、N(x)以及摩擦力界強度分布P(x)。精梳機分離牽伸區摩擦力界如圖3所示。其中：Pg(x)為給棉鉗口摩擦力界；Pf(x)為分離鉗口摩擦力界；Pd(x)為頂梳附加摩擦力界。三者共同控制纖維的運動。

圖3 精梳機分離牽伸區摩擦力界Fig.3 Friction field of draft zone in comber

1.2.1 纖維特性

不同品種的纖維長度、細度、摩擦因數等特性差異較大。纖維長度越長、整齊度越高、細度越細、摩擦因數越大，分離過程中慢速纖維與頂梳梳針對快速纖維的摩擦阻力越大。

1.2.2 給棉工藝

給棉工藝包括小卷定量、給棉方式與給棉長度。給棉工藝的調整會使鉗口外的總纖維根數和快、慢速纖維數量發生變化，引起分離牽伸力相應變化。

1.2.3 梳理工藝

錫林梳理效果直接影響精梳落棉率，使鉗口外須叢的纖維根數發生變化。落棉率減小，鉗口外的纖維根數增多，分離牽伸時需要克服的摩擦阻力增大；落棉率增大，鉗口外的纖維根數變少，分離牽伸時需要克服的摩擦阻力減小。

1.2.4 摩擦力界

頂梳附加摩擦力界Pd(x)靠近分離鉗口，如圖3所示，摩擦力界強度從峰值向兩側逐漸減小，呈現“山峰狀”分布；分離過程中頂梳梳針對纖維產生擠壓作用，如圖4所示，使纖維受到較大的摩擦阻力。精梳機給棉鉗口與分離鉗口之間的羅拉握持距影響分離牽伸區摩擦力界的強度分布，對分離牽伸力的影響較大，握持距過大、過小均不利于分離工作的進行。

圖4 頂梳梳針對纖維擠壓示意圖Fig.4 Schematic diagram of extrusion of top comb for fiber

2 精梳機分離牽伸力在線檢測裝置

2.1 分離牽伸力測試原理

分離牽伸過程中，分離羅拉將快速纖維從鉗口外須叢抽出，受到慢速纖維與頂梳對快速纖維的摩擦阻力作用，該阻力通過快速纖維作用于分離羅拉，使分離羅拉產生扭矩。設分離牽伸力為P、分離羅拉直徑為D、分離牽伸扭矩為M，其中分離牽伸扭矩M可用扭矩傳感器測得，則可根據下式計算分離牽伸力：

2.2 扭矩傳感器與聯軸器選型

采用美國Futek公司的TRS600 動態扭矩傳感器，該傳感器量程為0～10 N·m，非線性誤差為 ±0.2%，精度滿足測試需求。選用東莞怡合達自動化股份有限公司的DEG11-D39雙膜片式聯軸器，該聯軸器扭矩剛性較好，能夠糾正聯軸器兩端連接軸的同心度偏差，尺寸滿足安裝需求。

2.3 分離牽伸力測試裝置

根據分離牽伸力與牽伸扭矩的關系，構建了精梳機分離牽伸力在線檢測裝置，如圖5所示。該裝置由驅動機構、連接機構、測試單元與負載機構組成。驅動機構包括電動機1、齒形帶2和驅動軸3；連接機構包括2個聯軸器4；測試單元包括扭矩傳感器5、數據采集器6和計算機7；負載機構包括分離羅拉8和分離皮輥9。纖維分離過程中，牽伸力作用到負載端的分離羅拉8，使之產生扭矩，扭矩通過扭矩傳感器5轉換成精確的電信號，該信號經過數據采集器6采集處理后，在計算機7終端顯示分離羅拉扭矩實時數值，計算得到1個工作周期內的分離牽伸力變化規律。

1—電動機;2—齒形帶;3—驅動軸;4—聯軸器;5—扭矩傳感器; 6—數據采集器;7—計算機;8—分離羅拉;9—分離皮輥。圖5 精梳機分離牽伸力在線檢測裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of on-line detection device for separation drafting force of comber

根據圖5對現有精梳機進行機構改造，在電動機與分離羅拉之間增加驅動軸、聯軸器、扭矩傳感器和數據采集器，分離牽伸力在線檢測裝置實物如圖6所示。

1—驅動軸;2—聯軸器;3—扭矩傳感器;4—數據采集器;5—分離羅拉;6—分離皮輥。圖6 精梳機分離牽伸力在線檢測裝置實物圖Fig.6 Physical drawing of on-line detection device for separation drafting force of comber

3 測試條件與數據處理

3.1 原料與精梳工藝

采用細絨棉，小卷定量為75 g/m，給棉方式為前進給棉，給棉長度為4.7 mm，落棉隔距為9 mm，搭接刻度為0 ，分別改變精梳機車速與頂梳工藝參數，研究其對分離牽伸力的影響。

3.2 分離開始與結束定時

當鉗板將錫林梳理過的棉叢送至分離鉗口時，分離開始，此時精梳機位于18 分度；鉗板逐漸往前擺動，將須叢繼續送入分離鉗口，當鉗板到達最前位置，即24 分度，最后一批纖維頭端進入分離鉗口；此后鉗板逐漸后退，分離羅拉繼續順轉將纖維從頂梳握持的須叢中抽出，直至纖維與須叢徹底分離時分離結束，此時精梳機位于30 分度。可見，精梳機分離牽伸過程從18 分度開始，30 分度結束。

3.3 數據處理

為保證數據準確性，保持精梳機工藝參數不變，利用扭矩傳感器分別測得精梳機10 個工作周期內分離羅拉空車運行(無棉卷喂入)與正常運行(有棉卷喂入)時的牽伸扭矩數據，將正常運行時的分離牽伸扭矩均值減去空車運行時的牽伸扭矩均值，算得1個工作周期分離過程中的牽伸力數值。分離牽伸扭矩測試界面如圖7所示。

圖7 精梳機分離牽伸扭矩測試界面Fig.7 Test interface of separating draft torque of comber

4 結果分析

4.1 精梳機車速對分離牽伸力的影響

在精梳機頂梳齒密為28針/cm、頂梳插入深度為0刻度的條件下，保持精梳機其他工藝參數不變，分別改變精梳機車速為100、200、300 鉗次/min，精梳過程中分離牽伸力變化曲線如圖8所示。

圖8 精梳機車速對分離牽伸力的影響Fig.8 Effect of comber speed on separation drafting force

由圖8可知：分離過程中牽伸力呈現先增大再減小的變化趨勢；峰值出現在24 分度，為27～33 N。這是由于分離開始時喂入分離鉗口的纖維較少，隨著鉗板往前擺動，喂入鉗口的纖維數量逐漸增多，分離牽伸力迅速增大，到24 分度時喂入分離鉗口的纖維數量達到頂峰，分離牽伸力最大；此后鉗板后退，不再將纖維喂入分離鉗口，分離羅拉握持纖維從鉗口外的須叢中抽出，纖維與須叢逐漸脫離，分離牽伸力逐漸減小，30 分度時纖維徹底脫離須叢，分離牽伸力降至0 N。隨精梳機車速提高，分離牽伸力呈現增大趨勢，但其隨分度數增加呈現先增后減的基本變化規律不變。精梳機車速從100鉗次/min提高至200、300鉗次/min，對應的分離牽伸力均值分別為12.29、13.55、15.23 N。說明車速從200鉗次/min 提高至300 鉗次/min對應的牽伸力增值(1.68 N)大于從100 鉗次/min提高至200 鉗次/min對應的牽伸力增值(1.26 N)。這是由于當分離羅拉將纖維從須叢抽出時，纖維尾端受到頂梳梳針的梳理，由于纖維尾端排列紊亂，尾端彎鉤與梳針產生橫向沖擊作用，該沖擊力隨車速的提高逐漸增大，造成分離牽伸力增大。

4.2 頂梳齒密對分離牽伸力的影響

在精梳機車速為300 鉗次/min、頂梳插入深度為0刻度的條件下，保持精梳機其他工藝參數不變，分別在去掉頂梳，頂梳齒密為26、28、30、32 針/cm時，測試1個周期內的分離牽伸力變化數值，結果如圖9所示。

圖9 頂梳齒密對分離牽伸力的影響Fig.9 Effect of top comb tooth density on separation drafting force

由圖9可知，當去掉頂梳時，分離牽伸力大幅減小，峰值降幅高達24.67%～34.81%。說明頂梳對纖維的分離起著重要的控制作用，牽伸過程中頂梳梳針對纖維產生橫向、縱向擠壓效應，使纖維與纖維、纖維與梳針之間的摩擦阻力增大，造成分離牽伸力增加。隨著頂梳齒密的增加，分離牽伸力呈增大趨勢，頂梳齒密每增大2 針/cm，分離牽伸力峰值增加約1.5 N，分離牽伸力均值增加約1 N，說明頂梳齒密增加，梳針對纖維的橫向擠壓作用增強，纖維分離時需要克服的摩擦阻力增大。

4.3 頂梳插入深度對分離牽伸力的影響

在精梳機車速為300鉗次/min、頂梳齒密為28針/cm 的條件下，保持精梳機其他工藝參數不變，分別改變頂梳插入深度為-1、0、+1 刻度，不同頂梳插入深度對應的分離牽伸力變化曲線如圖10所示。

圖10 頂梳插入深度對分離牽伸力的影響Fig.10 Influence of insertion depth of top comb on separation drafting force

由圖10可知，隨著頂梳插入深度的增加，分離牽伸力呈增大趨勢。這是由于頂梳梳針針根寬、針尖窄，相鄰梳針的針隙從下至上逐漸減小，頂梳插入深度增加，梳針對纖維的縱向擠壓作用增強，纖維受到的摩擦阻力增大，造成分離牽伸力增加。頂梳插入深度每增加1 刻度，分離牽伸力峰值增加約2.6 N，分離牽伸力均值增加約1.7 N。這說明與頂梳齒密相比，頂梳插入深度對分離牽伸力的影響更大。

5 結 論

1)基于扭矩傳感器開發的精梳機分離牽伸力檢測裝置，能夠精確地捕捉1個周期內分離牽伸力的數值變化，實現了精梳機分離牽伸力的在線檢測。

2)分離過程中牽伸力呈現先增大后減小的變化趨勢，在24 分度出現峰值；提高精梳機車速會造成分離牽伸力增大，且在高速區提高車速引起的分離牽伸力增值大于在低速區提高車速的分離牽伸力增值。

3)頂梳對分離牽伸力的影響較大，去掉頂梳，分離牽伸力峰值顯著減?。辉黾禹斒猃X密和頂梳插入深度均會造成分離牽伸力增大，且頂梳插入深度對牽伸力的影響大于頂梳齒密。

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