稱重混棉機的精確稱重研究與應用

王 勇

青島宏大紡織機械有限責任公司 研發中心(中國)

傳統的原料混合多采用人工混合或在并條機上進行混并,這會造成纖維之間混合質量不穩定、比例不準、沒有立體感,而且存在用工緊張、生產效率低等問題[1-2]。近年來,隨著混紡和色紡產品逐漸向高端化、品種差異化方向的發展,稱重混棉機應運而生,并快速發展,清花混棉已成為混紡、色紡品種的技術主流[3]。

隨著混紡、色紡市場的快速成長,紡機制造廠商紛紛跟進稱重混棉機的研發與生產。稱重混棉機結構各異,相關行業標準尚未推廣;混紡、色紡工藝流程不完善,存在纖維混合不勻、混紡比不準確等問題[4-5]。因此,稱重混棉機的發展還不夠成熟,需要進一步地探索,本公司(青島宏大紡織機械有限責任公司)經過多年相關設備的開發及應用,已基本完成了對稱重混棉機精確稱重的工藝研究。

1 稱重混棉機的應用

以下介紹有稱重斗精確稱重功能的稱重混棉機,皮帶秤形式、平斜簾多倉形式的稱重混棉機稱重精度較低,不在本文探討之列。

1.1 稱重混合原理

稱重混棉機是通過對稱重斗內纖維的稱重實現纖維的混合,按稱重與混合“時空”順序的不同可將稱重分為單種纖維稱重型和多種纖維混合稱重型。

1.1.1 單種纖維稱重型

如圖1所示,單種纖維稱重型即對單種纖維進行稱重,若要實現多種纖維的稱重混合則需配置多臺(通常為3臺或4臺)此類型稱重混棉機,多臺稱重混棉機將稱重后的不同纖維在精細開松機輸送帶上進行疊層,經開松后輸送至后級機臺,從而實現對多種纖維成分的稱重混合(精細開松機此處不做介紹)。該種稱重混棉機的優點是產量高,最多可實現6種纖維的稱重混合,是稱重混棉機的主力機型。

1—單種纖維稱重型稱重混棉機; 2—精細開松機。圖1 單種纖維稱重型稱重混棉機組

1.1.2 多種纖維混合稱重型

如圖2所示,多種纖維混合稱重型稱重是在稱重混棉機內部實現多種纖維(通常2～3種)的混合,利用稱重斗內纖維質量的累加實現對多種纖維的稱重混合,混合后的纖維經精細開松機的轉移及開松后輸送至后級機臺。有別于單種纖維稱重型,多種纖維混合稱重混棉機內部有3個獨立的儲棉箱及對應給棉通道,可實現稱重斗內纖維的稱重混合。該種稱重混棉機的優點是占地面積小、產量受混紡比的影響較小,但產量較低,實際產量通常不超過300 kg/h,因此其市場份額不高。

1—多種纖維混合稱重型稱重混棉機; 2—精細開松機。圖2 多種纖維混合稱重型稱重混棉機組

1.2 工藝流程

目前,市場中清梳混紡線的流程配置種類繁多,按照生產的連續性,可分為連續化生產和非連續化生產兩種。

1.2.1 連續化生產

連續化生產是將稱重混棉機應用于清梳聯流程,因其生產效率高、節省人工的優點而深受市場歡迎,也是符合無人車間發展的一種模式。目前,市場上應用最多的流程為:①抓棉機→②稱重混棉機組→③多倉混棉機→④清棉機→⑤梳棉機。針對黏膠等纖維不易開松的特點,有部分混紡線在①抓棉機和③稱重混棉機組中間增加了開松設備,充分的開松有利于纖維的精細混合。

1.2.2 非連續化生產

非連續化生產是將原料稱重混合后打包,然后放至正常清梳聯生產線上使用。相對于連續化生產模式,其混合效果更好,但長流程對紗線指標有影響,并且打包及排包過程必將增加勞動強度、影響生產效率。非連續化生產的主要流程為:①抓棉機→②稱重混棉機組→③打包機→④正常清梳聯生產線。

1.3 存在的問題

稱重混棉機存在諸多不合理設計,難以滿足精確稱重或高產的要求;工藝流程設計不合理,存在生產效率低、混合效果不佳等問題。這些問題的存在都會直接或間接地影響用戶的經濟效益,造成相應損失。

2 JWF1081/A型稱重混棉機及工藝流程

本公司對稱重混棉機的精確稱重工藝進行了系統研究,升級設計了JWF1081/A型稱重混棉機(單種纖維稱重型),并制定了標準的工藝流程。升級設計后的JWF1081/A型稱重混棉機如圖3所示。

1—儲棉箱; 2—給棉部件; 3—打手部件; 4—翻板開合部件; 5—稱重部件; 6—支撐部件。圖3 升級設計后的JWF1081/A型稱重混棉機

2.1 升級設計后的JWF1081/A型稱重混棉機

對關鍵機械結構和電氣控制進行優化設計后提升了稱重的精確性和穩定性。

2.1.1 儲棉箱

儲棉箱位于稱重混棉機頂部,起著儲棉和排風的作用。

——儲棉箱內是經過開松后比較蓬松的纖維,足夠的儲棉量是精確稱重的前提,儲棉箱有效儲棉空間為0.54 m3,儲棉量可達18 kg。

——儲棉均勻密實是精確稱重的基礎,儲棉箱的排風能力能與FT243A型入口風機風量相匹配,儲棉箱排風區域下部采用大面積網眼排風,上部采用可調濾網排風,排風面積可>5 m2,可實現儲棉箱內風既壓緊纖維又不穿透儲棉箱,避免了到達稱重部位的風對稱重精度的嚴重影響。控制儲棉箱排風管道靜壓為-120～-230 Pa,補風口設計有可調節的補風板,方便調節補風位置和補風量,避免儲棉箱內儲棉不均。

——過棉通道平滑過渡,避免了截面驟變出現的氣流紊亂;儲棉區域特別是網眼區域經表面處理(如拋光),可減少掛花、纖維粘網眼的可能性。

2.1.2 給棉

給棉采用上下兩對羅拉,上面為一對大直徑六翼片羅拉,下面為小直徑翼片羅拉+包針布羅拉。上面的一對翼片羅拉大隔距、大直徑,可高效地將纖維壓緊、轉移,采用高產、防纏繞設計,適紡纖維的長度更大;小直徑翼片羅拉和包針布羅拉可有效地握持和轉移纖維。給棉傳動采用伺服技術,相較于變頻傳動能夠實現更精準給棉。

2.1.3 打手區域

打手采用大直徑6排梳針打手,變頻控制,柔和開松[6]的同時可高效地將纖維開松、轉移。通過合理的過棉通道設計,能將經過打手開松后的纖維動能予以抵消,纖維以近乎自由落體的狀態落入稱重斗內;打手旋轉產生的風通過過棉通道的排風區域排出。在此基礎上的影響通過電氣算法補償,可最大程度地確保稱重精度。

2.1.4 翻板開合

翻板開合部件位于稱重斗的上方,給棉時開啟,非給棉時關閉。翻板旋轉軸處采用了細毛刷+雙層密封皮設計,可防止此處搭花,尤其是能防止較長的辮子接觸稱重斗造成的長時間稱重偏差。

2.1.5 稱重

稱重采用三點懸掛結構,使稱重系統能快速、穩定地稱重,縮短稱重周期。每個稱重點采用模塊化設計,稱重斗與稱重傳感器采用柔性連接技術,并增加限位設計和橡膠減振,從而能有效減少低頻振動對稱重的影響。

稱重斗采用特殊材質,稱重斗內無纖維時,稱重傳感器總承載質量不足30 kg,做到承載纖維與稱體質量比最大化,提升了稱重精度。稱重斗側面設置了合理的網眼排風區域,減小了風力對稱重的影響。

2.1.6 支撐

創新性地采用獨立支撐設計,即稱重結構不與給棉、打手等產生振動部分接觸。測試可知:正常開車時,非獨立支撐方式的稱重部位平均振幅達0.8 mm,獨立支撐稱重部位平均振幅則僅為0.2 mm,振幅大幅減小75%,明顯可見獨立支撐設計的優勢。

2.1.7 電氣控制

科學合理的電氣控制程序有效確保了稱重的精確性:稱重周期內7大階段劃分,控制執行動作的并行或串行;儲棉箱儲棉量控制和下限保護,確保稱重的連續性及準確性;采用高效給棉和精細給棉相結合的理念,給棉設置高、中、低3檔速度,根據適紡纖維的不同自動調整相應速度的稱重質量;稱重飛料的智能計算及自動修正;稱重固定偏差和隨機偏差的預測及動態模型修正;配方管理,混紡品種快速切換等。

2.2 標準工藝流程

2.2.1 連續化生產

標準流程:①抓棉機→②儲棉開松機→③稱重混棉機組→④多倉混棉機→⑤清棉機→⑥梳棉機。其中,環節①如果配置圓盤抓棉機,每種纖維至少對應2臺并聯的圓盤抓棉機,避免排包影響產量;環節②標配儲棉開松機,可替換為清棉機或多倉混棉機(4倉或6倉);環節④配置多倉混棉機為8倉或10倉。

2.2.2 非連續化生產

標準流程:①抓棉機→②儲棉開松機→③稱重混棉機組→④打包機→⑤正常清梳聯生產線。其中,環節①如果選用圓盤抓棉機,每種纖維至少對應2臺并聯的圓盤抓棉機,避免排包影響產量;環節②標配儲棉開松機,可替換為多倉混棉機(4倉或6倉)。

3 生產實踐

升級設計后的JWF1081/A型稱重混棉機及標準流程已應用于國內外20余家企業,以下以江蘇某大型紡織廠混紡滌綸/黏膠[混紡比65/35,線密度1.33 dtex(30s)]紗為例進行介紹。

3.1 工藝流程

JWF1007型圓盤抓棉機→JWF1129型儲棉開松機→JWF1081A型稱重混棉機+JWF1127-160型精細開松機→JWF1031型多倉混棉機→JWF1115-160型精開棉機→JWF1213型梳棉機→(并條機→粗紗機→細紗機→絡筒機)

3.2 工藝參數

JWF1129型儲棉開松機:打手轉速600 r/min,給棉羅拉最高轉速2.05 r/min。FT243A型入口風機:距離JWF1081A儲棉箱5 m以上,頻率30.5 Hz。JWF1081A型稱重混棉機:儲棉箱壓力為500～600 Pa,供棉壓力下限450 Pa;給棉羅拉最高轉速10.16 r/min(伺服控制),三檔給棉速度及相應質量由程序自動分配并動態調整;打手轉速870 r/min。JWF1127-160型精細開松機:輸送帶最大速度12.9 m/min,打手轉速720 r/min。JWF1115-160型精開棉機:打手速度530 r/min,目標壓力550 Pa。JWF1213型梳棉機:出條速度195 m/min,產量70 kg/h,錫林速度450 r/min,刺輥速度900 r/min,活動蓋板速度200 mm/min。

3.3 成紗質量及混紡比

3.3.1 成紗質量

成紗質量指標如表1所示,數據均為取樣10次的均值,成紗質量指標達到了2018年USTER公報5%的水平。

表1 成紗質量指標

3.3.2 混紡比

從細紗取樣后,按照FZ/T 01057.3-2007《紡織纖維鑒別試驗方法》、GB/T 2910.11-2009《紡織品定量化學分析 第11部分:纖維素纖維與聚酯纖維的混合物(硫酸法)》進行混紡比的測試,測試結果如表2所示。所生產紗線要求的滌綸和黏膠混紡比為65∶35,由表2中數據可知,滌綸和黏膠的混紡比波動控制在混紡比的±0.5%以內。同時,根據下游客戶長期跟蹤反饋,所生產紗線織布后染色均勻、無橫檔現象,這進一步證明了升級設計后的JWF1081/A型稱重混棉機及標準流程混棉的準確性。

表2 管紗中滌綸和黏膠質量分數的檢測結果

4 結語

差別化纖維混紡比例難控制是紡紗生產的難點和痛點。應用升級設計后的JWF1081/A型稱重混棉機能確保精確的紗線混紡比,提高紗線的附加值;超過1 000 kg/h的產量可為用戶創造更多的利潤空間;自動化控制、遠程診斷與維護系統等還能為用戶帶來良好的使用體驗。相比傳統的混棉方式,升級設計后的JWF1081/A型稱重混棉機及標準工藝流程能夠減少紡織企業的用工壓力和工作強度、提升產品競爭力,符合當前社會節能、低碳經濟的主題,可為紡織企業創造更大的經濟效益。