柔性梳理用針布設(shè)計原理探析

陳玉峰，王子峰

(1.光山白鯊針布有限公司，河南 光山 465450；2.項城市紡織有限公司，河南 項城 466200)

0 引言

對纖維的柔性梳理，是基于對纖維強烈打擊、梳理而受到的損傷提出的，其目的是為減少纖維損傷、多伸直且充分梳理。梳理過程中，在纖維與針布、纖維與纖維間的作用力與反作用力下，實現(xiàn)纖維和雜質(zhì)分離及纖維的伸直平行,實現(xiàn)對纖維的柔性梳理，其中針布設(shè)計是基礎(chǔ)，加強對柔性梳理理念和柔性梳理針布的研究具有積極意義。

1 梳理纖維的性質(zhì)與特點

1.1握持梳理

纖維層一端在握持狀態(tài)下由針齒對纖維進行梳理，稱為握持梳理。握持梳理作用強度大，對纖維的損傷也較大，如發(fā)生在刺輥與固定蓋板之間，其影響因素及梳理程度一般以梳理度來評價。

刺輥梳理度以每根纖維受到的平均作用齒數(shù)表示，其計算公式為：

(1)

式中：

C——每根纖維受到的平均作用齒數(shù)；

v——給棉羅拉線速度/(m·min-1)；

W——棉層定量/(g·m-1)；

nt——刺輥轉(zhuǎn)速/(r·min-1)；

Z——刺輥針布總齒數(shù)；

L——纖維平均長度/m；

Tt——纖維平均線密度/tex。

刺輥針布總齒數(shù)Z由下式計算：

Z=Dt×π×b/(P×R)

(2)

式中：

Dt——刺輥針布齒尖面直徑/mm；

b——刺輥針布齒尖面長度/mm；

P——齒條縱向齒距/mm；

R——齒條間距/mm。

高產(chǎn)梳棉機刺輥針布的梳理度值一般為0.5齒/根～1.0齒/根。分析式(1)可知，刺輥針布的梳理度與刺輥轉(zhuǎn)速、刺輥總齒數(shù)、纖維平均長度、纖維線密度，刺輥針布齒尖面直徑及長度成正比，而與喂入棉層線密度、給棉羅拉線速度、刺輥齒條齒距以及齒條間距成反比。該公式僅從接觸纖維角度分析，未考慮齒條的工作角。原蘇聯(lián)則是考慮棉束開松和除雜的主要參數(shù)，未考慮棉束大小、刺輥結(jié)構(gòu)、齒條工作角以及齒條總高、齒距的作用[1]。刺輥金屬針布是減少纖維損傷和保證梳理效果的關(guān)鍵，其梳理作用是改善纖維的取向度，實現(xiàn)單纖維化約為70%，除大雜不少于50%。

由于握持梳理的針布對纖維的沖切力較大，是實現(xiàn)柔性梳理須首先攻克的重點。

1.2自由梳理

自由梳理的纖維層被配置的一對針布分別控制、交替分梳和轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)纖維層的分離。自由梳理主要發(fā)生在錫林—回轉(zhuǎn)蓋板間，同時存在于刺輥—錫林、錫林—道夫、固定蓋板—錫林間。自由梳理強度取決于纖維的分布狀態(tài)，其梳理度以梳理力和梳理負荷來評價。

1.2.1梳理力

束塊狀纖維在梳理區(qū)內(nèi)同時受到兩個工藝部件上的針布梳理，由于兩部件存在速度差異，接觸同一束塊狀纖維的兩針布齒尖錯開時則纖維必然受到一定張力，使束塊狀纖維張緊、伸長，而纖維以阻力R(工藝上稱為梳理力)作用于針布上。梳理力是纖維軸向所受的力，其大小與針布結(jié)構(gòu)、工作部件相對速度、纖維相互聯(lián)系力等有關(guān)。采用功率測定法測得梳理力的數(shù)值，換算為單纖維的平均梳理力時僅為幾毫克，因而梳理力大小并不是錫林—蓋板工作區(qū)中纖維損傷的主要因素。梳理力過小，往往不能獲得較好的梳理質(zhì)量；但梳理力過大，也會局部地損傷纖維。設(shè)備運轉(zhuǎn)時，錫林—回轉(zhuǎn)蓋板間有纖維負載的功率N(kW)和空車功率N0之差，可作為梳理消耗的功率。式(3)可近似求得錫林—回轉(zhuǎn)蓋板區(qū)的總梳理力。

ΣR=|N-N0|×102/vc

(3)

式中：

vc——錫林齒尖面線速度/(m·s-1)。

1.2.2錫林—回轉(zhuǎn)蓋板區(qū)總負荷Q

由于是自由梳理，錫林—蓋板同時控制纖維，總負荷Q是指在錫林—蓋板梳理區(qū)兩針布面上內(nèi)、外層纖維的總質(zhì)量。Q的計算公式為：

Q=Pvv(1-a)/nc[(c1/g1-1)+c2+

Ng2vcHB/Kvfg1(1-g2)]

(4)

式中：

Pv——棉卷定量或筵棉質(zhì)量/(g·m-1)；

v——給棉羅拉線速/(m·min-1)；

nc——錫林金屬針布齒尖面轉(zhuǎn)速/(r·min-1)；

a——后車肚落棉率/%；

g1——道夫轉(zhuǎn)移率/%；

g2——回轉(zhuǎn)蓋板轉(zhuǎn)移率/%(以單位時間內(nèi)的蓋板花總量與喂入棉層總量之比估算)；

N——梳理區(qū)回轉(zhuǎn)蓋板根數(shù)；

H——錫林滾筒上金屬針布寬度/m；

B——回轉(zhuǎn)蓋板的植針寬度/m；

vc——錫林金屬針布齒尖面線速/(m·min-1)；

vf——回轉(zhuǎn)蓋板針尖面線速/(m·min-1)；

K、c1、c2——由機臺給定的常數(shù)。

在剔除特定機型的非變參數(shù)后，可得影響Q值的參數(shù)有v、Pv、g1、g2、vF、nc(vc)等；nc單獨增速，其它參數(shù)不變時，并不能使Q降低，當增大g1時則可減小Q；道夫轉(zhuǎn)速加快或錫林—道夫隔距減小，同樣增大g1，從而降低梳理區(qū)的纖維負荷；Q值與梳理質(zhì)量關(guān)系十分密切[2]。

錫林、回轉(zhuǎn)蓋板和道夫在梳理過程中，其針布上均有纖維層，纖維層的質(zhì)量、密度和結(jié)構(gòu)直接影響針布對纖維的握持能力、吸放性能和梳理次數(shù)，因此，對梳理功能有很大影響。纖維層在單位針面上的質(zhì)量稱為針面負荷，錫林、回轉(zhuǎn)蓋板和道夫針布上纖維層的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)均不同；自由梳理不再以簡單的梳理齒數(shù)計算，因為還有自由纖維。自由梳理被握持纖維以不同的形態(tài)存在，重點是實現(xiàn)精細梳理，以總纖維在兩針布間的受力大小，細分到單根纖維方面主要是纖維間摩擦和接觸分梳后的伸直平行狀態(tài)。

自由梳理條件下的柔性梳理可以實現(xiàn)，而梳理強度是需要解決的問題。

2 柔性梳理

2.1柔性梳理的要求

柔性梳理的理想狀態(tài)是纖維少損傷、多伸直，其相對強分梳要求主要是梳理器材、梳理纖維和梳理條件。

梳理器材指針布，梳理條件主要是對纖維的控制及工藝條件，三者協(xié)調(diào)作用進行梳理，以實現(xiàn)纖維與雜質(zhì)分離、纖維伸直平行，在梳理過程中應(yīng)避免纖維受力過大造成損傷，即進行柔性梳理。

2.2柔性梳理的特點

對纖維的梳理度，主要指梳理度和梳理強度。梳理度是針或齒作用于纖維的次數(shù)，梳理強度是纖維受力后的伸直狀態(tài)。

柔性梳理是相對“緊隔距、強梳理”而言，其纖維受力伸直充分且損傷少，柔性梳理使伸直三度不小于95%，纖維損傷(短絨增長率)少且增長率不大于喂給筵棉，棉結(jié)清除率不小于80%，雜質(zhì)清除不小于99%；后紡的質(zhì)量指標主要體現(xiàn)在紗線強力和條干均勻度，同時部分自由纖維(浮游纖維)在牽伸運動中容易或者能夠及時得到控制[3]。

2.3柔性梳理的影響因素

柔性梳理的影響因素是：針布材質(zhì)及其尺寸規(guī)格、纖維的喂入狀態(tài)、針布的運行狀態(tài)和梳理作用力的相關(guān)工藝因素。

2.3.1握持條件下的柔性梳理

握持梳理條件下，針布損傷纖維的類型，如圖1所示。

從圖1可知，握持梳理條件下纖維的伸直狀態(tài)、針布梳理的齒數(shù)、齒條齒部的尺寸規(guī)格(梳理時纖維的受力形式)對實現(xiàn)柔性梳理有很大的影響；同時合理的隔距和速度，都是實現(xiàn)柔性梳理的必要條件。

a) b) 圖1 握持條件下針布損傷纖維的類型

2.3.2自由梳理條件下的柔性梳理

自由梳理時，纖維沿針布運動的形態(tài)：① 纖維向齒底部移動的力克服T(法向力)，則纖維向齒底部移動，沉入齒隙形成纖維層；② 不能克服T，纖維雖有向齒底移動的趨勢，卻只能停留在齒頂面接受梳理；③ 纖維有向齒頂面移動的趨勢，但不足以克服T，只能停留在齒前面接受梳理；④ 纖維向齒頂面移動的力能克服T，結(jié)果滑出錫林齒尖面，纖維轉(zhuǎn)移到回轉(zhuǎn)蓋板針尖面上。顯然，②和③兩種情況時纖維接受梳理的條件最佳。由于錫林、回轉(zhuǎn)蓋板兩針面的彈性層并非恒定，因此纖維實際停留在齒前面接受梳理的情況要復(fù)雜得多。另外，齒條工作角α與纖維的運動有關(guān)：α大時纖維容易沉入齒底；α小時，又容易使纖維向齒頂滑出；所以，α的大小與纖維是否能獲得充分梳理關(guān)系密切。

梳理過程中，纖維沿齒前面運動和繞齒部運動非常重要，前者是剝?nèi)『吞嵘幕A(chǔ)，后者則是梳理的基礎(chǔ)；沒有沿齒前面運動，纖維無法沉入齒底部或提升到齒頂面，也不能脫離一個針布而轉(zhuǎn)移到另一個針布上去。繞齒部運動可以把大束纖維分解成小束、直至分解成單根纖維狀態(tài)。在梳理過程中，這兩種運動經(jīng)常同時發(fā)生。梳理的關(guān)鍵是減少纖維的橫向聯(lián)系，增強纖維的縱向聯(lián)系，纖維的沿齒前運動以及繞齒部運動都會因受力造成纖維損傷。

在自由梳理條件下，針布對纖維的取向度、作用強度、齒條的尺寸規(guī)格和隔距等工藝條件有影響，因此，合理的尺寸規(guī)格、較小的齒條表面粗糙度值利于減小摩擦力；合理的隔距和速度是柔性梳理的必要條件[4]。

2.4柔性梳理的其它要求

柔性梳理是一項系統(tǒng)工程，應(yīng)做好梳理前準備、梳理過程優(yōu)化及梳理后整理。梳理前，纖維束需要開松以提高纖維取向度、減小梳理負荷；梳理中，需要合理的工藝和梳理條件的配合，減少過度強梳理后的纖維損傷；梳理后牽伸前，還要對纖維的伸直取向度進行保護和進一步整理，以提高牽伸效果。由此，棉束分解、單纖維梳理、伸直三度較佳纖維的進一步伸直和狀態(tài)的保護都需要合理設(shè)計，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的柔性梳理[5]。

3 柔性梳理用金屬針布的設(shè)計

3.1設(shè)計要求

柔性梳理的核心是清梳用金屬針布齒條的設(shè)計與流程工藝相結(jié)合，才能實現(xiàn)對纖維的精細梳解、充分除雜及有效整理，達到提高纖維伸直度的目的。

柔性梳理對金屬針布齒條設(shè)計的要求：① 齒條齒部與纖維接觸應(yīng)柔和，減小摩擦力和打擊力，減少直接打擊；② 優(yōu)化齒深、齒前面形態(tài)、角度和釋放能力以及齒條表面粗糙度，減少齒前面負荷，提高轉(zhuǎn)移率；③ 優(yōu)化纖維轉(zhuǎn)移角度以及針布間的配合以保證梳理強度，使纖維梳理、排雜充分、伸直效果好；④ 減少強烈打擊，采用鋼針穿刺扯松，實現(xiàn)清梳工序開松、分解、梳理和整理之間的柔性漸進。

3.2系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1清棉用金屬針布齒條

開清棉用金屬針布是開松和梳理的源頭，實現(xiàn)柔性梳理的金屬針布齒條應(yīng)做到齒距大、基部寬，刀片改成鋼針，以利于減少棉塊橫向聯(lián)系、增加梳理效果、降低纖維損傷。

3.2.2大齒距、小基部寬刺輥齒條

刺輥金屬針布對纖維的沖擊和摩擦是造成纖維損傷的主要原因，降低刺輥轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致梳理度下降。合理的刺輥轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)柔性梳理主要應(yīng)在齒條齒部和齒型設(shè)計方面做研究，齒部光潔、齒頂寬由0.33 mm～0.24 mm減小為0.17 mm～0.18 mm，則刺輥金屬針布的穿刺能力增強；齒頂與纖維的面接觸變?yōu)辄c接觸，實現(xiàn)柔和梳理；齒形由直線齒前面變?yōu)殡p弧面；提高齒部淬火硬度，以提高金屬針布使用壽命[6]；普通刺輥齒條齒型與柔性梳理刺輥齒條齒型對比見圖2。

a) 普通齒型

b) 雙弧齒型

c) 駝峰齒型

3.2.3錫林金屬針布齒條

錫林金屬針布柔性梳理，重點從齒條的“矮、淺、尖、薄、密、小、硬、光”體現(xiàn)“柔”，錫林金屬針布齒條的主要幾何尺寸及作用見表1。

表1錫林金屬針布齒條的主要幾何尺寸及其作用

參數(shù)作用齒距P1.3 mm～2.2 mm,有逐步增大趨勢,主要目的是減少纖維損傷基部寬b10.80 mm～0.35 mm,基部寬小,可加大對纖維須叢的橫向梳理,同時彌補縱向大齒距帶來的齒密減小的問題齒密棉纖維用金屬針布有加密趨勢,如雙齒型金屬針布齒條齒密增大為1500齒/(25.4 mm)2;差別化纖維也宜采用較小齒密工作角α10°～40°,逐步加大,以加強對纖維的控制能力(已有α= 50°)齒深h6/齒條總高h1齒深結(jié)合齒部的幾何形狀有變小趨勢,以利于減少齒尖面負荷、提高纖維轉(zhuǎn)移率、減少反復(fù)揉搓造成的棉結(jié)增加;目前齒深最小為0.25 mm,早期為0.50 mm,而齒條總高則降低為1.5 mm齒底形狀和弧線曲率齒底形狀和曲率逐步增大,齒底以容纖量適度、易于轉(zhuǎn)移為宜,曲率以漸大變角為宜,以減少纖維控制點的集中,使纖維較為分散,延長針布的使用壽命;齒底形狀由直角邊發(fā)展為淺底、負角齒頂面積齒頂長l由0.08 mm逐步減小為0.04 mm,以提高齒尖的穿刺能力,減少纖維損傷橫截面形狀齒條橫截面一般為左、右直角梯形和等腰梯形3種,其與纖維的軸向運動方向不同;等腰梯形橫截面針布齒條是發(fā)展方向;目前已有各種齒形,如大平頂、駝峰弧背、直齒表面處理技術(shù)機械拋光、等離子、化學處理、鍍層處理以及表面強化處理、金剛石納米顆粒涂層等,重點解決齒條不耐磨的問題;通過表面強化處理的金屬針布硬度由960 HV提升到1200 HV4測點硬度提高第1、第2測點的硬度,降低第4測點的硬度,前者為了提高梳理質(zhì)量和金屬針布使用壽命,后者為了包卷方便

3.2.4道夫金屬針布齒條

在柔性梳理條件下，道夫金屬針布齒條設(shè)計應(yīng)兼顧轉(zhuǎn)移和梳理，以提高轉(zhuǎn)移率、減小齒尖面負荷為核心。齒條設(shè)計以增加容纖量與提高轉(zhuǎn)移率相結(jié)合，齒密、齒深以控制轉(zhuǎn)移相結(jié)合。道夫金屬針布齒條型號規(guī)格和表面狀態(tài)直接影響其對纖維的抓取、握持和釋放能力，其核心是在梳理轉(zhuǎn)移適度的基礎(chǔ)上減少后彎鉤纖維的產(chǎn)生。道夫金屬針布齒條工作角大則抓取纖維能力弱，不利于轉(zhuǎn)移率的提高；齒深大，可增大齒隙容纖量，同時使錫林高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流能夠順利從道夫金屬針布齒尖溢出，提高纖維轉(zhuǎn)移率；齒密大，道夫?qū)w維的抓取能力增強而有利于轉(zhuǎn)移率的提高。此外，還須使齒頂面積適度，針布平齊鋒利、光潔耐磨，避免軋傷[6]。傳統(tǒng)道夫金屬針布齒條和新型道夫金屬針布齒條參數(shù)對比見表2。

表2 道夫金屬針布齒條設(shè)計對比

項目道夫金屬針布齒條傳統(tǒng)型新型工作角α/(°)25～3030齒形直線齒直線齒,弧形齒多變齒條總高h1/mm3.5～4.54.0～5.0齒深h6/mm1.9～2.42.0～2.6齒頂長l/mm0.10～0.130.11～0.15齒密/[齒·(25.4 mm)-2]306～550306～550(直線齒紡化學纖維加密)基部高h2/mm1.2～1.41.0～1.3適紡范圍通用專紡性強齒條側(cè)面光潔有橫紋和溝槽(1～5)表面處理技術(shù)無機械拋光、涂層等技術(shù)

分析表2可知：道夫金屬針布齒條的技術(shù)進步主要是工作角α增大(當其穩(wěn)定在30°時利于抓取和轉(zhuǎn)移)、齒深h6增大、齒密結(jié)合齒形適度增減、齒形設(shè)計多樣性以及采取表面處理技術(shù)等，既結(jié)合纖維性能又兼顧抓取、轉(zhuǎn)移、控制和釋放等性能，齒條齒部硬度增大，與纖維摩擦因數(shù)減小，在便于轉(zhuǎn)移的同時提高防腐防銹能力，有利于柔性梳理。

3.2.5固定齒條蓋板針布

固定齒條蓋板針布是清梳聯(lián)梳棉機重要的附加器材，后固定齒條蓋板針布具有預(yù)梳理作用，前固定齒條蓋板針布具有整理作用，其數(shù)量與梳理質(zhì)量正相關(guān)[7]。固定齒條蓋板針布—錫林針布間為自由梳理，以減少嵌雜為核心，從而忽視了梳理作用；因此存在柔性梳理但梳理強度不足的問題。如：大圓弧齒前面齒形，梳理效果好，但對纖維損傷大；負角齒底齒形齒條不嵌雜，梳理效果一般；平齒底齒形，排雜、梳理效果好，但使用壽命短，所以，梳理效果與不嵌雜對齒條蓋板針布而言是一對矛盾體，設(shè)計時應(yīng)兼顧齒密、減少纖維損傷和嵌雜問題。

3.2.6彈性蓋板針布

彈性蓋板針布設(shè)計的柔性理念是：針尖小(0.03 mm～0.05 mm)、總高小(7.0 mm～8.0 mm)、植針漸密、角α適中(12°～28°)、鋼絲截面為卵形(也可為菱形、雙凸形)、淬火后硬度高(960 HV)、針尖平面度好(同副偏差不平磨為±0.25 mm，平磨為0.15 mm)等，使控制纖維能力和排雜通道有機結(jié)合，以利于梳理兼顧排雜，達到控制纖維適度、抗彎能力強、排雜效果好和梳理效果好等目的[8]。

4 結(jié)語

4.1實現(xiàn)柔性梳理的過程中，纖維與針布、纖維與纖維以及針布與針布間產(chǎn)生作用力與反作用力，實現(xiàn)了纖維與雜質(zhì)分離和纖維的伸直平行，但也不可避免地使部分纖維受梳理時大于其承受力，造成纖維損傷和梳理過度的矛盾。

4.2新型刺輥金屬針布齒條采取小齒尖寬提高其對塊狀纖維的穿刺能力，而大齒距利于減少縱向打擊；配套小表面粗糙度值齒部、高轉(zhuǎn)移的密齒道夫金屬針布以及小工作角、密齒蓋板針布等，能提高纖維轉(zhuǎn)移率和梳理效果，減小針布負荷，是實現(xiàn)柔性梳理的基礎(chǔ)。