梳棉機(jī)刺輥金屬針布分梳機(jī)理的研究

史志陶，任家智

(1.沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇 張家港 215699；2.中原工學(xué)院，鄭州 450007)

0 引言

在梳棉機(jī)上，一般認(rèn)為刺輥金屬針布的分梳功能是將纖維塊開松梳理為纖維束，同時實(shí)現(xiàn)原料的混和及一定程度的除雜；而刺輥金屬針布針齒對筵棉纖維層的分梳決定著錫林—回轉(zhuǎn)蓋板針布對纖維束的分梳質(zhì)量及生條結(jié)構(gòu)與質(zhì)量。目前,對梳棉機(jī)刺輥金屬針布分梳功能的機(jī)理研究還停留在定性分析與實(shí)證研究基礎(chǔ)上[1-2]，仍未能解釋為何生條的均勻性變化隨給棉羅拉—給棉板鉗口輸入纖維層縱向均勻性變化[3]。筆者旨在通過針布對纖維束的作用機(jī)理展開探討，以揭示刺輥金屬針布負(fù)荷結(jié)構(gòu)。

1 梳棉機(jī)刺輥金屬針布針齒分梳機(jī)理研究

1.1 梳棉機(jī)刺輥金屬針布針齒分梳的力學(xué)模型

隨刺輥旋轉(zhuǎn)的針齒，被分梳纖維作用的位置為其齒前面與齒背面。一個齒距內(nèi)沿著纖維輸入方向，如果旋轉(zhuǎn)著的齒背邊緣旋轉(zhuǎn)的半徑減小速度大于或等于被分梳纖維層的速度，則其齒背將不受纖維的接觸或摩擦，即不會對纖維層產(chǎn)生作用；此時，只有刺輥針布針齒的齒前面與被抓取纖維作用。

現(xiàn)將梳棉機(jī)分梳時的金屬針布齒條簡化，并假設(shè)齒條齒前面A處抓取一纖維束，以齒前面輪廓線為x軸，過A點(diǎn)設(shè)置y軸，齒條的工作角為α，如圖1所示。

如圖1a)所示狀態(tài)，纖維束被齒條針齒的齒前面鉤取時，纖維束的張力F與y軸成β角，其沿坐標(biāo)軸方向可分解為Fx，F(xiàn)y兩個分力；Fx=Fsinβ，沿齒前面向齒頂面方向產(chǎn)生一分力Fx，從而使纖維束向齒頂面方向產(chǎn)生滑移；Fy=Fcosβ，垂直于齒前面將產(chǎn)生一阻礙纖維束沿齒前面運(yùn)動的阻力f；如果齒前面上對纖維束的阻力不足夠大時，勢必導(dǎo)致纖維束向齒頂面滑移、最終脫離金屬針布針齒控制,此時可認(rèn)為金屬針布針齒不具有抓取纖維束的條件。

如圖1b)所示狀態(tài)，纖維束被齒前面鉤取時，纖維束的張力F垂直于齒前面，即其沿坐標(biāo)軸方向可分解為Fx=0，F(xiàn)y=F，從而使纖維束停留在齒前面的A點(diǎn)上，無沿齒前面滑移趨勢，此時可認(rèn)為金屬針布針齒具有抓取纖維束的條件，但如果齒部駐留了纖維束，就會阻礙金屬針布繼續(xù)抓取纖維的能力。

如圖1c)所示狀態(tài)，纖維束被齒前面鉤取時，纖維束的張力F與y軸成β角，其沿坐標(biāo)軸方向可分解為Fx，F(xiàn)y兩個分力；Fx=Fsinβ，沿齒前面向齒根產(chǎn)生一分力，使纖維束向齒根滑移；Fy=Fcosβ，垂直于齒前面，將產(chǎn)生一阻礙纖維束沿齒前面運(yùn)動的阻力f；如果齒前面上對纖維束的阻力不足夠大時，勢必導(dǎo)致纖維束向齒根滑移，最終金屬針布針齒獲取更多的纖維，即牢牢抓取一束纖維,此時可認(rèn)為金屬針布針齒具有抓取纖維束的條件。

金屬針布針齒能抓取纖維是金屬針布針齒持續(xù)獲取纖維的能力；金屬針布針齒能抓住纖維只是暫時獲取纖維，并不表示其獲取纖維能力的持續(xù)性，即金屬針布針齒不能獲得足夠多的纖維而形成工藝要求的針面負(fù)荷。

1.2 滿足梳棉機(jī)刺輥金屬針布針齒分梳的工藝條件

梳棉機(jī)刺輥金屬針布針齒分梳喂給原料時，分為由給棉板托持喂給方式和給棉羅拉托持喂給方式。刺輥金屬針布針齒對纖維層的梳理功能，在隨纖維層厚度由大變小的過程中，刺輥金屬針布針齒從不抓取纖維的狀態(tài)過渡為抓住狀態(tài)、再轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺ト±w維狀態(tài)。在實(shí)際生產(chǎn)中，金屬針布針齒抓取纖維是連續(xù)穿刺整個纖維層的過程，但在針齒不抓取纖維階段，該針齒會通過其針尖附近的工作面對纖維層產(chǎn)生擠壓作用，導(dǎo)致被分梳纖維層壓縮，增強(qiáng)了纖維彼此間的聯(lián)系，從而提高了后續(xù)分梳的阻力，可能會增加纖維損傷的概率。因此，工藝設(shè)計(jì)應(yīng)先找出抓住纖維的狀態(tài)點(diǎn)的工藝條件，然后再確定控制好金屬針布針齒抓取纖維時的合理工藝。

1.2.1 給棉板托持喂給滿足分梳的工藝條件

給棉板托持喂給滿足分梳的工藝條件如圖2所示。

假設(shè)刺輥軸心為O，喂給刺輥金屬針布針齒的纖維層厚度均勻、并能緊貼給棉板向下運(yùn)動，給棉羅拉鉗口輸出纖維的外層為EF，則有AB∥EF。

假設(shè)刺輥金屬針布針齒齒尖面與給棉板相切于B點(diǎn)，則OB⊥AB，OB⊥EF。

假設(shè)刺輥金屬針布針齒抓取纖維層的臨界點(diǎn)為E，則CE作為針齒工作面，有CE⊥EF，∠CEO為齒條的工作角，即∠CEO=α。

同樣，CE∥OB，有∠BOE=∠CEO=α；

因此，在直角三角形OFE中：

OF=OEcos∠BOE=Rcosα

臨界纖維層厚度B=OB-OF=R-Rcosα。

在實(shí)際生產(chǎn)中，刺輥金屬針布針齒齒尖面與給棉板間的隔距為Δ，實(shí)際的臨界纖維層厚度為B：

B=b+Δ=Δ+R(1-cosα)

假設(shè)刺輥針布齒尖面的直徑為250 mm，刺輥—給棉板間的隔距為0.23 mm，則有：

B=125.23-125cosα(mm)

由上可知，分梳的臨界點(diǎn)纖維層厚度B與齒條的工作角α有關(guān)，工作角α越小，其B也越小，B與α的關(guān)系如圖3所示。

1.2.2 給棉羅拉托持喂給滿足分梳的工藝條件

如圖4所示，假設(shè)給棉羅拉與刺輥金屬針布針齒齒尖面相切于B點(diǎn)，則給棉羅拉與刺輥的中心連線OO1過B點(diǎn)；設(shè)給棉羅拉截面圓周半徑為r，刺輥的截面圓周半徑為R，刺輥金屬針布齒條的工作角為α。

假設(shè)給棉羅拉鉗口喂給的纖維層厚度均勻，緊貼于給棉羅拉外圍，在臨界分梳狀態(tài)點(diǎn)D連接OD與給棉羅拉截面圓周交于F，與刺輥截面圓周交于D，則DF即為臨界纖維層的厚度，DF=B，并反向延長；過O1作OD的垂線交于E，再連接O1D，則DF為刺輥齒前面上工作面長度，有∠EDO1=α。

在直角三角形O1ED中，有：

O1E=O1Dsin∠EDO1=Rsinα

ED=O1Dcos∠EDO1=Rcosα

在直角三角形O1EO中，有O1O2=O1E2+OE2，

則有：

(R+r)2=(Rsinα)2+(r+b+Rcosα)2

得：

b2+2(r+Rsinα)b+2Rrcosα-2Rr=0

又因?yàn)锽>0，因此?。?/p>

實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中給棉羅拉與刺輥金屬針布針齒齒尖間有隔距Δ，則實(shí)際臨界纖維層厚度B=b+Δ，即：

假設(shè)給棉羅拉直徑為100 mm，刺輥金屬針布針齒齒尖面直徑為250 mm，給棉羅拉與刺輥金屬針布針齒齒尖面間的隔距為1 mm，則:

B與α的關(guān)系曲線如圖5所示。

2 梳棉機(jī)刺輥分梳研究

如圖6所示，假設(shè)喂給纖維層的速度為v纖維，金屬針布齒尖面線速度為v齒尖面，兩者的牽伸倍數(shù)為E，則E=v齒尖面/v纖維。

對于前后相鄰齒抓取喂給纖維層正面的纖維：當(dāng)齒尖從A點(diǎn)抓取纖維旋轉(zhuǎn)到B點(diǎn)過程中，由于齒尖運(yùn)動的路徑位移長p遠(yuǎn)大于纖維層頭端向運(yùn)動的距離p/E，從而使被齒尖抓取的纖維經(jīng)過伸直、抽拔作用，與喂給纖維層頭端的相鄰纖維發(fā)生相對運(yùn)動。此外，在梳理力的作用下，喂給纖維層的頭端受梳理纖維的牽拉作用而局部伸長，以彌補(bǔ)被梳理纖維移距不足的問題；當(dāng)下一相鄰齒尖到達(dá)A點(diǎn)抓取纖維后，因在B點(diǎn)的齒尖上被梳理纖維與到達(dá)A點(diǎn)剛被梳理的纖維，都在同一纖維梳理針尖面上實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，則前后被梳理的兩束纖維相對靜止、不再發(fā)生纖維的抽拔、牽伸作用。由于齒尖從A點(diǎn)抓取的纖維束，在到達(dá)B點(diǎn)時已經(jīng)沿著齒前面下滑一段高度，而剛到A點(diǎn)的齒尖抓取的纖維在齒尖部位，此時到達(dá)B點(diǎn)的纖維束被握持點(diǎn)移距大于齒前面的前后齒距。

所以，當(dāng)前后齒尖上兩纖維束的被握持點(diǎn)都滑到齒根時，被抓取的纖維束處于松弛狀態(tài)。

對于前后相鄰齒尖抓取喂給纖維層反面的纖維：當(dāng)一齒尖從喂給纖維層的背面C點(diǎn)抓取纖維后，即完成了整個纖維層的分梳過程；齒尖從C點(diǎn)到達(dá)D點(diǎn)的過程中因不再分梳抓取纖維，所以其在C點(diǎn)抓取的纖維就一直滯留在齒尖，直到下一個相鄰的后排齒尖到達(dá)C點(diǎn)完成抓取纖維后，才完成抽拔、牽伸作用。因此，在喂給纖維層背面抓取的纖維被安置在齒尖位置，其纖維束被握持點(diǎn)的移距等于齒距。

因此，分梳針尖面上的層纖維，從齒根往齒尖的纖維分布，為里松外緊的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

3 討論

3.1 分梳針齒針面纖維分布狀態(tài)

依據(jù)堆棧原理，因?yàn)榻饘籴槻坚橗X每個齒尖抓取喂給纖維層的次序從其正面到反面，則喂給纖維層正面的纖維在齒根部，并向齒尖方向逐漸排列抓取的纖維，最終排列在金屬針布針齒齒尖的是最后從喂給纖維層背面抓取的纖維，所以，齒前面從下向上的纖維排列次序與喂給纖維層一致。因針布旋轉(zhuǎn)時抓取纖維的軌跡為圓弧狀、或纖維層喂入時彎曲，則每個齒前面上排列的纖維不是其喂給纖維層截面上的全部纖維，但肯定是分布在喂給纖維層某小段上的部分纖維。

3.2 分梳對纖維流結(jié)構(gòu)的影響

梳理使喂給纖維層某位置的正反面纖維集聚成束纖維，實(shí)現(xiàn)了由纖維塊混和方式轉(zhuǎn)變?yōu)閱卫w維混和方式，從而使纖維的伸直平行度得到極大地提高。

3.3 刺輥金屬針面負(fù)荷結(jié)構(gòu)

刺輥金屬針布針齒分梳功能是盡可能將纖維塊開松、分解為單纖維，為進(jìn)一步單纖維化作準(zhǔn)備。影響刺輥金屬針面負(fù)荷結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)為牽伸倍數(shù)、纖維長度、齒距和齒條包卷導(dǎo)程。

a) 牽伸倍數(shù)：牽伸倍數(shù)大，針布抓取的纖維量少，構(gòu)成的新纖維束就小。

b) 纖維長度：纖維長，同樣纖維根數(shù)的纖維束又大又長，刺輥金屬針面纖維負(fù)荷聯(lián)系作用大。

c) 齒距p與齒條包卷導(dǎo)程g：決定金屬針布針齒抓取纖維塊大小的因素之一，而齒距p影響著對纖維塊的開松程度，也影響著金屬針齒對纖維的損傷程度；當(dāng)齒條的齒距p大于纖維的主體長度時，被針齒抓牢的纖維集合體就成為孤立纖維束，而周圍針齒上的纖維不相關(guān)；否則，各針齒上抓住的纖維束的纖維將與相鄰針齒抓取的纖維束發(fā)生緊密聯(lián)系；同時，也印證了生條的均勻性變化是隨著給棉羅拉鉗口輸入纖維層縱向均勻性變化的規(guī)律[4]。

3.4給棉羅拉鉗口喂給的纖維層厚度，相對齒條工作角α的臨界點(diǎn)厚度值小，則針齒抓取纖維的能力越強(qiáng)，也表示針齒對纖維層的穿刺能力越強(qiáng)；同時，齒條的工作角α小，則比較適合抓取定量較小的纖維層。在實(shí)際生產(chǎn)中，也有使用較小齒條工作角α針齒對較厚纖維層的梳理，主要是利用了給棉板或給棉羅拉表面的托持作用，利用形成的楔形空間的擠壓作用對纖維層的強(qiáng)行穿刺而實(shí)現(xiàn)抓取。此外，在生產(chǎn)實(shí)際中，由于給棉板或給棉羅拉與刺輥針面的隔距使纖維層不完全被針布穿刺，因此，刺輥針面上還覆蓋著未被梳理的纖維。

4 結(jié)論

4.1對不同工作角α的刺輥金屬針布，總存在一個喂給纖維層臨界厚度，當(dāng)實(shí)際喂給纖維層厚度小于喂給纖維層臨界厚度時，針齒才能有效抓取纖維；當(dāng)給棉羅拉鉗口喂給的纖維層厚度小于針齒工作角的臨界點(diǎn)厚度時，針齒才能具有對纖維層較好的穿刺能力。

4.2針齒分梳纖維層時，不是采用針齒過濾式抓取纖維束的，而是通過針齒握持纖維束的控制點(diǎn)移距來實(shí)現(xiàn)對纖維層的分梳；這種刺輥針齒齒尖面上纖維層的結(jié)構(gòu)，造成梳棉機(jī)生條與給棉羅拉鉗口喂給纖維規(guī)律的相關(guān)性。

4.3對纖維層的分梳效果與纖維的長度、線密度、牽伸倍數(shù)及齒條的齒距、包卷齒條的導(dǎo)程g相關(guān)。一定程度上齒距p決定著開松的程度，也影響著金屬針布梳理對纖維的損傷程度。