精梳機(jī)錫林轉(zhuǎn)速與棉纖維斷裂強(qiáng)度的理論模型研究

王延蒙

(濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)寧 272073)

0 引言

精梳工序?qū)μ岣叱杉啍嗔褟?qiáng)度及減少紗疵效果明顯[1-2]。錫林是精梳機(jī)最為主要的梳理元件，目前針對(duì)錫林梳理的主要研究有：劉紅艷通過(guò)增加第一梳理區(qū)齒密的方法，減少了毛羽數(shù)量，并提高成紗斷裂強(qiáng)度[3]；吳冬娜通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明增加錫林齒密即可提高成紗斷裂強(qiáng)度[4]；劉福堂將兩種不同類(lèi)型的鋼針錫林和鋸齒式錫林進(jìn)行梳理對(duì)比，得到鋼針錫林具有更好的梳理結(jié)果[5]；文獻(xiàn)[6-7]在PX2型精梳機(jī)上研究了錫林齒密與棉纖維平行伸直度的關(guān)系；李國(guó)鋒采用回歸分析法建立了精梳紗的預(yù)測(cè)模型[8]；曹巧麗使用Matlab對(duì)精梳梳理過(guò)程進(jìn)行模擬，詳細(xì)分析了精梳過(guò)程中各工藝參數(shù)對(duì)精梳質(zhì)量的影響[9]。以上主要研究錫林結(jié)構(gòu)對(duì)棉精梳質(zhì)量的影響，對(duì)棉纖維斷裂強(qiáng)度的研究目前較少，主要有：李新榮等首次提出“柔性精梳”概念，建立棉精梳機(jī)最高車(chē)速模型，但是在實(shí)驗(yàn)中未能達(dá)到最高車(chē)速條件[10]；賈振飛等利用扭矩傳感器測(cè)量棉纖維叢在梳理過(guò)程中受到的動(dòng)態(tài)梳理力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明動(dòng)態(tài)梳理力變化較為復(fù)雜[11]；王兟等建立了棉纖維單纖維梳理力的理論模型[12]。

錫林梳理棉纖維叢是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜過(guò)程，進(jìn)行棉纖維斷裂、損傷的研究應(yīng)基于最大梳理力。因此，本文建立平均梳理力的理論模型，通過(guò)非線性回歸分析方法快速近似得到最大梳理力，確定合理的安全系數(shù)，得到錫林速度與棉纖維斷裂強(qiáng)度的理論模型。

1 錫林梳理力理論模型

為了增大紗線強(qiáng)度、降低紗疵，通常使用精梳工序?qū)γ蘩w維層進(jìn)行梳理。錫林梳理過(guò)程為：鉗板夾持棉層，并做周期性擺動(dòng)，錫林針齒刺入棉纖維層進(jìn)行梳理。如圖1所示，錫林高速旋轉(zhuǎn)，其針齒刺入棉叢，使纖維與針齒根部產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。棉纖維叢與錫林針齒之間產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力稱(chēng)為梳理力[13]。

1.1 平均梳理力

采用平均梳理力來(lái)表示棉纖維叢在錫林梳理過(guò)程中所受的梳理力的平均大小。設(shè)精梳機(jī)每鉗次所梳理的纖維根數(shù)為n，纖維線密度為nt，纖維質(zhì)量為Q(g)，被夾持纖維長(zhǎng)度均值為l(mm)，總梳理力為∑F(N)，平均梳理力為Fp(N)。

則有：n=Q/(ntl×10-3)和Fp=∑F/n。

通過(guò)測(cè)定錫林在空載功率K0(kW)和在梳理工況下的負(fù)載功率K(kW)、錫林表面速度vc，即可得到總梳理力。

1—上鉗板；2—棉纖維；3—針齒；4—錫林；5—下鉗板。圖1 錫林梳理模型

即，∑F=(K-K0)×10-3/vc。

1.2 最大梳理力

錫林在梳理過(guò)程中，棉纖維層受到的梳理力是動(dòng)態(tài)變化的，要使棉纖維叢梳理不發(fā)生斷裂應(yīng)以最大梳理力進(jìn)行分析。通過(guò)使用扭矩傳感器，檢測(cè)錫林梳理過(guò)程中錫林軸扭矩的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]的方法可以得到工作周期內(nèi)錫林梳理力的變化規(guī)律，即錫林梳理力隨著梳理時(shí)間的增加而迅速增大，到最大值后急劇下降，在后續(xù)梳理過(guò)程中梳理力緩慢減小至零。由此可見(jiàn)，錫林最大梳理力變化規(guī)律較為復(fù)雜，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)。因此，可以通過(guò)非線性回歸分析建立錫林速度與最大梳理力的理論模型，近似得到最大梳理力。

1.3 非線性回歸分析

非線性回歸是基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理，建立因變量與自變量之間的相互依賴(lài)關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式[14]。錫林在不同轉(zhuǎn)速下的最大梳理力，如表1所示。

表1 錫林在不同轉(zhuǎn)速下的最大梳理力

建立非線性回歸分析模型的步驟為：

a) 以速度作為x軸，最大梳理力作為y軸，繪制散點(diǎn)圖；

b) 判斷散點(diǎn)圖的函數(shù)規(guī)律，確定回歸方程的具體形式；

c) 基于Matlab中的NonLinearModel方法進(jìn)行擬合；

d) 進(jìn)行殘差分析，驗(yàn)證模型。

選用logistic非線性函數(shù)進(jìn)行回歸分析，擬合結(jié)果如圖2所示：擬合的相關(guān)系數(shù)R=0.998 6，表明該擬合效果較好。

圖2 擬合結(jié)果

1.4 斷裂強(qiáng)力

按規(guī)定條件拉伸棉纖維至斷裂，取其斷裂時(shí)最低值作為斷裂強(qiáng)力。斷裂強(qiáng)力是反映棉纖維的一項(xiàng)重要力學(xué)指標(biāo)。由于錫林在梳理過(guò)程中受針齒密度、齒片傾斜角、梳理區(qū)域等原因影響，造成棉纖維受力分布不均勻，部分纖維承受的梳理力會(huì)超過(guò)最大梳理力，因此須增加安全系數(shù)。設(shè)棉纖維斷裂強(qiáng)度的安全系數(shù)為n1，通常取值為3.0～5.0[15]；則斷裂強(qiáng)力F1與斷裂強(qiáng)度Pc的關(guān)系為F1=Pcnt/n1，最大梳理力應(yīng)滿(mǎn)足Fd=∑F/n1。

2 實(shí)驗(yàn)

在錫林梳理過(guò)程中，由于纖維并非理想的線性排列，通常棉纖維不可避免地存在彎鉤分布、長(zhǎng)纖維離散分布等排列，容易導(dǎo)致錫林梳理中長(zhǎng)纖維進(jìn)入落棉或長(zhǎng)纖維被梳斷等問(wèn)題。另外，如果錫林梳理力過(guò)大，針齒與棉纖維叢之間的摩擦力過(guò)大，同樣會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)纖維損傷、短絨率增加。因此，實(shí)驗(yàn)以不同錫林轉(zhuǎn)速下的短絨率和梳斷纖維比例進(jìn)行縱向比對(duì)，驗(yàn)證錫林高速化對(duì)纖維斷裂的影響，以及在針齒刺入時(shí)被梳斷導(dǎo)致的纖維損傷。設(shè)定錫林的轉(zhuǎn)速為400 r/min～500 r/min，實(shí)驗(yàn)速度以每20 r/min遞增，采用AFIS纖維測(cè)試儀器對(duì)落棉短絨率和梳斷纖維比例進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

從表2可以看出：隨著錫林轉(zhuǎn)速的提高，平均梳理力和最大梳理力逐漸增大，落棉率和被梳斷纖維比例增加。

3 結(jié)語(yǔ)

研究錫林最大梳理力對(duì)于研究棉精梳叢斷裂、改善精梳質(zhì)量有積極的意義。通過(guò)在不同錫林轉(zhuǎn)速下，測(cè)量短絨率和梳斷纖維比例，驗(yàn)證了理論模型的有效性，并得到如下結(jié)論：① 車(chē)速與最大梳理力的關(guān)系可以用非線性回歸模型描述；② 實(shí)驗(yàn)表明，錫林平均梳理力和最大梳理力的變化與梳理后纖維短絨率和梳斷纖維比例關(guān)聯(lián)明顯，該理論模型為精梳機(jī)高速梳理的工藝研究提供了新思路；③ 在實(shí)際精梳過(guò)程中，由于棉纖維的分布、氣流等各種因素的影響，纖維受力分布并不均勻，且由于精梳機(jī)車(chē)速限制，并未達(dá)到使纖維斷裂的最大梳理力，有待實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)一步完善后，測(cè)試將纖維梳斷的最大梳理力。