棉纖維短絨率檢測(cè)快速制樣裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

?；⒗?楊佳俊 楊 碩 閆海鵬 趙婉晴

（河北科技大學(xué)，河北石家莊，050018）

原棉和棉纖維條中的短絨率對(duì)紡織品的質(zhì)量和生產(chǎn)工藝有著十分重要的影響，纖維的長(zhǎng)度長(zhǎng)且整齊度高時(shí)，紗的強(qiáng)度、均勻度較好，紗的表面光潔、毛羽少，成紗質(zhì)量高，因此對(duì)棉纖維短絨率進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)顯得尤為重要［1-3］。在測(cè)試棉纖維短絨率之前先要進(jìn)行制樣工作，即把棉團(tuán)原料分解成纖維平順的棉片狀態(tài)［4］。在棉纖維制樣中，開松和牽伸是兩個(gè)重要步驟，目前常用的單刺輥和錫林等開松方式，雖然能夠改善開松效果，提高纖維原料的質(zhì)量，但是鋸齒開松對(duì)棉纖維的損傷比較大，制樣后大大增加了棉纖維的短絨率［5-6］。傳統(tǒng)的牽伸手段主要是手工撕棉和羅拉牽伸，傳統(tǒng)手扯檢測(cè)存在目光不穩(wěn)定、檢測(cè)速度慢等缺點(diǎn)，已不能適應(yīng)現(xiàn)代精細(xì)檢測(cè)的要求；目前，羅拉分析法測(cè)試短絨率仍被廣泛采用，但這種方法受人為因素影響較大，誤差在所難免，影響測(cè)試結(jié)果的可信度［7-9］。

改進(jìn)現(xiàn)有短絨檢測(cè)的制樣形式，探討一種對(duì)棉纖維無損傷的新方法和裝置，對(duì)于棉纖維短絨率快速檢測(cè)具有重要的工程意義。我們研發(fā)了一套對(duì)纖維損傷少、制樣效率高、操作簡(jiǎn)便的快速制樣裝置，為解決現(xiàn)階段棉短絨檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度高、制樣效率低、檢測(cè)周期長(zhǎng)等問題提供了解決方案。

1 原理方案設(shè)計(jì)

該研發(fā)設(shè)備應(yīng)用于短絨率檢測(cè)之前的棉片樣條制樣，主要技術(shù)參數(shù)：棉團(tuán)質(zhì)量2.5 g，羅拉模塊間隔可調(diào)范圍30 mm～50 mm，制樣時(shí)間不超過2 min（過程中不損失棉條），樣品棉片長(zhǎng)200 mm，樣品棉片寬度50 mm，棉纖維品質(zhì)長(zhǎng)度25 mm～32 mm。

1.1 開松原理方案設(shè)計(jì)

開松是將壓緊的塊狀纖維變成單纖維狀，同時(shí)將棉纖維與其中的雜質(zhì)分離。傳統(tǒng)開松方式包括單輥筒軸流方式和混棉梳松方式。單輥筒軸流式開松效果好，開松時(shí)間短，但設(shè)備占地面積較大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜?；烀奘崴煞绞介_松充分，但對(duì)纖維層破壞較嚴(yán)重。綜合分析兩種開松方式的優(yōu)缺點(diǎn)，以及實(shí)際使用中所遇到的問題，將單輥筒軸流式開松方式和氣流開松方法相結(jié)合，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一種高效開松裝置，如圖1所示。棉纖維從開松裝置下方進(jìn)入裝置，利用空腔內(nèi)氣流對(duì)棉纖維和雜質(zhì)阻力不同分選出雜質(zhì)和棉纖維，配合安裝有豎排圓頭角釘?shù)妮佂?，增?qiáng)了開松效果。

圖1 開松裝置原理圖

1.2 牽伸原理方案設(shè)計(jì)

棉纖維牽伸是纖維快速制樣過程中的一道重要工序。牽伸裝置主要是依據(jù)羅拉牽伸原理，利用前后兩組輥輪速度差，在不損傷棉纖維的前提下完成纖維抽長(zhǎng)拉細(xì)的過程［10］。棉纖維牽伸形式可分為曲線牽伸和直線牽伸。對(duì)比兩種牽引方式，直線牽引方式結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，可進(jìn)行不同間距的羅拉組調(diào)整，可操作性強(qiáng)。為更好控制短纖維的運(yùn)行軌跡，對(duì)直線牽引方式進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一種直線雙膠圈的羅拉牽伸方式，如圖2所示。通過送料機(jī)構(gòu)將棉纖維送入羅拉機(jī)構(gòu)中，牽伸完成后，棉纖維被纏繞到收料機(jī)構(gòu)的絨輥上。羅拉機(jī)構(gòu)的對(duì)數(shù)影響牽伸后樣品棉條的厚度，選取4對(duì)效果最優(yōu)［11］。

圖2 棉纖維牽伸原理圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 棉纖維牽伸裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

棉纖維牽伸裝置由送料機(jī)構(gòu)、間距調(diào)整機(jī)構(gòu)、羅拉機(jī)構(gòu)、收集機(jī)構(gòu)4部分組成，如圖3所示。經(jīng)過開松后的棉團(tuán)纖維，由送料機(jī)構(gòu)送入第1組羅拉機(jī)構(gòu)中，通過各羅拉模塊之間的轉(zhuǎn)速差及膠圈間的摩擦力，將棉團(tuán)纖維轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛇M(jìn)行短絨率檢測(cè)的樣品棉條，最后再由收料機(jī)構(gòu)將樣品棉條纏繞收集。間距調(diào)整機(jī)構(gòu)可輔助羅拉機(jī)構(gòu)工作，調(diào)節(jié)各羅拉模塊的間距，以達(dá)到最優(yōu)的牽伸效果。

圖3 棉纖維牽伸裝置整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 羅拉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

羅拉機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。該結(jié)構(gòu)由四上四下4對(duì)羅拉輥直線排列的方式構(gòu)成，利用羅拉輥間的速度差、膠圈間的摩擦力對(duì)棉塊拉伸［12-13］。為了優(yōu)化羅拉機(jī)構(gòu)對(duì)棉塊拉伸效果，4組裝有膠圈的羅拉輥均采用彈簧加壓方式，并在其上方加裝量程為0 mm～25 mm的數(shù)顯微分頭，精度為0.001 mm，更加直觀地了解到施加壓力的大小與牽伸效果，為后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。

圖4 羅拉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

羅拉結(jié)構(gòu)中隨著羅拉輥直徑的增大，纖維不勻率呈先下降再上升的狀態(tài)，在羅拉輥直徑為17 mm時(shí)不勻率最?。?4］。羅拉輥轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 r/s～8 r/s。

2.3 送料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

送料機(jī)構(gòu)主要為帶傳動(dòng)模塊，為降低后續(xù)試驗(yàn)難度，在送料機(jī)構(gòu)處對(duì)棉團(tuán)進(jìn)行預(yù)處理。送料機(jī)構(gòu)采用帶傳動(dòng)的方式運(yùn)送初步開松后的棉塊，帶傳動(dòng)模塊與第1組羅拉機(jī)構(gòu)中的羅拉輥軸通過同步帶連接，共用同一電機(jī)，保持輸送帶與第1組羅拉輥之間的速度同步，如圖5所示。為了使松散的棉絮順利喂入第1組羅拉機(jī)構(gòu)中，在傳送帶末端加裝彈簧加壓模塊，增加棉絮表面平整度，傳送帶兩側(cè)加裝擋料板實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，通過擋料板進(jìn)行棉絮寬度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為50 mm～80 mm。

圖5 送料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

將樣條寬度取至50 mm，標(biāo)準(zhǔn)棉層厚度為3 mm，根據(jù)式（1）計(jì)算得到棉纖維體積為16.7 cm3。

式中：v為棉纖維體積；m為棉纖維質(zhì)量，取2.5 g；ρ為棉纖維密度，取0.15 g/cm3。

依據(jù)棉纖維制樣長(zhǎng)度要求為115 mm，纖維品質(zhì)長(zhǎng)度為25 mm～32 mm，設(shè)計(jì)了羅拉輥直徑為17 mm；為防止纖維損傷，羅拉輥與壓緊輥間距應(yīng)不低于25 mm，故壓緊輥直徑設(shè)定為33 mm。

2.4 收集機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

收集機(jī)構(gòu)主要由絨輥和彈簧加壓模塊組成，如圖6所示。采用大直徑的絨輥收集牽引后的棉纖維，根據(jù)樣品棉條的尺寸設(shè)計(jì)，絨輥直徑63 mm、寬度60 mm。彈簧加壓模塊由彈簧、螺母、安裝板組成，其目的是將絨輥與第4組羅拉機(jī)構(gòu)的羅拉輥緊密安裝，并施加壓力，以減少纖維損失。收集完成后即完成1次牽伸，循環(huán)上述牽伸步驟直至棉纖維樣條達(dá)到檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 收集機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.5 間距調(diào)整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

間距調(diào)整機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是為了增加設(shè)備的通用性，增加對(duì)不同棉纖維的適應(yīng)能力。通過間距調(diào)整機(jī)構(gòu)平移4組羅拉機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。

圖7 間距調(diào)整機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)帶動(dòng)帶輪將動(dòng)力傳遞到各軸之間，軸帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)齒條帶動(dòng)羅拉機(jī)構(gòu)固定板運(yùn)動(dòng)，達(dá)到間距調(diào)整的目的。將羅拉機(jī)構(gòu)1固定，用其余3組羅拉機(jī)構(gòu)的齒輪齒條、帶輪、同步帶進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，并且要求各組羅拉機(jī)構(gòu)間距保持不變。軸Ⅰ與第4組羅拉機(jī)構(gòu)固定板連接，以此類推。因此三組羅拉機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度比為1∶2∶3，即傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速比nⅠ∶nⅡ∶nⅢ=3∶2∶1。

3 試驗(yàn)與驗(yàn)證

設(shè)計(jì)的棉纖維短絨率檢測(cè)快速制樣裝置如圖8所示，試驗(yàn)并檢驗(yàn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性及工作可靠性。樣機(jī)包括7個(gè)運(yùn)動(dòng)，其中6個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，1個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。1號(hào)傳送帶的直線運(yùn)動(dòng)與2號(hào)壓緊的直線運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)棉塊的送料及預(yù)處理；4號(hào)直線運(yùn)動(dòng)與3號(hào)羅拉輥壓力調(diào)節(jié)直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)膠圈牽伸運(yùn)動(dòng)；5號(hào)絨輥的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與6號(hào)壓緊直線運(yùn)動(dòng)配合實(shí)現(xiàn)棉片的收集；7號(hào)直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各羅拉固定板間距調(diào)節(jié)。

為了驗(yàn)證該裝置的使用性能，取2.5 g不同樣品號(hào)的棉花進(jìn)行試驗(yàn)，采用控制變量法對(duì)牽伸加壓、牽伸速度和牽伸倍數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，分析具有代表性的幾組數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 本裝置樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過上述試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第一組試驗(yàn)中的牽伸速度、牽伸倍數(shù)和羅拉壓力整體效果較好，后續(xù)試驗(yàn)依據(jù)此參數(shù)設(shè)定。為了驗(yàn)證裝置的準(zhǔn)確性及高效性，采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，分別取2.5 g同產(chǎn)地10種不同樣品號(hào)的棉花，分別使用手工方式制樣、Y111A型手搖引伸器、XJ129型測(cè)試儀和本裝置制樣，并通過K111-1型短絨率快速測(cè)試儀檢測(cè)短絨率，以手工制樣方式作為標(biāo)值，對(duì)比數(shù)據(jù)見表2，將3種裝置制樣時(shí)間和短絨率進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。

表2 3種不同裝置快速制樣短率試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

從圖9中數(shù)據(jù)可以看出，相同質(zhì)量的棉纖維，Y111A型手搖引伸器平均制樣時(shí)間約為20 min，XJ129型測(cè)試儀制樣時(shí)間約為5 min，本裝置只需1.5 min。

圖9 3種裝置制樣時(shí)間和短絨率對(duì)比

樣品制備前后短絨率變化的主要原因是來自制樣過程中的棉纖維損傷。計(jì)算棉纖維制樣后的短絨率與棉纖維制樣前增大的比值，XJ129型測(cè)試儀平均棉纖維損傷達(dá)到32%，檢測(cè)結(jié)果與棉纖維短絨率實(shí)際值偏差較大，檢測(cè)精度低；Y111A型手搖引伸器平均棉纖維損傷達(dá)到2.3%，而本裝置平均棉纖維損傷為1%，符合國家棉纖維制樣標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

針對(duì)目前國內(nèi)外各種棉纖維短絨率檢測(cè)制樣方法效率低、棉纖維損傷高等問題，設(shè)計(jì)了一種棉纖維短絨率檢測(cè)快速制樣裝置。將單輥筒軸流式開松方式和氣流開松方法相結(jié)合，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種高效開松裝置；為更好控制短纖維的運(yùn)行軌跡，對(duì)直線牽引方式進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種直線雙膠圈的羅拉牽伸方式，并進(jìn)行了各模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。運(yùn)用設(shè)計(jì)的棉纖維短絨率檢測(cè)快速制樣裝置進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)比驗(yàn)證了本裝置在棉纖維制樣中用時(shí)較短、短絨率平均損傷較現(xiàn)有裝置較低，為棉纖維快速制樣提供了一種新方法。