棉纖維長度/強(qiáng)度測量中自動取樣裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

■ 郭鵬輝

〔陜西長嶺紡織機(jī)電科技有限公司，陜西寶雞721013〕

棉纖維長度/強(qiáng)度測量中自動取樣裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

■ 郭鵬輝

〔陜西長嶺紡織機(jī)電科技有限公司，陜西寶雞721013〕

探討棉花長度/強(qiáng)度的檢測方法，長度/強(qiáng)度測量中取樣裝置的發(fā)展過程及在相關(guān)產(chǎn)品中的應(yīng)用，指出較早產(chǎn)品設(shè)計方案的缺陷，提出了新的設(shè)計方案，并在現(xiàn)有大容量棉纖維測試儀中進(jìn)行應(yīng)用，優(yōu)越性表現(xiàn)明顯。

棉纖維；長度/強(qiáng)度；測量；取樣裝置；設(shè)計

棉花是關(guān)系到國計民生的戰(zhàn)略物資，是紡織工業(yè)的主要原料。隨著我國加入WTO，對外貿(mào)易加大，棉花檢驗的方法、標(biāo)準(zhǔn)和交易規(guī)則等必須與國際接軌。美國等發(fā)達(dá)國家，早已使用HVI（High Volume Inspection）大容量棉纖維測試儀對棉花進(jìn)行逐包檢驗。近年來，瑞士Uster公司在全世界極力推廣其HVI系列產(chǎn)品，使用的國家越來越多，覆蓋面也越來越廣，影響越來越大。在國內(nèi)，隨著棉花質(zhì)量檢驗體制改革的展開，具有科學(xué)性、普遍性、權(quán)威性的全面儀器化公證檢驗正在參改企業(yè)逐步推行。

由陜西長嶺紡織機(jī)電科技有限公司研發(fā)的XJ128快速棉纖維性能測試儀，已于2010年3月完成了由中國纖維檢驗局組織的驗證考核試驗，并于2010年7月通過了由國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局組織的產(chǎn)品鑒定，目前已投入批量生產(chǎn)。儀器各項指標(biāo)的正確性、重復(fù)性、穩(wěn)定性以及儀器長期運(yùn)行的可靠性基本達(dá)到進(jìn)口HVI產(chǎn)品的水平，其中長度/強(qiáng)度測量自動取樣裝置的設(shè)計與實現(xiàn)是一項關(guān)鍵技術(shù)，從大量的考核驗證試驗來看，應(yīng)用于XJ128快速棉纖維性能測試儀的這套取樣裝置的設(shè)計是科學(xué)的、成功的。

1HVI大容量棉纖維長度/強(qiáng)度測量的基本原理

1.1 長度測量

采用光電照影法。根據(jù)所取的束纖維樣品在光學(xué)系統(tǒng)中運(yùn)動時遮光量的變化過程輸出電信號，由此模擬出照影曲線，依據(jù)照影曲線計算棉纖維的平均長度、上半部平均長度和長度整齊度指數(shù)。

1.2 強(qiáng)度測量

采用CRE（等速拉伸）方式、3.18 mm隔距、束纖維拉伸方法，根據(jù)拉斷一定纖維量所需的力計算出棉纖維強(qiáng)度，根據(jù)拉斷距離計算出其伸長率。

2 棉纖維長度/強(qiáng)度測量樣品的取樣

2.1 棉纖維長度/強(qiáng)度測量樣品采樣的基本方法

在長度/強(qiáng)度測量的過程中，棉花纖維樣品取樣的質(zhì)量和速度直接影響到大容量棉纖維測試儀樣品測量的準(zhǔn)確性、一致性和測試效率。為此，原美國斯彬萊公司設(shè)計出了針梳式取樣梳夾，將棉纖維均勻一致的排開，以便于用照影法和等速拉伸方式測量棉纖維的長度和強(qiáng)度。從20世紀(jì)80年代開始，基于這種取樣方法的棉纖維長度/強(qiáng)度測量取樣裝置，保證了測量數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性。

2.2 棉纖維長度/強(qiáng)度測量樣品取樣方法分類

目前，快速棉纖維測試儀使用的取樣裝置可分為三大類：一是原美國Spinlab公司20世紀(jì)90年代的HVI900儀、印度Premier公司的HFT9000儀和陜西長嶺紡織機(jī)電科技有限公司研制的XJ120棉纖維測試儀，這兩種儀器均采用手動取樣裝置；二是瑞士Uster公司的HVI CLASSING、HVI1000和陜西長嶺紡織機(jī)電科技有限公司研制的XJ128快速棉纖維測試儀，這些儀器均采用以滾筒為基礎(chǔ)實現(xiàn)棉樣的抓取和梳理；三是瑞士Uster公司的HVI Spectrum測試儀和印度Premier公司的ART棉纖維測試儀，這兩種儀器自動取樣裝置以平面為基礎(chǔ)實現(xiàn)。下面分別介紹幾種取樣裝置的性能及優(yōu)缺點(diǎn)。

2.2.1 手動式取樣

早期的棉纖維測試儀產(chǎn)品在測量長度/強(qiáng)度時，以手動取樣裝置實現(xiàn)取樣。將棉纖維固定在一個多孔的裝有彈性針布的容器中，配合梳夾的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來抓取樣品。由于這種取樣裝置夾雜了過多的人為因素，比如手壓棉樣的壓力大小和手動旋轉(zhuǎn)梳夾的速度與勻速性，難以保證取得樣品的一致性，測量數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性較差；測試過程勞動強(qiáng)度高，取樣效率低，不利于大批量檢測。配有此取樣裝置的棉纖維測試儀市場雖有少量還在使用，但已全部停產(chǎn)。

2.2.2 平面式取樣

平面式取樣主要由針布清理裝置、梳理針布、梳夾、棉樣托盤和動作控制系統(tǒng)組成，其工作原理如圖1。

工作流程為：棉樣托盤輸送樣品→梳夾取樣→針布梳理梳夾棉樣→送梳夾棉樣到長度/強(qiáng)度測量模塊→針布清理裝置清理針布。

存在的缺陷：在工作過程中，由于梳夾取樣后在針布上進(jìn)行平面運(yùn)動，棉纖維的梳理過程沒有輕重和主次之分，梳理對樣品造成的損傷較大，影響樣品測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。

2.2.3 滾筒式取樣

滾筒式取樣以滾筒為基礎(chǔ)設(shè)計，輔助安裝偏心的針布，滾筒在伺服電機(jī)的帶動下按既定控制做圓周運(yùn)動，梳夾相對滾筒靜止，從而實現(xiàn)棉樣的抓取。裝置主要由汽缸、錫林針布、四指壓板、連桿機(jī)構(gòu)、梳夾、取樣窗口和動作控制系統(tǒng)組成。工作原理如圖2。

工作流程為：將適量棉纖維樣品放入A區(qū)域內(nèi)→發(fā)命令給電磁閥→汽缸拉動連桿機(jī)構(gòu)繞其回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)→連桿機(jī)構(gòu)推動四指壓板向右壓下棉纖維樣品→滾筒在伺服電機(jī)的帶動下按既定控制做圓周運(yùn)動，從而實現(xiàn)樣品的抓取和梳理以及針布、梳夾的清理動作。

2.3 滾筒式取樣裝置的設(shè)計與特點(diǎn)

2.3.1 裝置的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

此裝置的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)是四指壓板壓下的剩余空間的調(diào)整。棉纖維長度/強(qiáng)度測量所需束纖維樣品的形成對測量結(jié)果至關(guān)重要，四指壓板模仿人的手指壓住樣品，就像人的手指一樣來工作。雖然沒有壓力傳感器，但是只要將壓下的剩余空間調(diào)整到合適的位置（經(jīng)驗得到），所需測量的樣品就很少，單筒內(nèi)濕態(tài)樣品一般不超過8 g。

2.3.2 樣品質(zhì)量保證

合理設(shè)計連桿機(jī)構(gòu)，有效地利用空間，使整個取樣機(jī)構(gòu)緊湊合理。樣筒的旋轉(zhuǎn)使用一體化伺服電機(jī)和微型精密行星減速器定量控制，定位準(zhǔn)確，工作可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，梳夾抓取樣品形成的束纖維更加均勻一致；再經(jīng)過針布梳理，最終得到的束纖維長度一致、薄厚均勻，這樣對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性、一致性起到重要作用。

2.3.3 裝置解決的技術(shù)難題

①使用滾筒裝置，以實現(xiàn)滾筒旋轉(zhuǎn)而梳夾固定，從而完成自動抓取棉纖維的功能；②使用汽缸驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)帶動壓板運(yùn)動，以此來模仿人的四根手指按壓棉纖維，實現(xiàn)對被測對象的按壓功能；③使用專用錫林針布對抓取的樣品進(jìn)行梳理，以梳去過多的浮游纖維、棉結(jié)和雜質(zhì)；④使用一體化伺服電機(jī)和精密行星減速器定量控制滾筒的旋轉(zhuǎn)，可靠實現(xiàn)每一個動作。

2.3.4 裝置的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下兩個方面

一是在工作過程中，由于梳夾取樣后在針布上進(jìn)行曲線梳理，梳理過程由輕至重，先主要梳理浮游在梳夾上的棉纖維，再做精細(xì)梳理，梳掉棉結(jié)、雜質(zhì)和夾雜在束纖維中的浮游短纖維，使得對樣品梳理既無損傷又起到完全梳理的作用，且易于清理針布上殘留的廢棉，這樣便達(dá)到了設(shè)計的效果，使得所取樣的束纖維長度、均勻性得到較大提高，為后續(xù)測量長度/強(qiáng)度打下堅實基礎(chǔ)；二是取樣效率高，整個動作的完成大約只需4 s，大大提高了整機(jī)的測試效率。

3 不同取樣裝置采樣整齊度和測量數(shù)據(jù)的比較

下面結(jié)合三種取樣裝置實際取樣的形態(tài)和得到的測量數(shù)據(jù)，比較不同取樣裝置采樣整齊度和測量數(shù)據(jù)的。

3.1 手動取樣裝置

3.1.1 手動取樣裝置樣品形態(tài)，如圖3。手動取樣裝置所采樣品在長度上基本一致，但容易形成須狀。圖中較粗線條的地方是特別厚實或浮游纖維較集中的區(qū)域，從放大后的剖切圖中也可以看出，取樣的薄厚均勻程度比較低，這樣極易造成長度/強(qiáng)度測量值的異常，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

3.1.2 手動取樣裝置棉纖維的取樣量（Amount）測量值

手動取樣裝置中，取樣量的設(shè)置范圍為700~ 1 200，一組測量值如表1。在這110個數(shù)據(jù)中，符合此范圍的數(shù)有89個，成功比例約為81%，這樣將會影響測量的效率，且數(shù)據(jù)的一致性不是很好，接近中值

950±100的數(shù)據(jù)只占成功取樣比例的52.8%。

3.2 平面取樣裝置

3.2.1 平面取樣裝置樣品形態(tài)，如圖4。

表1

平面取樣裝置由于梳理方法的缺陷，梳理后的棉纖維前端長度不整齊易形成鋸齒狀，從放大后的剖切圖中還可以看出，取樣的薄厚均勻程度較低，這樣在測量中極易造成長度的異常，數(shù)據(jù)差異性較大。

3.2.2 棉纖維的取樣量（Amount）測量值

平面取樣裝置中，由于對光學(xué)系統(tǒng)的改進(jìn)，取樣量的設(shè)置范圍為650~1500，較手動取樣裝置相對寬松。一組測量值如表2。在這110個測量數(shù)據(jù)中，符合此范圍的數(shù)有100個，成功比例約為90.9%，但接近中值1075±100的數(shù)據(jù)只占成功取樣比例的29%。雖然整機(jī)測量效率有所提高，但長度測量數(shù)據(jù)的一致性并不好。

表2

3.3 滾筒取樣裝置

3.3.1 滾筒取樣裝置樣品形態(tài)，如圖5。

滾筒取樣裝置在梳理方法上較為先進(jìn)，梳理后的棉纖維前端部長度很整齊，且在從放大后的剖切圖中也可以看出，取樣的薄厚均勻程度比較高，這樣在長度/強(qiáng)度測量中數(shù)據(jù)的正確性和一致性得到了保證，為大容量棉纖維性能測試儀的全面推廣和應(yīng)用打下堅定基礎(chǔ)。

3.3.2 棉纖維的取樣量（Amount）測量值

滾筒取樣裝置中，取樣量的設(shè)置范圍也為650~ 1 500。一組樣品的測量值如表3。在這110個測量數(shù)據(jù)中，符合此范圍的數(shù)有109個，取樣成功比例約為99.1%，接近中值1075±100的數(shù)據(jù)占成功取樣比例的58.7%。這樣整機(jī)測量效率就得到了較大提高，長度/強(qiáng)度測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性得到了保證。

表3

4 結(jié)束語

從以上分析可以看出，在設(shè)計棉纖維取樣裝置時，既要考慮機(jī)械設(shè)計的可行性，又要考慮棉纖維的性狀特異性，還要考慮整個測試系統(tǒng)的綜合性能、效率以及電器方面的可控性。將滾筒式取樣器運(yùn)用到大容量棉纖維測試儀中，快速獲得棉纖維樣品，就能夠?qū)崿F(xiàn)其“高效、快捷、準(zhǔn)確和穩(wěn)定可靠”的設(shè)計宗旨，是后續(xù)長度/強(qiáng)度準(zhǔn)確高效測量的基礎(chǔ)。這種技術(shù)突破為建立新型棉花收儲和紡織配棉體系提供了堅實的技術(shù)與裝備支撐。