基于纖維斷裂的棉精梳機“柔性精梳”分析

李新榮， 蔣秀明， 楊建成， 王曉維

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 經(jīng)緯紡織機械有限公司 榆次分公司， 山西 晉中 030601)

基于纖維斷裂的棉精梳機“柔性精梳”分析

李新榮1,2， 蔣秀明1， 楊建成1， 王曉維1

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 經(jīng)緯紡織機械有限公司 榆次分公司， 山西 晉中 030601)

棉精梳機高速運轉(zhuǎn)時錫林梳理纖維造成棉纖維斷裂和損傷，影響了精梳的梳理質(zhì)量。因此，本文針對棉纖維的斷裂損傷現(xiàn)象，在分析研究理想狀態(tài)下棉精梳梳理時單纖維的平均梳理力和棉纖維斷裂強力的基礎(chǔ)上，建立棉精梳機的最高車速即“柔性精梳值”的計算模型；結(jié)合現(xiàn)場試驗測試錫林梳理纖維前后的短絨含量變化，提出精梳“柔性精梳率”的概念，并提出“柔性精梳”的概念，即車速低于“柔性精梳值”且“柔性精梳率”在合理范圍內(nèi)的精梳梳理為“柔性精梳”。該研究可為新型高速棉精梳機研制及提高精梳質(zhì)量提供理論依據(jù)。

柔性精梳； 柔性精梳值； 柔性精梳率； 平均梳理力； 最高車速； 纖維斷裂

當(dāng)前，紡織行業(yè)的工程技術(shù)人員主要研究棉精梳機的機構(gòu)特性[1-3]、工藝參數(shù)的合理配置等影響棉精梳機高速的因素[4-6]，而對于棉精梳機高速運轉(zhuǎn)后由于錫林梳理對棉纖維造成的斷裂損傷卻研究甚少[7-9]，并且對精梳須叢錫林梳理前后的短絨變化沒有技術(shù)指標(biāo)來衡量。棉精梳采用握持梳理纖維須叢，這種握持梳理作用強烈，可以比較徹底地清除棉結(jié)、雜質(zhì)和短絨，但同時也會損傷纖維，造成新的短絨。隨著紡織品檔次和品質(zhì)的提高，對精梳設(shè)備不僅要求高產(chǎn)，而且要求高質(zhì)，所以棉精梳機錫林高速梳理對棉纖維的斷裂損傷，尤其是對纖維梳理前后的短絨含量變化的研究十分必要。

本文就當(dāng)前棉精梳機高速錫林對棉纖維斷裂損傷的研究缺陷，分析棉纖維在精梳機錫林梳理過程中的受力，基于棉纖維受梳理力斷裂，從棉纖維平均梳理力與車速之間的關(guān)系著手，建立理想狀態(tài)時棉精梳機錫林梳理纖維須叢的力學(xué)模型，結(jié)合質(zhì)點系動量定理計算出基于棉纖維理想狀態(tài)時不斷裂受損的精梳機車速理論最大值，即“柔性精梳值”。

本文分析了棉精梳機柔性梳理(棉纖維在棉精梳機錫林梳理過程中不斷裂受損)的實現(xiàn)條件，建立了棉精梳機“柔性精梳值”的計算模型，并結(jié)合現(xiàn)場試驗測試錫林梳理纖維前后的短絨含量變化即“柔性精梳率”；提出“柔性精梳”的概念，即車速低于“柔性精梳值”且“柔性精梳率”在合理范圍內(nèi)的精梳梳理為“柔性精梳”，彌補了對精梳機高速運轉(zhuǎn)時錫林造成纖維梳理損傷的研究缺陷，為新型高速棉精梳機的研制及精梳設(shè)備的高質(zhì)、高產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

1 “柔性精梳值”與“柔性精梳率”

精梳機梳理的目的是排除一定長度以下的短纖維，進一步提高纖維的平行、伸直和分離度，為紡制特細(xì)紗和優(yōu)質(zhì)紗創(chuàng)造條件。為此，握持梳理的要求是：喂入棉網(wǎng)的結(jié)構(gòu)要均勻，保證梳理時握持狀態(tài)可靠，合理控制各機件的運動配合關(guān)系，在排除短絨的同時，減少纖維斷裂損傷形成新的短絨[10]。棉精梳梳理元件有錫林、頂梳，錫林是主要元件，本文研究錫林的梳理。

1.1 錫林對纖維的平均梳理力Fd

精梳單纖維平均梳理力是直接表示單纖維在精梳錫林梳理工作區(qū)所承受梳理作用強弱的指標(biāo)，此概念是在單纖維梳理理論研究的基礎(chǔ)上提出的[11]。

設(shè)棉精梳機每鉗次梳理的纖維量為Q(g)、纖維根數(shù)為N、纖維線密度為Nt(tex)、纖維長度根數(shù)加權(quán)平均值為L(mm)、錫林每轉(zhuǎn)作用到棉纖維上的總梳理力為∑F(N)、錫林對棉纖維平均梳理力為Fd(N),則有：

(1)

(2)

設(shè)錫林梳針共有m排，在梳理角內(nèi)平均布置，單排梳針?biāo)矔r梳理下的棉纖維質(zhì)量分別為q1、q2、…、qm，錫林轉(zhuǎn)1圈時，梳理下來的棉纖維總質(zhì)量用q表示，則q=q1+q2+…+qm。纖維由于梳理點和握持點的速度差被錫林梳下或斷裂損傷，此時棉纖維速度與錫林表面線速度相同為vx(mm/s)。當(dāng)前，精梳設(shè)備錫林采用變速梳理技術(shù)，變速梳理技術(shù)是指梳理時精梳錫林以高于正常車速的速度對纖維的前端進行積極梳理，增加棉精梳機分離準(zhǔn)備時間，提高棉精梳條質(zhì)量[12]，設(shè)錫林速度變化系數(shù)為k。

為便于分析研究，設(shè)錫林梳針排列均勻，每排梳針的梳理力為Fw、作用時間為△t(s)、錫林梳理纖維分度數(shù)為γx(分度)、棉精梳機車速為n(r/min)、錫林半徑為R(mm)，則有：

(3)

(4)

由質(zhì)點系的動量定理，錫林轉(zhuǎn)1圈，當(dāng)1到m排梳針轉(zhuǎn)過時，對上述纖維質(zhì)點系有

由上式可得

(5)

設(shè)落棉率為αlm，則q=Qαlm。纖維平均梳理力可表示為

(6)

1.2 棉纖維的斷裂強力

棉纖維的斷裂強力是指被拉伸的纖維在斷裂時所承受的最大負(fù)荷或者是抵抗破壞的強弱程度。斷裂強力是反映棉纖維的一項重要力學(xué)指標(biāo)，以細(xì)絨面為例，其濕態(tài)斷裂強度Pc為0.29～0.56 N/tex[13]。由于棉精梳機輸入棉網(wǎng)的伸直、平行、分離度不均勻，造成棉纖維受力不均勻，部分纖維將承受較大的梳理力，所以有必要增加安全系數(shù)。棉纖維按強度極限規(guī)定的安全系數(shù)為nb，通常取值為3.0～5.0。棉纖維的斷裂強力F與斷裂強度Pc關(guān)系如式(7)所示。

(7)

1.3 精梳機最高理論車速

在確保纖維梳理充分的前提下，理想狀態(tài)下對纖維沒有造成損傷，滿足式(8)即可，將式(6)、(7)代入式(8)可得式(9)，即理論上纖維基于不斷裂的最高車速nmax的計算式為式(10)。

Fd≤F

(8)

(9)

(10)

1.4 “柔性精梳值”

柔性梳理是指在確保梳理元件對纖維須叢充分梳理的前提下，盡量從工藝和器材方面減少對纖維的損傷，棉精梳機“柔性精梳”是指精梳機車速應(yīng)該滿足式(9)的要求，理想狀態(tài)下對纖維沒有造成損傷的梳理。綜上，“柔性精梳值”是指精梳機車速小于理想狀態(tài)棉纖維不斷裂時精梳機的最高車速，“柔性精梳值”可用式(10)中的nmax表示。

1.5 “柔性精梳率”

在精梳過程中，由于輸入的棉網(wǎng)纖維分離度、平行度、伸直度的不平均，纖維受力不均勻，部分纖維將承受較大的梳理力，其中部分纖維的受力大于纖維的斷裂強力，將導(dǎo)致棉纖維在精梳梳理過程中有一定的斷裂損壞，設(shè)精梳機梳理前棉網(wǎng)含短絨率為βq，經(jīng)精梳機梳理后棉纖維含短絨率為βh，精梳條含短絨率為βt，精梳落棉含短絨率為βl，精梳機落棉率αlm，精梳機纖維斷裂率為η，各參數(shù)關(guān)系見式(11)、(12)。

βh=αlmβl+(1-αlm)βt

(11)

(12)

針對棉纖維在精梳過程中的損壞和斷裂程度，本文提出“柔性精梳率”的概念，精梳前后短絨增加率η可以充分表示棉纖維在精梳過程中的損壞和斷裂程度，滿足“柔性精梳率”的要求，即精梳前后短絨增加率η為“柔性精梳率”。

2 試 驗

本文精梳機錫林軸為非圓齒輪傳動，錫林速度變化系數(shù)k=1.4；錫林采用90°進口四分割錫林，梳針排數(shù)m=40；精梳機落棉率αlm=18.5%，錫林梳理纖維占運動周期分度γx=6.5；試驗原料為229鋸齒棉，Nt=0.179 tex，L=27.3 mm，斷裂強度Pc=0.336 1 N/tex、棉纖維強度極限安全系數(shù)nb=3.0。將以上參數(shù)代入式(10)，即可得到本文的“柔性精梳值”為850 r/min。

精梳機車速范圍300～400 r/min，每10 r/min為1檔，對棉卷及精梳落棉、精梳條的短絨進行測量。試驗測試設(shè)備采用Uster公司的AFIS纖維測試儀器，測量數(shù)據(jù)如表1所示。由于受精梳機實際車速的影響，試驗速度沒有到“柔性精梳值”，有待將來條件允許時進一步試驗研究。

表1 精梳前后短絨含量表Tab. 1 Short-staple content before and after combing

注：短絨<16 mm。

3 結(jié) 語

研究棉纖維在精梳過程中的斷裂受損對提高紗線的質(zhì)量具有重要意義，本文通過分析研究與試?yán)炞C可得到如下結(jié)論：

1)“柔性精梳值”是指精梳機車速小于理想狀態(tài)下棉纖維不斷裂時精梳機車速最高值，在此理想狀態(tài)下錫林對纖維沒有造成斷裂損傷，滿足柔性梳理的要求。

2)由于棉精梳機棉網(wǎng)纖維三度的不平均，部分纖維的受力大于纖維的斷裂強力，導(dǎo)致棉纖維的斷裂損壞?！叭嵝跃崧省北硎久蘩w維在精梳梳理過程中的損壞和斷裂程度。

3)精梳機錫林單纖維梳理力與纖維須叢質(zhì)量無關(guān)；與錫林速度的平方、錫林速度變化系數(shù)、落棉率、錫林半徑、纖維細(xì)度及纖維長度成正比；與錫林梳理纖維占運動周期分度值成反比。由此，在一定的原料和工藝條件下，梳理力與速度關(guān)系緊密。

4)“柔性精梳率”在64%～65.7%之間波動，屬于正常測量波動，即棉精梳機車速在不超過“柔性精梳值”時“柔性精梳率”不受精梳機車速影響。

5)“柔性精梳”是指棉精梳機車速低于“柔性精梳值”且“柔性精梳率”在合理范圍內(nèi)的梳理。

通過對“柔性精梳值”與“柔性精梳率”的計算，可進一步研究棉精梳機“柔性精梳”過程中影響纖維斷裂率的工藝參數(shù)，從而優(yōu)化工藝，減少纖維的斷裂，為新型高速棉精梳機及梳理專件的研制及精梳設(shè)備的高質(zhì)、高產(chǎn)提供理論依據(jù)。

FZXB

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Analysis of "soft combing" of cotton comber based on fiber breakage

Li Xinrong1,2, JIANG Xiuming1， YANG Jiancheng1， WANG Xiaowei1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China；
2.JingweiTextileMachineryCo.Ltd.YuciBranch,Jinzhong,Shanxi030601,China)

When cotton comber is carding at high speed, fibers damage and breakage will be caused by its cylinder carding, which influences the combing quality. Therefore, based on the analysis of average carding force of single fiber in the process of combing as well as the breaking strength of cotton fiber under ideal conditions, this paper, aiming at the cotton fiber breakage, constructs a maximum theoretical velocity model of cotton comber, i.e. calculation model of ″soft combing value″. And, combining with the field experiments, a new concept of ″soft combing ratio″ is proposed according to short fiber content variation before and after cylinder combing. In conclusion, the concept of ″soft combing″ is proposed, i.e. the combing that the speed of cotton comber is lower than the ″soft combing value″ and the “soft combing ratio” is in a reasonable range is defined as ″soft combing″ .This study provides a theoretical foundation for the development of new type of high-speed cotton comber and the improvement of combing quality.

soft combing; soft combing value; soft combing ratio; average carding force; maximum velocity; fiber breakage

0253- 9721(2013)09- 0130- 04

2013-01-14

2013-03-26

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2010CB334711)

李新榮(1975—)，男，高級工程師，博士生。主要研究方向為紡織機械設(shè)計及自動化。蔣秀明，通信作者，E-mail:jxjxm@163.com。

TS 112.2

A