基于纖維長(zhǎng)度根數(shù)分布的精梳加工模擬及棉網(wǎng)質(zhì)量預(yù)測(cè)

賈國(guó)欣, 任家智, 馮清國(guó)

(1. 河南工程學(xué)院 紡織新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)河南省工程實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450007； 2. 河南省紡織服裝協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南 鄭州 450007； 3. 中原工學(xué)院 紡織學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

基于纖維長(zhǎng)度根數(shù)分布的精梳加工模擬及棉網(wǎng)質(zhì)量預(yù)測(cè)

賈國(guó)欣1，2, 任家智2，3, 馮清國(guó)2，3

(1. 河南工程學(xué)院 紡織新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)河南省工程實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450007； 2. 河南省紡織服裝協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南 鄭州 450007； 3. 中原工學(xué)院 紡織學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

為實(shí)現(xiàn)精梳質(zhì)量的預(yù)測(cè)及精梳工藝的智能設(shè)計(jì)，采用Monte Carlo隨機(jī)模擬的方法，對(duì)給定纖維長(zhǎng)度分布(根數(shù))的棉卷進(jìn)行精梳加工計(jì)算機(jī)模擬，得到工作周期內(nèi)不同階段的棉叢形態(tài)及輸出棉網(wǎng)根數(shù)不勻CV值。討論了不同工藝參數(shù)下的模擬結(jié)果，結(jié)果表明：分離羅拉順轉(zhuǎn)定時(shí)為14.5、15.5分度時(shí)，輸出棉網(wǎng)的不勻值較??；落棉隔距增大，輸出棉網(wǎng)的不勻小幅度增長(zhǎng)；給棉長(zhǎng)度在4.7～5.9 mm之間增加時(shí)，輸出棉網(wǎng)的不勻輕微惡化，模擬結(jié)果與此前的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論有良好的相關(guān)性,模擬加工的方法更適用于纖維長(zhǎng)度分布(根數(shù))經(jīng)常變化的棉卷精梳過(guò)程研究。關(guān)鍵詞 纖維長(zhǎng)度分布； 加工模擬； 棉網(wǎng)； 預(yù)測(cè)

精梳條的條干均勻度是精梳工序的重要質(zhì)量考核指標(biāo)。如何通過(guò)改變工藝參數(shù)來(lái)改善精梳條的均勻度，以往的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)方面。任家智等分別利用單個(gè)分離叢2 mm切斷稱(chēng)重法分析了分離羅拉順轉(zhuǎn)定時(shí)、落棉隔距、給棉長(zhǎng)度等工藝參數(shù)對(duì)精梳棉網(wǎng)均勻度的影響，得出了一定纖維長(zhǎng)度根數(shù)分布情況下上述工藝參數(shù)的優(yōu)選方案[1-3]。但采用單個(gè)分離叢2 mm切斷稱(chēng)重法時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程容易受到人工操作手法及外界諸多因素的影響及干擾，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定，而且2 mm切斷稱(chēng)重法實(shí)驗(yàn)用時(shí)長(zhǎng)、工作量大、效率低，對(duì)纖維長(zhǎng)度分布千變?nèi)f化的精梳棉卷的適應(yīng)性差。在紡紗研究中，有學(xué)者采用過(guò)程模擬的研究方法，作出質(zhì)量預(yù)測(cè)并優(yōu)化紡紗工藝[4-5]。本文采用Monte Carlo 隨機(jī)模擬的方法，編制Matlab編程，對(duì)給定纖維長(zhǎng)度分布(根數(shù))的精梳棉卷進(jìn)行不同工藝參數(shù)下的模擬加工，通過(guò)模擬得到輸出棉網(wǎng)形態(tài)及其根數(shù)不勻的CV值。并通過(guò)比較可知，這種方法得到輸出棉網(wǎng)不勻規(guī)律與此前實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果有良好的相關(guān)性，而且這種方法速度快、效率高，對(duì)于纖維長(zhǎng)度分布經(jīng)常變化的精梳棉卷具有更好的適用性。

1 纖維長(zhǎng)度根數(shù)分布

在精梳加工過(guò)程中，能夠通過(guò)儀器(如印度產(chǎn)Premier大容量棉花檢測(cè)儀)檢測(cè)得到棉卷的纖維長(zhǎng)度分布(根數(shù)),該分布是以頻率密度表示的直方圖[6]，如圖1所示。由圖可知，輸入棉卷中每2 mm間距上的直方圖面積(即頻率密度值)分別為a1,a2,a3，…，an，其中a1為纖維長(zhǎng)度[0mm,2mm)上的頻率密度，an為纖維長(zhǎng)度[2(n-1),2n)上的頻率密度。顯然有a1+a2+…+an=1。

圖1 纖維長(zhǎng)度分布Fig.1 Fiber length distribution

2 精梳加工的計(jì)算機(jī)模擬

2.1 工作棉叢的生成

已知纖維長(zhǎng)度分布，可采用Monte Carlo 方法生成纖維長(zhǎng)度li。取b1=a1,b2=a1+a2,…,bn=a1+a2+…+an，則(0,b1,b2,…,bi,…bn)正好劃分了(0,1)區(qū)間，利用均勻分布隨機(jī)函數(shù)生成一個(gè)(0,1)區(qū)間的隨機(jī)數(shù)ξ，判斷隨機(jī)數(shù)ξ屬于哪個(gè)區(qū)間，若ξ∈(bi,bi+1)，則生成1根長(zhǎng)為li=2i+ξ-bi的纖維[7]。

根據(jù)精梳機(jī)的工作特點(diǎn)，一個(gè)工作循環(huán)中，鉗板輸送給分離羅拉的棉叢長(zhǎng)度等于喂棉長(zhǎng)度A，設(shè)纖維頭端服從[0，A]的均勻分布[8]，以Aξ作為這根纖維的右頭端，以li作為纖維的長(zhǎng)度，使纖維向左平行展開(kāi)。采用上述方法，編制Matlab程序，生成若干根滿足頻數(shù)分布特性的纖維，形成精梳工作棉叢的示意圖，如圖2所示。

圖2 工作棉叢Fig.2 Working cotton cluster

2.2 棉叢的錫林梳理

圖3 錫林梳理后棉叢Fig.3 Cotton cluster after cylinder carding

2.3 棉叢的分離接合

經(jīng)過(guò)錫林梳理后，鉗板將棉叢送向分離鉗口。棉叢頭端進(jìn)入鉗口時(shí)，分離接合開(kāi)始，鉗板擺動(dòng)到最前方，不再有纖維喂入分離鉗口時(shí)，分離接合結(jié)束。根據(jù)精梳機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性可知，鉗板擺動(dòng)到最前方的時(shí)間為24分度，則分離結(jié)束的時(shí)間為24分度[10]。而纖維分離開(kāi)始的時(shí)間(纖維進(jìn)入分離鉗口的時(shí)間)與纖維的頭端位置有關(guān)，也與鉗板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有關(guān)。纖維頭端位置不同，鉗板運(yùn)動(dòng)情況改變，分離開(kāi)始時(shí)間不同。

對(duì)精梳機(jī)鉗板機(jī)構(gòu)建立運(yùn)動(dòng)模型，編制MatLab程序，算出不同鉗次、不同落棉隔距時(shí)下鉗板一個(gè)工作周期的位移參數(shù)，并據(jù)位移參數(shù)值擬合出下鉗板在分離接合階段的位移方程。利用位移方程計(jì)算出頭端位置為Aξ的纖維到達(dá)分離鉗口的分度K(分離開(kāi)始時(shí)間)。例如：精梳機(jī)速度為350鉗次/min，給棉長(zhǎng)度A=5.2mm，落棉隔距為9mm時(shí)，擬合下鉗板分離接合階段的位移方程為：X=(-0.137)×K2+6.77×K-78.148，其中：X是位移，K為分度。一根纖維的頭端位置為4.96mm,其到達(dá)分離鉗口走過(guò)的位移X=A-4.96=5.2-4.96=0.24 mm， 利用位移方程，可得到其分離開(kāi)始的時(shí)間為18.6分度。

同理，對(duì)精梳機(jī)分離機(jī)構(gòu)建立運(yùn)動(dòng)模型，編制MatLab程序，算出不同順轉(zhuǎn)定時(shí)、不同鉗次時(shí)分離羅拉一個(gè)工作周期的速度參數(shù)，并根據(jù)速度參數(shù)值擬合出分離羅拉在分離接合階段的速度方程。以鉗板位移方程計(jì)算的分離開(kāi)始時(shí)間為積分下限，以分離結(jié)束時(shí)間作為積分上限，對(duì)分離羅拉速度方程進(jìn)行定積分運(yùn)算，可得纖維在分離接合階段走過(guò)的位移[11]。例如：精梳機(jī)速度為350鉗次/min，分離羅拉順轉(zhuǎn)定時(shí)為16分度時(shí)，擬合分離羅拉分離接合階段的速度方程為：V=3.451×107×t3-6.163×106×t2+1.893×105×t+337.26，其中：V是分離羅拉線速度，t是時(shí)間。以上述位移方程計(jì)算的分離開(kāi)始時(shí)間為積分下限(需將開(kāi)始分度折算成分離接合階段的對(duì)應(yīng)時(shí)間)，以分離結(jié)束時(shí)間作為積分上限(需將結(jié)束分度折算成分離接合階段的對(duì)應(yīng)時(shí)間)，對(duì)分離羅拉速度方程進(jìn)行定積分運(yùn)算，可得上述纖維在分離接合階段走過(guò)的位移為32.94mm。

對(duì)圖3所示的每根纖維進(jìn)行上述計(jì)算，可得到分離接合后的棉叢(分離叢)形態(tài)，如圖4所示，對(duì)分離叢不同位置的纖維根數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到單個(gè)分離叢纖維根數(shù)分布曲線，如圖5所示。

圖4 分離接合后的棉叢Fig.4 Cotton cluster after detaching-overlapping (flock)

2.4 精梳機(jī)輸出棉網(wǎng)

利用Matlab程序，依據(jù)精梳棉卷纖維長(zhǎng)度根數(shù)分布，重復(fù)上述工作棉叢生成、錫林梳理、分離接合模擬，得到不同的隨機(jī)分離叢。根據(jù)精梳原理，后一個(gè)分離叢疊放在前一分離叢之上，并且前、后分離叢的頭端距離為有效輸出長(zhǎng)度S[12]。依次疊放7個(gè)分離叢，得到精梳機(jī)輸出棉網(wǎng)。有效輸出長(zhǎng)度S=26.48mm時(shí)，精梳機(jī)輸出棉網(wǎng)的形態(tài)如圖6所示，對(duì)輸出棉網(wǎng)不同位置的纖維根數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到輸出棉網(wǎng)纖維根數(shù)分布曲線，如圖7所示。

圖6 輸出棉網(wǎng)Fig.6 Outputting cotton web

圖7 輸出棉網(wǎng)纖維根數(shù)分布曲線Fig.7 Distribution curve of fiber number to outputting cotton web

2.5 輸出棉網(wǎng)根數(shù)不勻

按照電容式條干儀的原理，檢測(cè)的不勻率是使用一定長(zhǎng)度電容板上纖維量的變異來(lái)表示的[8]，所以在對(duì)輸出棉網(wǎng)不勻率進(jìn)行模擬時(shí)，可采用計(jì)算機(jī)程序來(lái)計(jì)算定長(zhǎng)上纖維量的變異。將輸出棉網(wǎng)沿長(zhǎng)度方向分成n段，分別統(tǒng)計(jì)計(jì)算每段上的纖維根數(shù)wi，并計(jì)算出n段的平均纖維根數(shù)w0，利用CV值計(jì)算公式得到輸出棉網(wǎng)的不勻值，可對(duì)棉網(wǎng)質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 應(yīng)用結(jié)果與討論

利用上述精梳加工模擬技術(shù)，可分析精梳工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，優(yōu)化精梳工藝，并實(shí)現(xiàn)對(duì)精梳質(zhì)量的預(yù)測(cè)。

3.1 順轉(zhuǎn)定時(shí)的工藝優(yōu)化及棉網(wǎng)不勻預(yù)測(cè)

3.2 落棉隔距的工藝優(yōu)化及棉網(wǎng)不勻預(yù)測(cè)

對(duì)纖維長(zhǎng)度根數(shù)分布如圖1所示的精梳小卷進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬加工，其加工條件為：精梳機(jī)速度350鉗次/min，給棉長(zhǎng)度5.2 mm(前進(jìn)給棉)，分離羅拉順轉(zhuǎn)定時(shí)15.5分度。落棉隔距分別為9、10、11、12 mm時(shí)，各自模擬加工10次，并記錄其各次輸出棉網(wǎng)不勻CV值，10次棉網(wǎng)不勻CV值的平均值經(jīng)計(jì)算分別為7.4%、7.5%、7.9%、8%。可知，落棉隔距增大，精梳棉網(wǎng)的不勻CV值增大，但增大幅度較小，這與文獻(xiàn)[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得的結(jié)論相符性良好。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是精梳機(jī)前進(jìn)給棉過(guò)程中，分離前鉗板鉗口外棉叢長(zhǎng)度L見(jiàn)下式[13]：

L=B+(1-k)A

由式(2)可知，鉗板鉗口外棉叢長(zhǎng)度L隨著分離隔距(落棉隔距)的增大而增大。在小卷定量及其他參數(shù)不變的情況下，增大落棉隔距將增大鉗板鉗口外棉叢長(zhǎng)度，增加長(zhǎng)纖維被錫林梳掉成為落棉的概率，使分離前鉗板鉗口外棉叢變薄，分離叢變薄，精梳棉網(wǎng)的均勻度發(fā)生變化。

3.3 給棉長(zhǎng)度的工藝優(yōu)化及棉網(wǎng)不勻預(yù)測(cè)

對(duì)纖維長(zhǎng)度根數(shù)分布如圖1所示的精梳小卷進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬加工，其加工條件為：精梳機(jī)速度350鉗次/min，分離羅拉順轉(zhuǎn)定時(shí)15.5分度，落棉隔距9 mm。給棉長(zhǎng)度(前進(jìn)給棉)分別為4.3 、4.7、5.2、5.9 mm時(shí)，各自模擬加工10次，并記錄其各次輸出棉網(wǎng)不勻CV值，10次棉網(wǎng)不勻CV的平均值經(jīng)計(jì)算分別為8.3%、7.7%、8.1%、8.4%。綜上所述，給棉長(zhǎng)度為4.7 、5.2 及5.9 mm時(shí)，隨著給棉長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，輸出棉網(wǎng)的不勻CV值增加。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是給棉長(zhǎng)度增加，分離牽伸倍數(shù)變異系數(shù)增大，惡化了精梳棉網(wǎng)的不勻。而給棉長(zhǎng)度為4.3 mm時(shí)，精梳機(jī)每鉗次的喂棉量太短，造成精梳機(jī)的接合長(zhǎng)度降低，棉網(wǎng)的均勻度變差[14]。

4 結(jié) 論

1)采用Monte Carlo隨機(jī)模擬的方法，可對(duì)不同纖維長(zhǎng)度根數(shù)分布的棉卷進(jìn)行不同工藝參數(shù)下精梳過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬，得到一個(gè)工作周期不同階段的棉叢形態(tài)及最終輸出棉網(wǎng)根數(shù)不勻的CV值。利用模擬結(jié)果，可對(duì)精梳產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)并實(shí)現(xiàn)智能工藝優(yōu)化。

2)不同參數(shù)條件下的模擬結(jié)果表明：分離羅拉順轉(zhuǎn)定時(shí)為14.5、15.5分度時(shí)，輸出棉網(wǎng)的不勻較小，而分離羅拉順轉(zhuǎn)定時(shí)為16.5、17.5分度時(shí)，其輸出棉網(wǎng)的均勻度急劇惡化；落棉隔距增大，輸出棉網(wǎng)的不勻小幅度增長(zhǎng)；給棉長(zhǎng)度在4.7～5.9 mm之間增加時(shí)，輸出棉網(wǎng)的不勻輕微惡化。結(jié)果與此前的實(shí)驗(yàn)研究有良好的相符性。

3)本文在模擬研究的過(guò)程中，有理想化的假設(shè)條件，例如所有纖維都順直平行，分界纖維長(zhǎng)度以下的纖維排除率為100%，這些理想條件和實(shí)際情況存在一定差別，可能造成模擬結(jié)果優(yōu)于對(duì)應(yīng)實(shí)際情況的現(xiàn)象。為了得到更貼近實(shí)際的數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)一步深化研究。

FZXB

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Simulation on combing processing and prediction of combing web quality based on fiber length distribution by number

JIA Guoxin1,2, REN Jiazhi2,3, FENG Qingguo2,3

(1.HenanEngineeringLaboratoryofNewTextileDevelopment,HenanEngineeringInstitute,Zhengzhou,Henan450007,China; 2.TextileandClothingCollaborativeInnovationCenterofHenanProvince,Zhengzhou,Henan450007,China; 3.CollegeofTextiles,ZhongyuanInstituteofTechnology,Zhengzhou,Henan450007,China)

In order to realize prediction of combing quality and intelligent design of combing process, combing processing was simulated by computer for a cotton lap with specified fiber length distribution (number) using Monte Carlo stochastic simulation method, and it was obtained that cotton web form in different stages of a work cycle and number CV value of outputting web. Simulating results under different parameters were discussed. The results show that number CV values of outputting web are lower when forward motion timing is 14.5 and 15.5 index; the number CV value increases with the increase of the noil gauge; and when feeding length increases in the range of 4.7-5.9 mm, the unevenness of outputting web becomes worse. The simulated results are in good agreement with previous experiment data. The simulation processing method is more suit for combing process research of cotton lap whose fiber length distribution changes frequently.

fiber length distribution; processing simulation; cotton web; prediction

10.13475/j.fzxb.20160803605

2016-08-19

2016-12-15

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(17B540001)

賈國(guó)欣(1975—)，女，副教授，碩士。主要研究方向?yàn)樾滦兔藜徆に嚺c設(shè)備。E-mail:jgx.65@163.com。

TS 111.8

A