轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)分梳輥用金屬針布磨損與對(duì)策

陳玉峰

(光山白鯊針布有限公司，河南 光山 465450)

0 引言

分梳輥是轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)的核心梳理部件，其在紡紗過(guò)程中主要對(duì)纖維進(jìn)行開(kāi)松、分解、梳理、轉(zhuǎn)移和排雜，對(duì)成紗質(zhì)量的影響至關(guān)重要。在梳理纖維的過(guò)程中，分梳輥金屬針布上纖維運(yùn)動(dòng)的方式主要有3種，即切向運(yùn)動(dòng)、沿齒前面運(yùn)動(dòng)及繞齒部運(yùn)動(dòng)。切向運(yùn)動(dòng)完成纖維的穿刺，沿齒前面運(yùn)動(dòng)完成攜帶纖維的分離和轉(zhuǎn)移，繞齒部運(yùn)動(dòng)則取決于齒前面對(duì)纖維的控制。在這3種運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，纖維與金屬針布齒部摩擦、剝?nèi)?、梳理、轉(zhuǎn)移，從而對(duì)分梳輥金屬針布產(chǎn)生各方向的摩擦磨損，使金屬針布齒條的齒尖由鋒利到鈍化、尖頭變圓頭，齒前面產(chǎn)生溝槽，溝槽內(nèi)纖維集束引起分梳輥繞花、產(chǎn)生束纖維，繞花反復(fù)搓擦又形成棉結(jié)；因此，研究分梳輥金屬針布磨損原因、尋找對(duì)策，對(duì)分梳輥應(yīng)用有積極的作用。

1 分梳輥金屬針布的梳理特點(diǎn)

a) 握持分梳和單纖化梳理：通過(guò)羅拉握持金屬針布對(duì)單纖維化為95%以上的棉條進(jìn)行梳理；

b) 單金屬針布配置分梳：無(wú)其它金屬針布與分梳輥金屬針布配合，僅為分梳輥金屬針布進(jìn)行梳理；

c) 定隔距：金屬針布與分梳輥隔距已定，無(wú)變化和調(diào)節(jié)的余地；

d) 定速度：在梳理過(guò)程中基本保持恒定速度，對(duì)纖維進(jìn)行梳理和轉(zhuǎn)移；

e) 氣流轉(zhuǎn)移：依靠附面層氣流的厚度大小，對(duì)纖維、雜質(zhì)及短絨進(jìn)行分離和轉(zhuǎn)移。

2 分梳輥金屬針布磨損部位及特點(diǎn)

2.1 齒部磨損

針布在抓取、穿刺纖維時(shí)，與纖維接觸最多的是齒條齒部，齒部對(duì)纖維產(chǎn)生沖切力，纖維則對(duì)齒部產(chǎn)生摩擦磨損。

其特點(diǎn)是：齒部鈍化，齒頂面變大，齒頂分叉或者發(fā)毛、斷裂，使齒部對(duì)纖維的穿刺能力下降、掛纖維，從而影響梳理效果，之后則加劇針布磨損。當(dāng)齒部斷裂過(guò)大時(shí)，導(dǎo)致分梳輥金屬針布齒條工作角發(fā)生變化，會(huì)造成落白或者掛花。

2.2 齒部齒前面磨損

在分梳輥恒速的前提下，分梳輥齒條的齒前面控制纖維的位置相對(duì)固定，纖維轉(zhuǎn)移路徑使齒前面磨損出溝槽，但纖維繞齒部運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的位移會(huì)使磨損位置發(fā)生變化。因此，齒前面磨損溝槽的位置受分梳輥速度、齒條沖齒工藝及工作角、纖維的摩擦因數(shù)等影響[1]。

其特點(diǎn)是：齒前面棱邊長(zhǎng)度決定磨損位置，在金屬針布齒條的第2點(diǎn)、第3硬度測(cè)點(diǎn)過(guò)渡區(qū)，淬火硬度相對(duì)較低，梳理過(guò)程中很容易出現(xiàn)犁耕溝槽；隨著溝槽的加深則穿刺時(shí)受到擠壓力過(guò)大，即會(huì)造成斷齒。

2.3 齒部側(cè)面磨損

齒條控制纖維后，纖維有趨向于齒尖的運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)齒部側(cè)面產(chǎn)生磨損，齒部側(cè)面磨損面積受齒前面曲率半徑以及繞齒部運(yùn)動(dòng)時(shí)纖維的轉(zhuǎn)移摩擦因數(shù)影響。

其特點(diǎn)是：在金屬針布齒條齒部側(cè)面形成光滑的淺溝槽，影響金屬針布齒條的表面狀態(tài)，進(jìn)而影響梳理質(zhì)量。

2.4 齒部棱角磨損

在梳理過(guò)程中，纖維被針布控制并受力，其反作用力及相對(duì)滑移均會(huì)造成纖維的損傷和齒部棱角的磨損，這也是短絨增加以及掛纖維的主要原因。

其特點(diǎn)是：梳理過(guò)程中，齒部棱角與纖維產(chǎn)生摩擦，甚至發(fā)生切割性損傷，隨著磨損時(shí)間增加，齒部棱角出現(xiàn)磨損溝槽。

3 分梳輥金屬針布磨損原因

分梳輥金屬針布磨損的主要部位：齒前面、齒頂面、齒部?jī)蓚?cè)面。磨損的原因：纖維與齒部的摩擦磨損、腐蝕磨損，以及齒條材質(zhì)、制造工藝，金屬針布配置與包卷，分梳輥工藝速度的影響。

3.1 纖維流、雜質(zhì)與金屬針布的機(jī)械磨損

在梳理過(guò)程中，金屬針布對(duì)纖維進(jìn)行抓取和釋放、控制和提升時(shí)，纖維與金屬針布、纖維間的摩擦阻力會(huì)對(duì)金屬針布產(chǎn)生磨損；尤其是對(duì)纖維流的反復(fù)梳理以及低級(jí)棉中的砂粒(硬粒磨損)會(huì)加劇金屬針布的磨損。

有形磨損：梳理作用提高了纖維的伸直度、平行度和分離度，要求分梳輥金屬針布齒條有不同的齒形和幾何尺寸，當(dāng)纖維在針布上相互轉(zhuǎn)移時(shí)，其沿齒前面運(yùn)動(dòng)和繞齒部運(yùn)動(dòng)交替出現(xiàn)產(chǎn)生多種摩擦力，磨損了金屬針布齒條，產(chǎn)生破壞性犁耕(有形)磨損。

擠壓磨損：梳理過(guò)程中，分梳輥?zhàn)ト∫欢康睦w維進(jìn)入分梳腔時(shí)使針面負(fù)荷瞬時(shí)加重，纖維叢在狹小的空間內(nèi)擠壓金屬針布；當(dāng)擠壓力過(guò)大時(shí)會(huì)造成金屬針布損傷甚至齒尖斷裂。

3.2 再生纖維的腐蝕磨損

再生纖維中含有的二氧化鈦粒子、染色纖維中的酸堿殘留、失去棉蠟后(化學(xué)處理后)纖維表面的摩擦因數(shù)加大等，都會(huì)腐蝕金屬針布、加劇磨損。此外，車(chē)間溫濕度過(guò)高、生產(chǎn)中加濕過(guò)大，導(dǎo)致齒條表面氧化并造成其磨損。

3.3 幾何尺寸設(shè)計(jì)與金屬針布磨損

金屬針布磨損與齒條的幾何尺寸有密切的關(guān)系：合理設(shè)計(jì)齒條各角度、齒密、齒形、齒頂寬等幾何尺寸，能有效控制纖維運(yùn)動(dòng)、改善纖維對(duì)金屬針布的沖切磨損；降低集中磨損的概率是齒條幾何尺寸設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

齒部磨損：梳理過(guò)程中纖維與金屬針布摩擦，齒部對(duì)纖維進(jìn)行穿刺，都會(huì)對(duì)齒部產(chǎn)生磨損和鈍化。

齒前面磨損：纖維在齒條齒部的運(yùn)動(dòng)軌跡和路徑改變與齒條的幾何尺寸密切相關(guān)，特別是分梳輥高速運(yùn)轉(zhuǎn)、離心力增大時(shí)，纖維由齒部齒深的2/3處趨向于1/3處運(yùn)動(dòng)，易脫離齒部甚至改變運(yùn)動(dòng)軌跡，從而影響梳理效果，加劇針布磨損，齒條磨損位置變化見(jiàn)圖1。

圖1 齒條磨損位置變化

棱邊磨損：齒條的齒前面棱長(zhǎng)和齒底圓弧r決定了纖維在齒前面的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和狀態(tài)。r大、棱邊長(zhǎng)且為直邊時(shí)，纖維易沉入齒底，磨損點(diǎn)集中、溝槽變深，齒條耐磨損時(shí)間短；反之，纖維不易沉入齒底，磨損點(diǎn)分散、溝槽淺，耐磨損時(shí)間長(zhǎng)，具體見(jiàn)圖2。

a) 磨損溝槽 b) 被磨損齒條 圖2 齒前面棱邊磨損

3.4 齒條材質(zhì)、制造工藝與金屬針布磨損

優(yōu)選材質(zhì)是提高分梳輥金屬針布耐磨性的關(guān)鍵。對(duì)國(guó)內(nèi)外金屬針布進(jìn)行磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鋼材中的合金元素越多，金屬針布的耐磨性越好；尤其是高耐磨金屬針布的專(zhuān)用鋼絲，其合金元素產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化性，除能在齒部形成許多高硬度的碳化物而進(jìn)一步提高耐磨性外，合金元素還可克服高碳鋼在淬火時(shí)的過(guò)熱敏感性，退火時(shí)合金元素形成的特種碳化物不易聚集，從而使鋼的韌性變好。金屬針布齒條的材質(zhì)從早期的72B，82B鋼到現(xiàn)在應(yīng)用的低合金高碳鋼(82WVR)，其耐磨性有了很大的提高，但是在鋼絲拉拔、坯條軋制及熱處理工藝方面，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

齒條的制造工藝，主要體現(xiàn)在硬度、淬火深度、部分脫碳、表面粗糙度等方面。齒條表面的氧化皮影響其表面粗糙度Ra值，Ra值越小、磨損越慢；氧化皮脫落后金屬針布就會(huì)進(jìn)入新的磨損階段。齒條表面粗糙使纖維集中，不僅造成梳理力大而且會(huì)對(duì)粗糙面和棱角產(chǎn)生不均勻磨損，最終形成齒條齒部起槽。齒條加熱時(shí)間越長(zhǎng)則氧化皮越多；但氧化皮結(jié)合力較為脆弱，在與纖維摩擦后逐步脫落，氧化皮在金屬針布的表面存在越多則其表面粗糙度值越大，在梳理過(guò)程中對(duì)纖維的損傷和梳理質(zhì)量的穩(wěn)定性影響越大。減少金屬針布齒條表面的氧化皮，改善表面粗糙度，是提高金屬針布梳理效果和減少磨損的有利措施。

齒條熱處理可以減少夾雜、防止淬火脫碳、細(xì)化金相組織。耐磨金屬針布齒條的金相組織為細(xì)針狀物+隱針狀回火馬氏體+點(diǎn)狀碳化物，如圖3a)；而圖3b)為細(xì)針狀回火馬氏體+粒狀碳化物。

a) b)圖3 錫林齒條齒頂部(第1硬度測(cè)點(diǎn))金相組織對(duì)比

3.5 針布配置和包卷

分梳輥工藝速度高，針布梳理纖維流量增加，金屬針布梳理負(fù)荷及與纖維的接觸頻次增大則易加劇其磨損，所以，分梳輥金屬針布配置應(yīng)與其工藝速度相匹配。

分梳輥金屬針布配置應(yīng)考慮被加工纖維的性質(zhì)，如纖維的種類(lèi)、長(zhǎng)度、線密度以及狀態(tài)；紡紗的品種，如純紡或混紡；企業(yè)的工藝水平和管理水平等。當(dāng)紡化纖時(shí)選配棉型金屬針布易產(chǎn)生靜電，加工含雜大、化學(xué)成分多的纖維，其助劑中的硬性顆粒大，纖維對(duì)金屬針布磨損較大。

此外，包卷金屬針布過(guò)程中的碰傷或包卷工藝不當(dāng)，都會(huì)造成分梳輥金屬針布磨損的加劇。

4 減少分梳輥金屬針布磨損的措施

4.1 合理設(shè)計(jì)齒條齒形

根據(jù)金屬針布的磨損形態(tài)，重點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)好齒條的工作角α、齒尖角β、齒頂長(zhǎng)l、齒頂寬b2、齒深h6、齒形、齒條總高h(yuǎn)1、齒密和齒根圓弧半徑。

a) 工作角α：決定齒條抓取和握持纖維、拋離雜質(zhì)、轉(zhuǎn)移纖維的效果，是齒條規(guī)格中最主要的參數(shù)。工作角α大，易刺入纖維層，抓取、握持能力強(qiáng)，分梳效果好；但易損傷纖維，拋離雜質(zhì)和轉(zhuǎn)移纖維效果差；過(guò)大，則分梳輥金屬針布易繞花。化學(xué)纖維較長(zhǎng)與齒條的摩擦因數(shù)比棉大，又易產(chǎn)生靜電，故紡化纖的金屬針布齒條工作角一般為0°～10°，紡棉則一般為12°～25°。

b) 齒尖角β：影響穿刺纖維層和切斷纖維，齒尖角小則易刺入、利于梳理纖維，但齒部強(qiáng)度小而易軋壞。紡化纖時(shí)，因齒條工作角小、齒背角小、齒尖角很大，齒尖角為68°～71°；紡棉時(shí)齒條工作角大、齒背角大，一般齒尖角為32°～33°。

c) 齒頂面：影響穿刺和分梳效果，齒頂面積小，刺入纖維層阻力小，不易切斷和損傷纖維；齒頂面積大則相反。分梳輥齒條齒頂寬一般為0.13 mm，以防過(guò)寬而易切斷纖維，齒頂長(zhǎng)一般為0.06mm～0.10 mm。如圖4b)相對(duì)于圖4a)，齒部進(jìn)行錐齒化處理，不僅齒頂寬減小，而且表面光潔，可減少對(duì)纖維的損傷并且耐磨性佳。如圖5所示，為兩種齒尖對(duì)纖維摩擦狀態(tài)的示意。

a) 傳統(tǒng)齒部 b) 錐齒化齒部圖4 齒條齒部形態(tài)對(duì)比

a) 傳統(tǒng)齒條齒部 b) 錐齒化齒條齒部圖5 齒條齒部與纖維摩擦狀態(tài)

d) 齒深和齒條總高：影響穿透纖維層和纖維轉(zhuǎn)移、排雜的效果，若齒深較小，喂入棉條定量重時(shí)則刺不透棉層，易產(chǎn)生束絲，易拋雜和轉(zhuǎn)移纖維，纖維不易繞分梳輥；為防繞，紡化纖時(shí)齒深一般采用1.2 mm～1.4 mm，紡棉一般為2.0 mm～2.1 mm；喂入棉條定量重、隔距大時(shí)，齒深大；齒條總高由齒部高和基部高決定，基部高一般采用1.2 mm，齒條總高一般按照正偏差控制，防止因?yàn)榭偢咝《斐煞质崆慌c針布間的隔距大，影響分梳質(zhì)量。

e) 齒形：為了既加強(qiáng)梳理又易排雜和不繞齒，可采用負(fù)工作角、弧背齒形設(shè)計(jì)，即在離齒頂面一定深度后，工作角由不大于10°變?yōu)樨?fù)角，以托持纖維防止其沉入齒根、產(chǎn)生繞花、影響排雜。紡棉金屬針布齒條一般是小齒部，紡化纖一般為大齒部，具體見(jiàn)圖6。

a) 紡棉用 b) 紡化纖用圖6 分梳輥金屬針布齒條齒形

f) 齒密：齒密大則使每根纖維接觸的齒數(shù)多、梳理度高，利于提高分梳質(zhì)量；但過(guò)大齒密易損傷纖維、增加短絨、產(chǎn)生繞花。目前，嵌條主要考量縱向齒密，縱向齒密取決于纖維摩擦因數(shù)和纖維長(zhǎng)度，纖維長(zhǎng)、摩擦因數(shù)大，縱向齒距大；反之，則小。紡化纖時(shí)，為兼顧梳理和轉(zhuǎn)移、防止繞花，齒密可小些。一般棉分梳輥金屬針布齒條縱向齒距為2.13mm～2.50 mm，紡化纖則為3.35 mm～4.48 mm。

g) 棱邊：它和齒根圓弧r決定了纖維在齒前面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)和狀態(tài)，棱邊長(zhǎng)、齒根r小，纖維不容易沉入齒根、磨損點(diǎn)分散則不易形成溝槽，針布耐磨損時(shí)間長(zhǎng)。

4.2 采用表面強(qiáng)化處理技術(shù)使齒部更光潔

為延長(zhǎng)金屬針布使用壽命，齒條設(shè)計(jì)應(yīng)考慮既利于梳理、又能抗軋傷，還應(yīng)對(duì)紡不同纖維規(guī)格、材質(zhì)、表面處理的齒條進(jìn)行不同處理。提升齒條齒部硬度、減小表面粗糙度Ra值是表面處理的關(guān)鍵，其核心是保證以最小的摩擦阻力有效梳理成束的纖維，增強(qiáng)齒條抗磨損能力以延長(zhǎng)金屬針布使用壽命。如采用表面強(qiáng)化處理技術(shù)或者涂層技術(shù)，在產(chǎn)品的制造環(huán)節(jié)保證齒條齒形的一致，硬化處理前采取等離子拋光，對(duì)齒條進(jìn)行錐齒化處理，使其各棱邊處理為0.02 mm～0.20 mm的圓弧，并使其硬度提高為不小于1100 HV，處理后的齒條表面粗糙度Ra值為 0.06 μm，有效提高了梳理效果，增強(qiáng)抗腐蝕能力。普通金屬針布齒條與表面強(qiáng)化處理的金屬針布齒條對(duì)比見(jiàn)圖7。

a) 普通金屬針布齒條 b) 表面強(qiáng)化的金屬針布齒條圖7 金屬針布齒條外觀對(duì)比

4.3 選用加入耐磨性介質(zhì)的優(yōu)質(zhì)鋼材

為改善金屬針布齒條的磨損率、磨損速度和相對(duì)耐磨度，必須對(duì)其材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)選，鋼中添加可提高硬度和耐磨性的WC和VC(硬度分別為2400 HV和2800 HV)，以顯著降低原料對(duì)金屬針布齒條的犁耕磨損；加入稀土元素以細(xì)化晶粒，消除氧化皮和夾雜物，提高金屬針布的韌性和抗沖擊疲勞能力。一般而言，增加的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.8%的鋼材的硬度顯著提高[3]。

4.4 優(yōu)化熱處理工藝

材質(zhì)加工工藝的一致性及齒條的熱處理一致性，是齒條產(chǎn)品質(zhì)量一致性的保證條件。目前，金屬針布齒條制造企業(yè)多采用無(wú)氧化罩式爐球化退火、直進(jìn)式拉絲機(jī)等先進(jìn)設(shè)備和制造工藝[4]，以穩(wěn)定加工過(guò)程中的脫碳，這是針布質(zhì)量穩(wěn)定的關(guān)鍵。熱處理工藝應(yīng)控制好相變，使其金相組織為隱針狀馬氏體+低溫回火馬氏體+彌散碳化物。生產(chǎn)實(shí)踐表明，一級(jí)以?xún)?nèi)的馬氏體最耐磨；金相組織分布越均勻、晶粒越細(xì)，則齒條韌性強(qiáng)、耐磨性好；若馬氏體組織為二級(jí)或二級(jí)以下，碳化物晶粒大、不一致且分布不均勻則齒條硬度雖高，但是相對(duì)不耐磨；因此，金屬針布齒條既要有適宜的表面粗糙度Ra值，還要有高硬度和理想的金相組織。

4.5 合理選配分梳輥金屬針布齒條

分析過(guò)了纖維特性、分梳輥速度、齒條幾何尺寸、金屬針布包卷等與纖維梳理效果、金屬針布磨損及使用壽命的相關(guān)性，為提高纖維梳理效果、提高金屬針布使用壽命，建議分梳輥用金屬針布齒條的選配方案參考表1。

5 結(jié)語(yǔ)

5.1分梳輥金屬針布的作用為握持分梳、單纖維梳理、單針布配置、定隔距、定速度和氣流轉(zhuǎn)移。

表1 分梳輥金屬針布齒條選配方案參考

分梳輥型號(hào)齒條型號(hào)齒條總高h(yuǎn)1/mm基部寬b1/mm齒距p/mm工作角α/(°)適紡纖維OK40DC3625×026903.600.92.625棉/麻OK40弧DC3625×026903.600.92.625棉/麻C74DC4025×060104.001.06.025棉/麻OK61DC3615×039903.600.93.915滌綸MK88DC3600×039903.600.93.90滌綸OK58DC3615×032903.600.93.215腈綸OS21DC3612×030903.600.93.012腈綸、滌綸、滌/棉OB20DC3625×021903.600.92.125棉、粘膠、腈綸/棉OB20RDC4025×021104.001.02.125棉、粘膠、腈綸/棉OB174DC3625×021903.600.92.125棉/麻OK74ADC3625×050903.600.95.025棉/麻OK74BDC4025×050104.001.05.025棉/麻CM-2ADC3600×050903.600.95.00滌綸

5.2分梳輥金屬針布齒條磨損的主要部位是齒部的齒頂面、齒前面、齒部?jī)蓚?cè)面以及齒前面棱邊，磨損使針布鈍化、失去梳理功能；磨損的原因是纖維與針布間的摩擦、纖維原料對(duì)其腐蝕作用、齒條的幾何尺寸、材質(zhì)與制造工藝，包卷針布的外力損傷等。

5.3減緩分梳輥金屬針布磨損的對(duì)策有：合理設(shè)計(jì)齒條幾何尺寸，采用表面強(qiáng)化技術(shù)使齒條齒部更光潔，選用加入耐磨介質(zhì)的優(yōu)質(zhì)鋼材、優(yōu)化齒條制造工藝以及合理選配金屬針布齒條。