梳棉機不同材質的活動蓋板使用性能分析

和杉杉 張毅

摘 要：通過對梳棉機活動蓋板結構和在梳理區(qū)運轉時的運行狀態(tài)分析，闡述了活動蓋板踵趾面磨損原因，提出了踵趾面的測試方法;并針對目前使用的鑄鐵蓋板和鋁合金蓋板進行對比試驗。結果表明：鋁合金蓋板具有成紗質量較好、耐磨性好和重量輕等優(yōu)點，能降低梳棉機的消耗，延長活動蓋板使用周期。

關鍵詞：梳棉機;蓋板;踵趾面;磨損;能耗;耐磨性

Abstract：The causes of heel-and-toe section abrasion of removable rotation flats of carding machine were explained by analyzing the structure of the removable rotation flats of carding machine and its running state during operation in carding area， and a measurement method on heel-and-toesection was proposed. Contrast experiments were conducted on frequently-used cast iron rotation flats and aluminium alloy rotation flats. The results showed that aluminium alloy rotation flats performed better in reducing energy consumption of carding machine and extending the service life of removable cover plate for its advantages of good yarn quality， high wear resistance， and light weight.

Key words：carding machine; rotation flats; heel-and-toe section; abrasion; energy consumption; anti-abrasion

梳棉機上，活動蓋板二端踵趾面在大曲軌上滑動與回轉方向相反或相同的錫林組成一個分梳區(qū)，經開清棉后，筵棉中的小棉塊和纖維束分梳成單纖維，在梳理過程中除去雜質和短纖維，并使纖維分布均勻[1]。踵趾差的存在使纖維能夠逐漸受到針布的梳理，避免纖維在進入每塊蓋板針布時遇到驟強的梳理作用[2]。踵趾差是梳理工藝中的重要參數，其大小設置影響纖維分梳過程，因而研究踵趾差變化對梳理過程的影響是有意義的。踵趾差與纖維回彈力的方向相關，因此影響蓋板對纖維的吸放及纖維的轉移過程[3]。學者及技術人員也針對踵趾差進行了大量探索性試驗。孫鵬子等[4]推導了錫林蓋板隔距與錫林直徑、蓋板寬度及踵趾差之間的理論關系，并認為踵趾差降低有利于整體隔距的降低。Li等[5]通過幾何法對比，認為0.49 mm踵趾差的蓋板與具有3 mm平面的0.56 mm踵趾差蓋板實際隔距更小且更易操作。

針對踵趾差對梳棉及細紗產品質量的影響，費青[6]對三檔踵趾差設置下的梳棉生條質量進行探究，認為較小的踵趾差有利于生條成紗質量的改善：生條及細紗的條干均有提高，棉結、含雜均降低。于學智等[7]則研究了踵趾差的設置差異對于紗線產品毛羽的影響，認為較小踵趾差導致纖維充塞而受梳受阻，最終紗線產品毛羽增多。Cao等[8]研究了踵趾差對生條及細紗棉結的影響，并得到了最佳的踵趾差設置為0.42 mm。

由于蓋板踵趾面與大曲軌是滑動摩擦，需較大的驅動力，同時長時間運行，踵趾面產生磨損，使其幾何形狀發(fā)生變化，改變了蓋板與錫林之間的隔距，影響梳理效果[9]。據有關紡織廠的試驗分析，梳棉機上的蓋板使用8～10年后，成臺梳棉機蓋板即報廢[10]，故紡織廠希望有踵趾面耐磨且又能減少驅動力的活動蓋板。目前鋁合金蓋板已在新型梳棉機系列上大量使用，且暫未有針對鋁合金蓋板在耐磨性及其對踵趾差方面的研究。本研究選用新的鋁合金蓋板和新的鑄鐵滑動蓋板同時裝在兩臺同型號梳棉機上，運行相同時間后，對比分析兩種蓋板使用性能及產品性能，得到鋁合金蓋板與鑄鐵滑動蓋板之間的實際使用差異。

1 鑄鐵蓋板與鋁合金蓋板主要性能差異

1.1 材質差異

長期以來，梳棉機上的活動蓋板骨架是整體化鑄鐵結構，由于鑄鐵實心結構，蓋板骨架的重量偏重，大曲軌運行時摩擦力大，需較大的功率。目前在新型梳棉機系列中，蓋板由鋁質的蓋板骨架、馬氏體不銹鋼的左蓋板接頭和右蓋板接頭組裝而成，如圖1所示。

1.2 重量差異

鑄鐵蓋板質量為3.30 kg，鋁合金蓋板質量為1.44 kg，比鑄鐵蓋板輕1.86 kg，是鑄鐵蓋板質量的43.64%。

1.3 幾何形狀差異

為了增強骨架的強度，防止彎曲變形，鑄鐵蓋板鐵骨的縱截面呈倒“T”形[11]，橫截面兩端高度為28.00 mm，中間為38.00 mm，鐵骨呈“弓”形;為提高抗繞強度，鋁合金蓋板縱截面呈矩形上方加三角形，高度比鑄鐵蓋板最高點位置增加13.10 mm，橫向高一致，見圖2。

對比圖2中鑄鐵與鋁合金蓋板可知，兩者縱向底部的兩端銑口高度均不相等。鑄鐵蓋板踵面端，蓋板高度為9.67 mm，銑口為1.70 mm，趾面端蓋板高度為9.95 mm，銑口為1.14 mm;同理，鋁合金蓋板踵面端蓋板高度為9.46 mm，銑口1.70 mm，趾面端蓋板高度為9.73 mm，銑口1.14 mm。兩者的踵面和趾面高度差值均是0.56 mm，稱為踵趾差。鑄鐵蓋板的踵趾面之間通過圓弧連接，當踵趾面與大曲軌摩擦而產生磨損，磨損后踵面和趾面與大曲軌接觸面會增大;而鋁合蓋板踵趾面底部都是矩形，磨損后踵趾面與大曲軌間的摩擦接觸面可基本保持不保。

2 運行狀態(tài)分析

在兩臺同種機型梳棉機進行對照試驗，A機臺的大曲軌上安裝新的鑄鐵蓋板，B機臺的大曲軌上安裝鋁合金蓋板，所有的針布型號相同，工藝參數統(tǒng)一。A和B兩機臺同時運行16個月后，對蓋板傳動功率、蓋板磨損情況及生條和成紗部分指標進行測試對比。

2.1 試驗方法及內容

試驗中使用的測試機型為FA201B;在功率測試中，使用功率表對梳棉機的功率進行測定;在磨損測試中，在兩臺梳棉機中隨機各抽取10塊蓋板，測定踵趾面高度;在棉結測試中，每臺車隨機取10段，用目光檢測棉結數;在成紗質量測試中，對細紗的條干和強力進行檢測。

2.2 功率比較

在同機臺上測試鋁合金蓋板和鑄鐵蓋板空載運行時功率P0，然后卸下蓋板傳送帶，測試蓋板滑動停止時的功率P0′，則蓋板功率P=P0-P0′。測試得，鋁合金蓋板功率PB為0.053 kW，而鑄鐵蓋板功率PA為0.109 kW，則PA=2.06PB。

鋁合金蓋板的接頭材質為馬氏體不銹鋼，在無潤滑情況下，與大曲軌的摩擦因數為0.17～0.18，鑄鐵蓋板與大曲軌的摩擦因數為0.15。根據功率計算式，理論驅動蓋板運動所耗功率PT的計算見式（1）。由于蓋板在曲軌上做勻速運動，因此蓋板運行的驅動力F等于所需克服的蓋板與曲軌之間的摩擦力f，得關系式（2）。摩擦力f的計算見式（3）。

式中：F為蓋板運行驅動力，N;V為蓋板運行速度，m/s;f為蓋板與曲軌間摩擦力，N;N為蓋板與大曲軌之間的正壓力，N;μ為踵趾面與大曲軌間摩擦因數。

由式（1）-式（3）得，鑄鐵蓋板的理論功率PTA是鋁合金蓋板的理論功率PTB的1.91～2.02倍，實測功率與計算相比差異在1.98%～7.85%。因為摩擦力與正壓力成正比，因此鋁合金蓋板較鑄鐵蓋板重量大幅減輕后，蓋板與大曲軌摩擦力得到顯著減少，所需驅動力也隨之下降。

2.3 踵趾面高度測試

為了測量方便，分別測繪踵趾面到頂端的距離，如圖3和圖4所示。h2（9.67 mm）和H2（9.46 mm）、h4（9.95 mm）和H4（9.73 mm）的高度不變，踵趾面在大曲軌上摩擦運行，產生磨損使h1和H1、h3和H3減小，磨損后鑄鐵和鋁合金的踵趾面高度分別：

2.4 測試數據采集

表1和表2分別為鑄鐵蓋板和鋁合金蓋板踵趾面高度運行16個月后測試數據，h2、h4和H2、H4高度值不受滑動磨損的影響，視為定值。

2.5 蓋板踵趾面磨損分析

由于有踵趾面高度相差0.56 mm，因此每根蓋板與錫林針布間的隔距入口及趾面大，出口踵面小，如圖5（a）所示。PP′為大曲軌位置，FF′為蓋板針布針尖平面位置，CC′為錫林針布齒尖平面位置，a為入口隔距，b為出口隔距。從表1和表2測試數據來看，活動蓋板踵趾面與大曲軌摩擦時，趾面磨損分別為0.46 mm和0.20 mm，踵面磨損為0.09 mm和0.02 mm，兩種蓋板的趾面磨損均大于踵面。比較兩種蓋板磨損情況，鑄鐵蓋板踵面磨損是鋁合金蓋板的4.73倍，趾面磨損量是鋁合金蓋板的2.34倍。以磨損量而言，鋁合金蓋板如果要達到與鑄鐵蓋板相同的磨損量，所需時間是鑄鐵蓋板的2.34倍（趾面）或4.73倍（踵面），因此，其使用周期將至少提高至2倍。這與蓋板接頭部分的材料耐磨性相關，馬氏體不銹鋼耐磨性優(yōu)于鑄鐵。

在蓋板與錫林同向轉動時，從圖5（b）可知，蓋板針面受切向力R踵和R趾，這兩個力都產生以O點為支點的力矩，使蓋板向逆時針方向做圓周運動，因此趾面受力大于踵面，導致趾面磨損大，符合測試結果[12-13]。

綜上，鋁合金蓋板使用鋁合金作為骨架，減輕了蓋板骨的重量;蓋板接頭由于選用馬氏體不銹鋼，耐磨性優(yōu)于鑄鐵。

3 生條及成紗質量對比

3.1 對比試驗

兩臺梳棉機用同一只純棉花卷各做成生條，在并條、粗紗和細紗同眼同錠紡制各10只C18 tex紗，做生條棉結和成紗質量對比，測試結果見表3、表4和表5，A為鑄鐵蓋板，B為鋁合金蓋板。

從表3-表5結果可見，鋁合金蓋板生條棉結為60粒/g，較鑄鐵蓋板少3粒/g，降幅4.76%;生條的棉結CV值由12.19%降低至10.11%，因此鋁合金蓋板的生條棉結離散度更小，質量相對更穩(wěn)定。對比細紗質量，鋁合金蓋板組的條干CV由17.60%降低至17.22%，條干優(yōu)化2.16%，管間變異系數CVb優(yōu)化20.75%。成紗棉結除+280%高于鑄鐵蓋板以外，其他棉結好于鑄鐵蓋板。鋁合金蓋板的平均細紗斷裂強力為224.63 cN，較鑄鐵蓋板提升1.30%。

針對以上試驗結果，進一步作了梳理力測試分析。兩種蓋板同工藝同品種，在機器運轉時，分別測試錫林、蓋板空車運轉時功率，喂入筵棉后開始梳理時的功率，然后將測試功率換算成梳理力和折成單纖維的平均梳理力，得到錫林、蓋板區(qū)總的梳理力近似計算式[14]：

式中：∑R為錫林、蓋板區(qū)總梳理力，N;N為喂入纖維運轉時錫林、蓋板消耗的功率，kW;N0為空車運轉時錫林、蓋板消耗的功率，kW;V為錫林線速度，m/s;1 kW=999.6 N·m/s。

利用Excel圖表分析功能，將測試數據繪制成曲線，如圖6所示，并計算平均梳理力，變化CV值，鋁合金蓋板平均梳理力為29.00 N，最大值33.20 N，最小值22.42 N，CV值9.44%;鑄鐵蓋板平均梳理力為27.83 N，最大值49.70 N，最小值14.29 N，CV值34.95%。從計算結果可知，鋁合金蓋板在梳理過程中，對纖維梳理均勻，在同樣的工藝條件下，梳理力大于鑄鐵蓋板。

目前的梳理理論認為，纖維在蓋板針布與錫林針布間，分別被蓋板與錫林針布握持的條件下受到張力，產生被梳理的效果[3，7，15]。因此，生產中往往采用“緊隔距，強分梳”的工藝設計。纖維在錫林-蓋板主梳理區(qū)中，受力情況復雜，除了與針齒產生梳理力F、反作用力N及摩擦阻力T，離心力F、纖維層的彈性回復力C也為纖維的接觸分梳和轉移分梳提供可能，此外，還有氣流作用力D等（圖7）。由于踵趾差的存在，使得每塊蓋板下的空間逐漸縮小?？臻g的逐漸壓縮導致翹起的纖維頭端越來越容易被兩針面接觸及握持，同時，纖維受壓使得纖維層形成回彈力之間增大，纖維間相互作用逐漸增強，實現梳理效果的漸強。當工藝設置中的踵趾差由于磨損而減小時，纖維更容易充塞在蓋板-錫林入口，妨礙纖維的順利受梳。在以蓋板材質為單一因素的影響下，在使用一段時間后，由于鋁合金蓋板的踵趾差相對鑄鐵蓋板的改變較小，使得纖維相對較好地得到蓋板針面的充分梳理，因此，生條及細紗的棉結得到降低，成紗整體條干及斷裂強力也得到優(yōu)化。

綜上，成紗強力和生條棉結CV值來看，鋁合金蓋板生產的條子，纖維整齊度優(yōu)于鑄鐵蓋板，說明梳理均勻且充分，對纖維損傷少，有利于成紗質量的提高。

3.2 影響因素分析

活動蓋板兩端的踵趾面和踵趾面的運行軌道組合成一個運動副，由于摩擦因數的存在，蓋板踵趾面與軌道表面會產生磨損，造成蓋板與大曲軌接觸的幾何尺寸發(fā)生變化，使蓋板針布與錫林之間最緊點隔距產生轉移，直接影響紗線的質量。

圖8為CAD繪制不同踵趾差時，蓋板與錫林間的隔距變化值，CC′錫林工作面的直徑為1 290 mm，PP′大曲軌的曲率半徑656 mm，FF′蓋板針布針尖平面位置，寬度22 mm，過錫林中心作FF′垂線，其交點J是蓋板與錫林最緊點位置，最緊點隔距取0.20 mm。圖8（a）踵趾差0 mm，中間點隔距最小，出口點與入口隔距相等，入口到出口隔距變化是“大→小→大”;圖8（b）是踵趾差為0.56 mm時，隔距變化規(guī)律，入口趾面大，出口踵面小，其作用是使得纖維進入逐漸收小的隔距間，使每塊蓋板的針面發(fā)揮梳理作用，而不要過分集中在入口處，在分梳區(qū)內的纖維充分梳理;圖8（c）和圖8（d）分別是鋁合金蓋板和鑄鐵蓋板磨損后的隔距變化。從圖8可以看出，最緊點隔距由蓋板上的第一排針齒位置因踵趾面磨損逐步往中部轉移，踵趾差越小，越接近中部，形成“入口大→中部緊→出口大”狀況，不利于對纖維充分分梳，使生條棉結增多，成紗質量下降。

4 結 論

通過對使用16個月的鋁合金和鑄鐵蓋板踵趾面高度磨損量測試，對比分析了兩種蓋板的耐磨性。結果表明，由于接頭部分材料耐磨性的差異，鑄鐵蓋板趾面磨損量是鋁合蓋板的2.34倍，鑄鐵蓋板踵面磨損是鋁合金蓋板的4.73倍，相比之下降低一半磨損量的鋁合金蓋板，其使用周期將比鑄鐵蓋板延長一倍以上;其次，在制成品方面，鋁合金蓋板由于保持較好的踵趾差，其最緊點向蓋板中部轉移3.37 mm，比鑄鐵蓋板的7.16 mm少50%以上，有利于纖維的充分分梳;而對產品的跟蹤對比試驗中，鋁合金蓋板的生條棉結平均降低4.76%，其成紗質量在細紗條干（優(yōu)化2.16%）、斷裂強力（提升1.30%）等方面均優(yōu)于鑄鐵蓋板。因此，鋁合金蓋板取代鑄鐵蓋板是必然趨勢。

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