轉(zhuǎn)杯紡快速成條儀的設(shè)計(jì)

張玉澤， 林惠婷， 汪 軍

（1.東華大學(xué)紡織學(xué)院紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620；2.泉州師范學(xué)院紡織與服裝學(xué)院，福建泉州362000）

0 引 言

“紡紗學(xué)”是紡織工程專業(yè)的一門應(yīng)用基礎(chǔ)核心課程，涉及諸多紡紗設(shè)備的基本原理和實(shí)踐操作，對(duì)實(shí)踐性的要求很高［1-4］。因此，“紡紗實(shí)驗(yàn)”在整個(gè)“紡紗學(xué)”的教學(xué)過程中所占比重極大。紡紗實(shí)質(zhì)是將棉、毛等纖維從雜亂無章的狀態(tài)加工成具備足夠強(qiáng)力和外觀特性的紗線的加工過程。其第1 道工序是將纖維集合體由雜亂無章變?yōu)榭v向有序排列的狀態(tài)，即將其制成符合一定規(guī)格和質(zhì)量要求的條子，俗稱“生條”，紡紗學(xué)中將生產(chǎn)生條的工藝過程稱為“清梳聯(lián)”工序［5］。清梳聯(lián)加工是紡紗中的重要工序，其基本的機(jī)器配置為抓棉機(jī)→開棉機(jī)→混棉機(jī)→清棉機(jī)→梳棉機(jī)?，F(xiàn)有工業(yè)用的清梳聯(lián)設(shè)備占地面積大、調(diào)節(jié)麻煩、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)耗費(fèi)能源和原料多，不適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用；且各機(jī)臺(tái)間采用管道輸送原料，管道中儲(chǔ)留的原料數(shù)量巨大，完全不能滿足實(shí)驗(yàn)室小批量試紡實(shí)驗(yàn)的需求［6］。一般院校實(shí)驗(yàn)室很難滿足現(xiàn)今工業(yè)用清梳聯(lián)設(shè)備對(duì)場(chǎng)地、設(shè)備數(shù)量和原料的要求，因此，制條困難成為制約紡織院校開展“紡紗實(shí)驗(yàn)”教學(xué)的一個(gè)很重要的因素［7-8］。為了解決以上問題，王新厚等［9］參照現(xiàn)有蓋板式梳理機(jī)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的小型清梳聯(lián)合機(jī)，該設(shè)備占地面積小、能耗和原料耗費(fèi)相對(duì)較低，然而，在實(shí)際的使用過程中，依然存在著機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)慣性大、調(diào)節(jié)麻煩、更換品種復(fù)雜等問題。此外，還有一些院校由于條件有限，無配備基本的紡紗設(shè)備，只能以多媒體教學(xué)來代替實(shí)踐教學(xué)，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)幾乎沒有［10-11］。

基于轉(zhuǎn)杯紡紗的成紗原理，并借鑒傳統(tǒng)梳理機(jī)的梳理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種快速成條系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維的快速梳理，其所制作的纖維條的條干和質(zhì)量均能達(dá)到紡紗的質(zhì)量要求，而且本機(jī)占地面積?。ㄩL(zhǎng)寬高分別為1 200 mm ×700 mm ×1 300 mm）、能耗低、操作方便，極其適合用于紡紗實(shí)驗(yàn)，對(duì)于推進(jìn)紡織院校紡紗學(xué)的實(shí)驗(yàn)改革具有重要意義。

1 設(shè)計(jì)原理

轉(zhuǎn)杯紡紗是目前除環(huán)錠紡紗外發(fā)展最為成熟的一種紡紗方式，它具有紡紗速度快、紗線條干均勻度高、毛羽少等優(yōu)點(diǎn)［12］。轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)的核心部件為轉(zhuǎn)杯紡紗器，如圖1 所示，其結(jié)構(gòu)主要由喂給喇叭口、喂給羅拉、分梳輥、輸纖通道、轉(zhuǎn)杯和殼體等組成。

圖1 轉(zhuǎn)杯紡紗器

轉(zhuǎn)杯安裝在轉(zhuǎn)杯腔體內(nèi)，由外界風(fēng)機(jī)抽氣而形成一定的負(fù)壓，轉(zhuǎn)杯腔體與殼體緊密連接，分梳輥安裝在殼體上，表面包覆針齒，可將纖維條梳理成單纖維狀態(tài)，轉(zhuǎn)杯腔體和分梳輥通過輸纖通道相連通。紡紗時(shí)，由梳理機(jī)制成的條子經(jīng)給棉喇叭口和喂給羅拉喂入，在分梳輥針齒的高速分梳打擊作用下變成單纖維狀態(tài)，單纖維經(jīng)輸纖通道伸直，在負(fù)壓的作用下沿轉(zhuǎn)杯杯壁進(jìn)入轉(zhuǎn)杯的凝聚槽內(nèi)，從而形成一個(gè)粗細(xì)均勻分布的纖維環(huán)。

從上述轉(zhuǎn)杯紡的成紗原理可知，轉(zhuǎn)杯紡紗器的分梳輥不僅可以將原料松開成單纖維狀態(tài)，還可以在離心力和氣流的共同作用下將原料中的雜質(zhì)與纖維分離；纖維通過輸纖通道后，其伸直度和分離度進(jìn)一步提高，纖維的彎鉤現(xiàn)象得到初步改善；轉(zhuǎn)杯和負(fù)壓氣流的共同作用可使纖維在轉(zhuǎn)杯的凝聚槽內(nèi)集聚成粗細(xì)均勻的纖維環(huán)［13］。轉(zhuǎn)杯紡紗器與傳統(tǒng)梳理機(jī)相比，都具有對(duì)纖維梳理、除雜、集聚的功能，但相較于清梳聯(lián)的機(jī)器配置和工藝流程而言，轉(zhuǎn)杯紡紗器的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，操作更為方便，也更便于在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行紡紗實(shí)驗(yàn)。

2 快速成條儀的結(jié)構(gòu)與組成

2.1 快速成條儀的整體結(jié)構(gòu)

借鑒轉(zhuǎn)杯紡紗器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成紗原理，快速成條儀主要由喂給分梳裝置、輸纖通道、成條裝置、負(fù)壓裝置和機(jī)電控制裝置等組成，如圖2 所示。

圖2 快速成條儀基本結(jié)構(gòu)組成

2.2 喂給分梳裝置

轉(zhuǎn)杯紡紗器梳理裝置的梳理對(duì)象是經(jīng)傳統(tǒng)的“清梳聯(lián)”工序加工之后形成的纖維條，其纖維的離散性和含雜率都較少。而快速成條儀的梳理對(duì)象為散纖維，因此，為了保證對(duì)散纖維的充分梳理和良好的排雜效果，所設(shè)計(jì)的快速成條儀的喂給分梳裝置同時(shí)借鑒了轉(zhuǎn)杯紡的梳理裝置和傳統(tǒng)開松機(jī)多級(jí)開松的方式。

如圖3 所示，纖維原料均勻平鋪在傳送帶上，由給棉羅拉喂入，首先由刺輥對(duì)其進(jìn)行初步的開松與除雜，使其呈塊狀分布，然后由分梳輥對(duì)其精細(xì)開松，使其盡可能成為單纖維狀態(tài)，最后由轉(zhuǎn)移輥將分梳輥上的單纖維剝離。為保證最佳的除雜效果，刺輥表面所包覆的針齒密度為300 ～500 齒/m2，分梳輥為1 500 ～2 000齒/m2；分梳輥的直徑為200 mm，轉(zhuǎn)速為6 000 ～10 000 r/min，刺輥的直徑為50 mm，轉(zhuǎn)速為2 000 ～3 000 r/min。

圖3 喂給分梳裝置示意圖

2.3 輸纖通道

輸纖通道是轉(zhuǎn)杯紡紗器的重要部件，分梳輥轉(zhuǎn)移出來的單纖維伸直程度較差，彎鉤較多，因此，為了保證后續(xù)成紗質(zhì)量，單纖維在輸纖通道內(nèi)部需受到氣流的加速作用而伸直［14］。由于纖維的彎曲程度會(huì)直接影響到后續(xù)成紗質(zhì)量的好壞，因此輸纖通道的設(shè)計(jì)顯得尤為重要?，F(xiàn)有的轉(zhuǎn)杯紡紗器輸纖通道（見圖4）的形狀一般為直線型漸縮漏斗狀，其優(yōu)點(diǎn)在于通道內(nèi)的氣流流線均是平滑的直線型分布能保證纖維充分伸直。

圖4 轉(zhuǎn)杯紡輸纖通道示意圖

本文設(shè)計(jì)的快速成條儀的整體結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)杯紡紗器有較大差異，由于整體機(jī)構(gòu)的限制，輸纖通道的形狀只能采用折線型漏斗狀，然而這種形狀會(huì)造成通道內(nèi)的氣流在折線處產(chǎn)生氣流漩渦。為改善此種狀況，本文在輸纖通道的轉(zhuǎn)折處增加了一個(gè)旁路通道作為補(bǔ)氣口，如圖5 所示。所采用得輸纖通道入口為矩形，出口為圓形，整個(gè)通道的長(zhǎng)度為350 mm。

2.4 成條裝置

轉(zhuǎn)杯是成條裝置的主要部件，其形狀、大小以及轉(zhuǎn)速直接影響到最終成條的質(zhì)量。如圖6 所示，本文設(shè)計(jì)的快速成條儀的轉(zhuǎn)杯主要由杯底、杯壁和杯軸組成。杯底和杯壁合圍組成弧形的纖維凝聚槽，轉(zhuǎn)杯的周長(zhǎng)為1 000 mm，杯壁與杯底之間的夾角為45°，杯底到杯口的垂直距離為50 mm，轉(zhuǎn)杯的轉(zhuǎn)速為1 000 ～5 000 r/min。經(jīng)分梳輥分梳后的單纖維在負(fù)壓氣流的作用下，經(jīng)輸纖通道進(jìn)入轉(zhuǎn)杯內(nèi)，并沿著轉(zhuǎn)杯壁在凝聚槽內(nèi)凝聚，從而形成粗細(xì)均勻分布的纖維環(huán)。

圖5 快速成條儀輸纖通道示意圖

圖6 轉(zhuǎn)杯

2.5 負(fù)壓裝置

各裝置氣流的穩(wěn)定是快速成條儀能夠順利工作的關(guān)鍵。由于本機(jī)體積小，所需風(fēng)量不大，整個(gè)機(jī)器的負(fù)壓氣流由一臺(tái)負(fù)壓風(fēng)機(jī)提供即可。如圖7 所示，負(fù)壓風(fēng)機(jī)通過過濾器由管道分別為喂給分梳裝置、輸纖通道和成條裝置提供負(fù)壓。由于各裝置所需負(fù)壓氣流的大小不同，各個(gè)裝置分別裝有控制負(fù)壓氣流壓力和流量的調(diào)節(jié)閥，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各裝置負(fù)壓氣流的精準(zhǔn)控制。

圖7 負(fù)壓控制裝置設(shè)計(jì)圖

2.6 機(jī)電控制裝置

如圖8 所示，采用三菱FX3U 可編程控制器（PLC）對(duì)本機(jī)進(jìn)行整體控制，通過RS-485 通信協(xié)議將PLC與各電動(dòng)機(jī)變頻器之間建立通信連接，利用觸摸屏（型號(hào)：MT4414T）實(shí)現(xiàn)對(duì)本機(jī)各工藝參數(shù)的輸入和修改。

圖8 機(jī)電控制系統(tǒng)

3 應(yīng)用與測(cè)評(píng)

為驗(yàn)證快速成條儀在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的科學(xué)性和實(shí)用性，使用快速成條儀與傳統(tǒng)清梳聯(lián)合機(jī)制作棉條的過程進(jìn)行比較。傳統(tǒng)的清梳聯(lián)工藝流程為：抓棉機(jī)→開棉機(jī)→混棉機(jī)→清棉機(jī)→梳棉機(jī)，上述機(jī)器通過管道進(jìn)行連接，占地面積至少50 m2以上，且操作復(fù)雜，能耗高（綜合能耗為40 kW/h），教師和學(xué)生達(dá)到使用要求的基礎(chǔ)培訓(xùn)時(shí)間長(zhǎng)（一般需要2 d），如圖9 所示。

本文所設(shè)計(jì)的快速成條儀占地面積小（1 200 mm× 700 mm × 1 300 mm）且操作簡(jiǎn)單，能耗低（5 kW/h），通常培訓(xùn)0.5 h 即可進(jìn)行操作使用，如圖10所示。

圖9 清梳聯(lián)合機(jī)

圖10 快速成條儀

兩種機(jī)器制作的條子在并條機(jī)上進(jìn)行二道并條處理后，對(duì)條子的質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1 所示。利用清梳聯(lián)合機(jī)所制成的條子由于纖維的梳理、除雜、混合各方面所經(jīng)流程長(zhǎng)，條子的不勻率（CV）、棉結(jié)個(gè)數(shù)、彎鉤纖維占比指標(biāo)明顯優(yōu)于快速成條儀所制成的條子，但是快速成條儀的原料用量極少，僅為清梳聯(lián)合機(jī)的萬分之一，并且條子經(jīng)過并條工序后，基本可以滿足對(duì)原料可紡性研究的需要。

表1 快速成條儀與清梳聯(lián)合機(jī)制條的質(zhì)量對(duì)比

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的快速成條儀創(chuàng)造性地利用了轉(zhuǎn)杯紡紗的原理，并結(jié)合了傳統(tǒng)開松設(shè)備。在我校紡織工程專業(yè)學(xué)生的紡紗實(shí)驗(yàn)及課題研究應(yīng)用中，已經(jīng)過為期64學(xué)時(shí)的教學(xué)應(yīng)用和近2 a的科研實(shí)踐。它不僅可解決大部分紡織院校在紡紗實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研中所遇到的成條機(jī)器配置臺(tái)數(shù)多、能耗高、操作復(fù)雜、占地面積大等問題，還有效地縮短了實(shí)驗(yàn)所用的時(shí)間，減輕了教師授課和學(xué)生學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，為紡紗學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的思路和方法。