精梳機(jī)分離牽伸力在線檢測(cè)與規(guī)律分析

陳宇恒，高衛(wèi)東，任家智

(1.生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122；2.中原工學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 450007)

分離牽伸是精梳機(jī)的重要工藝過程，對(duì)輸出棉網(wǎng)的質(zhì)量有著重要的影響[1-2]。牽伸過程中，分離羅拉將纖維從鉗口外須叢快速抽出，需要克服來自慢速纖維、頂梳梳針等部件的摩擦阻力，該阻力被稱為分離牽伸力[3]。由于精梳機(jī)鉗板、分離羅拉的速度與喂入鉗口的纖維數(shù)量不斷變化，導(dǎo)致分離牽伸力呈現(xiàn)時(shí)刻變化的動(dòng)態(tài)特征。受分離牽伸機(jī)構(gòu)的限制，精梳機(jī)對(duì)細(xì)絨棉具有良好的適紡性，但對(duì)纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)的長(zhǎng)絨棉、棉型化纖加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)因牽伸力過大造成棉網(wǎng)破裂、斷網(wǎng)，精梳質(zhì)量惡化的問題[4-5]，因此，精梳機(jī)分離牽伸力的檢測(cè)與分析是紡紗研究中的重要課題。

利用牽伸力測(cè)試裝置對(duì)紡紗過程的須條狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是優(yōu)化紡紗工藝、提高成紗質(zhì)量的有效手段。目前，有關(guān)牽伸力的研究主要集中在并條與細(xì)紗工序[6-8]。有研究者在并條機(jī)牽伸區(qū)增加了上托式壓力棒，運(yùn)用力傳感器研究纖維特性、并條工藝對(duì)牽伸力的影響，采用降低牽伸力不勻率的方法提高了紗線條干質(zhì)量[9-11]。亦有研究者在細(xì)紗機(jī)后牽伸區(qū)借助于電阻應(yīng)變片式懸臂梁壓力傳感器獲得牽伸力的變化規(guī)律，研究后區(qū)牽伸工藝對(duì)牽伸力及其不勻率的影響，為合理制定細(xì)紗工藝提供了理論依據(jù)[12-13]。精梳機(jī)分離牽伸力的研究尚處于通過建立分離羅拉動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)牽伸力進(jìn)行理論估算的探索階段[3]，缺少相關(guān)的定量檢測(cè)手段。

為探究精梳機(jī)分離過程中牽伸力的變化規(guī)律，本文基于動(dòng)態(tài)扭矩傳感器自主開發(fā)了精梳機(jī)分離牽伸力在線檢測(cè)裝置。保持精梳機(jī)其他工藝參數(shù)不變，分別改變車速、頂梳齒密和頂梳插入深度，研究不同工藝參數(shù)對(duì)分離牽伸力的影響，以期為進(jìn)一步優(yōu)化精梳工藝提供理論參考。

1 精梳機(jī)分離牽伸機(jī)制及影響因素

1.1 精梳機(jī)分離牽伸作用機(jī)制

精梳機(jī)分離牽伸裝置如圖1所示。給棉羅拉與下鉗板上方的導(dǎo)棉板組成給棉鉗口，分離羅拉與分離皮輥組成分離鉗口。2個(gè)鉗口之間有適當(dāng)?shù)牧_拉握持距，并且分離羅拉的順轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)大于鉗板前擺速度，因此，給棉、分離鉗口之間形成了精梳機(jī)分離牽伸區(qū)，承擔(dān)了纖維的分離工作。

圖1 精梳機(jī)分離牽伸裝置Fig.1 Separation and drafting device of comber

錫林梳理結(jié)束后，鉗板逐漸打開并攜帶須叢向分離鉗口移動(dòng)，此時(shí)，分離羅拉開始順轉(zhuǎn)，如圖1中箭頭所示方向。當(dāng)鉗板攜帶的須叢頭端到達(dá)分離鉗口時(shí)，分離開始，以鉗板速度運(yùn)動(dòng)的慢速纖維變?yōu)橐苑蛛x羅拉順轉(zhuǎn)速度運(yùn)動(dòng)的快速纖維，須叢中不同截面的纖維產(chǎn)生了位移差，實(shí)現(xiàn)了須叢的分離牽伸；此時(shí)，頂梳刺入須叢對(duì)其尾端進(jìn)行梳理，產(chǎn)生較大的摩擦阻力。牽伸過程中，鉗板不斷將須叢送入分離鉗口，分離羅拉將纖維快速抽出；當(dāng)鉗板到達(dá)最前位置時(shí)，須叢不再送入分離鉗口，分離羅拉繼續(xù)順轉(zhuǎn)將分離叢輸出；當(dāng)纖維與須叢徹底分離后，分離工作結(jié)束。每個(gè)工作周期，分離羅拉將鉗口外頭端須叢抽長(zhǎng)拉細(xì)，輸出一個(gè)兩端薄、中間厚的分離叢，如圖2所示。

圖2 鉗口外須叢分離牽伸示意圖Fig.2 Schematic diagram of whisker cluster separation and drafting outside jaw

1.2 精梳機(jī)分離牽伸力影響因素

精梳機(jī)分離牽伸力是決定分離牽伸工作能否順利進(jìn)行的重要因素，可用牽伸力公式[14]定性表示：

可見，分離牽伸力的主要影響因素有：纖維長(zhǎng)度l，纖維摩擦因數(shù)μ，總纖維根數(shù)M(x)和快、慢速纖維根數(shù)K(x)、N(x)以及摩擦力界強(qiáng)度分布P(x)。精梳機(jī)分離牽伸區(qū)摩擦力界如圖3所示。其中：Pg(x)為給棉鉗口摩擦力界；Pf(x)為分離鉗口摩擦力界；Pd(x)為頂梳附加摩擦力界。三者共同控制纖維的運(yùn)動(dòng)。

圖3 精梳機(jī)分離牽伸區(qū)摩擦力界Fig.3 Friction field of draft zone in comber

1.2.1 纖維特性

不同品種的纖維長(zhǎng)度、細(xì)度、摩擦因數(shù)等特性差異較大。纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)、整齊度越高、細(xì)度越細(xì)、摩擦因數(shù)越大，分離過程中慢速纖維與頂梳梳針對(duì)快速纖維的摩擦阻力越大。

1.2.2 給棉工藝

給棉工藝包括小卷定量、給棉方式與給棉長(zhǎng)度。給棉工藝的調(diào)整會(huì)使鉗口外的總纖維根數(shù)和快、慢速纖維數(shù)量發(fā)生變化，引起分離牽伸力相應(yīng)變化。

1.2.3 梳理工藝

錫林梳理效果直接影響精梳落棉率，使鉗口外須叢的纖維根數(shù)發(fā)生變化。落棉率減小，鉗口外的纖維根數(shù)增多，分離牽伸時(shí)需要克服的摩擦阻力增大；落棉率增大，鉗口外的纖維根數(shù)變少，分離牽伸時(shí)需要克服的摩擦阻力減小。

1.2.4 摩擦力界

頂梳附加摩擦力界Pd(x)靠近分離鉗口，如圖3所示，摩擦力界強(qiáng)度從峰值向兩側(cè)逐漸減小，呈現(xiàn)“山峰狀”分布；分離過程中頂梳梳針對(duì)纖維產(chǎn)生擠壓作用，如圖4所示，使纖維受到較大的摩擦阻力。精梳機(jī)給棉鉗口與分離鉗口之間的羅拉握持距影響分離牽伸區(qū)摩擦力界的強(qiáng)度分布，對(duì)分離牽伸力的影響較大，握持距過大、過小均不利于分離工作的進(jìn)行。

圖4 頂梳梳針對(duì)纖維擠壓示意圖Fig.4 Schematic diagram of extrusion of top comb for fiber

2 精梳機(jī)分離牽伸力在線檢測(cè)裝置

2.1 分離牽伸力測(cè)試原理

分離牽伸過程中，分離羅拉將快速纖維從鉗口外須叢抽出，受到慢速纖維與頂梳對(duì)快速纖維的摩擦阻力作用，該阻力通過快速纖維作用于分離羅拉，使分離羅拉產(chǎn)生扭矩。設(shè)分離牽伸力為P、分離羅拉直徑為D、分離牽伸扭矩為M，其中分離牽伸扭矩M可用扭矩傳感器測(cè)得，則可根據(jù)下式計(jì)算分離牽伸力：

2.2 扭矩傳感器與聯(lián)軸器選型

采用美國(guó)Futek公司的TRS600 動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，該傳感器量程為0～10 N·m，非線性誤差為 ±0.2%，精度滿足測(cè)試需求。選用東莞怡合達(dá)自動(dòng)化股份有限公司的DEG11-D39雙膜片式聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器扭矩剛性較好，能夠糾正聯(lián)軸器兩端連接軸的同心度偏差，尺寸滿足安裝需求。

2.3 分離牽伸力測(cè)試裝置

根據(jù)分離牽伸力與牽伸扭矩的關(guān)系，構(gòu)建了精梳機(jī)分離牽伸力在線檢測(cè)裝置，如圖5所示。該裝置由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接機(jī)構(gòu)、測(cè)試單元與負(fù)載機(jī)構(gòu)組成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)1、齒形帶2和驅(qū)動(dòng)軸3；連接機(jī)構(gòu)包括2個(gè)聯(lián)軸器4；測(cè)試單元包括扭矩傳感器5、數(shù)據(jù)采集器6和計(jì)算機(jī)7；負(fù)載機(jī)構(gòu)包括分離羅拉8和分離皮輥9。纖維分離過程中，牽伸力作用到負(fù)載端的分離羅拉8，使之產(chǎn)生扭矩，扭矩通過扭矩傳感器5轉(zhuǎn)換成精確的電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器6采集處理后，在計(jì)算機(jī)7終端顯示分離羅拉扭矩實(shí)時(shí)數(shù)值，計(jì)算得到1個(gè)工作周期內(nèi)的分離牽伸力變化規(guī)律。

1—電動(dòng)機(jī);2—齒形帶;3—驅(qū)動(dòng)軸;4—聯(lián)軸器;5—扭矩傳感器; 6—數(shù)據(jù)采集器;7—計(jì)算機(jī);8—分離羅拉;9—分離皮輥。圖5 精梳機(jī)分離牽伸力在線檢測(cè)裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of on-line detection device for separation drafting force of comber

根據(jù)圖5對(duì)現(xiàn)有精梳機(jī)進(jìn)行機(jī)構(gòu)改造，在電動(dòng)機(jī)與分離羅拉之間增加驅(qū)動(dòng)軸、聯(lián)軸器、扭矩傳感器和數(shù)據(jù)采集器，分離牽伸力在線檢測(cè)裝置實(shí)物如圖6所示。

1—驅(qū)動(dòng)軸;2—聯(lián)軸器;3—扭矩傳感器;4—數(shù)據(jù)采集器;5—分離羅拉;6—分離皮輥。圖6 精梳機(jī)分離牽伸力在線檢測(cè)裝置實(shí)物圖Fig.6 Physical drawing of on-line detection device for separation drafting force of comber

3 測(cè)試條件與數(shù)據(jù)處理

3.1 原料與精梳工藝

采用細(xì)絨棉，小卷定量為75 g/m，給棉方式為前進(jìn)給棉，給棉長(zhǎng)度為4.7 mm，落棉隔距為9 mm，搭接刻度為0 ，分別改變精梳機(jī)車速與頂梳工藝參數(shù)，研究其對(duì)分離牽伸力的影響。

3.2 分離開始與結(jié)束定時(shí)

當(dāng)鉗板將錫林梳理過的棉叢送至分離鉗口時(shí)，分離開始，此時(shí)精梳機(jī)位于18 分度；鉗板逐漸往前擺動(dòng)，將須叢繼續(xù)送入分離鉗口，當(dāng)鉗板到達(dá)最前位置，即24 分度，最后一批纖維頭端進(jìn)入分離鉗口；此后鉗板逐漸后退，分離羅拉繼續(xù)順轉(zhuǎn)將纖維從頂梳握持的須叢中抽出，直至纖維與須叢徹底分離時(shí)分離結(jié)束，此時(shí)精梳機(jī)位于30 分度?？梢?，精梳機(jī)分離牽伸過程從18 分度開始，30 分度結(jié)束。

3.3 數(shù)據(jù)處理

為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，保持精梳機(jī)工藝參數(shù)不變，利用扭矩傳感器分別測(cè)得精梳機(jī)10 個(gè)工作周期內(nèi)分離羅拉空車運(yùn)行(無棉卷喂入)與正常運(yùn)行(有棉卷喂入)時(shí)的牽伸扭矩?cái)?shù)據(jù)，將正常運(yùn)行時(shí)的分離牽伸扭矩均值減去空車運(yùn)行時(shí)的牽伸扭矩均值，算得1個(gè)工作周期分離過程中的牽伸力數(shù)值。分離牽伸扭矩測(cè)試界面如圖7所示。

圖7 精梳機(jī)分離牽伸扭矩測(cè)試界面Fig.7 Test interface of separating draft torque of comber

4 結(jié)果分析

4.1 精梳機(jī)車速對(duì)分離牽伸力的影響

在精梳機(jī)頂梳齒密為28針/cm、頂梳插入深度為0刻度的條件下，保持精梳機(jī)其他工藝參數(shù)不變，分別改變精梳機(jī)車速為100、200、300 鉗次/min，精梳過程中分離牽伸力變化曲線如圖8所示。

圖8 精梳機(jī)車速對(duì)分離牽伸力的影響Fig.8 Effect of comber speed on separation drafting force

由圖8可知：分離過程中牽伸力呈現(xiàn)先增大再減小的變化趨勢(shì)；峰值出現(xiàn)在24 分度，為27～33 N。這是由于分離開始時(shí)喂入分離鉗口的纖維較少，隨著鉗板往前擺動(dòng)，喂入鉗口的纖維數(shù)量逐漸增多，分離牽伸力迅速增大，到24 分度時(shí)喂入分離鉗口的纖維數(shù)量達(dá)到頂峰，分離牽伸力最大；此后鉗板后退，不再將纖維喂入分離鉗口，分離羅拉握持纖維從鉗口外的須叢中抽出，纖維與須叢逐漸脫離，分離牽伸力逐漸減小，30 分度時(shí)纖維徹底脫離須叢，分離牽伸力降至0 N。隨精梳機(jī)車速提高，分離牽伸力呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但其隨分度數(shù)增加呈現(xiàn)先增后減的基本變化規(guī)律不變。精梳機(jī)車速?gòu)?00鉗次/min提高至200、300鉗次/min，對(duì)應(yīng)的分離牽伸力均值分別為12.29、13.55、15.23 N。說明車速?gòu)?00鉗次/min 提高至300 鉗次/min對(duì)應(yīng)的牽伸力增值(1.68 N)大于從100 鉗次/min提高至200 鉗次/min對(duì)應(yīng)的牽伸力增值(1.26 N)。這是由于當(dāng)分離羅拉將纖維從須叢抽出時(shí)，纖維尾端受到頂梳梳針的梳理，由于纖維尾端排列紊亂，尾端彎鉤與梳針產(chǎn)生橫向沖擊作用，該沖擊力隨車速的提高逐漸增大，造成分離牽伸力增大。

4.2 頂梳齒密對(duì)分離牽伸力的影響

在精梳機(jī)車速為300 鉗次/min、頂梳插入深度為0刻度的條件下，保持精梳機(jī)其他工藝參數(shù)不變，分別在去掉頂梳，頂梳齒密為26、28、30、32 針/cm時(shí)，測(cè)試1個(gè)周期內(nèi)的分離牽伸力變化數(shù)值，結(jié)果如圖9所示。

圖9 頂梳齒密對(duì)分離牽伸力的影響Fig.9 Effect of top comb tooth density on separation drafting force

由圖9可知，當(dāng)去掉頂梳時(shí)，分離牽伸力大幅減小，峰值降幅高達(dá)24.67%～34.81%。說明頂梳對(duì)纖維的分離起著重要的控制作用，牽伸過程中頂梳梳針對(duì)纖維產(chǎn)生橫向、縱向擠壓效應(yīng)，使纖維與纖維、纖維與梳針之間的摩擦阻力增大，造成分離牽伸力增加。隨著頂梳齒密的增加，分離牽伸力呈增大趨勢(shì)，頂梳齒密每增大2 針/cm，分離牽伸力峰值增加約1.5 N，分離牽伸力均值增加約1 N，說明頂梳齒密增加，梳針對(duì)纖維的橫向擠壓作用增強(qiáng)，纖維分離時(shí)需要克服的摩擦阻力增大。

4.3 頂梳插入深度對(duì)分離牽伸力的影響

在精梳機(jī)車速為300鉗次/min、頂梳齒密為28針/cm 的條件下，保持精梳機(jī)其他工藝參數(shù)不變，分別改變頂梳插入深度為-1、0、+1 刻度，不同頂梳插入深度對(duì)應(yīng)的分離牽伸力變化曲線如圖10所示。

圖10 頂梳插入深度對(duì)分離牽伸力的影響Fig.10 Influence of insertion depth of top comb on separation drafting force

由圖10可知，隨著頂梳插入深度的增加，分離牽伸力呈增大趨勢(shì)。這是由于頂梳梳針針根寬、針尖窄，相鄰梳針的針隙從下至上逐漸減小，頂梳插入深度增加，梳針對(duì)纖維的縱向擠壓作用增強(qiáng)，纖維受到的摩擦阻力增大，造成分離牽伸力增加。頂梳插入深度每增加1 刻度，分離牽伸力峰值增加約2.6 N，分離牽伸力均值增加約1.7 N。這說明與頂梳齒密相比，頂梳插入深度對(duì)分離牽伸力的影響更大。

5 結(jié) 論

1)基于扭矩傳感器開發(fā)的精梳機(jī)分離牽伸力檢測(cè)裝置，能夠精確地捕捉1個(gè)周期內(nèi)分離牽伸力的數(shù)值變化，實(shí)現(xiàn)了精梳機(jī)分離牽伸力的在線檢測(cè)。

2)分離過程中牽伸力呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，在24 分度出現(xiàn)峰值；提高精梳機(jī)車速會(huì)造成分離牽伸力增大，且在高速區(qū)提高車速引起的分離牽伸力增值大于在低速區(qū)提高車速的分離牽伸力增值。

3)頂梳對(duì)分離牽伸力的影響較大，去掉頂梳，分離牽伸力峰值顯著減小；增加頂梳齒密和頂梳插入深度均會(huì)造成分離牽伸力增大，且頂梳插入深度對(duì)牽伸力的影響大于頂梳齒密。

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