基于纤维断裂的棉精梳机“柔性精梳”分析

李新荣， 蒋秀明， 杨建成， 王晓维

(1. 天津工业大学 机械工程学院， 天津 300387； 2. 经纬纺织机械有限公司 榆次分公司， 山西 晋中 030601)

基于纤维断裂的棉精梳机“柔性精梳”分析

李新荣1,2， 蒋秀明1， 杨建成1， 王晓维1

(1. 天津工业大学 机械工程学院， 天津 300387； 2. 经纬纺织机械有限公司 榆次分公司， 山西 晋中 030601)

棉精梳机高速运转时锡林梳理纤维造成棉纤维断裂和损伤，影响了精梳的梳理质量。因此，本文针对棉纤维的断裂损伤现象，在分析研究理想状态下棉精梳梳理时单纤维的平均梳理力和棉纤维断裂强力的基础上，建立棉精梳机的最高车速即“柔性精梳值”的计算模型；结合现场试验测试锡林梳理纤维前后的短绒含量变化，提出精梳“柔性精梳率”的概念，并提出“柔性精梳”的概念，即车速低于“柔性精梳值”且“柔性精梳率”在合理范围内的精梳梳理为“柔性精梳”。该研究可为新型高速棉精梳机研制及提高精梳质量提供理论依据。

柔性精梳； 柔性精梳值； 柔性精梳率； 平均梳理力； 最高车速； 纤维断裂

当前，纺织行业的工程技术人员主要研究棉精梳机的机构特性[1-3]、工艺参数的合理配置等影响棉精梳机高速的因素[4-6]，而对于棉精梳机高速运转后由于锡林梳理对棉纤维造成的断裂损伤却研究甚少[7-9]，并且对精梳须丛锡林梳理前后的短绒变化没有技术指标来衡量。棉精梳采用握持梳理纤维须丛，这种握持梳理作用强烈，可以比较彻底地清除棉结、杂质和短绒，但同时也会损伤纤维，造成新的短绒。随着纺织品档次和品质的提高，对精梳设备不仅要求高产，而且要求高质，所以棉精梳机锡林高速梳理对棉纤维的断裂损伤，尤其是对纤维梳理前后的短绒含量变化的研究十分必要。

本文就当前棉精梳机高速锡林对棉纤维断裂损伤的研究缺陷，分析棉纤维在精梳机锡林梳理过程中的受力，基于棉纤维受梳理力断裂，从棉纤维平均梳理力与车速之间的关系着手，建立理想状态时棉精梳机锡林梳理纤维须丛的力学模型，结合质点系动量定理计算出基于棉纤维理想状态时不断裂受损的精梳机车速理论最大值，即“柔性精梳值”。

本文分析了棉精梳机柔性梳理(棉纤维在棉精梳机锡林梳理过程中不断裂受损)的实现条件，建立了棉精梳机“柔性精梳值”的计算模型，并结合现场试验测试锡林梳理纤维前后的短绒含量变化即“柔性精梳率”；提出“柔性精梳”的概念，即车速低于“柔性精梳值”且“柔性精梳率”在合理范围内的精梳梳理为“柔性精梳”，弥补了对精梳机高速运转时锡林造成纤维梳理损伤的研究缺陷，为新型高速棉精梳机的研制及精梳设备的高质、高产提供了理论依据。

1 “柔性精梳值”与“柔性精梳率”

精梳机梳理的目的是排除一定长度以下的短纤维，进一步提高纤维的平行、伸直和分离度，为纺制特细纱和优质纱创造条件。为此，握持梳理的要求是：喂入棉网的结构要均匀，保证梳理时握持状态可靠，合理控制各机件的运动配合关系，在排除短绒的同时，减少纤维断裂损伤形成新的短绒[10]。棉精梳梳理元件有锡林、顶梳，锡林是主要元件，本文研究锡林的梳理。

1.1 锡林对纤维的平均梳理力Fd

精梳单纤维平均梳理力是直接表示单纤维在精梳锡林梳理工作区所承受梳理作用强弱的指标，此概念是在单纤维梳理理论研究的基础上提出的[11]。

设棉精梳机每钳次梳理的纤维量为Q(g)、纤维根数为N、纤维线密度为Nt(tex)、纤维长度根数加权平均值为L(mm)、锡林每转作用到棉纤维上的总梳理力为∑F(N)、锡林对棉纤维平均梳理力为Fd(N),则有：

(1)

(2)

设锡林梳针共有m排，在梳理角内平均布置，单排梳针瞬时梳理下的棉纤维质量分别为q1、q2、…、qm，锡林转1圈时，梳理下来的棉纤维总质量用q表示，则q=q1+q2+…+qm。纤维由于梳理点和握持点的速度差被锡林梳下或断裂损伤，此时棉纤维速度与锡林表面线速度相同为vx(mm/s)。当前，精梳设备锡林采用变速梳理技术，变速梳理技术是指梳理时精梳锡林以高于正常车速的速度对纤维的前端进行积极梳理，增加棉精梳机分离准备时间，提高棉精梳条质量[12]，设锡林速度变化系数为k。

为便于分析研究，设锡林梳针排列均匀，每排梳针的梳理力为Fw、作用时间为△t(s)、锡林梳理纤维分度数为γx(分度)、棉精梳机车速为n(r/min)、锡林半径为R(mm)，则有：

(3)

(4)

由质点系的动量定理，锡林转1圈，当1到m排梳针转过时，对上述纤维质点系有

由上式可得

(5)

设落棉率为αlm，则q=Qαlm。纤维平均梳理力可表示为

(6)

1.2 棉纤维的断裂强力

棉纤维的断裂强力是指被拉伸的纤维在断裂时所承受的最大负荷或者是抵抗破坏的强弱程度。断裂强力是反映棉纤维的一项重要力学指标，以细绒面为例，其湿态断裂强度Pc为0.29～0.56 N/tex[13]。由于棉精梳机输入棉网的伸直、平行、分离度不均匀，造成棉纤维受力不均匀，部分纤维将承受较大的梳理力，所以有必要增加安全系数。棉纤维按强度极限规定的安全系数为nb，通常取值为3.0～5.0。棉纤维的断裂强力F与断裂强度Pc关系如式(7)所示。

(7)

1.3 精梳机最高理论车速

在确保纤维梳理充分的前提下，理想状态下对纤维没有造成损伤，满足式(8)即可，将式(6)、(7)代入式(8)可得式(9)，即理论上纤维基于不断裂的最高车速nmax的计算式为式(10)。

Fd≤F

(8)

(9)

(10)

1.4 “柔性精梳值”

柔性梳理是指在确保梳理元件对纤维须丛充分梳理的前提下，尽量从工艺和器材方面减少对纤维的损伤，棉精梳机“柔性精梳”是指精梳机车速应该满足式(9)的要求，理想状态下对纤维没有造成损伤的梳理。综上，“柔性精梳值”是指精梳机车速小于理想状态棉纤维不断裂时精梳机的最高车速，“柔性精梳值”可用式(10)中的nmax表示。

1.5 “柔性精梳率”

在精梳过程中，由于输入的棉网纤维分离度、平行度、伸直度的不平均，纤维受力不均匀，部分纤维将承受较大的梳理力，其中部分纤维的受力大于纤维的断裂强力，将导致棉纤维在精梳梳理过程中有一定的断裂损坏，设精梳机梳理前棉网含短绒率为βq，经精梳机梳理后棉纤维含短绒率为βh，精梳条含短绒率为βt，精梳落棉含短绒率为βl，精梳机落棉率αlm，精梳机纤维断裂率为η，各参数关系见式(11)、(12)。

βh=αlmβl+(1-αlm)βt

(11)

(12)

针对棉纤维在精梳过程中的损坏和断裂程度，本文提出“柔性精梳率”的概念，精梳前后短绒增加率η可以充分表示棉纤维在精梳过程中的损坏和断裂程度，满足“柔性精梳率”的要求，即精梳前后短绒增加率η为“柔性精梳率”。

2 试 验

本文精梳机锡林轴为非圆齿轮传动，锡林速度变化系数k=1.4；锡林采用90°进口四分割锡林，梳针排数m=40；精梳机落棉率αlm=18.5%，锡林梳理纤维占运动周期分度γx=6.5；试验原料为229锯齿棉，Nt=0.179 tex，L=27.3 mm，断裂强度Pc=0.336 1 N/tex、棉纤维强度极限安全系数nb=3.0。将以上参数代入式(10)，即可得到本文的“柔性精梳值”为850 r/min。

精梳机车速范围300～400 r/min，每10 r/min为1档，对棉卷及精梳落棉、精梳条的短绒进行测量。试验测试设备采用Uster公司的AFIS纤维测试仪器，测量数据如表1所示。由于受精梳机实际车速的影响，试验速度没有到“柔性精梳值”，有待将来条件允许时进一步试验研究。

表1 精梳前后短绒含量表Tab. 1 Short-staple content before and after combing

注：短绒<16 mm。

3 结 语

研究棉纤维在精梳过程中的断裂受损对提高纱线的质量具有重要意义，本文通过分析研究与试例验证可得到如下结论：

1)“柔性精梳值”是指精梳机车速小于理想状态下棉纤维不断裂时精梳机车速最高值，在此理想状态下锡林对纤维没有造成断裂损伤，满足柔性梳理的要求。

2)由于棉精梳机棉网纤维三度的不平均，部分纤维的受力大于纤维的断裂强力，导致棉纤维的断裂损坏。“柔性精梳率”表示棉纤维在精梳梳理过程中的损坏和断裂程度。

3)精梳机锡林单纤维梳理力与纤维须丛质量无关；与锡林速度的平方、锡林速度变化系数、落棉率、锡林半径、纤维细度及纤维长度成正比；与锡林梳理纤维占运动周期分度值成反比。由此，在一定的原料和工艺条件下，梳理力与速度关系紧密。

4)“柔性精梳率”在64%～65.7%之间波动，属于正常测量波动，即棉精梳机车速在不超过“柔性精梳值”时“柔性精梳率”不受精梳机车速影响。

5)“柔性精梳”是指棉精梳机车速低于“柔性精梳值”且“柔性精梳率”在合理范围内的梳理。

通过对“柔性精梳值”与“柔性精梳率”的计算，可进一步研究棉精梳机“柔性精梳”过程中影响纤维断裂率的工艺参数，从而优化工艺，减少纤维的断裂，为新型高速棉精梳机及梳理专件的研制及精梳设备的高质、高产提供理论依据。

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Analysis of "soft combing" of cotton comber based on fiber breakage

Li Xinrong1,2, JIANG Xiuming1， YANG Jiancheng1， WANG Xiaowei1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China；
2.JingweiTextileMachineryCo.Ltd.YuciBranch,Jinzhong,Shanxi030601,China)

When cotton comber is carding at high speed, fibers damage and breakage will be caused by its cylinder carding, which influences the combing quality. Therefore, based on the analysis of average carding force of single fiber in the process of combing as well as the breaking strength of cotton fiber under ideal conditions, this paper, aiming at the cotton fiber breakage, constructs a maximum theoretical velocity model of cotton comber, i.e. calculation model of ″soft combing value″. And, combining with the field experiments, a new concept of ″soft combing ratio″ is proposed according to short fiber content variation before and after cylinder combing. In conclusion, the concept of ″soft combing″ is proposed, i.e. the combing that the speed of cotton comber is lower than the ″soft combing value″ and the “soft combing ratio” is in a reasonable range is defined as ″soft combing″ .This study provides a theoretical foundation for the development of new type of high-speed cotton comber and the improvement of combing quality.

soft combing; soft combing value; soft combing ratio; average carding force; maximum velocity; fiber breakage

0253- 9721(2013)09- 0130- 04

2013-01-14

2013-03-26

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2010CB334711)

李新荣(1975—)，男，高级工程师，博士生。主要研究方向为纺织机械设计及自动化。蒋秀明，通信作者，E-mail:jxjxm@163.com。

TS 112.2

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