刺辊锯齿螺旋倾角与分梳质量关系的理论研究

王 盼, 程隆棣, 华志宏

(1. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620； 2. 东华大学 理学院， 上海 201620)

刺辊锯齿螺旋倾角与分梳质量关系的理论研究

王 盼1, 程隆棣1, 华志宏2

(1. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620； 2. 东华大学 理学院， 上海 201620)

针对梳棉机刺辊分梳时刺辊锯齿的螺旋倾角使得锯齿倾斜分梳纤维层，易加重纤维损伤的问题，以单个锯齿为研究对象，对嵌入式和自锁式刺辊锯齿的分梳过程进行深入的理论分析，采用建立力学模型的方法对螺旋倾角为0°和θ时纤维的受力情况进行研究。通过显式动力学模块对倾角为0°、1°、2°时锯齿的运动进行仿真。结果表明：当倾角为0°时，被梳纤维束所受的摩擦阻力及应力、应变均最小，且随着倾角的增大，摩擦阻力、应力及应变逐渐增大，束中纤维损伤越严重，纤维断裂概率越大；螺旋倾角的存在使得锯齿分解能力降低，易导致束纤维比例增大，分梳质量下降。

梳棉机； 刺辊； 锯齿； 螺旋倾角； 显式动力学

刺辊分梳是梳棉机上唯一一处握持分梳，主要负责纤维束的预分梳和除杂。其分梳工作的好坏决定着锡林、盖板区域的梳理质量和针布的使用寿命，并直接影响生条的质量和梳棉机产量的提高。齿条是刺辊完成分梳最重要的器材。现阶段对刺辊齿条的研究主要集中在齿条规格(齿高、齿密、锯齿工作角、齿顶宽度等)和齿形(自锁式、梳针式、双曲面式等)[1-3]上。梳针式刺辊仅在三刺辊系统上用到，而锯齿式刺辊仍占主导地位[4-5]。

刺辊齿条螺旋缠绕滚筒，故有螺旋倾角产生，倾角会影响刺辊的分梳效果。前人[6-7]关于刺辊螺旋倾角的研究往往从气流方面入手，却忽略了锯齿的倾斜分梳对刺辊分梳效果的影响。

本文以单个锯齿为研究对象，对嵌入式和自锁式刺辊齿条的分梳过程进行理论分析，采用力学模型的方法对螺旋倾角为0°和θ时纤维的受力情况进行研究，并通过显式动力学模块对倾角为0°、1°、2°时锯齿的运动进行仿真，以期为新型刺辊齿条的制备及生产实践提供理论依据。

1 齿分梳理论

本文基于嵌入式齿条和自锁式齿条的螺旋倾角进行讨论。嵌入式刺辊主要由刻有若干相同螺距的螺旋沟槽的滚筒和齿条组成，齿条嵌入螺旋沟槽形成针布，螺旋倾角较大，记倾角为θ。自锁式刺辊针布由单根齿条螺旋缠绕并依靠齿条间的相互自锁形成，齿条螺旋倾角很小，本文中假设为0°。图1示出1根齿条螺旋缠绕的刺辊截图，螺旋倾角使得锯齿齿身与刺辊轴向截面产生夹角，即在分梳过程中锯齿齿身倾斜打击棉束，如图2所示。本文从理论上探讨倾角大小对分梳质量的影响。

图1 1根齿条缠绕的刺辊Fig.1 Licker-in with one saw blade

图2 锯齿分梳纤维图Fig.2 Fiber carded by licker-in

1.1倾角变化影响锯齿分梳的几何证明

假设嵌入式和自锁式刺辊的差异仅在螺旋倾角上，简化锯齿的齿形，如图3所示。依据图2中锯齿对纤维的分梳作用方式，取图3中齿高1/2处的截面进行研究，截面长为a，宽为b。

图3 齿型图Fig.3 Shape of single tooth

图4 倾角0°和θ时锯齿截面几何比较图Fig.4 Comparison of cross-section of saw-tooth with spiral angle 0°and θ

当倾角存在时，锯齿在其前进方向上的几何变化如图4所示。记l1、l2分别是倾角为0°和θ时锯齿的投影宽度，D1、D2分别是相邻两齿间的垂直距离，D1=D2。则：

l1=a=Lsinγ

(1)

l2=acosθ+bsinθ=Lsin(γ+θ)

(2)

式中：L为截面对角线的长度；γ为截面对角线夹角。

由以上公式可知l1

锯齿倾斜不仅使锯齿与纤维相互作用的长度增长，而且使相邻两齿间竖直通道的水平宽度d减小，如图4所示。假设0°和θ倾角下，相邻两齿的水平距离一致。沿齿高方向取微小长度△y，则倾角为0°时,d1=D1-l1,体积V1=d1b△y；倾角为θ时,d2=D2-l2,体积V2=d2b△y，所以V1

1.2倾角变化影响锯齿分梳的力学分析

刺辊分梳纤维层的过程可总结为拍、劈、梳3个字。即锯齿刚接触纤维层、进入纤维层和梳理纤维层3个过程。本文针对这3个过程建立数学模型，讨论螺旋倾角分别为0°和θ时纤维束的受力。记Q为锯齿与被梳纤维间的摩擦阻力。

1)拍。在始梳点处，被梳纤维受到较强的握持力P和锯齿高速冲击力F，模型简化如图5所示。当力F与P大于纤维的强力时，纤维断裂。

图5 始梳点处纤维的受力分析
Fig.5 Analysis of stress of fiber at beginning of carding

2)劈。刺辊表面线速度与纤维层的速度存在百倍差异，锯齿作用于被梳纤维，当被梳纤维两端所受的张力P1，P2满足如式(3)所示的关系，纤维会产生绕针运动，即被梳纤维一端被握持，另一端沿齿工作面绕动，实现纤维束的分劈[8]。选取图3中齿高1/2处的截面进行研究，将2个角度下齿截面上被梳纤维的受力情况进行简化，如图6所示。以被梳纤维为研究对象，讨论了不同倾角下纤维作绕针运动时，摩擦阻力Q1，Q2的大小。则：

P2=P1eμβ

(3)

Q1=P2-P1+(L1+L2)(μN1+T1)=

P1(eμβ-1)+(L1+L2)(μN1+T1)

(4)

(5)

式中：P1，P2分别为无摩擦力和黏附力时纤维两端的拉力，cN；β，ψ为纤维在锯齿棱边的包围角，rad；L1，L2为纤维与锯齿两侧的接触长度，mm；N1，N2倾角分别为0°和θ时锯齿两侧所受的单位长度上的正压力，cN/cm；T1，T2倾角分别为0°和θ时纤维束对锯齿的单位长度上黏附力，cN/cm。

图6 纤维绕针运动的受力分析图Fig.6 Analysis of friction force when fiber moves around saw-tooth. (a) Spiral angle is 0°；(b)Spiral angle is θ

倾角的存在，使锯齿多了1个棱边作用于纤维。1.1小节已经讨论过，锯齿倾斜使得锯齿与纤维作用长度增大，且相邻两齿间纤维密度增大，N1

3)梳。被梳纤维一端被锯齿握持，另一端被周围纤维束约束作用，纤维两端速度差使纤维得到梳理伸直。

刺辊分梳过程中，纤维的损伤主要发生在锯齿刚接触纤维层时和锯齿进入纤维层时[9]。锯齿齿尖接触纤维层，对纤维进行“拍打”，螺旋倾角对纤维断裂的影响较小。锯齿进入纤维层，被梳纤维主要进行绕针运动。对式(4)、(5)分析可得Q1

2 齿运动仿真

显式动力学分析可用来确定结构承受变载荷时产生的动力学响应情况，对于时间尺度短的固体、流体、气体及它们之间相互作用的非线性动力学仿真有极强的优势[10]。本文采用ANSYS Explicit Dynamic模块进行仿真。由于刺辊表面线速度约是给棉罗拉输送棉层速度的100倍，可近似为碰撞问题，且单个锯齿经过纤维层的时间约为0.1 ms(设刺辊速度为900 r/min)，锯齿与纤维层间的相互作用为非线性行为，因此，选择显示动力学对倾角分别为0°、1°和2°时锯齿的运动过程进行仿真，分析被梳纤维受力的不同。

2.1前处理

假设条件：1)将齿截面简化为等腰三角形，齿简化为等腰三角体；2)将纤维集合体简化为一整块纤维实体；3)锯齿的运动简化为直线运动；4)纤维实体中间存在截面为等腰三角形的窄缝，代替棉网中的缝隙。

前处理：1)建立几何模型，纤维块中间建立窄缝，其截面斜角远小于锯齿齿顶斜角，缝深高于齿高。通过系统坐标z轴旋转改变锯齿倾角，如图7所示。2)定义材料，将锯齿定义为刚性体，选择结构钢；纤维块定义为柔性体，纤维层离开给棉板鼻尖时弹性回复率约为80%[11]，故选择Rubber，其拉伸特性近似于棉纤维的拉伸特性。3)划分网格，整体网格精度为100，网格细化，锯齿和纤维块采用Sweep法进行划分[10]， 窄缝作用区的网格得到精细划分。4)边界及初始条件，纤维层底面固定，锯齿沿系统坐标y轴负方向做匀速运动，位移为-3.6 mm，时间为3.6×10-4s，结果输出总点数为20，如图8所示。5)设定分析选项，选取最大拉应力、最大压应力、最大压应变、总位移4个指标。

图7 几何模型Fig.7 Geometric model

图8 初始条件设置Fig.8 Initial conditions

2.2结果及分析

仿真结果输出了20个时间点处对应的应力、应变值。为便于比较，本文选取1、5、9、13、17、21这6个点处对应的结果进行分析，并根据结果分别绘制应力、应变及总位移随时间变化的曲线，如图9～12所示。

图9 拉应力Fig.9 Tensile stress

图10 压应力Fig.10 Compressive stress

图11 压应变Fig.11 Compressive strain

图12 总位移Fig.12 Total displacement

从图9～12可得，应力、应变及位移各指标在不同倾角下随时间变化的趋势相同，且随着倾角的增大，其对应的结果依次增大。用最大拉应力、最大压应力、应变及总位移分别模拟锯齿与纤维束间的摩擦阻力、分梳时纤维束受到的正压力及应变和分梳过程中纤维束的位移。分梳过程中被梳纤维所受的力与摩擦阻力成正相关变化[12]，故当倾角越小时被梳纤维所受的力越小，纤维断裂的概率越低，有利于短绒率和落棉率的降低。压应力及应变呈现先增大后减小的趋势，主要是由于给棉板上棉层逐渐变薄，锯齿在进入纤维层时纤维束受到的压应力逐渐增大，但随着分梳的进行，纤维层密度减小，应力及应变也逐渐减小。同样由于给棉板上纤维的减少，纤维层受锯齿作用而产生的位移逐渐增大。当纤维所受的外力大于其强力的时候，纤维断裂，4个指标的仿真结果均显示倾角为0°时纤维束受力最小,因此，在生产实践中应尽可能保持较小的螺旋倾角。

3 结 语

本文基于嵌入式齿条和自锁式锯齿螺旋倾角的不同，讨论了螺旋倾角对分梳的影响，为新型刺辊齿条的设计提供了理论依据。通过几何证明和力学分析发现，螺旋倾角的存在，使得纤维间相互作用力增大，纤维与锯齿间的摩擦路径增长，不仅导致纤维断裂概率增大，而且使得束纤维比例增高，降低分梳质量。

纤维集合体是一个复杂的结构，鲜有研究者借助有限元进行力学分析，本文仅做了简单的尝试。仿真结果与理论证明匹配。仿真结果不仅能给人直观的感受，而且能得到较为精确的分析结论。这为梳理器件的研发提供了思路，在进行生产实验前，可借助于有限元进行定性分析，使得产品设计周期减短。

FZXB

[1] 敖宽祥.增加梳棉机金属针布横向密度的措施[J]. 纺织学报,1988,9(1):46-47. AO Kuanxiang. Measures of increasing transverse density of carding clothing of carding machine[J]. Journal of Textile Research, 1988,9(1):46-47.

[2] 孙鹏, 顾立海.新型刺辊针布的开发及其工艺效果[J].棉纺织技术,2015,43(10):45-49. SUN Peng, GU Lihai. Development of new licker-in card clothing and its technology effect[J]. Cotton Textile Technology,2015,43(10):45-49.

[3] 冯万众,杜沁.梳棉刺辊自锁齿条的应用[J]. 上海纺织科技,2009,37(4):11-13. FENG Wanzhong, DU Qin. Application of self-lock card clothing in taker-in of carding machine[J]. Shanghai Textile Science and Technology,2009,37(4):11-13.

[4] 许兰杰,孙鹏子. 锯齿刺辊与梳针刺辊落棉差异的研究[J]. 辽东学院学报(自然科学版),2006,13(1):58-60. XU Lanjie, SUN Pengzi. Droppings difference between the saw-toothed taker-in and the gill pin taker-in[J]. Journal of Eastern Liaoning University(Natural Science), 2006,13(1):58-60.

[5] 徐国胜,杨巧云,李瑞霞. FA225型梳棉机三刺辊的结构特点及性能分析[J]. 上海纺织科技,2003,31(5):7-19. XU Guosheng, YANG Qiaoyun, LI Ruixia. Analysis on structural property of threetaker-in of card FA225[J]. Shanghai Textile Science and Technology,2003,31(5):7-19.

[6] 李德荣.自锁式与镶嵌式刺辊齿条的比较与选择[J].黑龙江纺织,2007(1):18-20. LI Derong. Comparison and selection of self-locking and mosaic licker rack[J]. Heilongjiang Textile, 2007(1):18-20.

[7] 许杰,韩贤国,孙鹏子. 梳棉机刺辊部分气流研究的综述[J]. 辽东学院学报(自然科学版),2009,16(4):353-357. XU Jie, HAN Xianguo, SUN Pengzi. Summary of study on air flow of taker-in of a carding machine[J].Journal of Eastern Liaoning University (Natural Science), 2009, 16(4): 353-357.

[8] 徐丽敏,周启澄.采用圆针刺辊减少分梳过程中的纤维断裂[J].中国纺织大学学报,1986(6):57-63. XU Limin, ZHOU Qicheng. A method of abating fiber breakage in the taker-in part[J]. Journal of China Textile University,1986(6):57-63.[9] 张文赓.高产梳棉机刺辊工作的一些理论分析[J].辽东学院学报(自然科学版),2013,20(3):166-168.

ZHANG Wengeng. Working mechanism of taker-in of a high production card [J].Journal of Eastern Liaoning University(Natural Science), 2013,20(3):166-168.

[10] 浦广益.ANSYS Workbench基础教程与实例详解[M].2版.北京:中国水利水电出版社,2013:316-322. PU Guangyi. ANSYS Workbench Based Tutorial and Example Explanation[M]. 2nd ed. Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Publishing House, 2013:316-322.

[11] MAHMOUDI M R, LAWERENCE C A, DEHGHANI A A, et al. Effect of the licker-in on fiber tuft asse-mbly[J]. Journal of Textile Institute, 2010, 95(1):147-158.

[12] 华用士.梳棉机梳理过程梳针受力的探讨[J].纺织学报,1987，8(5):265-271. HUA Yongshi. Investigation on force acted on combing needle during combing of carding machine[J].Journal of Textile Research, 1987,8(5): 265-271.

Theoreticalstudyofinfluenceofspiralangleoflicker-inoncardingquality

WANG Pan1, CHENG Longdi1, HUA Zhihong2

(1.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology，MinistryofEducation，DonghuaUniversity，Shanghai201620，China； 2.CollegeofScience，DonghuaUniversity，Shanghai201620，China)

Spiral angle of the licker-in caused the fiber bundles to be combed by slant saw-teeth, which caused fibers to by more easily damaged during the carding process of the licker-in of carding machine. To solve this problem, single saw-tooth was regarded as an object of study, and the mosaic and self-locking carding process was theoretically analyzed. Fiber stress was researched by building mechanical model under condition of different spiral angles. Also, the carding process of single saw-tooth was simulated with explicit dynamics module when spiral angle was 0°, 1° and 2°, respectively. The results show that when spiral angle is 0°，the friction force, stress and strain of fiber are smallest, and the larger the spiral angle, the more seriously the fiber is damaged, and the probability of fiber fracture is increased. Due to the spiral angle, the carding capability of single saw-tooth is declined, and the percentage of bundle fibers is increased, leading to the worse coming quality.

carding machine; liker-in; saw blade; spiral angle; explicit dynamics

TS 103.8

：A

10.13475/j.fzxb.20161002106

2016-10-11

：2017-01-10

王盼(1990—)，女，硕士生。主要研究方向为梳棉机针布工艺改进理论研究及实践。程隆棣，通信作者，E-mail:ldch@dhu.edu.cn。