梳棉机刺辊金属针布分梳机理的研究

史志陶，任家智

(1.沙洲职业工学院，江苏 张家港 215699；2.中原工学院，郑州 450007)

0 引言

在梳棉机上，一般认为刺辊金属针布的分梳功能是将纤维块开松梳理为纤维束，同时实现原料的混和及一定程度的除杂；而刺辊金属针布针齿对筵棉纤维层的分梳决定着锡林—回转盖板针布对纤维束的分梳质量及生条结构与质量。目前,对梳棉机刺辊金属针布分梳功能的机理研究还停留在定性分析与实证研究基础上[1-2]，仍未能解释为何生条的均匀性变化随给棉罗拉—给棉板钳口输入纤维层纵向均匀性变化[3]。笔者旨在通过针布对纤维束的作用机理展开探讨，以揭示刺辊金属针布负荷结构。

1 梳棉机刺辊金属针布针齿分梳机理研究

1.1 梳棉机刺辊金属针布针齿分梳的力学模型

随刺辊旋转的针齿，被分梳纤维作用的位置为其齿前面与齿背面。一个齿距内沿着纤维输入方向，如果旋转着的齿背边缘旋转的半径减小速度大于或等于被分梳纤维层的速度，则其齿背将不受纤维的接触或摩擦，即不会对纤维层产生作用；此时，只有刺辊针布针齿的齿前面与被抓取纤维作用。

现将梳棉机分梳时的金属针布齿条简化，并假设齿条齿前面A处抓取一纤维束，以齿前面轮廓线为x轴，过A点设置y轴，齿条的工作角为α，如图1所示。

如图1a)所示状态，纤维束被齿条针齿的齿前面钩取时，纤维束的张力F与y轴成β角，其沿坐标轴方向可分解为Fx，Fy两个分力；Fx=Fsinβ，沿齿前面向齿顶面方向产生一分力Fx，从而使纤维束向齿顶面方向产生滑移；Fy=Fcosβ，垂直于齿前面将产生一阻碍纤维束沿齿前面运动的阻力f；如果齿前面上对纤维束的阻力不足够大时，势必导致纤维束向齿顶面滑移、最终脱离金属针布针齿控制,此时可认为金属针布针齿不具有抓取纤维束的条件。

如图1b)所示状态，纤维束被齿前面钩取时，纤维束的张力F垂直于齿前面，即其沿坐标轴方向可分解为Fx=0，Fy=F，从而使纤维束停留在齿前面的A点上，无沿齿前面滑移趋势，此时可认为金属针布针齿具有抓取纤维束的条件，但如果齿部驻留了纤维束，就会阻碍金属针布继续抓取纤维的能力。

如图1c)所示状态，纤维束被齿前面钩取时，纤维束的张力F与y轴成β角，其沿坐标轴方向可分解为Fx，Fy两个分力；Fx=Fsinβ，沿齿前面向齿根产生一分力，使纤维束向齿根滑移；Fy=Fcosβ，垂直于齿前面，将产生一阻碍纤维束沿齿前面运动的阻力f；如果齿前面上对纤维束的阻力不足够大时，势必导致纤维束向齿根滑移，最终金属针布针齿获取更多的纤维，即牢牢抓取一束纤维,此时可认为金属针布针齿具有抓取纤维束的条件。

金属针布针齿能抓取纤维是金属针布针齿持续获取纤维的能力；金属针布针齿能抓住纤维只是暂时获取纤维，并不表示其获取纤维能力的持续性，即金属针布针齿不能获得足够多的纤维而形成工艺要求的针面负荷。

1.2 满足梳棉机刺辊金属针布针齿分梳的工艺条件

梳棉机刺辊金属针布针齿分梳喂给原料时，分为由给棉板托持喂给方式和给棉罗拉托持喂给方式。刺辊金属针布针齿对纤维层的梳理功能，在随纤维层厚度由大变小的过程中，刺辊金属针布针齿从不抓取纤维的状态过渡为抓住状态、再转变为可抓取纤维状态。在实际生产中，金属针布针齿抓取纤维是连续穿刺整个纤维层的过程，但在针齿不抓取纤维阶段，该针齿会通过其针尖附近的工作面对纤维层产生挤压作用，导致被分梳纤维层压缩，增强了纤维彼此间的联系，从而提高了后续分梳的阻力，可能会增加纤维损伤的概率。因此，工艺设计应先找出抓住纤维的状态点的工艺条件，然后再确定控制好金属针布针齿抓取纤维时的合理工艺。

1.2.1 给棉板托持喂给满足分梳的工艺条件

给棉板托持喂给满足分梳的工艺条件如图2所示。

假设刺辊轴心为O，喂给刺辊金属针布针齿的纤维层厚度均匀、并能紧贴给棉板向下运动，给棉罗拉钳口输出纤维的外层为EF，则有AB∥EF。

假设刺辊金属针布针齿齿尖面与给棉板相切于B点，则OB⊥AB，OB⊥EF。

假设刺辊金属针布针齿抓取纤维层的临界点为E，则CE作为针齿工作面，有CE⊥EF，∠CEO为齿条的工作角，即∠CEO=α。

同样，CE∥OB，有∠BOE=∠CEO=α；

因此，在直角三角形OFE中：

OF=OEcos∠BOE=Rcosα

临界纤维层厚度B=OB-OF=R-Rcosα。

在实际生产中，刺辊金属针布针齿齿尖面与给棉板间的隔距为Δ，实际的临界纤维层厚度为B：

B=b+Δ=Δ+R(1-cosα)

假设刺辊针布齿尖面的直径为250 mm，刺辊—给棉板间的隔距为0.23 mm，则有：

B=125.23-125cosα(mm)

由上可知，分梳的临界点纤维层厚度B与齿条的工作角α有关，工作角α越小，其B也越小，B与α的关系如图3所示。

1.2.2 给棉罗拉托持喂给满足分梳的工艺条件

如图4所示，假设给棉罗拉与刺辊金属针布针齿齿尖面相切于B点，则给棉罗拉与刺辊的中心连线OO1过B点；设给棉罗拉截面圆周半径为r，刺辊的截面圆周半径为R，刺辊金属针布齿条的工作角为α。

假设给棉罗拉钳口喂给的纤维层厚度均匀，紧贴于给棉罗拉外围，在临界分梳状态点D连接OD与给棉罗拉截面圆周交于F，与刺辊截面圆周交于D，则DF即为临界纤维层的厚度，DF=B，并反向延长；过O1作OD的垂线交于E，再连接O1D，则DF为刺辊齿前面上工作面长度，有∠EDO1=α。

在直角三角形O1ED中，有：

O1E=O1Dsin∠EDO1=Rsinα

ED=O1Dcos∠EDO1=Rcosα

在直角三角形O1EO中，有O1O2=O1E2+OE2，

则有：

(R+r)2=(Rsinα)2+(r+b+Rcosα)2

得：

b2+2(r+Rsinα)b+2Rrcosα-2Rr=0

又因为B>0，因此取：

实现生产中给棉罗拉与刺辊金属针布针齿齿尖间有隔距Δ，则实际临界纤维层厚度B=b+Δ，即：

假设给棉罗拉直径为100 mm，刺辊金属针布针齿齿尖面直径为250 mm，给棉罗拉与刺辊金属针布针齿齿尖面间的隔距为1 mm，则:

B与α的关系曲线如图5所示。

2 梳棉机刺辊分梳研究

如图6所示，假设喂给纤维层的速度为v纤维，金属针布齿尖面线速度为v齿尖面，两者的牵伸倍数为E，则E=v齿尖面/v纤维。

对于前后相邻齿抓取喂给纤维层正面的纤维：当齿尖从A点抓取纤维旋转到B点过程中，由于齿尖运动的路径位移长p远大于纤维层头端向运动的距离p/E，从而使被齿尖抓取的纤维经过伸直、抽拔作用，与喂给纤维层头端的相邻纤维发生相对运动。此外，在梳理力的作用下，喂给纤维层的头端受梳理纤维的牵拉作用而局部伸长，以弥补被梳理纤维移距不足的问题；当下一相邻齿尖到达A点抓取纤维后，因在B点的齿尖上被梳理纤维与到达A点刚被梳理的纤维，都在同一纤维梳理针尖面上实现同步旋转运动，则前后被梳理的两束纤维相对静止、不再发生纤维的抽拔、牵伸作用。由于齿尖从A点抓取的纤维束，在到达B点时已经沿着齿前面下滑一段高度，而刚到A点的齿尖抓取的纤维在齿尖部位，此时到达B点的纤维束被握持点移距大于齿前面的前后齿距。

所以，当前后齿尖上两纤维束的被握持点都滑到齿根时，被抓取的纤维束处于松弛状态。

对于前后相邻齿尖抓取喂给纤维层反面的纤维：当一齿尖从喂给纤维层的背面C点抓取纤维后，即完成了整个纤维层的分梳过程；齿尖从C点到达D点的过程中因不再分梳抓取纤维，所以其在C点抓取的纤维就一直滞留在齿尖，直到下一个相邻的后排齿尖到达C点完成抓取纤维后，才完成抽拔、牵伸作用。因此，在喂给纤维层背面抓取的纤维被安置在齿尖位置，其纤维束被握持点的移距等于齿距。

因此，分梳针尖面上的层纤维，从齿根往齿尖的纤维分布，为里松外紧的结构状态。

3 讨论

3.1 分梳针齿针面纤维分布状态

依据堆栈原理，因为金属针布针齿每个齿尖抓取喂给纤维层的次序从其正面到反面，则喂给纤维层正面的纤维在齿根部，并向齿尖方向逐渐排列抓取的纤维，最终排列在金属针布针齿齿尖的是最后从喂给纤维层背面抓取的纤维，所以，齿前面从下向上的纤维排列次序与喂给纤维层一致。因针布旋转时抓取纤维的轨迹为圆弧状、或纤维层喂入时弯曲，则每个齿前面上排列的纤维不是其喂给纤维层截面上的全部纤维，但肯定是分布在喂给纤维层某小段上的部分纤维。

3.2 分梳对纤维流结构的影响

梳理使喂给纤维层某位置的正反面纤维集聚成束纤维，实现了由纤维块混和方式转变为单纤维混和方式，从而使纤维的伸直平行度得到极大地提高。

3.3 刺辊金属针面负荷结构

刺辊金属针布针齿分梳功能是尽可能将纤维块开松、分解为单纤维，为进一步单纤维化作准备。影响刺辊金属针面负荷结构的工艺参数为牵伸倍数、纤维长度、齿距和齿条包卷导程。

a) 牵伸倍数：牵伸倍数大，针布抓取的纤维量少，构成的新纤维束就小。

b) 纤维长度：纤维长，同样纤维根数的纤维束又大又长，刺辊金属针面纤维负荷联系作用大。

c) 齿距p与齿条包卷导程g：决定金属针布针齿抓取纤维块大小的因素之一，而齿距p影响着对纤维块的开松程度，也影响着金属针齿对纤维的损伤程度；当齿条的齿距p大于纤维的主体长度时，被针齿抓牢的纤维集合体就成为孤立纤维束，而周围针齿上的纤维不相关；否则，各针齿上抓住的纤维束的纤维将与相邻针齿抓取的纤维束发生紧密联系；同时，也印证了生条的均匀性变化是随着给棉罗拉钳口输入纤维层纵向均匀性变化的规律[4]。

3.4给棉罗拉钳口喂给的纤维层厚度，相对齿条工作角α的临界点厚度值小，则针齿抓取纤维的能力越强，也表示针齿对纤维层的穿刺能力越强；同时，齿条的工作角α小，则比较适合抓取定量较小的纤维层。在实际生产中，也有使用较小齿条工作角α针齿对较厚纤维层的梳理，主要是利用了给棉板或给棉罗拉表面的托持作用，利用形成的楔形空间的挤压作用对纤维层的强行穿刺而实现抓取。此外，在生产实际中，由于给棉板或给棉罗拉与刺辊针面的隔距使纤维层不完全被针布穿刺，因此，刺辊针面上还覆盖着未被梳理的纤维。

4 结论

4.1对不同工作角α的刺辊金属针布，总存在一个喂给纤维层临界厚度，当实际喂给纤维层厚度小于喂给纤维层临界厚度时，针齿才能有效抓取纤维；当给棉罗拉钳口喂给的纤维层厚度小于针齿工作角的临界点厚度时，针齿才能具有对纤维层较好的穿刺能力。

4.2针齿分梳纤维层时，不是采用针齿过滤式抓取纤维束的，而是通过针齿握持纤维束的控制点移距来实现对纤维层的分梳；这种刺辊针齿齿尖面上纤维层的结构，造成梳棉机生条与给棉罗拉钳口喂给纤维规律的相关性。

4.3对纤维层的分梳效果与纤维的长度、线密度、牵伸倍数及齿条的齿距、包卷齿条的导程g相关。一定程度上齿距p决定着开松的程度，也影响着金属针布梳理对纤维的损伤程度。