盖板梳理的理论问题

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2020年4月5日15:13:27 评论 281
摘要

盖板梳理研究的困难,在客观上是因为纤维和纤维束的分梳和运动都在盖没的针齿内进行,难以观察和直接进行测定与试验。

盖板梳理的理论问题


本文发表在第20期《梳理技术》杂志上,更多好文章期待您的投稿。投稿、咨询邮箱:shulijishu@geron-china.com

盖板梳理的理论问题 

张文赓 ( 东华大学)

编者按

作者对盖板梳理提出了“接触分梳”和“转移分梳”的新概念,强调盖板纤维弹性层对“转移分梳”和均匀、混合的影响;道夫转移是锡林、盖板、道夫三针面纤维负荷的动态平衡。希能引起“梳理”学者的关注和研究,欢迎发表“梳理理论”的不同观点,以促进“梳理”理论的发展。

 

0      前言

许多学者、工程师对盖板梳理进行过长期的研究和试验[1,2,3],并发表了许多文章。有的登载在专业的刊物《梳理技术》上,对梳理理论作出了重要的贡献。然而纵观近年来的教科书和一些主要文献,盖板梳理的理论,似乎停留在上世纪50、60年代的水平上,踏步不前,因循守旧,因而混淆不清,疑问增多。例如,根据现在一般的理论概念,解释不了为什么盖板还一定要用弹性针布这样一个基本问题。

 

盖板梳理研究的困难,在客观上是因为纤维和纤维束的分梳和运动都在盖没的针齿内进行,难以观察和直接进行测定与试验。红白棉卷示踪纤维以及棉条颜色与重量变化等试验,大都是以红白纤维数量的变化来推测作用的机理。梳理过程中纤维数量的变化是不稳定的,而且在试验中很难立即刹停锡林和分开盖板,因而使针齿上的纤维负荷发生相当程度的变化与误差。另外,纤维在针齿间的交替转移或分梳都必须有作用力的条件。没有力的条件,纤维怎能在锡林盖板间上下交替产生梳理作用呢?这在许多分析中都设有说明。因此笔者认为,应该在主观上改变或更新分析的方法,重新审视这些不易取得的数据,以便从中得出实事求事的新的结论和概念。

 

1      对针面间分梳纤维的理解

锡林、盖板、道夫的梳理作用是两个针(齿)面作相对运动时对纤维和纤维束所起的分梳除杂等作用。不能简单地从“梳”字来理解成梳头发或其他。两个针面间产生分梳作用的条件在一般教科书上都作了详细叙述,即几何条件是两针面间的距离很小,两针尖倾斜相对,相对运动的方向是逆向针尖的,而力的条件是在分梳作用中两针面都有握持纤维的能力。即当一个针面对另一针面上所接触纤维分梳时,纤维受到针齿的摩擦产生张力,使纤维尾端梳直或者产生绕针运动,或者产生向针布内运动,或因针齿的摩擦阻留在针齿上。因为两针面都有这样的力的条件,所以它们相对运动以后,各抓取一部分纤维,形成所谓分配率或转移率。由喂入的针面(假设是下面的针面)向相对的(上面)针面转移。上一针面转移过来的纤维是否可能再回到下面的针面上呢?在没有相应力的条件下,很少可能。只有伸出该针面的纤维端与下面后继的针面接触,才有可能把该纤维拉走,但拉走的可能性也是很小的,因为分梳时就拉动过,故可能仍留在原处。因此,平行的上下两针面间纤维一次分梳作用以后,分配在两针面上的纤维很少再能上下交替转移。这种简单平行针面间的分梳只是一次性的分梳,是一种接触分梳,不可能把纤维束分成单纤维状态。用这样的概念来解释锡林盖板间的交替梳理作用显然是不能成立的。

 

2      锡林、盖板、道夫间纤维的基本运动

要很好地梳理纤维和纤维束,一次分梳是不足的,必须在针面间上下运动,反复分梳。所以要先分析纤维在这些针面间是如何运动的,怎么会产生上下交替,反复转移。

从刺辊喂给锡林的纤维和纤维束,经后固定盖板分梳后,进入盖板梳理区时由于离心力和厚度使其与盖板接触,被盖板抓取,或棉束杂质等抛向盖板。后区盖板上的纤维量迅速增加。到10根盖板左右以后,盖板上纤维量才平稳少变。从红白棉卷的试验中[1]可以看到,开始6根盖板全为红纤维,原来白纤维从第7根盖板开始,迅速增加,到第16~20根左右白纤维量才比较稳定。即在10或13根左右的盖板中,纤维层逐渐积聚起来,产生弹性力,纤维才能下移,纤维量才能稳定。

 

在积聚成纤维层以前,即后区10根左右的盖板上纤维是没有作用力使之向锡林转移或交替的。这些盖板只有迅速抓取刺辊喂给的纤维和纤维束,因而是盖板吸收纤维的主要区域。在这个过程中,每次喂给的纤维或纤维束被第一次分梳后,一部分充填在盖板上,但仍有部分纤维和纤维束留在锡林针齿上。由于离心力的作用,该留在锡林上的纤维仍能与前面的盖板接触而产生分梳作用,其纤维数量则逐渐减少。这种分梳都为接触分梳。10根之后,即中前区盖板上有积聚的纤维层,于是产生弹性力使盖板上的纤维向锡林转移。在转移的过程中,被高速的锡林针齿分梳,可迅速分解为单纤维状态,像发扑克牌一样。盖板锡林的这种分梳作用可称为转移分梳,即在盖板转移纤维时进行良好的分梳。锡林上纤维被盖板分梳时易成为前弯钩,而转到盖板上被锡林分梳时又转变为后弯钩。所以纤维在锡林盖板间交替接触分梳时,经常改变弯钩方向,容易使纤维缭乱,搓成栉结、白星,而转移分梳就没有或较少这种现象,并且可以迅速把棉束单纤维化。

 

锡林上喂入的纤维到中前区盖板时逐渐减少,而中前区向下转移的纤维增多。所以中前区以放出纤维进行反复梳理,直至走出梳理区,将前上罩板剥离的盖板花部分纤维交给锡林,然后向道夫转移。道夫接受锡林上一部分纤维,其余由锡林带回,加上喂入的纤维再进入盖板梳理区。

以上说明了纤维和纤维束在锡林盖板、道夫间运动及分梳的全过程。整个运动过程产生两种平衡:一是盖板吸收纤维与放出纤维量的平衡,否则移向道夫的纤维量就会变化;第二个平衡是喂入和输出即与转移给道夫的纤维量取得平衡(除去落物),否则又使盖板和锡林上纤维量变动。

例如梳棉机产量20 kg/h,锡林180 r/min,则每分钟输出纤维量为333  g。锡林每1转输出纤维1.85 g,那么锡林每1转盖板中前区放出的纤维量亦应为1.85 g。中前区约30根盖板的总纤维量约为40 g,故锡林每1转放出的纤维量约为总量的1/20左右。每根盖板下移的纤维量不过1/10左右,大部分成为落棉。

盖板必须储存纤维,组成纤维层形成转移分梳,也必须有一定量的纤维才能放出必需的纤维量。这就是盖板沿用弹性针布的原因。

锡林针齿则不然,毋需积聚较厚的纤维负荷,它可依靠离心力向盖板转移纤维。因此可以应用金属针布,避免原来用弹性针布时纤维充塞较厚并须及时抄针的麻烦,阻碍了生产率的提高。

在金属针布锡林上可以减少纤维负荷,因此针齿可以浅矮且加密,尤其在锡林高速时。但一定的纤维负荷可以帮助锡林盖板间纤维的转移和向道夫的转移。齿深1 mm多,可以容纳三四十层纤维,也可以形成转移分梳。因此针齿还应有必要的深度。

所谓盖板锡林间的动态平衡,不是一般所说的整个盖板梳理区上下交替的平衡,而是后区吸收和前中区放出的平衡。

笔者以及许多研究者都做过红白棉卷及抬高盖板等试验。一个较简单的现象是当改喂红棉层时,棉条不立刻变红而是逐渐变红。在开始生产时,棉条也不立刻形成而是逐渐有棉条输出,并愈来愈粗地到达定量。这些都说明盖板积聚纤维,及逐渐输出纤维的过程。

当盖板上纤维向锡林转移时,受力情况见图1。

 

盖板梳理的理论问题

 

 

图1    盖板上纤维向锡林转移时受力情况

 

从图1纤维层分析,Rs为纤维层弹性回复力(ResiIent force),Fc为锡林上纤维在回转时对纤维层的作用力,是纤维张力和离心力的合力,是阻止其向下转移的。针的摩擦阻力也在纤维下移时产生阻力。

 

因此盖板上纤维转移向下,并非自由而有一定的阻力。当停车或停止喂入时,Fc=0,于是纤维转移加快,使棉条一段变粗或变细。这种现象也反过来证明运转生产时存在对盖板纤维层的阻力。

当提高生产率时就必须增加单位时间盖板向锡林、道夫的转移量。例如产量为60 kg时,锡林每分钟360转,则每分钟生产1 kg,锡林每1转盖板向道夫的转移量为2.8 g,比低产时要大54%左右,而且为时更短。这就需要较大的纤维层量和向下转移的力。

 

3      关于自由纤维的概念

一般所指的自由纤维量是针齿内部能转移的纤维总量。前面已经论述过,后区10根左右盖板中,由锡林喂入而被盖板迅速吸收的纤维是没有力量向锡林转移的。因而不存在有自由纤维量。当进行停止喂入并刹停锡林同时抬高盖板时,刹停锡林约20 s,抬高盖板使之离开锡林约5 s,则锡林在与盖板分离过程中转了约15转(原锡林转速为180 r/min)。这15转使盖板中前区向下转移的纤维都转到后区盖板上去了,也有一部分再回到中前区,但后区截留的比较多。因此出现后区盖板纤维较多。实际上,自由纤维或能交替转移的纤维量主要是在前中区的盖板以及锡林上。留在锡林上的纤维自锡林再转移到盖板,以后又移向锡林,成为反复转移,但未能在试验中表现出来。

因此所谓自由纤维的概念是模糊的,分不清而且难以测定或计算的量。比较确定的是盖板最后转移给锡林而输向道夫的纤维量,或由盖板输出的自由纤维量,因为它应该等于机器输入量减去落物,也等于道夫输出量,否则会引发不平衡而向动态平衡转化。

 

4      踵趾面的作用

对盖板踵趾面有许多不同的概念。笔者认为应该从盖板的作用和纤维在盖板上的运动来研究讨论。既然它是先吸收然后放出纤维成为转移分梳的主体,首先在吸收纤维进行第一次接触分梳时,踵趾面有过去所提出的缓和或顺序分梳作用的功效。如果没有踵趾差,那么当喂入的纤维和纤维束在进入盖板梳理的后区时,都充塞在盖板针布入口处的针隙间,杂乱无章地交错叠塞,显然是不利於分梳也不利于以后的释放。所以踵趾是完全必要的。可以观察现在盖板花的状态是基本上有序的弯钩状并尾端近乎伸直地充填在针间。后继喂入的纤维和纤维束有序而有张力地充填在针间,然后逐步形成弹性回复力。层层纤维有序地积累叠压才能形成向下的弹性回复力,而无序缭乱的纤维层是不能产生的。

纤维层的弹性回复力是逐渐增大的,到一定程度才能使盖板上的纤维向下移动,也要克服梳针摩擦及前述锡林上纤维回转时对它产生的阻力。图2以放大形式,表示踵趾差大小和弹性回复力的方向相关。踵趾差大时,弹性力与锡林针面成的角度θ较小,向下的分力也较小。

 

盖板梳理的理论问题

图  2

当梳棉机产量增大时,前面已说明,盖板在锡林每转应转移给锡林并移向道夫的纤维量必须相应增加,于是首先必须增大弹性回复力,也应设法减小纤维向下转移的阻力。经后固定盖板分梳后,棉束减小是减小踵趾差的客观基础。从图2中可了解,减小踵趾差可以增加弹性回复力的向下分力,而且锡林也易于抓取盖板下移的纤维。这应在维持必要的踵距差顺序分梳作用使纤维有序地充填在盖板针间为基本条件下改变踵趾差的。以棉纤维来说,0.1 mm的间隙可以容纳约4层纤维。棉纤维充填在盖板上后,其尾端常伸出盖板而与前一盖板相连。故踵趾面的空隙中,尾端就较自由,这些近锡林的纤维能以较小的阻力向锡林转移。盖板针布的其他规格也应在纤维吸放和使纤维回复力易于形成以及易于向下转移来考虑。

 

5      针齿纤维层负荷

锡林、盖板、道夫针齿内积聚的纤维层称为针面负荷。锡林针布上纤维层可分为两层:一层称为工作层,是锡林向道夫转移的纤维层,处于锡林纤维层的表面;另一层是转移给道夫后剩下的纤维层,称为返回负荷。当道夫接受转移来纤维的能力强时,该部分也可参与转移到道夫上。盖板上纤维层可分为三层,即表面向锡林转移的工作层,可参与转移的机动层,和沉积内部无法转移而成为落棉的内积层。机器停喂后,盖板机动层和锡林返回层纤维没有了阻力故仍继续向道夫转移纤维。道夫针齿上则仅有一层工作层,剥离后成为纤维网输出。在前节中叙述过这些纤维层负荷有两种动态平衡,即喂入与输出及盖板吸放的平衡。这都是从连续定律得出的数量概念。但形成这些纤维量变化的,还有它们的力学条件与概念。

喂入的纤维和纤维束,或梳理区锡林上纤维向盖板转移都须有离心力和锡林负荷弹性力的作用,否则就只能成为一次分梳。在进入盖板梳理区并与后区盖板第一次分梳以后,部分纤维和纤维束留在锡林表面针内,再在离心力的作用下向盖板移动进行再次分梳,此时与第一次分梳的盖板要相隔一段距离或两次之间是跳跃式的。这时的离心力也包括返回负荷的离心力,即返回负荷并不是无所作为,而有帮助锡林上纤维和纤维束向盖板转移和分梳的作用。跳跃式的再次分梳使各根盖板的负荷不稳定;而留下在锡林上的喂入纤维愈向前愈少。盖板上总的纤维量在20 kg生产率时约计共为40 g左右,即每根盖板平均1 g左右。如果喂入的都迅速充塞到盖板上则因锡林每转喂入1.85 g,故仅需22转即7~8 s就可充满;再计入锡林返回负荷,也仅需15 s左右。在这段时间中,盖板上纤维由弹性回复力向锡林转移分梳,并被锡林针齿抓取后,其线速度由盖板的低速变为锡林的高速,然后再在锡林负荷的离心力作用下跳跃式地再向前方盖板上移。这种跳跃式的相互作用,也使各根盖板的纤维负荷不稳定。向上转移去的那根盖板就不能放出纤维。因此吸放的平衡主要是盖板后区吸收纤维和中前区放出纤维的总体动态平衡。不是各根盖板自成的动态平衡。

锡林对单纤维应持握持状态,离心力仅使其自由端外挠,否则在向道夫移送过程中抛开针面而形成乱纤维。因此锡林上纤维是以盖板针面相接触而产生的分梳而后转移,也有部分纤维在锡林负荷弹性力帮助下向上转移时被分梳,即在梳理区内产生转移分梳。

 

6      道夫转移率问题

道夫转移率曾引起许多学者、工程技术人员的关注,提出了道夫转移率的重要性。

 

道夫单位时间接收的纤维量,等于VD ×qD,即等于单位时间的产量。VD为道夫线速度,qD为道夫单位圆周长度所接收的纤维量。qD与针齿规格有关,也与锡林上纤维层负荷所产生的离心力和弹性力有关。

 

qD=qC1×(VC/VD)     (1)

式中,qC1为锡林上纤维层QC转移给道夫的那一部分。QC为锡林负荷,qC2为返回负荷。

QC=qC1+qC2

 

如果盖板前中区转移给锡林并移向道夫的纤维负荷为qF,则在平衡条件下qF=qC1。但生产中会出现下列情况。

(1)qF>qC1亦即转移给道夫的纤维量较少,于是QC增加,离心力也增大,qD有所增加,棉条变粗,返回负荷也有所增加。但如果喂入量没有增加,盖板前中区纤维负荷减小,使放出的纤维量随之减少达到新的平衡。

qF<qC1,则出现相反的情况。

(2)当针布与隔距等不变,而产量增大时,VD相应增大。此时按式(1)必须增加qC1或VC。当产量增加一倍而VC也增加一倍,则qC1可以不变,而且由于QC的离心力增大,道夫接受纤维转移的能力增强,在qD相同时QC或qC2还可以减少,即盖板在中前区向锡林放出的纤维负荷或锡林负荷,可以减少,但时间较快,所以盖板纤维层弹性回复力还必须增大。因此,当提高梳理机产量时,增大锡林转速及道夫转移率是一个必要的措施,否则必须增加qC1使盖板纤维层负荷必须较大增加。当锡林上纤维向盖板分梳转移时,盖板接受纤维的能力就很差,纤维就容易在针面间浮动而搓成棉结疵点;同时当qC1增大,道夫也一时难以接受,必须增大QC或qC2以增加离心力,都不利于梳理的质量。

 

(3)放大锡林道夫间隔距,使道夫接收纤维的能力降低,因而在其他相同的条件下,必须增大锡林纤维负荷QC,盖板负荷也因而增大,均不利於梳理质量。因此一般都将这一隔距尽可能减小。

 

(4)当道夫速度增加而其他条件不变时,棉条定量减轻,而产量不变时,qD减小,QC可以减少,因而锡林负荷及盖板负荷均相应减轻,道夫转移率增大,有利于提高梳理质量。

 

7      结论

(1)盖板梳理是针面间一种特殊的梳理。它由锡林的离心力和盖板针面纤维层的弹性回复力使纤维产生相互交替的梳理作用,达到单纤维化及除杂的目的。

(2)纤维和纤维束在锡林盖板之间的运动有两类: 一类是纤维和纤维束在喂入盖板梳理区后,一部分向盖板充填迅速形成纤维弹性层,产生弹性回复力,使充填的纤维层向下运动,部分纤维被高速锡林针齿分梳,形成转移分梳; 另一类是喂入梳理区一次分梳后,仍被锡林抓取的那部分纤维,在离心力作用下再次接触盖板跳跃式进行分梳并转移,其数量则愈来愈少,称为接触分梳。转移分梳优于接触分梳,并可及早地分离疵点杂质,减少流入棉网的机会。锡林上纤维层在离心力和弹性恢复力作用下也可产生转移分梳。

(3)盖板有吸收(主要在后区)和放出(主要在前中区)纤维的功能,并储存一定量的纤维。输出的纤维并非当时喂入的纤维。在吸放的过程中产生均匀混和的作用,但仅限于梳理区的纤维总量的范围之内。盖板针布的结构应该适应吸放和储存纤维层并产生足够的弹性回复力为前提,减少纤维向下转移的阻力,减少落棉。

(4)盖板针面的踵趾差是必要的。它有顺序分梳纤维,使纤维有序地充填在盖板针间,形成纤维层弹性回复力,并使表面纤维向下转移时减少阻力且易被锡林抓取,加强分梳作用。

(5)锡林盖板道夫针面纤维层负荷有一定的相互关系。根据连续定律有两种动态平衡:一是总的喂入与道夫输出的平衡;二是逐段的,即盖板吸收与放出纤维的动态平衡。锡林的返回负荷有帮助锡林增大离心力与纤维层弹性力,因而对盖板分梳与道夫转移都有直接联系和相互影响。

 

(6)要提高梳棉机的生产率,除增加锡林转速外必须增强盖板转移分梳的能力,即增加锡林每转盖板向锡林转移的纤维量,也就须增加向道夫转移的量。增加锡林转速是高产的必要措施。否则就必须增加锡林和盖板的纤维负荷使针面握持纤维的能力减弱,浮在针齿间搓动,不利于梳理质量。

 

(7)道夫转移率应该是纤维和纤维束梳理运动形成各种纤维负荷动态平衡的结果,不是主动的调节工艺的因素。

 

最后,笔者认为在分析梳理运动时,必须充分考虑各种力的作用。因为力的作用是纤维赖以运动的基础,是形成数量关系变化的源头。愿有志于这方面研究的学者们共同向这个方向努力,以进一步提高盖板梳理的理论水平。

 

参考文献:

[1]费青.锡林道夫转移率对梳理质量的影响[J].梳理技术,2004年7月,第9期:22-26;2005年1月,第10期:23-28.

[2]刘国涛.盖板梳理机梳理过程的马尔科夫连锁解析[J].棉纺织技术,1987(2):4-7;1987(4):34-37.

[3]张济华.对梳理度和梳凝算式的探讨[J].梳理技术,2005年1月,总第10期:29-32.

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