梳棉机不同材质的活动盖板使用性能分析

来源:用户上传      作者:和杉杉 张毅

　　摘 要：通过对梳棉机活动盖板结构和在梳理区运转时的运行状态分析，阐述了活动盖板踵趾面磨损原因，提出了踵趾面的测试方法;并针对目前使用的铸铁盖板和铝合金盖板进行对比试验。结果表明：铝合金盖板具有成纱质量较好、耐磨性好和重量轻等优点，能降低梳棉机的消耗，延长活动盖板使用周期。
　　关键词：梳棉机;盖板;踵趾面;磨损;能耗;耐磨性
　　Abstract：The causes of heel-and-toe section abrasion of removable rotation flats of carding machine were explained by analyzing the structure of the removable rotation flats of carding machine and its running state during operation in carding area， and a measurement method on heel-and-toesection was proposed. Contrast experiments were conducted on frequently-used cast iron rotation flats and aluminium alloy rotation flats. The results showed that aluminium alloy rotation flats performed better in reducing energy consumption of carding machine and extending the service life of removable cover plate for its advantages of good yarn quality， high wear resistance， and light weight.
　　Key words：carding machine; rotation flats; heel-and-toe section; abrasion; energy consumption; anti-abrasion
　　梳棉机上，活动盖板二端踵趾面在大曲轨上滑动与回转方向相反或相同的锡林组成一个分梳区，经开清棉后，筵棉中的小棉块和纤维束分梳成单纤维，在梳理过程中除去杂质和短纤维，并使纤维分布均匀[1]。踵趾差的存在使纤维能够逐渐受到针布的梳理，避免纤维在进入每块盖板针布时遇到骤强的梳理作用[2]。踵趾差是梳理工艺中的重要参数，其大小设置影响纤维分梳过程，因而研究踵趾差变化对梳理过程的影响是有意义的。踵趾差与纤维回弹力的方向相关，因此影响盖板对纤维的吸放及纤维的转移过程[3]。学者及技术人员也针对踵趾差进行了大量探索性试验。孙鹏子等[4]推导了锡林盖板隔距与锡林直径、盖板宽度及踵趾差之间的理论关系，并认为踵趾差降低有利于整体隔距的降低。Li等[5]通过几何法对比，认为0.49 mm踵趾差的盖板与具有3 mm平面的0.56 mm踵趾差盖板实际隔距更小且更易操作。
　　针对踵趾差对梳棉及细纱产品质量的影响，费青[6]对三档踵趾差设置下的梳棉生条质量进行探究，认为较小的踵趾差有利于生条成纱质量的改善：生条及细纱的条干均有提高，棉结、含杂均降低。于学智等[7]则研究了踵趾差的设置差异对于纱线产品毛羽的影响，认为较小踵趾差导致纤维充塞而受梳受阻，最终纱线产品毛羽增多。Cao等[8]研究了踵趾差对生条及细纱棉结的影响，并得到了最佳的踵趾差设置为0.42 mm。
　　由于盖板踵趾面与大曲轨是滑动摩擦，需较大的驱动力，同时长时间运行，踵趾面产生磨损，使其几何形状发生变化，改变了盖板与锡林之间的隔距，影响梳理效果[9]。据有关纺织厂的试验分析，梳棉机上的盖板使用8～10年后，成台梳棉机盖板即报废[10]，故纺织厂希望有踵趾面耐磨且又能减少驱动力的活动盖板。目前铝合金盖板已在新型梳棉机系列上大量使用，且暂未有针对铝合金盖板在耐磨性及其对踵趾差方面的研究。本研究选用新的铝合金盖板和新的铸铁滑动盖板同时装在两台同型号梳棉机上，运行相同时间后，对比分析两种盖板使用性能及产品性能，得到铝合金盖板与铸铁滑动盖板之间的实际使用差异。
　　1 铸铁盖板与铝合金盖板主要性能差异
　　1.1 材质差异
　　长期以来，梳棉机上的活动盖板骨架是整体化铸铁结构，由于铸铁实心结构，盖板骨架的重量偏重，大曲轨运行时摩擦力大，需较大的功率。目前在新型梳棉机系列中，盖板由铝质的盖板骨架、马氏体不锈钢的左盖板接头和右盖板接头组装而成，如图1所示。
　　1.2 重量差异
　　铸铁盖板质量为3.30 kg，铝合金盖板质量为1.44 kg，比铸铁盖板轻1.86 kg，是铸铁盖板质量的43.64%。
　　1.3 几何形状差异
　　为了增强骨架的强度，防止弯曲变形，铸铁盖板铁骨的纵截面呈倒“T”形[11]，横截面两端高度为28.00 mm，中间为38.00 mm，铁骨呈“弓”形;为提高抗绕强度，铝合金盖板纵截面呈矩形上方加三角形，高度比铸铁盖板最高点位置增加13.10 mm，横向高一致，见图2。
　　对比图2中铸铁与铝合金盖板可知，两者纵向底部的两端铣口高度均不相等。铸铁盖板踵面端，盖板高度为9.67 mm，铣口为1.70 mm，趾面端盖板高度为9.95 mm，铣口为1.14 mm;同理，铝合金盖板踵面端盖板高度为9.46 mm，铣口1.70 mm，趾面端盖板高度为9.73 mm，铣口1.14 mm。两者的踵面和趾面高度差值均是0.56 mm，称为踵趾差。铸铁盖板的踵趾面之间通过圆弧连接，当踵趾面与大曲轨摩擦而产生磨损，磨损后踵面和趾面与大曲轨接触面会增大;而铝合盖板踵趾面底部都是矩形，磨损后踵趾面与大曲轨间的摩擦接觸面可基本保持不保。 　　2 运行状态分析
　　在两台同种机型梳棉机进行对照试验，A机台的大曲轨上安装新的铸铁盖板，B机台的大曲轨上安装铝合金盖板，所有的针布型号相同，工艺参数统一。A和B两机台同时运行16个月后，对盖板传动功率、盖板磨损情况及生条和成纱部分指标进行测试对比。
　　2.1 试验方法及内容
　　试验中使用的测试机型为FA201B;在功率测试中，使用功率表对梳棉机的功率进行测定;在磨损测试中，在两台梳棉机中随机各抽取10块盖板，测定踵趾面高度;在棉结测试中，每台车随机取10段，用目光检测棉结数;在成纱质量测试中，对细纱的条干和强力进行检测。
　　2.2 功率比较
　　在同机台上测试铝合金盖板和铸铁盖板空载运行时功率P0，然后卸下盖板传送带，测试盖板滑动停止时的功率P0′，则盖板功率P=P0-P0′。测试得，铝合金盖板功率PB为0.053 kW，而铸铁盖板功率PA为0.109 kW，则PA=2.06PB。
　　铝合金盖板的接头材质为马氏体不锈钢，在无润滑情况下，与大曲轨的摩擦因数为0.17～0.18，铸铁盖板与大曲轨的摩擦因数为0.15。根据功率计算式，理论驱动盖板运动所耗功率PT的计算见式（1）。由于盖板在曲轨上做匀速运动，因此盖板运行的驱动力F等于所需克服的盖板与曲轨之间的摩擦力f，得关系式（2）。摩擦力f的计算见式（3）。
　　式中：F为盖板运行驱动力，N;V为盖板运行速度，m/s;f为盖板与曲轨间摩擦力，N;N为盖板与大曲轨之间的正压力，N;μ为踵趾面与大曲轨间摩擦因数。
　　由式（1）-式（3）得，铸铁盖板的理论功率PTA是铝合金盖板的理论功率PTB的1.91～2.02倍，实测功率与计算相比差异在1.98%～7.85%。因为摩擦力与正压力成正比，因此铝合金盖板较铸铁盖板重量大幅减轻后，盖板与大曲轨摩擦力得到显著减少，所需驱动力也随之下降。
　　2.3 踵趾面高度测试
　　为了测量方便，分别测绘踵趾面到顶端的距离，如图3和图4所示。h2（9.67 mm）和H2（9.46 mm）、h4（9.95 mm）和H4（9.73 mm）的高度不变，踵趾面在大曲轨上摩擦运行，产生磨损使h1和H1、h3和H3减小，磨损后铸铁和铝合金的踵趾面高度分别：
　　2.4 测试数据采集
　　表1和表2分別为铸铁盖板和铝合金盖板踵趾面高度运行16个月后测试数据，h2、h4和H2、H4高度值不受滑动磨损的影响，视为定值。
　　2.5 盖板踵趾面磨损分析
　　由于有踵趾面高度相差0.56 mm，因此每根盖板与锡林针布间的隔距入口及趾面大，出口踵面小，如图5（a）所示。PP′为大曲轨位置，FF′为盖板针布针尖平面位置，CC′为锡林针布齿尖平面位置，a为入口隔距，b为出口隔距。从表1和表2测试数据来看，活动盖板踵趾面与大曲轨摩擦时，趾面磨损分别为0.46 mm和0.20 mm，踵面磨损为0.09 mm和0.02 mm，两种盖板的趾面磨损均大于踵面。比较两种盖板磨损情况，铸铁盖板踵面磨损是铝合金盖板的4.73倍，趾面磨损量是铝合金盖板的2.34倍。以磨损量而言，铝合金盖板如果要达到与铸铁盖板相同的磨损量，所需时间是铸铁盖板的2.34倍（趾面）或4.73倍（踵面），因此，其使用周期将至少提高至2倍。这与盖板接头部分的材料耐磨性相关，马氏体不锈钢耐磨性优于铸铁。
　　在盖板与锡林同向转动时，从图5（b）可知，盖板针面受切向力R踵和R趾，这两个力都产生以O点为支点的力矩，使盖板向逆时针方向做圆周运动，因此趾面受力大于踵面，导致趾面磨损大，符合测试结果[12-13]。
　　综上，铝合金盖板使用铝合金作为骨架，减轻了盖板骨的重量;盖板接头由于选用马氏体不锈钢，耐磨性优于铸铁。
　　3 生条及成纱质量对比
　　3.1 对比试验
　　两台梳棉机用同一只纯棉花卷各做成生条，在并条、粗纱和细纱同眼同锭纺制各10只C18 tex纱，做生条棉结和成纱质量对比，测试结果见表3、表4和表5，A为铸铁盖板，B为铝合金盖板。
　　从表3-表5结果可见，铝合金盖板生条棉结为60粒/g，较铸铁盖板少3粒/g，降幅4.76%;生条的棉结CV值由12.19%降低至10.11%，因此铝合金盖板的生条棉结离散度更小，质量相对更稳定。对比细纱质量，铝合金盖板组的条干CV由17.60%降低至17.22%，条干优化2.16%，管间变异系数CVb优化20.75%。成纱棉结除+280%高于铸铁盖板以外，其他棉结好于铸铁盖板。铝合金盖板的平均细纱断裂强力为224.63 cN，较铸铁盖板提升1.30%。
　　针对以上试验结果，进一步作了梳理力测试分析。两种盖板同工艺同品种，在机器运转时，分别测试锡林、盖板空车运转时功率，喂入筵棉后开始梳理时的功率，然后将测试功率换算成梳理力和折成单纤维的平均梳理力，得到锡林、盖板区总的梳理力近似计算式[14]：
　　式中：∑R为锡林、盖板区总梳理力，N;N为喂入纤维运转时锡林、盖板消耗的功率，kW;N0为空车运转时锡林、盖板消耗的功率，kW;V为锡林线速度，m/s;1 kW=999.6 N·m/s。
　　利用Excel图表分析功能，将测试数据绘制成曲线，如图6所示，并计算平均梳理力，变化CV值，铝合金盖板平均梳理力为29.00 N，最大值33.20 N，最小值22.42 N，CV值9.44%;铸铁盖板平均梳理力为27.83 N，最大值49.70 N，最小值14.29 N，CV值34.95%。从计算结果可知，铝合金盖板在梳理过程中，对纤维梳理均匀，在同样的工艺条件下，梳理力大于铸铁盖板。
　　目前的梳理理论认为，纤维在盖板针布与锡林针布间，分别被盖板与锡林针布握持的条件下受到张力，产生被梳理的效果[3，7，15]。因此，生产中往往采用“紧隔距，强分梳”的工艺设计。纤维在锡林-盖板主梳理区中，受力情况复杂，除了与针齿产生梳理力F、反作用力N及摩擦阻力T，离心力F、纤维层的弹性回复力C也为纤维的接触分梳和转移分梳提供可能，此外，还有气流作用力D等（图7）。由于踵趾差的存在，使得每块盖板下的空间逐渐缩小。空间的逐渐压缩导致翘起的纤维头端越来越容易被两针面接触及握持，同时，纤维受压使得纤维层形成回弹力之间增大，纤维间相互作用逐渐增强，实现梳理效果的渐强。当工艺设置中的踵趾差由于磨损而减小时，纤维更容易充塞在盖板-锡林入口，妨碍纤维的顺利受梳。在以盖板材质为单一因素的影响下，在使用一段时间后，由于铝合金盖板的踵趾差相对铸铁盖板的改变较小，使得纤维相对较好地得到盖板针面的充分梳理，因此，生条及细纱的棉结得到降低，成纱整体条干及断裂强力也得到优化。 　　综上，成纱强力和生条棉结CV值来看，铝合金盖板生产的条子，纤维整齐度优于铸铁盖板，说明梳理均匀且充分，对纤维损伤少，有利于成纱质量的提高。
　　3.2 影响因素分析
　　活动盖板两端的踵趾面和踵趾面的运行轨道组合成一个运动副，由于摩擦因数的存在，盖板踵趾面与轨道表面会产生磨损，造成盖板与大曲轨接触的几何尺寸发生变化，使盖板针布与锡林之间最紧点隔距产生转移，直接影响纱线的质量。
　　图8为CAD绘制不同踵趾差时，盖板与锡林间的隔距变化值，CC′锡林工作面的直径为1 290 mm，PP′大曲轨的曲率半径656 mm，FF′盖板针布针尖平面位置，宽度22 mm，过锡林中心作FF′垂线，其交点J是盖板与锡林最紧点位置，最紧点隔距取0.20 mm。图8（a）踵趾差0 mm，中间点隔距最小，出口点与入口隔距相等，入口到出口隔距变化是“大→小→大”;图8（b）是踵趾差为0.56 mm时，隔距变化规律，入口趾面大，出口踵面小，其作用是使得纤维进入逐渐收小的隔距间，使每块盖板的针面发挥梳理作用，而不要过分集中在入口处，在分梳区内的纤维充分梳理;图8（c）和图8（d）分别是铝合金盖板和铸铁盖板磨损后的隔距变化。从图8可以看出，最紧点隔距由盖板上的第一排针齿位置因踵趾面磨损逐步往中部转移，踵趾差越小，越接近中部，形成“入口大→中部紧→出口大”状况，不利于对纤维充分分梳，使生条棉结增多，成纱质量下降。
　　4 结 论
　　通过对使用16个月的铝合金和铸铁盖板踵趾面高度磨损量测试，对比分析了两种盖板的耐磨性。结果表明，由于接头部分材料耐磨性的差异，铸铁盖板趾面磨损量是铝合盖板的2.34倍，铸铁盖板踵面磨损是铝合金盖板的4.73倍，相比之下降低一半磨损量的铝合金盖板，其使用周期将比铸铁盖板延长一倍以上;其次，在制成品方面，铝合金盖板由于保持较好的踵趾差，其最紧点向盖板中部转移3.37 mm，比铸铁盖板的7.16 mm少50%以上，有利于纤维的充分分梳;而对产品的跟踪对比试验中，铝合金盖板的生条棉结平均降低4.76%，其成纱质量在细纱条干（优化2.16%）、断裂强力（提升1.30%）等方面均优于铸铁盖板。因此，铝合金盖板取代铸铁盖板是必然趋势。
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