任永強(qiáng)，鄧 敏，張 樂，楊宇昕，高華興，李 勇

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300）

原棉是一種松散的纖維堆積材料，其力學(xué)形態(tài)受多種因素的影響[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維集合體進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，陳運(yùn)能等人研究了纖維集合體的種類和排列順序等對(duì)壓縮及回復(fù)性能產(chǎn)生的影響[3-8]。向忠等人闡述了纖維集合體摩擦性能的測(cè)試方法以及摩擦因數(shù)的測(cè)試與分析[9-13]。

纖維的摩擦性質(zhì)是纖維表面重要的物理特性，棉纖維在成紗過(guò)程中，通過(guò)一定的力學(xué)性能使其結(jié)合在一起，這個(gè)力叫做摩擦力。棉纖維集合體摩擦機(jī)能不僅影響紡紗工藝，還會(huì)影響紗線的質(zhì)量，間接影響紡紗制品的質(zhì)量，因此對(duì)纖維集合體進(jìn)行摩擦機(jī)能測(cè)定是必要的。

本文針對(duì)纖維集合體摩擦力測(cè)試方法的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題，結(jié)合國(guó)內(nèi)外纖維摩擦力測(cè)試方法的研究成果，研究原棉摩擦力測(cè)試方法并設(shè)計(jì)一款提拉裝置進(jìn)行摩擦力測(cè)試，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

原料為新疆阿克蘇市新陸中53 號(hào)手摘原棉，原棉提取于新疆新越絲路有限公司。FA1104 電子天平（上海安亭科學(xué)儀器廠）、往復(fù)電動(dòng)機(jī)、電源、調(diào)速器、拉力傳感器、艾德堡HP-10KN 大量程測(cè)力計(jì)數(shù)顯推拉力計(jì)壓力表HP-5KN 外置S 型傳感器HP-2K 2000 N/200 kg。

圖1 提拉裝置結(jié)構(gòu)示意

1.2 提拉裝置

1.2.1 結(jié)構(gòu)組成

原棉提拉裝置由電動(dòng)機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。

該裝置傳動(dòng)系統(tǒng)中的2 連桿與電動(dòng)機(jī)的輸出端連接，隨著電動(dòng)機(jī)動(dòng)力的輸出，連桿帶動(dòng)光桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，緊密固定的光桿保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的受力始終在同一直線上。數(shù)顯拉力傳感器伴隨拉伸的同時(shí)，完成原棉摩擦力的采集。

1.2.2 工作原理

如圖2，裝置在提拉過(guò)程中原棉被夾持，并與筒壁發(fā)生滑動(dòng)摩擦。工作時(shí)，通過(guò)變頻器開關(guān)控制電機(jī)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的輸出端與連桿相連接，連桿的一端繞減速器的輸出端口做圓周運(yùn)動(dòng)，另一端與緊密固定的光桿連接做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次則為一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，即原棉在亞克力圓筒內(nèi)做一次往返運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，在夾板內(nèi)添加一定質(zhì)量的原棉后，開啟電動(dòng)機(jī)，棉纖維在拉伸過(guò)程中與筒壁進(jìn)行摩擦，傳感器采集原棉與圓筒筒壁之間的摩擦力力值。通過(guò)調(diào)節(jié)原棉的質(zhì)量、改變夾板之間的距離以及使用不同轉(zhuǎn)速的電機(jī)，收集不同情況下原棉與筒壁產(chǎn)生的摩擦力值，最后分析原棉摩擦力變化規(guī)律，從而完成棉纖維摩擦力檢測(cè)。

圖2 電動(dòng)機(jī)及其部件連接圖

1.3 試驗(yàn)方法

稱取 30 g、40 g、50 g、60 g、70 g、80 g 原棉，裝入亞克力圓筒（外徑110 mm，壁厚3 mm，填充高度150 mm、200 mm、250 mm），兩個(gè)夾板處于松弛狀態(tài)，置于提拉裝置工作臺(tái)上，用螺絲釘固定儲(chǔ)棉箱上下端，再由拉力傳動(dòng)裝置提拉絲杠，以一定的加載速度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)（室內(nèi)溫度20 ℃，相對(duì)濕度50%）。原棉提拉量分別為300 mm、500 mm、700 mm。

通過(guò)調(diào)節(jié)圓筒中棉花的重量，來(lái)調(diào)節(jié)原棉的密度。原棉的相對(duì)密度計(jì)算公式為：

式中m—原棉質(zhì)量（g）；V—原棉體積（cm3）；W—原棉相對(duì)密度；ρ—原棉的平均密度（g/cm3）；ρ0*—原棉壓縮致密的密度，值取1.0 g/cm3。

調(diào)節(jié)兩夾板之間的距離，以此改變?cè)薜奶畛溟L(zhǎng)度來(lái)控制原棉密度，填充長(zhǎng)度用原棉與圓筒的接觸面積代替。原棉單位面積摩擦力計(jì)算公式為：

式中σ—筒壁單位面積上摩擦力大小（N/cm2）；FN—原棉與圓筒的摩擦力幅值（N）；S—原棉與圓筒的接觸面積（cm2）；

提拉試驗(yàn)過(guò)程中原棉處于松弛狀態(tài)，三次改變兩夾板之間的距離，換算成原棉與筒壁之間的接觸面積，填充不同質(zhì)量的棉纖維得到不同的密度。其接觸面積、質(zhì)量和密度關(guān)系如表1。

表1 原棉接觸面積、質(zhì)量和密度對(duì)照

由表2 可知不同質(zhì)量的原棉密度不同，不同密度的原棉在提拉作用下產(chǎn)生的摩擦力也不同。隨著密度的增加，產(chǎn)生的摩擦力也增加，變化周期在5S~7S 內(nèi)波動(dòng)，其頻率的波動(dòng)范圍為1/5~1/7。由此可見原棉的摩擦力與密度是成正相關(guān)的。

2 試驗(yàn)分析

2.1 原棉密度與摩擦力幅值的關(guān)系

如圖3，保持電機(jī)的頻率和提拉的行程一致，通過(guò)改變兩夾板之間的距離和原棉的質(zhì)量來(lái)控制原棉的密度，隨著原棉質(zhì)量的增加，密度增大，所受摩擦力的幅值隨之增大。棉纖維的質(zhì)量一定，通過(guò)改變兩夾板之間的距離控制原棉的密度，兩夾板之間的距離分別取15cm、20cm、25 cm。其中2、4、6、7、8點(diǎn)的密度是在夾板長(zhǎng)度為25cm時(shí)測(cè)得的，11、12 點(diǎn)的密度是在兩夾板距離為20 cm 時(shí)測(cè)得的。兩夾板之間的距離為20 cm 和25 cm 時(shí)，隨著棉纖維質(zhì)量的增加，棉纖維密度變大，曲線的斜率均大于1，即密度增加較慢但摩擦力幅值增加較快；當(dāng)夾板之間棉纖維的填充量為80 g 時(shí)，摩擦力幅值均能達(dá)到10 N 左右。綜上所述，隨著密度的增大，摩擦力幅值變大，但摩擦力幅值還受其它因素的影響。

圖3 不同密度的原棉與摩擦力幅值之間的關(guān)系

2.2 提拉作用下不同填充長(zhǎng)度摩擦力幅值的變化

圖4 不同填充長(zhǎng)度與摩擦力幅值之間的關(guān)系

由圖4 可知，摩擦力還受其它因素的影響，改變夾板之間的填充距離，帶來(lái)了兩個(gè)方面的影響：一方面改變了夾板內(nèi)原棉的的密度，進(jìn)而影響摩擦力幅值；另一方面通過(guò)增大或縮小夾板之間的距離改變棉纖維與筒壁的接觸面積，從而影響摩擦力幅值。如圖4，原棉的密度一定，隨著填充長(zhǎng)度的增加，摩擦力幅值增加。綜上所述，改變了填充長(zhǎng)度的同時(shí)也改變了棉纖維與筒壁的接觸面積，并且摩擦力與接觸面積的大小呈正相關(guān)關(guān)系。

2.3 電機(jī)的頻率對(duì)摩擦力幅值的影響

圖5 不同頻率的電機(jī)與摩擦力幅值的關(guān)系

表2 同一填充長(zhǎng)度(15 cm)不同密度原棉摩擦力參數(shù)表

由圖5 可得，每個(gè)圖中的四種曲線分別代表著不同轉(zhuǎn)速的電機(jī)，橫坐標(biāo)是原棉的密度，在密度一定的情況下，隨著轉(zhuǎn)速（12 r/min、16 r/min、27 r/min、40 r/min）的增加，摩擦力幅值變大。在夾板之間填充的原棉超過(guò)60g時(shí)，摩擦力幅值增加較為明顯。綜上所述，電機(jī)的頻率也是影響摩擦力幅值的重要因素，且兩者為正相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種纖維集合體提拉裝置，闡述了裝置總體結(jié)構(gòu)及工作原理，研究了原棉在提拉過(guò)程中的摩擦力變化規(guī)律。

（2）通過(guò)原棉摩擦力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：夾板之間的距離保持一定，隨著原棉的克數(shù)增加，密度增大，原棉與圓筒內(nèi)壁的摩擦力幅值增加；增加棉纖維填充長(zhǎng)度，棉纖維與筒壁的接觸面積增大，摩擦力幅值也隨之增大；原棉的填充密度保持一定，改變電機(jī)的參數(shù)（即分別取12r/min、16 r/min、27 r/min、40 r/min），隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，摩擦力幅值增大。試驗(yàn)研究表明，原棉的密度是影響摩擦力幅值最重要的指標(biāo)。

（3）本試驗(yàn)中，僅考慮了填充密度、棉纖維與筒壁的接觸面積、電機(jī)的參數(shù)對(duì)摩擦力幅值的影響，并沒有考慮圓筒的材質(zhì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。