趙仁兵，傅 悅，解建軍，肖 華，王可平

(重慶金貓紡織器材有限公司，重慶 401336)

0 引言

隨著紡織技術(shù)的不斷發(fā)展，紡紗裝備向高速化、自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化發(fā)展，新型紡紗技術(shù)促使企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐越來(lái)越快，纖維品種及功能呈現(xiàn)多樣化，減少用工、降低成本等問(wèn)題日益突出。目前國(guó)內(nèi)電鍍鎳鋼絲圈的使用壽命一般為5 d～7 d，而國(guó)外產(chǎn)品則不少于15 d[1]，鋼絲圈在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的使用壽命及紡紗毛羽、斷頭等問(wèn)題亟待解決，提高鋼絲圈鍍層的耐磨性及自潤(rùn)滑性是解決以上問(wèn)題的有效方法之一。

1 田口試驗(yàn)方法

田口試驗(yàn)方法 (Taguchi Method)又稱健壯法或穩(wěn)健法 (Robust Method) ，是由日本田口玄一博士創(chuàng)立的一種低成本、高效益的質(zhì)量工程方法，它強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品質(zhì)量的提高不是通過(guò)檢驗(yàn)，而是通過(guò)設(shè)計(jì)。其基本思想方法是：用正交表安排試驗(yàn)方案，以誤差因素模擬質(zhì)量波動(dòng)的各種干擾，以信噪比(S/N)作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)健性的指標(biāo)，通過(guò)對(duì)各種使用方案的統(tǒng)計(jì)分析，找出抗干擾能力最強(qiáng)、性能最穩(wěn)定、最可靠的設(shè)計(jì)方案[2]。

在紡紗工程中隨著環(huán)錠紡紗轉(zhuǎn)速的提高，鋼絲圈與鋼領(lǐng)的接觸點(diǎn)溫升加劇，導(dǎo)致鋼絲圈塑性變形和基體金相組織結(jié)構(gòu)變化、甚至局部熔化(燒蝕)，造成紗線斷頭、毛羽增加，使用壽命縮短[3]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，筆者應(yīng)用田口試驗(yàn)方法研究鋼絲圈鍍層的設(shè)計(jì)參數(shù)及鍍層加工誤差對(duì)鋼絲圈性能和穩(wěn)定性的影響。

2 田口試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

2.1 鋼絲圈鍍層設(shè)計(jì)思路

紡紗過(guò)程中的鋼絲圈在離心力及紗線張力的作用下，鋼絲圈與鋼領(lǐng)之間、紗線與鋼絲圈之間存在摩擦，因摩擦的存在就要求鋼絲圈必須具有很好的耐磨性和耐熱性[4]，而鋼絲圈表面處理是解決其耐磨性、自潤(rùn)滑性、耐熱性等最行之有效的方法之一。由于化學(xué)鍍Ni-P合金具有較好的耐磨性及自潤(rùn)滑性，當(dāng)加入鎢元素則能與Ni-P共沉積于鍍層中，從而細(xì)化晶粒、降低表面粗糙度值，達(dá)到減少摩擦、增強(qiáng)鍍層的耐磨性與熱穩(wěn)定性，也就延長(zhǎng)了鋼絲圈的使用壽命。筆者選用硫酸鎳、鎢酸鈉、次亞磷酸鈉、檸檬酸鈉、有機(jī)胺及銨鹽作為鋼絲圈Ni-W-P合金鍍層溶液。

2.2 品質(zhì)因子選擇

根據(jù)鋼絲圈的磨損機(jī)理及對(duì)紗線造成的影響可知，如果鋼絲圈表面受到的摩擦力小，鍍層的耐磨性也好，那么其走熟期將會(huì)縮短、使用壽命將會(huì)延長(zhǎng)，紗線品質(zhì)將會(huì)提高，因此，將鋼絲圈的磨損率Δm作為品質(zhì)因子。

2.3 控制因子與水平選擇

根據(jù)Ni-W-P鍍層成分組成，選擇鎢酸鈉、有機(jī)胺、檸檬酸鈉、銨鹽、pH值、溫度作為控制因子，除鍍液溫度為2個(gè)水平外，其余均為3個(gè)水平；同時(shí)固定硫酸鎳濃度為24 g/L，次亞磷酸鈉濃度為25 g/L，如表1所示。

表1 樣品的控制因子水平配置

根據(jù)表1中的控制因子和水平，選用L18(21×35)田口試驗(yàn)正交表來(lái)優(yōu)化Ni-W-P鍍層成分，使其具有最小的磨損率。

由于磨損率越小越好，所以選擇最小特性的信噪比，即：

在線測(cè)量是在混合機(jī)機(jī)殼的特定位置安裝有水分在線檢測(cè)儀，以一定時(shí)間間隔自動(dòng)檢測(cè)混合機(jī)內(nèi)物料的水分含量，并將檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)傳送給生產(chǎn)線水分添加系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)與設(shè)定的目標(biāo)值比較后自動(dòng)確定在混合機(jī)內(nèi)噴加的水分量和調(diào)質(zhì)過(guò)程中需要添加的水分（蒸汽）量及相關(guān)控制參數(shù)。目前已經(jīng)在飼料混合機(jī)上應(yīng)用的在線水分檢測(cè)儀有多用途近紅外檢測(cè)儀，激光在線水分測(cè)定儀以及微波在線水分檢測(cè)儀等。其中近紅外多用途檢測(cè)儀可以同時(shí)檢測(cè)水分、粗蛋白、粗脂肪等，有著更廣泛的用途。

(1)

式中：

S/N——信噪比；

yi——第i次測(cè)量磨損率數(shù)據(jù)；

n——試驗(yàn)次數(shù)。

由于試驗(yàn)中無(wú)數(shù)據(jù)變異和試驗(yàn)誤差，因此n=1，公式(1)可以演化為：

S/N=-10lgyi2

(2)

2.4 耐磨試驗(yàn)

采用淬火高碳鋼T9A板(10mm×10mm×2 mm)作為基材，硬度為(630～650)HV0.2，采用表1中A1B2C1D2E2F2工藝條件進(jìn)行化學(xué)鍍Ni-W-P，時(shí)間為40 min～60 min。使用韓國(guó)耐磨試驗(yàn)機(jī)，對(duì)磨塊為GCr15，淬火硬度為(60～62)HRC。每組試驗(yàn)制備4個(gè)樣品，以確保結(jié)論的精準(zhǔn)性，每個(gè)樣品每次磨損時(shí)間為30 min，測(cè)其平均失質(zhì)量。

3 田口試驗(yàn)

田口試驗(yàn)方法主要是用來(lái)獲取化學(xué)鍍Ni-W-P合金耐磨鍍層結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)L18(21×35)田口試驗(yàn)正交表把各個(gè)控制因子配置其中，如表2所示。然后通過(guò)耐磨試驗(yàn)得到失質(zhì)量后填充到表 2中，通過(guò)式(2)，采用MiNitab軟件計(jì)算出信噪比值，信噪比值越大，抗干擾能力就越強(qiáng)，見(jiàn)表3。

表2 L18試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，化學(xué)鍍Ni-W-P合金耐磨層結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)配比為 A1，B3，C2，D2，E3，F(xiàn)3。根據(jù)田口試驗(yàn)方法中的“一半原則”[5]，6個(gè)控制因子中最主要的3個(gè)因子分別為鎢酸鈉濃度B，檸檬酸鈉濃度C，有機(jī)胺濃度D。圖1的化學(xué)鍍Ni-W-P合金耐磨最小失質(zhì)量范圍信噪比的因子反應(yīng)則能更清晰地反映出各控制因子的變化情況，以及各控制因子對(duì)信噪比的影響。

4 確認(rèn)數(shù)值試驗(yàn)

由上述分析可知，鋼絲圈化學(xué)鍍Ni-W-P合金耐磨層結(jié)構(gòu)的最佳因子結(jié)構(gòu)參數(shù)配比為 A1，B3，C2，D2，E3，F(xiàn)3。其最主要的控制因子為B，C，D。據(jù)此可以計(jì)算原始試驗(yàn)?zāi)p失質(zhì)量和優(yōu)化試驗(yàn)?zāi)p失質(zhì)量后的信噪比預(yù)測(cè)值。

采用MiNitab軟件計(jì)算出信噪比值。原始設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)值為-4.659110，優(yōu)化設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)值為-0.399 590。

圖1 不同控制因子對(duì)信噪比的影響

按照以上MiNitab分析得出的最佳控制因子配比，重新試驗(yàn)化學(xué)鍍Ni-W-P耐磨層，其磨損平均失質(zhì)量為1.0mg，原始試驗(yàn)?zāi)p平均失質(zhì)量為1.8 mg；同樣采用MiNitab軟件計(jì)算出信噪比值分別為-0.239 754，-5.401 966；原始試驗(yàn)與優(yōu)化試驗(yàn)預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值的對(duì)比如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前后試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值比較

5 Ni-W-P合金鍍層鋼絲圈使用結(jié)果

采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)A1，B3，C2，D2，E3，F(xiàn)3制造Ni-W-P合金鍍層的TPJM1ELgc型16/0鋼絲圈。在河南某紡織企業(yè)進(jìn)行試紡，試紡品種為CJ 7.4 tex。試紡前先用電鍍BSJM1ELgc型16/0鋼絲圈，錠速為16.5 kr/min；經(jīng)過(guò)測(cè)試：毛羽H值為2.4，千錠時(shí)斷頭為11次，+140%棉結(jié)、+200%棉結(jié)分別為332個(gè)/km和91.5個(gè)/km，其使用壽命為12 d。然后，選用TPJM1ELgc型16/0鋼絲圈，錠速為17.2 kr/min；測(cè)得毛羽H值為2.37，千錠時(shí)斷頭為7次，+140%棉結(jié)、+200%棉結(jié)分別為329個(gè)/km和89.2個(gè)/km，其使用壽命不少于15 d。

6 結(jié)語(yǔ)

6.1應(yīng)用化學(xué)鍍Ni-W-P合金耐磨層鋼絲圈能有效提高其耐磨性及使用壽命，實(shí)現(xiàn)高速、長(zhǎng)壽命紡紗的需求。

6.2根據(jù)田口試驗(yàn)方法信噪比的計(jì)算分析，化學(xué)鍍Ni-W-P合金耐磨層最佳的性能參數(shù)組合為A1，B3，C2，D2，E3，F(xiàn)3。這其中，最主要的3個(gè)影響因子分別為鎢酸鈉濃度B，檸檬酸鈉濃度C，有機(jī)胺濃度D。

按照優(yōu)化后的因子配比進(jìn)行確認(rèn)數(shù)值試驗(yàn)，得到信噪比試驗(yàn)值和其預(yù)測(cè)值分別為-0.239 754和-0.399 590，與原始因子組合下試驗(yàn)值-5.401 966和預(yù)測(cè)值-4.659 110相比，分別提高了5.162 212和4.259 520。因此，在鋼絲圈化學(xué)鍍Ni-W-P合金耐磨層可靠性設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用田口試驗(yàn)方法可以獲得很好的優(yōu)化效果。

6.3應(yīng)用Ni-W-P鍍層的鋼絲圈紡紗，能有效減少成紗毛羽和斷頭，提高成紗質(zhì)量，鋼絲圈使用壽命不少于15 d。