李鴻秋,萬 宏,陳慧鑫

(金陵科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 南京 211169)

絹紡行業(yè)較為成熟的制綿工藝有圓梳工藝和精梳制綿工藝[1]。前者梳理質(zhì)量高,但機(jī)械化程度低,生產(chǎn)效率低;后者生產(chǎn)效率高,但梳理質(zhì)量卻差強(qiáng)人意。近年,絹紡研究成果大部分集中在梳理質(zhì)量上,浙江嘉興絹紡廠[2]提出了降低前后梳理滾筒轉(zhuǎn)速、輕定量、薄綿喂入工藝;姜宏[3]提出用頭道圓梳機(jī)生產(chǎn)二道綿;劉紅艷等[4]提出增加第一道梳理區(qū)齒密以提高梳理區(qū)效果;Shanshan He提出了一種利用流體仿真技術(shù)檢測梳理區(qū)氣流強(qiáng)度大小的方法[5]等。借鑒長麻紡工藝流程,參考圓梳的“圓型錫林-夾綿板-圓型滾筒”[6]的梳理模式,考慮到提高梳理效果最明顯直接的方式就是增加梳理面[7],設(shè)計(jì)了一種適用于絹紡自動化系統(tǒng)的“平面針簾-副夾板-平面針簾”梳理模式,參考圓梳參數(shù),對絹紡直梳梳理區(qū)梳針和梳簾主要參數(shù)進(jìn)行初步選擇和計(jì)算,進(jìn)而建立了梳簾-梳針-空氣模型,利用流體仿真軟件對梳理區(qū)不同速度運(yùn)轉(zhuǎn)下的氣流工況進(jìn)行分析,提出可以通過調(diào)整針簾速度來避免氣流紊亂,通過與外界貫通避免氣壓偏低,從而提高梳綿質(zhì)量和效率。

1 新型直梳梳理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用“平面針簾-副夾板-平面針簾”梳理模式,共有A、B、C、D 4個(gè)雙側(cè)針簾,其中A、B為中低速梳簾,C、D為較高速梳簾(圖1)。原材料到達(dá)直梳梳理區(qū)后,利用副夾板對綿進(jìn)行握持梳理,綿的兩側(cè)為針簾,針簾上搭載角度針,針簾做回轉(zhuǎn)運(yùn)動,副夾板夾取綿往下進(jìn)給,角度針對綿進(jìn)行精細(xì)的雙梳理面梳理。進(jìn)給完畢后,針簾在軌道的作用下向兩側(cè)分開并停止回轉(zhuǎn)運(yùn)動,防止在副夾板往上撤離時(shí)對綿產(chǎn)生損傷。副夾板下降進(jìn)給值、梳針密度、針簾回轉(zhuǎn)速度都采用循序增大的設(shè)計(jì)理念,使針簾對綿梳理度的分布更加合理。兩針簾間的隔距通過調(diào)整針簾支座的距離加以控制,兩側(cè)針簾間的隔距幾乎可以縮小到0(圖2),使得兩側(cè)梳針可以充滿梳理區(qū),從而消除梳理死區(qū)。

圖1 新型直梳梳理機(jī)構(gòu)

圖2 針簾隔距

2 絹紡直梳梳理區(qū)梳簾和梳針參數(shù)

2.1 梳針作用數(shù)的確定和分配

各副夾板中綿的梳理程度,在理論上可以用針尖對于綿上一個(gè)點(diǎn)的打擊頻率即單位重量的纖維受到梳針針尖的作用數(shù)的值——梳針作用數(shù)[8]N表示:

式中:D表示梳理裝置的針尖密度,根/c m2;B表示副夾板寬度,c m;T表示副夾板中的綿被梳理的時(shí)間,min;v表示梳理裝置相對于副夾板運(yùn)輸綿的速度,c m/min;G表示被梳理的纖維質(zhì)量,g。

參考CZ161 A型圓型梳棉機(jī),利用中低速梳簾A、B搭載22號角度針,梳針作用數(shù)總和取17 691?？紤]到蠶絲價(jià)格更高,梳理難度更大,將A針簾與B針簾梳針作用數(shù)的比值設(shè)定為3∶10,取A針簾梳針作用數(shù)為4 082,B針簾梳針作用數(shù)為13 609。較高速C、D針簾搭載23號角度針,梳針作用數(shù)總和取99 476,C、D針簾梳針作用數(shù)比設(shè)定為1.3∶2.09,取C針簾梳針作用數(shù)為38 056,D針簾梳針作用數(shù)為61 420。并設(shè)定副夾板下降速度與錫林工作表面的切向速度相等,為1 050 mm/min。

2.2 梳針密度選擇

梳針密度的配置從一個(gè)梳理區(qū)到下一個(gè)梳理區(qū)逐漸增加,以降低對纖維的損傷[9]。A針簾梳針密度取一個(gè)較為保守的值1.5根/c m2,B針簾梳針密度定為3根/c m2,這樣既可以滿足梳理度的要求,也可以減少對纖維的損傷。進(jìn)入C和D針簾梳理后,此處綿層較薄,雜質(zhì)、綿結(jié)的數(shù)量也較少,使用密度值較大的針布,增加梳理效果,因此,C針簾梳針選擇3.2根/c m2針布,D針簾則選取3.6根/c m2針布。

2.3 針簾與副夾板組成工作區(qū)長度設(shè)定

A針簾、B針簾梳理時(shí),采取先梳直線度較好、打結(jié)數(shù)較少的末端。參考CZ161 A型圓型梳棉機(jī),將A針簾副夾板下降的進(jìn)給量設(shè)定為12.18 c m,B針簾副夾板下降的進(jìn)給量設(shè)定為17.43 c m,C、D針簾則均設(shè)定為25.7 c m。

2.4 低中速A、B針簾和較高速C、D針簾梳理速度的初步確定

由副夾板進(jìn)給速度1 050 mm/min,得到運(yùn)行時(shí)間,并代入式(1),得vA=3 665 mm/s。考慮到梳綿損失,并對梳綿損失按照梳理作用數(shù)進(jìn)行再次分配,計(jì)算得到針簾B的梳理速度,vB=4 129 mm/s,同理可以得到vC=6 507 mm/s,vD=8 730.1 mm/s。

綜上,A、B、C、D針簾和梳針的參數(shù)見表1。

表1 針簾和梳針參數(shù)

3 梳理區(qū)氣流工況分析

3.1 梳理區(qū)三維模型

利用Solid works建立梳簾-梳針模型。以B針簾為例,梳針高8 mm,加上底部的彈性針布,總高為9.5 mm,每列梳針之間的距離為3 mm,每行梳針的間距為3 mm。針簾與針簾之間的隔距近似為0 mm,每個(gè)針簾大小簡化為9 mm×22.5 mm×9.5 mm,每行3個(gè)梳針,共設(shè)置8行(圖3)。針布材料由8層膠布膠合而成,針布材料并不影響氣流工況,為簡化模型,針布和梳針統(tǒng)一設(shè)定為45號鋼。將結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入流體仿真分析軟件,并設(shè)定流體區(qū)域,建立梳簾-梳針-空氣模型(圖4)。

圖3 單側(cè)針簾橫向

圖4 針尖匯集平面位置示意

為分析相鄰梳針之間梳理面的氣流工況,以確定空氣流動對纖維運(yùn)動的影響。定義針尖匯集的平面為f1(圖5)。將兩列梳針之間的距離5等分,得到6個(gè)梳理面,分別記為A1、A2、A3、A4、A5和A6(圖6)。平面f1與梳理面A1的交線定義為f1-A1(圖7)。同樣,定義交線f1-A2、f1-A3、f1-A4、f1-A5、f1-A6。

圖5 梳理面示意

圖6 針尖匯集平面位置示意

圖7 梳簾-梳針-空氣模型

3.2 平面位置氣流工況

利用流體仿真軟件分析直梳梳理區(qū)不同速度情況下,梳針頂部以及梳針列與列之間梳理面的氣流工況。定義邊界條件,前面(左側(cè))為氣流進(jìn)口,后面(右側(cè))為氣流出口,氣壓設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。左面及右面均設(shè)置為周期面,頂面設(shè)置為對稱面。分別得到針簾速度分別為3 665、4 129、6 507、8 730 mm/s時(shí),A1、A2、A3、A4、A5和A6梳理面氣流速度云圖,如圖8所示。

圖8 針簾速度分別為3 665、4 129、6 507、8 730 mm/s其A1、A2、A3、A4、A5、A6梳理面氣流工況

從圖8(a)看出,針簾速度為3 665 mm/s時(shí),最高氣流速度約為7 000 mm/s,在同一梳理面,越靠近梳針頂面,氣流速度越高;處于兩列梳針中間的A3、A4、A5梳理面位置的氣流速度值較梳針位置大,各個(gè)梳理面氣流速度較低且較為穩(wěn)定。從圖8(b)可以看出,當(dāng)針簾速度為4 129 mm/s時(shí),針簾速度僅增加了464 mm/s,但最高氣流速度卻增加到約9 000 mm/s。與圖8(a)不同的是,A2、A6中靠近梳針處的氣流發(fā)生了紊亂,這種紊亂的氣流可能會導(dǎo)致纖維發(fā)生纏繞,甚至?xí)估w維與梳針發(fā)生纏繞,產(chǎn)生無法梳理的綿結(jié)。圖8(c)中,針簾速度增加到6 507 mm/s,氣流速度最大值達(dá)到了12 000 mm/s,相較圖8(b),增加了2 000 mm/s左右,但此時(shí)A2、A6靠近梳針處的氣流趨于穩(wěn)定。圖8(d)中,針簾速度為8 730 mm/s,比圖8(c)增加了2 223 mm/s,氣流速度最大值達(dá)到16 000 mm/s?？拷後樀腁2、A6面位置氣流與圖8(b)一樣,產(chǎn)生了紊亂,而且此時(shí)紊亂的氣流速度值較大,約為12 000 mm/s,會對纖維的梳理產(chǎn)生更加嚴(yán)重的影響。

此外,單一工況圖中,兩列梳針之間的氣流情況基本對稱,氣流呈現(xiàn)整體穩(wěn)定狀態(tài)。在針尖平面與梳理面交線位置,右側(cè)氣流速度大于左側(cè),即入口的氣流值較出口大,在氣壓的表現(xiàn)上即為入口處氣壓值偏低,且隨著針簾速度的遞加,該現(xiàn)象更為明顯。這將導(dǎo)致副夾板送綿進(jìn)入針簾之間時(shí),綿會被吹向副夾板。

由仿真結(jié)果可知,針簾速度為4 129、8 730 mm/s時(shí),梳針針體附近會發(fā)生氣流局部紊亂。因此針簾梳理速度應(yīng)避免選擇這2個(gè)速度,而應(yīng)選擇氣流工況整體穩(wěn)定的速度,因此選擇B針簾速度為3 665 mm/s,而將D針簾速度降為6 507 mm/s。減少的梳針作用數(shù)可以通過增加D針簾梳理時(shí)間彌補(bǔ)。

4 結(jié)束語

鑒于現(xiàn)有圓梳工藝效率較低,設(shè)計(jì)了新型直梳梳理機(jī)構(gòu)并探究其合理性,確定梳針作用數(shù)為關(guān)鍵量,選擇并計(jì)算直梳梳理區(qū)針簾和梳針參數(shù),建立直梳梳理區(qū)梳簾-梳針-空氣模型,利用流體仿真技術(shù)探知其梳理區(qū)的氣流工況,發(fā)現(xiàn)在不同梳理速度情況下,靠近梳針處的氣流可能會發(fā)生紊亂,氣流紊亂會導(dǎo)致纖維發(fā)生纏繞,產(chǎn)生無法梳理的綿結(jié)。且隨著針簾速度的增加,入口處氣壓值出現(xiàn)偏低現(xiàn)象。提出通過選擇合適的針簾速度,并適當(dāng)改變針簾梳理時(shí)間來避免產(chǎn)生氣流紊亂且不影響梳理效率的方案。