转杯纺关键部件与成纱质量的关系

转杯纺关键部件与成纱质量的关系

张百祥  （东华大学）

0      前言

成纱质量是企业的生命，只有优质才能在市场的激烈竞争中立于不败之地。影响成纱质量的因素繁多．从原料到各工序对成纱质量均有影响，而转杯纺工序是成纱的最后一道工序，为确保该工序的成纱质量，必须掌握该工序影响成纱质量的关键部件，即分梳辊、假捻盘、转杯与排杂装置等四大件。长期以来，围绕高产优质的课题，广大科技工作者对以上关键部件作了大量的研究、实践与改进，开发出不少新型系列化部件，满足高产优质新品的需求。关于“排杂装置的讨论”，已在《梳理技术》第11期刊登，本文将着重讨论分梳辊、假捻盘、转杯等三大件与成纱质量的关系，供读者参考。

1      分梳辊与成纱质量的关系

分梳辊影响成纱质量的主要因素，有分梳辊型式、转速和齿(针）规格。分梳辊型式有4种：锯齿辊、针辊、齿片辊和锯片辊。其中锯片辊用于加工长纤维(如毛纺用)，齿片辊是国内独创的新产品，正在扩大推广使用。当前生产中使用最多的是锯齿辊，其次是针辊，下面将详细讨论锯齿辊与针辊对成纱质量的影响。

1.1     分梳辊型式、转速对成纱质最的影响

1.1.1    专题试验

当喂条定量、齿(针)规格与转杯真空度不变时，分梳辊形式、转速对成纱质量的影响，如图1~4所示。

从图1～4可明显看出：

(1)锯齿辊的纤维分离度(即单纤维重量百分率)随锯齿辊转速提高而明显增大，当其转速为5000 r／min时，纤维分离度为79.7％，当转速增至8100 r／min时，其纤维分离度提高到97.38％。而针辊转速在5300 r／min时，其分离度己高达95.8％，当其转速提高到8100 r／min时，其纤维分离度提高到97.3％，达到锯齿辊8100 r／min的相同水平。而且在相同转速条件下，针辊的纤维分离度比锯齿辊的要好。两者转速越低，其纤维分离度的差异越大。

(2)锯齿辊的单纱强力随其转速提高而增大，而针辊的单纱强力变化较平稳，当转速高时，其单强有增加的趋势。

(3)锯齿辊的成纱不匀率随其转速提高而变差，而针辊的成纱不匀率变化平稳。

(4)锯齿辊的短绒率随其转速提高而明显增多，而针辊的短绒率变化平稳。

以上两者成纱质量差异的主要原因是，由于锯齿辊对纤维的作用力强，转速越高，纤维分离度越好，成纱单强越高，纤维损伤越多，短绒越多，成纱的均匀度变差。而针辊在分梳抓取纤维时，针尖逐步深入梳理纤维，因此，对纤维作用力强而缓和，故在低速时已有较高的纤维分离度，随着转速的提高，其短绒率、成纱均匀度等的变化仍较平稳。可见针辊的成纱质量优于锯齿辊，且适应于高速。

1.1.2    纺纱试验

（1）纺27．8 tex纯棉纱

试验条件：纤维平均长度为28.46 mm，特数为6213 Nm，捻度为91.38 个／10cm，转杯转速为52500 r／min，齿(针)工作角均为65°，锯齿辊转速5882～8130 r／min，针辊转速6178～8464 r／min。分别选6档分梳辊转速，进行纺纱试验，结果列于表1、2。

表1    锯齿辊纺27．8 tex纯棉纱成纱质量 

从表1、表2可以看出：

① 强度：在锯齿辊低速范围内，其成纱强度随转速增加而增加，但到7269 r／min后，其强度即下降。而针辊的成纱强度随其转速增加而增强。而且在高速范围内，针辊的成纱强度明显优于锯齿辊，其主要原因是由于两种型式的齿(针)对纤维作用力不同的缘故。详细分析可参见1．1．1节专题试验。

② 均匀度：在锯齿辊低速范围内，其成纱不匀率随转速增加而有所改善，之后不匀率则随转速增加而变差。而针辊的不匀率随其转速增加而明显降低，其主要理由是由于随着针辊转速的提高，针辊的短绒并不增多，而其梳理作用却增强，使纤维分离度提高，不匀率随之降低。同时还可看出，均匀度变化规律与强度变化的一致性。

③ 粗节、细节和棉结：从总的趋势看，针辊的粗节、细节和棉结比锯齿辊的明显要少，特别是棉结要少得多。这就再次证明针辊的梳理作用强而缓和，纤维分离度高，条干均匀，粗细节减少。而棉结的减少，主要由于短绒减少的缘故。

④ 短绒：针辊的短绒变化平稳，且在相同转速条件下，针辊短绒率比锯齿辊的明显减少，其理由与上节分析相同。

(2)纺40 tex䌷丝

原料为绢纺圆梳机落绵75.9％,精梳落绵24.1％，平均纤维长度23.1 mm，转杯转速为30000  r／min，转杯直径66 mm，捻度71 个／10cm，分梳辊转速在6400～7800 r／min内选4档，进行纺纱试验，其结果列于表3、4。

从表3、4可看出： 

① 单强：锯齿辊的䌷丝单强随分梳辊转速提高而增强，其主要原因是由于锯齿辊转速增加，对纤维的梳理力增大，纤维分离度相应提高，从而使单强提高。而针辊的䌷丝单强在低速范围内随其转速提高而增强，但到7800 r／min时，其单强略有降低，这是因为在低速时针辊能发挥梳理作用强而缓和的优势，纤维分离度好，纤维损伤少，从而使单强提高。但当其转速超过一定数值，由于本试验的针辊针密比锯齿辊齿密小，削弱了对纤维的梳理作用，致使单强略有降低。但在相同转速条下(7800 r／min除外)，针辊䌷丝的单强优于锯齿辊。

② 条干不匀率：䌷丝的条干不匀率变化与䌷丝单强的变化有相似的规律性。在低速范围内，针辊的条干不匀率随转速增加而改善，当超过一定速度范围，其条干略变差。其主要原因除针密比锯密小，影响梳理效果外，由于转杯真空度不变，针辊转速过高，影响纤维流在输送管中的速度梯度，从而影响成纱条干不匀率。

总的来说，在分梳辊的锯齿(钢针)规格相同条件下，在一定速度范围内，针辊的成纱单强和成纱不匀率均优于锯齿辊。

1.2     分梳辊转速对成纱质量的影响

分梳辊转速对成纱质量的影响，在专题试验与纺纱试验中已有分析，这里要强调指出的是，分梳辊转速的确定应符合纤维流的流动规律，即要求脱离锯齿后的单纤维在输送管中应加速流动，这样才能使单纤维定向、伸直地通过输送管输向凝聚槽，有利于提高凝聚须条的条干均匀度，提高成纱质量。由于分梳辊与转杯藉输送管直接连通，因此，转杯真空度与输送管中纤维流速度密切相关。专题研究得出，当转杯真空度较高时，分梳辊转速可适当提高，确保纤维流在输送管中定向加速流动。反之，如转杯真空度较低，而分梳辊转速过高，此时由分梳辊锯齿带动的气流量大于转杯排除的气流量，於是输送管中一部分流量的位能增加，动能减小，结果使纤维流在输送管中减速流动，从而一部分已被开松的单纤维，易与相邻的单纤维粘合而成束纤维，这种束纤维输送到凝聚槽，必将影响凝聚须条均匀度，从而影响成纱条干。由此可见，分梳辊转速决定于转杯真空度，片面追求提高分梳辊转速，以提高纤维分离度，结果往往适得其反。

1.3     齿(针)规格对成纱质量的影响

齿(针)规格含有工作角、密度、总高度等参数，其中以工作角对成纱质量影响最大。在生产中齿(针)工作角的选用原则是，既要分梳作用强，又要使纤维易脱离齿(针)。换言之，即是要解决梳理与转移的矛盾。当前生产上可选用的纤维品种繁多，归纳起来，可分为棉、化纤和非棉短纤维三大类。实践得出，加工纯棉及其混纺纤维一般选用OK40(65°)、或OB20(65°)型，其目的是加强梳理与除杂，但纤维损伤多。加工化纤及其混纺纤维，选用OK36(90°)、OK37(100°)，其目的是加强转移，纤维损伤少。加工非棉短纤维，选用OK74(65°)、齿距(5．46)大、齿密小的齿条，主要目的为了转移，兼顾分梳，因其单纤维强力低，分梳辊转速不宜过快，故工作角要小。最近国外新机备有OK61型(84°)齿条，适用于棉和各种化纤，它与国内开发的OK61型(75°)有异曲同工之妙。分析其原因，主要是由于转杯高速后，锯齿辊转速必相应提高，此时，锯齿对纤维的梳理力增大，适当放大工作角，即可解决梳理与转移的矛盾。针辊钢针工作角的变化小，国内钢针工作角变化范围一般在75°~85°，由于针辊的分梳作用强而缓和，适当放大工作角，符合分梳与转移兼顾的原则。

1.4     齿(针)的磨损

分梳辊高速后，齿(针)磨损增大，加工非棉纤维及化纤时更为突出。影响磨损的主要因素是材质及其耐磨度。专题研究得出，耐磨度与硬度呈线性相关，因此，新型齿(针)均采用改进材质和齿条表面进行强化处理，以提高齿条硬度，达到提高齿条耐磨度的目的。例如新材质有采用含碳量大于1％的高碳钢，或低合金锰钢。表面处理方式很多，主要有表面镀镍、金刚石渗透、镀镍结合金刚石渗透、镀镍与硼化；镍磷喷涂以及激光淬火处理等。实践得出，镀镍结合金刚石渗透的耐磨度最佳，适合纺含杂高的粗特棉纱。镀镍与硼化的耐磨度较高，表面光洁，适纺中、细特棉纱。

钢针与齿条的机械加工方法不同，其磨损程度也不一样。齿条采用局部淬火，淬火深度浅，只有齿尖的0.6～1 mm，有的只有0.2 mm，淬火硬度为HV500。而钢针采用整体淬火，用65#、70#锰钢制成的钢针，淬火硬度可达HV750以上，可见针辊比锯齿辊耐磨。而且钢针磨损后，针尖仍保持一定的锋利度，对分梳能力的影响较小。而锯齿磨损后，往往出现齿尖变平，严重时齿工作面呈现凹痕，易勾挂纤维，影响分梳质量。

2      假捻盘对成纱质量的影响

2.1     假捻盘作用原理

在纺纱过程中杯内回转纱条上存在两种捻度，即真捻和假捻。真捻是由转杯握持纱条，相对引纱罗拉钳口进行公转而获得，假捻是由于回转纱条与假捻盘摩擦而产生摩擦力，该摩擦力必然产生两个分力（垂直分力和水平分力），垂直分力与纱条半径的乘积，产生假捻力矩，用以推动纱条绕纱轴自转而获得假捻。由此可见，在正常生产情况下，回转纱条的捻度必然大于成纱的捻度。

影响假捻捻度的因素较多。专题研究得出，通过微段纱条在假捻盘上的受力分析，经数学运算，可导出以下假捻力矩方程M_j：

M_j = r_sT_p（θ+0.0141 μθ²+0.0081μθ³）（1）

式中: M_j为假捻力矩；r_s为纱条半径；T_p为剥离点张力；θ为纱条在假捻盘上的包围角；μ为纱条与假捻盘的摩擦系数。

从式(1)可明显看出，影响假捻捻度的主要因素是r_s、T_p、μ、θ，由于r_s、T_p值很小，而θ实质是反映纱条与假捻盘的摩擦系数，因此，纱条与假捻盘的摩擦系数μ就成为影响假捻捻度的主要因素。

2.2     假捻捻度的测定及其效果分析

2.2.1    假捻捻度的测定

为了验证理论公式(1)的正确性，选择假捻盘摩擦系数μ、包围角θ、假捻盘直径d和假捻盘刻槽数n等因素，分别进行假捻捻度的测定，结果见图5～8。

从图5～8可看出：

（1）假捻盘摩擦系数增大，纱条在假捻盘上的包围角加大，假捻盘直径加大，均使回转纱条上假捻捻度增多，而且相互间存在明显的线性相关。其主要原因是由于上述因素加大，纱条与假捻盘接触的摩擦力增大，假捻力矩增大，从而使假捻捻度增多。

（2）刻槽数与假捻捻度的相关不明显，这不能说刻槽不产生假捻作用。因为在纺纱过程中，纱条不完全贴紧假捻盘表面运动，此时纱条上的捻度易向剥离点方向传递，结果使回转纱条上假捻捻度增加不明显，而剥离点处纱条的动态强力明显增加，说明刻槽是产生假捻效应的。

2.2.2    假捻捻度与动态强力关系

选择上节相同的两个因素（假捻盘摩擦系数和刻槽数）分别进行剥离点纱条动态强力的测定，结果见图9、10。

从图9、10可看出，剥离点纱条动态强力均随假捻盘摩擦系数增大、刻槽数增多，而呈近似线性增大。很明显，这是因为假捻盘摩擦系数增大、刻槽数增多，均使回转纱条上假捻捻度增多，这些捻度必然向剥离点方向传递，从而使剥离点处纱条的动态强力增强，有利于降低成纱断头。

2.2.3    假捻捻度与成纱强力的关系

选择上一节相同的四个因素(μ、θ、d、n)，分别进行纺纱试验，结果见图11~14。

从图11～14可看出，成纱单强均随μ、θ、n、ø的增大而呈线性下降。其主要原因是由于上述诸因素值增大，回转纱条假捻捻度增多，这些捻度向剥离点方向传递，并通过剥离点延伸，使捻度传递长度增长，缠绕纤维增多，从而使成纱单强下降。

通过以上分析，可得出一重要结论，即假捻效应增大，有利于减少成纱断头，但不利于提高成纱单强。因此假捻捻度的利用，并非越多越好，必须根据加工原料、纺纱特数、产品要求等，合理选用假捻盘。

2.3     假捻的应用

实例1：纺苎麻精落麻纱，选用4种不同处理的假捻盘，分别进行假捻盘摩擦系数、硬度、磨损率与断头的测定，结果列于表5。 

从表5可看出，方案2（镀铬）略有反常，比较其他3个方案，以渗硼的断头最少，氧化钛陶瓷的断头最多，其主要原因是由于渗硼的摩擦系数大，假捻效应大，剥离点纱条动态强力强，故断头最少。氧化钛陶瓷的摩擦系数较小，假捻效应小，断头必然增多。

实例2：纺绢／羊绒（85/15）混纺纱，纺纱特数36．4 tex，捻系数450。选用三种分梳辊型号：OK40(65°)锯齿辊、OK61(75°)锯齿辊和针辊(80°)。

每种型号配三种不同处理的假捻盘(陶瓷螺旋槽、45#钢镀硬铬光盘、陶瓷刻四槽)，共9个方案分别进行纺纱试验，结果可得出9个方案的成纱质量指标。

根据9个方案的不同成纱质量指标，通过模糊聚类分析排队，并以模糊聚类排队结果，验证纺纱质量的测试，结果列于表6。

［注］方案1为OK40，陶瓷螺旋槽；方案2为45钢，镀铬光盘；方案4为OK61，陶瓷螺旋槽；方案7为针辊，陶瓷螺旋槽。

从表6可以看出，条干、断裂强度和强力不匀等以方案7（针辊配陶瓷螺旋槽）为最佳。又通过对方案7与方案2的最小捻系数测定，得出方案7的最小捻系数286比方案2的最小捻系数300.5要小，说明方案7针辊配陶瓷螺旋槽组合的假捻效应大，使断头少，生产稳定。以上试验结果与前面理论分析完全吻合。

当前国内外著名纺机厂均有假捻盘系列化产品，其类型较多，作用原理基本一致，只是所起假捻作用的大小有异。转杯高速后，新型假捻盘的材料主要有，高碳合金钢、陶瓷等，前者成本高，后者假捻作用大，是目前普遍使用的一种。它含有光盘、表面螺旋槽、表面刻槽等。光盘适用于机织纱及化纤混纺纱，螺旋槽与刻槽适用于针织纱和低捻起绒纱，螺旋槽还适用于非棉短纤纱及再生纤维纱。另外还有激光处理、渗硼处理等措施，由于其成本较高，尚须进一步研究。

3      转杯对成纱质量的影响

3.1     转杯转速和直径的配置

转杯影响成纱质量的主要参数是速度、直径和凝聚槽型式。速度是影响成纱质量的基因。专题试验得出，当喂条定量不变，分梳辊转速不变、转杯直径不变，成纱质量随转杯转速提高而变差。其主要原因是由于转杯转速提高，纺纱张力骤增，纱条直径变细，其抗扭力矩变小，纱条上捻度易向剥离点传递且延伸，使捻回传递长度加长，缠绕纤维增多，结果强力下降。同时由于分梳辊转速不变，而喂入量相应增多，分梳作用削弱，纤维分离度变差，也使强力降低。高速后，由于凝聚槽积灰多、积短绒多，从而使粗节、棉结增多。

根据以上分析可知，转杯高速后，首先应考虑纺纱张力的稳定问题。从理论上讲，纺纱张力T=mrω²(其中：m为纱线密度，r为转杯半径，ω为转杯角速度)。当纺纱特数不变，转杯高速后，降低纺纱张力的主要手段是减小转杯直径。因此，随着转杯转速的不断提高，新型转杯纺纱机配有各种大小直径的转杯。例如，Autocoro型机，转速范围4万～15万 r／min，配有56、46、40、36、33、31、30、29、28 mm等9种转杯；BD-D330型机转速范围为3.1万～10万r／min，配有66、54、43、36、35、34 mm等6种转杯，国产F1604型机转速范围为3.6万～9.5万r／min，配有66～33 mm多种转杯。实践得出，纺纯棉粗特纱，转速为3.6万～4万，用66 mm大直径转杯。纺中特纱，转速为5万～8万，用56、40mm转杯；纺中、细特纱，转速9万～10万r／min，用36、33mn转杯；10万～12万r／min可用33、31mm转杯；13万r／min用30 mm转杯，15万r／min用28mm转杯。由此可见，转杯高速配小直径转杯，低速配大直径转杯，其主要目的是平衡纺纱张力，稳定生产。

高速后应确保转杯内一定真空度，实践得出，转杯转速与转杯真空度的合理配置列于表7。 

由表7可看出，转杯转速越高，转杯真空度应越大，这是因为转速高，喂入量相应增多的缘故。在相同转杯转速条件下，抽气式转杯真空度大于自排风式，这是因为抽气式输送管比自排风式长的缘故。新型Autocoro 360型转杯纺纱机，转杯最高转速达15万 r／min，其转杯真空度配9.5 kPa，以满足分梳辊11000 r／min的生产要求。

3.2     凝聚槽形状

随着转杯转速的提高、纺纱特数的不断变细，转杯凝聚槽形状也随之不断改进。当前凝聚槽形状较多，归纳起来，主要根据不同纱号设计不同槽型。例如，纺纯棉粗特纱(100~60 tex)宜选G型槽(圆弧平底槽)，使纱条在槽中顺利转动，纺纱稳定性好；纺60~30 tex中特纱，宜选T型或K型(尖角平底槽)，其凝聚角具有正、负角，是当前普遍使用的槽型，它既能提高凝聚须条紧密度，又能排除尘杂，提高成纱强力，凝聚角大小取决于纺纱特数，如纺粗中特纱选用45°、50°；纺细特纱选用35°。纺粗于28 tex的针织纱，宜选用S型槽；纺41～17tex化纤，宜选用V型槽，目的均是为了提高成纱均匀度。

转杯高速后，凝聚槽易磨损，纱条在运行过程中，边纤维与磨损的槽壁摩擦易产生棉结、粗节，影响成纱条干。新型凝聚槽、滑移面采用新的表面处理，例如硼化物镀层、金刚石-镍镀层、硼化物-金刚石双镀层、氧化处理以及镀硬铬处理等，一般均能提高耐磨度，提高质量，并延长使用寿命。 

4      结语

分梳辊、假捻盘、转杯是影响成纱质量的三大要素。其中每一要素对成纱质量影响有所侧重。分梳辊主要影响纤维分离度，从而影响成纱强力、条干和粗细节。假捻盘具有假捻效应，主要有利于提高动态强力，降低成纱断头，稳定生产，但不利于提高成纱强力。转杯转速、直径和凝聚槽形状等直接影响成纱质量，转速与其直径的配置是关键。当前新纤维层出不穷，新品种繁多，因此，必须掌握三大件与成纱质量的关系，然后根据纤维特性、纺纱特数，纱的用途，机械状态等，综合考虑，正确选配三大件，才能确保成纱质量、稳定生产。

参考文献：

［1］上海纺织控股(集团)公司，等．转杯纺关键部件及其工艺配置［M］,棉纺手册(第三版)．北京：中国纺织出版社，2004．

［2］张百祥．针辊在转杯纺的应用与分析［Ｊ］．梳理技术，2003年8月，第7期:19-22．

［3］奚琼,等．纺绢／羊绒混纺纱转杯主要元件的优选［Ｊ］  纺织器材，  2007,(3)．

［4］张跃峰,等．F1604型转杯纺纱机的设计［A］.第12次全国新型纺纱学术会论文集［C］,2004．

［5］章友鹤,等．应用Autocoro 312型转杯纺纱机生产针织纱［A］.第12次全国新型纺纱学术会论文集［C］,2004．

［6］朱敏峰,等．RFRS10转杯纺纱机使用讨论［A］.第12次全国新型纺纱学术会论文集［C］,2004．

［7］汤龙世,等．BD-D330型转杯纺纱机性能特点以及工艺配置分析［A］.第12次全国新型纺纱学术会论文集［C］,2004．

［8］孙鹏子,等．梳针刺辊与锯齿辊分梳质量的研究［A］.第12次全国新型纺纱学术会论文集［C］,2004．

［9］汪元清．新型梳针型刺辊及预分梳板使用实践［Ｊ］．梳理技术，2004年1月，第8期：51．