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论现代纺纱工艺的梳理强度
贺福敏 （东华大学）
棉纺属加工工业，原料和设备为两大要素。原棉的质量和品种，对纺纱起决定性作用。我国棉产量位居世界第二，棉业正在经历重大变革，国家科技部领导的863计划中，转基因棉（BT Cotton Bacillus Thuringienes）的发展已为国际瞩目。2003年，BT棉占全国棉田的57.8%，达2 797 000公顷［1］。国产棉之品质，70%以上在国际上属中偏上水平，适纺中，细号纱，但地区差异不小。纺10号纱左右则有赖新疆等地的长绒棉，植棉有待农业的发展。除原棉外，纺纱生产就在于工艺、技术和装备。这方面国际上80年代后发展迅速，从近年的纺工展可见一斑。以纺纱工艺技术而论，我国纺织界的学术研究、技革创新各单位有过轰轰烈烈的岁月。近年学术空气已恢复发展。纺机（器）业考虑和加大科技投入，实现科技创新［2］，在各方面的共同努力下，必将为我国的纺纱技术现代化作出贡献。
1 纺纱新设备和梳理工艺
1．1 概况现在进入新型棉纺厂车间，可以看到：
（1）往复式自动抓棉机开始的清梳联设备，已全面自动化，其中短流程清棉机由一抓一开一混一清的高效设备组成，由抓棉机输出的棉束一下子小到约25mg。
（2）清梳联的另一端为全封闭的高产梳棉机，台数不多，环境整洁，其梳理效能高，一道工艺完成，出条速度可达120~300 m/min，很少需要人工操作。
（3）条精车间的精梳机车速为旧型机的翻倍，可达350~400钳次/min，棉条品质精良，机器噪音甚小，车间洁净。
（4）转杯纺纱可充分利用原棉资源，纺杯速度可达60000~150000 r/min，出纱速度为环锭纺的5倍以上，细纱以筒子形式输出，自动化程度高。
（5）环锭细纱机和自动络筒机，可以自动化地联接，大大减省了劳力，降低劳动强度。
此外，组合起全流程高速高产的尚有其他先进的主机，输送机械和吸风辅机配合运转，用人不多。纺纱厂的生产环境好，现代化。
1．2 锯齿（针刺）与增强梳理
纺纱工艺所处理的纤维数量巨大。如棉纤维平均长度28mm，细度0.165tex，每毫克纤维约216根，每千克约216亿根。现代纺纱各工序设备的单产，以梳棉机为例，最高理论产量达120kg/h，实际亦可达50kg/h以上，比过去旧机5kg/h的单产提高了10倍以上。前道清棉机和后续的精梳机，单产亦比旧机高数倍。这样，每小时处理成百亿根量的纤维，根根都要“过堂”。将其从棉包内混乱无序，相互纠缠，紧聚的状态，变为根根分离、伸直，具有一定的方向性，同时去掉所含的短纤维，纤维疵点，杂质和尘土，形成棉条，最后成纱。其所使用的机器元件，主要是锯齿或针刺，处理的工艺就是梳理。过去常说“梳得好就纺得好”可谓一语中的。时至今日，梳理用针布规格不断创新，制造精良，各机件上配套应用，工艺速度优化，梳理在纺纱流程中扩大运用。如称“开清棉预梳化，梳棉精梳化，精梳超梳化”［3］，充分说明梳理在纺纱工艺中的核心地位。更有转杯纺的分梳辊，以5000~8000 r/min的高速加工棉条，成为纺纱机上以锯齿处理的新技术。再以梳棉机为例，按单产每小时处理的纤维量比旧机猛增10~20倍。若以锡林与相关机件提速，结合新型针布、锯齿增密等技术，两者合计，其新增的工作总齿数尚不过6~8倍。面对单机每小时加工百亿根计的纤维量，还得依靠各种新型（附加）分梳件的协同。包括盖板反走，多处吸尘（棉网清洁器）和其它辅助设施在工艺上的配合。即并非单纯依靠针齿。中心在于锯齿（针齿）配合气流，在纺纱各工序机台上改善和提高了“梳理强度”，此工作可说是方兴未艾。可以预期不久将有梳理的更新技术问世。
2 各工序梳理作用的强化
有关两梳高产和清梳联工艺与新机，已有许多专家作了较全面、深刻的论述。此处仅就纺纱中有关强化梳理的部分，扼要地简化叙述。
2．1 清棉
代表性机型可以取各类清梳联流程的刺辊型主除杂机（清棉机）为例，如FA116型主除杂机（附FA179型喂棉箱）或者其他类机型如FA108，FA119，FA108E等。FA179棉箱与梳棉机喂棉箱的工作相似。主除杂机由三个齿条辊组成：给棉辊、转移辊和分梳辊，420mm分梳辊的周围布置有除尘刀、分梳板和吸杂口。辊速达1850 r/min，为减少纤维损伤亦有降至1000 r/min以下。除了对棉层握持更柔顺外，其配置与梳棉机刺辊相似。产量约400 kg/h，为高产梳棉机的4倍。因抓棉机输出棉束已小至25mg，显然，本机对棉束可进一步梳解。据称可减小约60%，单机除杂效率可达50%［4］，短绒增加不多 (+0.40%~+3.5%)，棉结增加+20%［5］。
2．2 梳棉
梳棉机一向是纺纱工程梳理的核心，强化表现在如下几方面。
高速度、高齿密和工艺优化。传统尺寸锡林速度可达500~600r/m，为旧机的3~4倍，针面纤维的离心力大增。新型锯齿的齿密可达660~1080（20系列和18~15系列）近乎为旧机的一倍。相应地有刺辊等的加速。
新型锡林金属针布齿型和针布四配套［6］。所谓锡林针布规格上的“矮、浅、薄、密、小”，盖板针布则提高齿尖硬度、耐磨、加强基布。
发挥回转盖板潜力。盖板反走使工作区盖板针面充塞程度改善，近道夫侧盖板的梳理能力增强。结合小踵趾，针面3mm小平面，紧隔距挖掘了盖板的潜力（回转盖板针齿形状改变不大，其分梳作用有待开发）。
增添附加梳理件。各种新型梳棉机上最引人注目是种种附加梳理件，五花八门，如刺辊分梳板1~2块，锡林后固定分梳板2~14块（FA 232，CX400），一般3~6块（DK803，C501）前固定分梳板3~9块（FA203，FA221B，CX400）和棉网清洁器［7］。对刺辊分梳板的效果曾有微词认为它影响落棉控制。对后固定分梳板至今仍有报告［8］认为：“单独加装未见改善成纱细节、粗节”。从历史发展看，有关附加分梳件作用的讨论，随着梳理过程在线测试的结果，装分梳板前后脉冲分梳力与棉束大小的数值变化，对分梳板的作用已可肯定，同时也因分梳板装置的技术进步而使争议渐成历史。当前国内外新梳棉机全都用上，视为一种成熟的技术［9］。固定分梳板针齿的配置也改进了早期的单一规格，如以JF 305 S3型6+4配置为例，后固定盖板自下而上为：齿密87/（25.4mm）2×2，反齿盖板164齿/（25.4mm）2×1，带除尘刀的后棉网清洁器，164齿/（25.4mm）2×1，233齿/（25.4mm）2×2并配以相应的合适隔距。前固定盖板自上而下；反齿导流盖板558齿/（25.4mm）2×1，带除尘刀的前棉网清洁器，558齿/（25.4mm）2×3。又如FA218型梳棉机上紧靠棉网清洁器有倒齿固定盖板。现在众多新型梳棉机都在前后固定盖板部位，充分考虑该处锡林针面纤维、杂质和气流的情况，以改善固定分梳板的作用。这些当然不能单纯地以分梳板的针齿数计算来衡量其作用的。
增加锡林周围及刺辊部分的吸风。众所周知，梳棉机上的气流运动影响分梳、除杂、排短绒微尘，长纤维失落以及棉网均匀度。锡林等机件高速以后气流的作用更为凸显。高产梳棉机吸点可多达8~17个，几乎无处不吸。风量每台多达3200~4 000 m3/h。过去梳棉机的吸风目的在减少飞尘，以后用作吸落棉、回花，安全防轧措施。现在已经成为梳理过程去除短纤、疵点、微尘，改变针面纤维形态之必不可少的手段，成为分梳工艺的一个组成部分，它起到针齿未能完成的作用。吸风和滤尘系统良好运行对于稳定梳棉机的高速、安全运转必不可少。
锡林包卷的金属针布“矮、浅、薄、密、小”之后，握持纤维之能力大大加强，相应地，盖板针布的配套有花纹型和横密型或钻石型之分，以适应不同纺纱性能的纤维。总的说来，回转盖板与锡林间的研发相对不多。如盖板的工作区根数。盖板在高产梳棉机中的均匀作用，去除各类杂质、疵点的能力等方面。
2．3 精梳
不论是高速型（E 62，P×2，CJ40），中速型（CJ 25）和普通型（A 201D，E）精梳机，其梳理的主件，锡林和顶梳以及钳板和分离机构的发展趋势并不矛盾。加强梳理作用的主要措施有如下几种。
扩大锡林齿面角。如PX系列90°，112°任选，又如锦锋的整体锡林为111°。在不影响分离接合、保持钳板闭合下挖掘梳理区的潜力，可新增梳理面约10%以上，最大可达24%［10］。
分组式锯齿整体锡林的设计增强了锡林的梳理作用，主要是锯齿工作角，齿尖角，齿深，齿厚、纵横齿距均是先大后小。这在梳棉机锡林上是做不到的。结合齿面角的扩大，锡林上的总齿数由原A201系列的8000～9000枚（梳片式锡林约7944枚）增加到14000～18000枚（整体锯齿式可在15000～22000，如PX2型约23000）。
轻质铝合金材料钳板，能在高速时上下钳板双线咬合，加压力大幅度提高，有的两侧合计达100kg(E62)。
顶梳整体化、针齿加密、20～30针/cm且能周期地自动吹气清洁顶梳、防止嵌花落入纤网。
2．4 转杯纺
这是新型纺纱方法中最成功、最成熟的技术。在转杯纺纱器中应用分梳（锯齿）辊，其作用在将棉条梳分成单根纤维，借助气流输出，完成对喂入棉条的2000倍以上的牵伸，于是，转杯中纤维的凝聚，加捻过程得以顺利完成。应用分梳辊这一创造，对于转杯纺技术的完善起了决定性的作用。
棉条由给棉罗拉和给棉板连续喂入分梳辊。给棉罗拉的压力约26.5N(2.7kg)，分梳辊直径60～80mm，纺棉的小些，如FA604型64.6mm 齿面宽24.2mm。如包装OK61型齿条，纵向齿距4.2mm，基部宽0.9mm、齿密18.56齿/cm2，齿的工作角65°～66°。也有采用针辊，针密13针/cm2，植针角75°～85°。分梳辊的作用类似梳棉机刺辊，其周围有落杂通道，气流补充通道。分梳辊速度常用7000～8000 r/min，一般认为速度过低时嫌分梳不足，过高则损伤纤维［11］。所谓分梳不足乃指棉条纤维未能充分分离。按喂入条子是熟条，其纤维分离度可在九成以上［12］。由计算可得每根喂入纤维所受作用齿在7齿/根以上。如按于文瑜［13］计算：FA601机喂入速度0.82 m/min，分梳辊直径64.2mm，7000 r/min时表面速度1428.7 m/min，分梳辊一周表面纤维根数12.8根，辊的周长203 mm，则以平均长度27 mm的纤维，其头端平均移距为203/12.8=15.86 mm（如考虑纤维在辊的横向分布则移距更大）。国外在70年代发表的运转中转杯纺分梳辊表面的纤维状态，可以看到，纤维并非被锯齿钩在齿尖端作弯折状，而是浮游在锯齿齿尖表面，略有粘附，纤维相互之间有很好的分离。
由上可知，转杯纺分梳辊对喂入棉条有剧烈的打散作用。借助周围气流的运用，进行排杂，以单独纤维状在气流中逐根加速输送到转杯的凝棉槽。锯齿对纤维损伤似乎不容置疑，只是转杯纱的成纱结构不同于环锭纱，短纤维对成纱强力的影响不易显露。
3 梳理强度的量度
用算式表示梳理程度，以便进一步运用一直是纺织界追求的目标。近年随着梳理技术的发展更引起了广泛的注意。这里略予讨论作为抛砖引玉。
3．1 梳理作用分型
3．1．1 传统概念
梳理是一个过程，其条件、作用和结果是：有两个针面，按一定的方向相对运动，针面各自能抓取或释放纤维；将针面间的呈纠缠状的纤维丛松解，使之趋于单根状态，排列初具方向；除去纤维疵点和杂质，并制成纤维条；梳理时两针面间的作用可分为分梳和剥取。在梳理过程中，伴随发生纤维流的均匀作用。
按以上叙述，可用以基本解释梳棉机上全过程纤维的运动和梳棉机的工作。习惯上，把刺辊与给棉板间对棉层的作用称为握持分梳，纤维受力较大，损伤显著；锡林盖板与锡林道夫间称为自由分梳，纤维受力较小。道夫输出棉网后集合成条。此外，将精梳机锡林对钳板钳持棉层的作用，也称为握持梳理。严格地说，这种梳理同刺辊对给棉板棉层的梳理有区别。因为刺辊工作时，给棉罗拉不断喂入棉层，即给棉罗拉握持一段时间后即释放纤维，而精梳锡林梳理纤维时上下钳板闭合，牢牢地握持着，待锡林针面角转过之后，分离过程开始，钳板才开启，送出一小段（给棉长度）棉层。以后钳板再次闭合，锡林立即梳理。若纤维主体长度29 mm，给棉长度5.2 mm。棉层中主体长度的纤维需经受近6次的钳板启闭，锡林6次梳理，才被分离进入棉网。因此纤维受梳时的作用长度逐渐增加的。这种梳理方式因喂入棉层纤维已较为分离和伸直平行，因此对纤维的损伤不大，其作用是以锡林针齿带走未被钳板握持住的短纤维和杂质、疵点，长纤维不应被锡林带走。
3．1．2 梳理的再划分
根据实际的工艺，有必要再分为：
“移动握持梳理”：上述精梳机锡林对棉层梳理时，受梳纤维是不动的，一根纤维经多次梳理后才获得释放分离。梳棉机刺辊与给棉板间对棉层作用时，棉层仍在缓慢连续输出，所谓握持不是死死的而是在运动之中。因此应该区别于精梳梳理，可称之为移动握持或柔性（弹性）握持。梳理连续进行。纤维能够在经受一定的锯齿摩擦作用长度之后，适时地被释放并且被锯齿带走。工作结果及纤维是否受损伤取决于三点：一是喂入棉层的结构即原来的纤维间纠缠或分离程度；其次是锯齿作用于每根纤维的摩擦长度和齿数（亦即与喂入量有关）；再次是握持的力度。最后一点尤其重要。棉层中的大而重硬的杂质易被锯齿对其作用时的打击冲量作用下获得动量，脱离棉层而落去（即冲量f·t=动量m·v）如果刺辊周围有除尘刀的配置则除杂效果会更好。其它未被开松的棉束、单纤维、纤维疵点和杂质，由刺辊带走或随刺辊表面的气流一起回转、处于附面层之中，在刺辊周围布置除杂刀、吸风刀、分梳板、吸尘杂管，能进一步松解棉束，去除短纤维和杂质、疵点。其效果可以根据这些机件的工艺设计而定，力求取得最佳的开松梳理除杂效果、与纤维的损伤之间求得平衡。这种梳理方式因其包含较多的影响工艺参数。变化范围广，适应纺纱的不同工序，有很好的松解棉束与除杂效果，而对纤维的损伤可以减到低的程度。
根据郑州［14，19］在FA108单刺辊清棉机和FA109三辊清棉机上的试验。经过该机加工棉中短绒（%）试验情况见表1。增加不多或有减少（均有吸风）。经过FA109加工后棉束平均重量减小60%。能有效地防止纤维损伤（见图1）。
移动握持梳理一般不能将喂入棉层的棉束100%地加工成单纤维。
单纤输送式移动握持梳理。这是移动握持的特例。其特点在：一是喂入纤维条之纤维相互间基本上已分离且相互平行化；再是要求逐根输出纤维。故其每根纤维所受作用齿数必须很多，否则达不到后道工艺对接受纤维的要求，纤维的输出可借助于气流的作用，详情已见前2.4节，转杯纺纱的分梳辊属此。
“固定握持梳理”：仅限于精梳机，锡林对钳板棉层的梳理，顶梳的"拦梳"原理上属此。
自由分梳。辊筒与分梳板之间，锡林与盖板之间等属此。
3．1．3 梳理度
一般都按下述观点来表示梳理程度：“纤维在梳理区域内的受梳程度以单位量纤维（1根或1g）的受梳齿数或反过来以每只齿分担的纤维根数或重量”。其大致数字范围（齿/根）举例如下。
FA109三辊清棉机的三个齿辊（产量400kg/h）依次为0.0045、0.021、0.107；
FA225梳棉机的三个刺辊 (产量48 kg/h) 依次为0.190、1.147、2.000；
FA221 B梳棉机锡林(产量48 kg/h)为12.52；
梳棉机刺辊(产量20kg/h)为0.614；
精梳机锡林(锡林齿21000枚一转梳理)为 0.337；
精梳机顶梳(26齿/cm)为0.0152；
转杯纺分梳辊为6～10。
早先提出这种梳理度表示法的书上［15］同时指出:算法的基础是“按常情判断”，即假定，每根纤维受作用的齿数多些，梳理效果好些。同时提出将“梳理程度”和“分梳品质”两项放在一起来核定“棉纺上原棉梳理的品质”［16］。此外还提出：“作用在1g纤维上的可能作用齿数来鉴定盖板的梳理程度”，其意思是所谓算得作用齿数/根仅是指可能，并非锡林上的1g纤维都能受到所经盖板针的作用。
以锡林与盖板或者锡林与道夫为例，它们之间纤维受梳情况有着许多影响因素，其中隔距与针的锐度影响可谓最大，难以用两针面间的相互作用齿数来统一表达其受梳程度与梳后的品质，这是人所共知的。因此，以梳理度来表示本机的制品品质尚有困难。可以设想，棉束（丝）的最终完全被梳开的过程在清、梳各机上应是逐步实现，应用梳理度数值确定各机的梳理程度分工，可能不失为一个好方法。关于梳理度的计算式推荐采用下式：
精梳锡林的梳理度 S［16］：
S=（m/n）×［（R-r）/F］〖JY〗 （1）
式中：m表示锡林上的梳针数；n表示小卷截面中的纤维数；R表示钳口线与分离罗拉间的距离；r表示钳口线与锡林梳针间的死隙；F表示给棉长度；（R-r）/F表示纤维受梳理的次数。
锡林、盖板、道夫梳理度有建议采用［17］：
C2=K2［(ncZcγL)/(PNB)］ (2)
刺辊梳理度则用：
C1=K1［(nTZTL)/(PNB)］ (3)
（2）式和（3）式考虑了两个系数和道夫转移率的影响，但系数的值不易确定，供参考。
3.1.4 纤维损伤
梳理过度剧烈而损伤纤维，包括短绒率增加、棉结增多和纤维的擦刮裂（肉眼不可见）［18］，生产中以Y111型罗拉式长度分析仪或Y121型梳片式长度分析仪（16mm以下为短绒）或AFIS仪器检（12.7mm为短绒）可以相互对照，作为梳理程度的一种间接参数，损伤多即梳理剧烈。
3．1．5 吸尘与吸落棉系统
吸尘与吸落棉系统吸除的杂质，短纤维等应予计量，核算总的数据平衡，有利于确定损伤纤维概况。
3．1．6 专项测试
专项测试在线检测棉束大小变化，脉冲梳理力和梳理功能有助于分析梳理强度与效果。其他的特种测试方法尚有多种［20~24］，从略。
4 结束语
（1）各工序利用锯齿（针刺）处理大量纤维是纺纱技术发展的需要，有利于缩短工艺流程和减省机台。单机上增添各式增强梳理的机件是技术发展的趋势。
（2）增强梳理导致锯齿加大对纤维的打击与摩擦，纤维损伤的宏观表现为短绒、棉结增加，杂质碎裂，这种副作用有可能通过移动握持棉层等方法得到改善，有相当的发展前景。
（3）各机上的吸尘、吸杂（如棉网清洁器）已成为增强梳理去除短纤和杂质疵点的必要手段。目前对吸风系统的除短绒量与工艺处理中纤维损伤关系尚待注意分析。
（4）增强梳理首先可着眼于全流程的整体调节，各工序都要研究增强梳理、提高品质的正反效果。梳棉机是梳理工艺的核心机台，已发展了很多技术与机件（包括针布）。对于回转盖板的开发，尚待深入。
（5）影响梳理强度与效果的因素繁多。单纯以每根纤维上的作用齿数难以反映全面情况。但在一定范围仍可作为一个参考指标。今后要创立一个包括此参数在内的全面评价梳理强度与效果的指标体系。AFIS仪器及类似仪器将起到推动的作用。
（6）转杯纺分梳辊的高速运行是锯齿辊筒分梳作用的新应用，需要研究利用此种方法于清梳机械的可能性。
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