本文发表在2024年出版的第42期《梳理技术》杂志上，更多好文章期待您的投稿。投稿/赠阅咨询邮箱：shulijishu@geron-china.com或致电13862860500杨女士
摘要：为降低纺纱企业生产成本，提高生产效率，介绍多区域齿形锡林针布的设计背景；分析该针布的设计原理及方案；以AC2035*01640型多区域齿形锡林针布为例，通过现场试验分析其对棉、粘胶的梳理效果，总结多区域齿形锡林针布的应用环境。指出：多区域齿形锡林针布，可以兼顾棉纤维和化纤的梳理效果；其梳理的棉纤维成纱质量可以达到乌斯特公报2013年5%以内的水平，而化纤可以达到市场可接受的水平，满足纺纱企业多纤维高效梳理需求。
关键词：多区域；齿形；锡林针布；梳理器材；棉纤维；化学纤维
0.引言
纺纱梳理是纺织工业的核心领域之一，以多工序组合，将无序、高含杂的多维纤维制成有序、洁净的纱线，故而梳棉机被称为“纺纱心脏”[1]。在纺纱过程中，梳棉机承接来源于开清环节的棉卷或筵棉，将喂入的纤维棉束分解为单纤维并排出杂质和疵点，经过反复混合成网后凝聚为生条，供后道工序使用。针布是梳棉机的核心分梳元件，完整的针布梳理系统包括刺辊、锡林、道夫、活动盖板针布以及附加分梳元件等。
随着纺纱原料及纱线品种的多元化发展，传统梳理器材难以满足多种纤维兼容的需求。市场波动促使企业频繁切换原料、更换梳理器材及工艺，造成浪费与停机。为实现多纤维高效梳理，亟需开发一种多区域齿形锡林针布，以降低成本，提升效率。
1. 多区域齿形锡林针布的设计背景
1.1 纺纱行业的多元化挑战
当前纺纱行业中，纺织纤维原料包含棉、化纤、纤维素纤维等众多纤维，且纤维种类呈现日益增长的趋势。对于不同的梳理纤维，后道成纱系统要求的梳理质量、梳理效率要求各不相同，尤其是棉与人造纤维时，其梳理工艺条件有明显差别。
1.2 传统纺纱厂梳理器材的应用局限
在传统的纺纱厂中，一般都是固定梳理一种或者少数几种纤维原料。当原料切换时，仅在梳理工艺上进行微调，通常不涉及梳理器材的更换。梳理器材通常在其寿命范围内仅梳理一种或者性能相近的少数几种纤维。在这样的情况下，只有在梳理器材寿命、或者因为事故导致梳理器材损坏才会更换梳理器材。当纤维发生变化后，尤其是与当前纤维物理和化学性能发生较大突变，纤维长度、纤维细度、纤维的摩擦系数等发生非常大的变化时，在梳理过程中，尤其是分梳转移时，出现各种问题，例如绕锡林、挂花或者是棉网清晰度差、质量指标差异等问题。纺纱厂为了保证纱线质量，此时通常需要更换主梳区器材[2]。
1.3 市场波动，纺纱厂调整生产战略
近些年，国内外市场动荡不安，原材料价格变化波动篇幅才幅度较大。一些纺纱厂尝试在棉花价格较高时，通过纺涤纶等化纤替代棉花降低生产成本。但是，由于当前梳理针布难以兼容多种纤维梳理，纺纱厂为保证正常生产运行和产品质量，不得不提前更换未达使用寿命，甚至生命周期还不到一半的梳理器材如锡林针布，这不仅造成了梳理器材的浪费，还会因更换梳理器材导致停机，影响生产效率。
鉴于上述面临的挑战与困境，笔者对最新发明的一种多区域齿形锡林针布（AC2035*01640）进行介绍。该针布可以同时适应多种纤维的梳理过程，同时达到相对可以接受的梳理效果，解决了因纱线品种更换，纱线原料性能差异较大，需更换针布的文艺，既解决了成本，又避免了停机导致的生产时间的浪费。
2. 多区域齿形锡林针布的设计
2.1 针布设计原理
多区域齿形锡林针布的设计原理为：在锡林针布的最小重复单元上构造两个握持能力不同的梳理点位。其中一个点位的握持能力与棉纺锡林针布AC2040×01740或者AC1745S×01838近似；另一个点位的握持能力与纺涤纶锡林针布AC1730×01550近似。
2.2 设计方案
2.2.1 早期设计方案
早期日本工程师尝试在同一个齿上构造出多种点位，如图1中的3个工作角区域a、b、c所示，以到达实现兼容多种纤维梳理的效果[3]，但是并没有广泛地被市场所接受。这可能是因为当梳理化纤维时，化纤实际的梳理点位并不在位置较深的低工作角区域b。因为纤维沉入低角度区域时，其被盖板针尖抓取的几率显著降低，纤维难以得到很好的梳理效果。在这种情况下，化纤依然主要在高角度的齿尖a附近发生梳理。这就导致了化纤产生转移困难，甚至绕锡林的情况出现，导致不良的梳理效果。
2.2.2 多区域齿形锡林针布设计方案
本方案采用构造两个齿，采取不同齿深、不同齿根半径，齿背构造具有不同的握持能力的梳理点位，多区域齿形锡林针布涉及见图2。
具有不同握持能力的梳理点位分别在于不同的齿尖部位，即棉梳理点位位于齿1，而化纤梳理点位位于齿2。其中棉纤维的点位的梳理能力接近AC1745S×01838型高性能梳理针布，化纤纤维的梳理点位的握持能力靠近AC1730×01550。
当棉纤维被棉纤维梳理点梳理时，可以到达高性能梳理效果，被化纤点位梳理时，效果相对较差，综合起来依然能够达到较好的梳理效果。而当梳理化纤时，化纤的一端被棉梳理点位控制，由于其两侧均为化纤梳理点位，并且采用气流托持齿形，化纤的另一端同时被棉梳理点控制的几率很低，因此可以避免梳理化纤导致的转移困难以及绕锡林问题。同时由于化纤本身对梳理与排杂的要求低于棉，因此尽管存在较多不适合化纤的梳理点位，但是由于总体密度的提高，实际用于高质量梳理化纤的点位也是增加的，综合来看，纺化纤时的效果也是可以接受的。
图1 早期多区域齿形锡林针布设计
图2 多区域齿形锡林针布设计
此外，在设计这些点位时，采用了计算流体力学的方法进行仿真模拟评估[4]，以确保点位的握持能力尽可能地符合预期。
3. 现场试验
3.1 试验方法
为了验证多区域齿形针布的具体效果，在南通某纺纱厂A以及广州某纺纱厂B进行了相关试验，在不更换锡林针布与盖板针布的条件下，切换梳理纤维原料类型，即棉纤维与粘胶纤维切换梳理、棉纤维与涤纶纤维切换梳理，采用AC2035*01640型多区域齿形锡林针布进行梳理，通过生条及成纱质量指标对比，分析多区域齿形锡林针布在所梳理纤维原料类型变化后的实际梳理效果，判断是否满足多种纤维兼容的梳理要求。
3.2 棉纤维与粘胶纤维切换试验
3.2.1 棉纤维梳理试验
采用AC2030*01740型、AC1740*01740型常规针布与使用AC2035*01640型多区域齿形锡林针布在南通A纱厂进行切换梳理实验的棉纤维生条质量指标对比见表1，其纺织的C14.6 tex成纱质量指标对比见表2。
表1 棉纤维生条质量指标对比
机台 |
锡林型号 |
纤维长度/mm |
总棉结 /(粒·g-1) |
籽皮棉结/(粒·g-1) |
短绒率(<16.5mm)% |
质量水平/% |
13# |
AC2035*01640 |
25.7 |
33 |
3 |
14.2 |
5 |
14# |
AC2030*01740 |
25.5 |
51 |
1 |
13.7 |
25 |
15# |
AC1740*01740 |
25.5 |
37 |
3 |
14.5 |
5 |
由表1可见，纺棉时，AC2035*01640型多区域齿形锡林针布的生条质量与AC1740*01740型常规针布相当，且显著高于AC2030*01740型常规针布，达到乌斯特公报2013年5%以内水平。
表2 C14.6 tex成纱质量指标对比
机台 |
锡林型号 |
CVm/% |
+50%粗结 |
+140%棉结 |
+200% |
质量水平/% |
13# |
AC2035*01640 |
13.7 |
60 |
832 |
189 |
5 |
14# |
AC2030×01740 |
14.1 |
83 |
1043 |
255 |
25 |
15# |
AC1740×1740 |
13.6 |
54 |
805 |
174 |
5 |
由表2可见，纺C14.6tex纱时，AC2035*01640型多区域齿形锡林针布的成纱质量也可以达到乌斯特公报2013年5%以内水平，表明多区域齿形锡林针布可以较好适应棉纤维的梳理。
3.2.2 粘胶纤维梳理试验
采用AC2035*01640型多区域齿形锡林针布与使用AC2030*01550型常规针布在南通A纺纱厂进行梳理的粘胶纤维生条质量对比见表3，其纺制的R14.6tex成纱质量指标对比见表4。
由表3可见，纺粘胶时，AC2035*01640型多区域齿形锡林针布同样可以达到优良的梳理效果，其生条质量指标与AC2030*01550型常规针布接近，达到乌斯特公报2013年5%以内水平，但是短绒率略高。
表3 粘胶纤维生条质量指标对比
机台 |
锡林型号 |
纤维长度/mm |
总棉结 （个） |
棉结大小 (微米) |
短绒率(w)(<16.5mm)% |
短绒率(n)(<16.5mm)% |
13# |
AC2035*01640 |
36.51 |
4 |
536 |
0.7 |
3.7 |
12# |
AC2030*01550 |
36.94 |
3 |
504 |
1.1 |
2.8 |
表4 R 14.6 tex成纱质量指标对比
机台 |
锡林型号 |
CVm/% |
+50%粗结 |
+140%棉结 |
+200% |
质量水平 |
13# |
AC2035*01640 |
11.1 |
4 |
60 |
17 |
5 |
12# |
AC2030*01550 |
10.9 |
3 |
55 |
15 |
5 |
由表4可见，AC2035*01640型多区域齿形锡林针布的生条短绒率略高导致成纱质量略差于AC2030*01550型常规针布，但依然处于乌斯特公报2013年5%水平内，属于纺纱厂可接受范围。
3.3 棉纤维与涤纶纤维切换梳理试验
采用AC2035*01640型多区域齿形锡林针布在广州B纺纱厂进行试验时，相关数据如表5所示。
由表5可见，AC2035*01640型多区域齿形锡林针布乐意获得极佳的棉纤维梳理效果，满足客户对棉纤维的生产需求；用于涤纶时，T 36.5 tex品种的成纱质量指标表现较好，T 14.6 tex品种的成纱质量表现略差，但均在可接受范围内。因此AC2035*01640型多区域齿形锡林针布可以实现棉和涤纶纤维多品种切换梳理。
表5. 棉与涤纶纤维切换梳理的成纱质量指标对比
纺纱品种 |
CV/% |
+140%棉结 |
+200% |
A1纱疵 |
C 14.6 tex |
8.24 |
12.5 |
5.5 |
83.1 |
8.28 |
8.5 |
1.5 |
39.2 |
|
T 36.5 tex |
8.08 |
17 |
2 |
126 |
7.72 |
9 |
0 |
36.2 |
|
T 14.6 tex |
11.51 |
122 |
14 |
354.2 |
11.65 |
163 |
20 |
273.9 |
4 多区域齿形锡林针布的应用环境
根据棉纺厂的试验结果，可以观察到多区域齿形针布在梳棉时可以达到与常规棉纺针布一样的梳理效果，不会影响最终的成纱质量。而在梳理人造纤维，如粘胶或者涤纶时，成纱指标相对不足，但是差异很小，在可以接受的范围以内。这是因为多区域齿形针布在最初对棉纤维的梳理进行了针对性设计，即考虑更好地完成对棉纤维的梳理以符合当下“大部分棉纺厂依然是梳棉为主，梳理化纤通常是临时生产要求”的市场环境。
多区域齿形针布的初步运用证明的构造梳理点位的理论措施是可行的，意味着对针布齿形的微调可以实现对梳理质量的调整。当市场出现化纤为主，棉纺为辅的场景时，可以采用调整后的多区域齿形针布实现高质量纺化纤与可接受质量纺棉。
5 结语
多区域齿形针布是应对当前棉纺厂订单相对分散，需要切换梳理原料问题的一种全新的解决方案。通过原理构建、计算分析与现场试验，多区域齿形针布可以初步实现不更换梳理针布以及其他器材的条件下，初步实现棉纤维和化学纤维的切换。
当前的多区域齿形针布型号AC2035*01640型多区域齿形锡林针布可以同时实现对棉纤维及化学纤维的高质量梳理，棉纤维的成纱及生条质量可以达到乌斯特公报5%以内的高质量水平，化学纤维梳理效果略差，其成纱及生条质量通常可以达到乌斯特公报25%以内的水平，在合适的条件下，甚至也可以达到乌斯特公报5%以内的质量水平。
多区域齿形锡林针布的应用，可以减少棉纺厂的针布使用量，避免因针布更换停机造成的时间浪费，提高了生产效率，符合当下绿色生产的观念。但多区域齿形针布目前使用的范围依然较小，需要在今后的实际使用中不断改进创新，以更好地满足市场需求。
参考文献：
[1] 费青,阙浩英,陈海涛.梳理针布的工艺特性、制造和使用[M].中国纺织出版社,2007.
[2] 陈利国.梳棉机用金属针布齿条的演变与研发思考[J].纺织器材,2020,47(05):48-53.
[3] YUZURU N. Metallic Card Clothing for Spinning Machine: JPH 01306625 A[P], 1988-12-11.
[4] Gu W H, Li F G, Cao Y C, et al. Carding Behavior and Bearing Capacity of a Newly Developed Cylinder Card-Clothing Compatible with Cotton and Terylene Fibers by Nb Alloying of AISI 1090 Steel[J]. Materials, 2024, 17(7): 1511.