（机械制造及其自动化专业论文）特种纤维梳理机的研制及其梳理工艺的研究.pdf

学位论文的主要创新点 一、根据竹纤维的特点设计出一台特种纤维梳理机，该机结构紧凑，运动平稳， 能根据纤维网的不同厚度和宽度调节喂入速度、喂入宽度、梳理次数和梳理 速度，实现复杂运动。此外，该机器还可变换不同针布梳理棉、毛等纤维。 二、分析了纤维在各辊之间的传输过程，表明纤维在传输过程中所受的主要阻力 是空气阻力，根据纤维在传输过程中的受力，建立空气动力学模型，提出纤 维的梳理过程分为强力传输和弱势传输，运用空气动力学原理阐述了特种纤 维梳理机的梳理工艺。 摘要 近年来，特种纤维成为了一个热门的话题，竹纤维及毛纤混纺纤维等产品越 来越受到消费者的青睐，致使国内外学者不遗余力地在特种纤维及其新型复合材 料领域进行研究和开发，尤其是对竹纤维的制备工艺及产品开发做了大量的基础 性工作，这为特种纤维梳理机的设计提供了基础条件。 梳理工序是特种纤维纺纱工序的重点工序之一。本文采用现代设计方法，在 深入研究竹纤维性能和梳理机结构功能的基础上，设计出了一台小型特种纤维梳 理机样机，使其能够实现对竹纤维的梳理。在设计过程中采用c a d c a e 软件联合 建模，所设计的整机在p r o e 三维软件中进行动态结构建模，导入a d a m s 软件中 进行运动学和动力学仿真，机架导入a n s y s 中进行静力结构分析，这样就完成了 整机主要部件的运动学动力学分析。 然后，分析梳理工艺，通过建立空气动力学模型，排除了离心力驱使纤维传 输的理论，突出空气动力在传输中的重要性，把平均气流看着是梳理机上各辊停 滞点之间传输的主要动力，在不同的传输区域形成强势传输区域和弱势传输区域 两个区域，阐述了纤维流在梳理机中的梳理工艺。 该小型特种纤维梳理机样机集机电一体化、控制、纺织工艺于一体。控制系 统的硬件由一套台达p l c 、变频器、触摸屏、传感器等组成。在控制方法上采用 p i d 控制。根据不同的喂入负荷调节喂入速度和主电机转速。通过大量实验，调 节喂入厚度和速度、调节梳理次数、隔距和速比关系，探索变速成网规律，寻求 最佳成网参数。 关键词：特种纤维梳理机，竹纤维，p l c ，梳理工艺 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s p e c i a lf i b e rh a sb e c o m eah o tt o p i c ，b a m b o of i b e ra n db l e n d e d f i b e ra r em o r ea n dm o r ef a v o r e db yc o n s u m e r s ，r e s u l t i n gi nd o m e s t i ca n df o r e i g n s c h o l a r st os p a r en oe f f o r ti nt h ea r e a so fs p e c i a l t yf i b e r sa n dn e wc o m p o s i t em a t e r i a l s r c s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，e s p e c i a l l yf o r b a m b o of i b e rp r e p a r a t i o np r o c e s sa n d p r o d u c td e v e l o p m e n th a v ed o n eal o to f b a s i cw o r k ，w h i c hp r o v i d eab a s i cc o n d i t i o n f o rt h es p e c i a lf i b e rc a r d i n gm a c h i n ed e s i g n e d c a r d i n gp r o c e s si so n eo ft h ek e yp r o c e s s e so fs p e c i a lf i b e rs p i n n i n gp r o c e s s u s i n gm o d e r nd e s i g nm e t h o d s ，b a s e do ni n d e p t hs t u d yo f b a m b o of i b e ra n ds t r u c t u r e a n df u n c t i o no fp e r f o r m a n c eo fc a r d i n gm a c h i n e ，t h i sp a p e rd e s i g n sap r o t o t y p e o fa s m a l ls p e c i a l t yf i b e rc a r d i n gm a c h i n et oe n a b l ei tt oa c h i e v et h er i g h tb a m b o of i b e r c a r d i n g d u r i n gt h ed e s i g nt h i sp a p e ru s i n g c a d c a es o f t w a r e ，t h ej o i n tm o d e l ，t h e d e s i g no fm a c h i n ei nt h ep r o e3 dm o d e l i n gs o f t w a r et od y n a m i cs t r u c t u r e ，i m p o r t a d a m ss o f t w a r ef o rk i n e m a t i ca n dd y n a m i cs i m u l a t i o n ，t h e n ，r a c ki sc o n d u c t e di n t o a n s y sf o rs t a t i cf o r c es t r u c t u r ea n a l y s i s ，w h i c hc o m p l e t et h e k i n e m a t i c sa n d d y n a m i c sa n a l y s i so f t h em a i nc o m p o n e n t so f t h em a c h i n e t h e n ，t h ec a r d i n gp r o c e s si sa n a l y z e d t h r o u g h t h ee s t a b l i s h m e n to ft h e a e r o d y n a m i cm o d e l ，t h et h e o r yo ff i b e rt r a n s m i s s i o nd r i v e nb yc e n t r i f u g a l f o r c ei s m l e do u t t h ei m p o r t a n c eo fa e r o d y n a m i ci nt h ef i b e rt r a n s m i s s i o ni sh i g h l i g h t t h e a v e r a g ef l o wi st h em a i nd r i v i n gf o r c et r a n s m i s s i o n ，w h i c hf o r m u l a t e ss t r o n ga n d w e a kt r a n s m i s s i o nr e g i o n si nd i f f e r e n tt r a n s m i s s i o na r e a , i l l u s t r a t e s t h ec a r d i n g p r o c e s so f t h ef i b e rs t r e a mi nt h ec a r d i n gm a c h i n e t h es m a l ls p e c i a lf i b e rc a r d i n gm a c h i n ep r o t o t y p es e t s o fm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a li n t e g r a t i o n ，c o n t r o l ，t e x t i l et e c h n o l o g yi no n e c o n t r o ls y s t e mh a r d w a r e c o n s i s t so fas e to fd e l t ap l c ，i n v e r t e r , t o u c hs c r e e n ，s e n s o r s ，e t c c o n t r o lm e t h o d u s e si nt h ep i dc o n t r 0 1 d e p e n d i n go nt h ef e e d i n gl o a da d j u s t st h es p e e do ff e e d i n g m o t o ra n dt h es p e e do fm a i nm o t o r b yal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t s ，r e g u l a t et h e t h i c k n e s sa n ds p e e do ff e e d i n g , a n dr e g u l a t et h en u m b e ro fc a r d i n g ，g a u g e sa n ds p e e d r a t i o ，w ee x p l o r et h ev a r y i n gv e l o c i t yn e t w o r kr u l e s ，f i n dt h eb e s tp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：s p e c i a lf i b e rc a r d i n gm a c h i n e ，b a m b o of i b e r , p l c ，c a r d i n g p r o c e s s 目录 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 课题来源及研究的意义2 1 3 国内外发展现状3 1 4 特种纤维梳理机的发展趋势5 1 5 本课题研究的内容及拟解决的问题5 第二章特种纤维梳理机机构设计9 2 1 竹纤维概述9 2 1 1 竹纤维的种类9 2 1 2 竹纤维原料加工9 2 1 3 竹纤维梳理原则1 0 2 2 梳理机原理方案研究1 1 2 2 1 三大作用1 1 2 2 2 纤维的沿针运动1 1 2 2 3 纤维的绕针运动1 3 2 3 机械结构设计1 4 2 3 1 结构类型的选用1 4 2 3 2 机构设计15 2 4 隔距调节l8 2 5 本章小结1 9 第三章特种纤维梳理机机构仿真与分析2 1 3 1 现代设计方法概述21 3 2p r o e 下三维模型的建立2 2 3 3 分析模型的建立2 3 3 4 特种纤维梳理机主要部件在a d a m s 中的运动学及动力学分析2 3 3 4 1 特种纤维梳理机剥取机构的运动学及动力学分析2 3 3 4 2 特种纤维梳理机锡林的运动学及动力学分析2 5 3 4 3 特种纤维梳理机其余部件的动力学分析2 6 3 5 特种纤维梳理机机架静力结构分析2 7 3 5 1 几何模型的建立2 7 3 5 2 材料属性的设置2 8 3 5 3 定义单元类型2 8 3 5 4 划分网格2 9 3 5 5 边界条件的确定2 9 3 5 6 载荷的施加3 0 3 5 7 计算结果分析3 0 3 6 本章小结3l 第四章梳理工艺的研究3 3 4 1 梳理工艺概述3 3 4 2 纤维模型3 4 4 2 1 纤维上的拉力3 4 4 2 2 内部纤维力3 6 4 2 3 方程的准稳念系数3 7 4 3 空气动力学模型3 8 4 4 强力传输3 9 4 5 弱势传输4 0 4 6 结论4 1 第五章输出纤网的控制与检测4 3 5 1 特种纤维梳理机的工艺数学模型4 3 5 2 梳理机的总体控制方案4 4 5 2 1 控制系统确定4 4 5 2 2 控制方法的确定4 5 5 3 梳理机控制系统总体设计4 7 5 3 1 硬件总体设计4 7 5 3 2 软件总体设计4 7 5 4 控制器件的选择4 8 5 5 数据采集系统4 9 5 5 1 传感器的选择4 9 5 5 2 相关参数设定。5 0 5 5 3 传感器性能分析一5 0 5 6 三相异步电机控制5 2 5 6 1 三相异步电机控制原理5 2 i i 5 6 2 三相异步电机控制软件设计5 3 5 7p l c 与变频器通信5 5 5 8 人机界面5 6 5 8 1 人机界面构成5 7 5 8 2 触摸屏程序编制5 8 5 8 3 触摸屏与p c 机及p l c 通信5 9 5 9 本章小结5 9 第六章实验及结果分析6 l 6 1 实验环境及准备6 1 6 2 控制系统调试6 1 6 2 1 采集数据部分调试6 1 6 2 2 电机控制调试6 l 6 2 3 触摸屏调试6 2 6 3 实验结果分析6 2 6 4 本章小结6 3 第七章结论与展望6 5 7 1 结j 沧6 5 7 2 展望6 5 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表论文和参加科研情况7 0 附录a 7 1 附录b 7 4 致谢7 5 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国是世界上最大的纺织生产及出口国，纺织行业在我国工业格局中具有重 要地位，为社会提供了巨大的就业市场，为国家经济作出了巨大贡献。我国的纺 织品可以用3 个1 3 来划分( 以价值量划分) ：1 3 产品出口，1 3 为国内城市的中 高档产品，1 3 为农村产品。随着我国经济的增长，衣着和家用纺织品、产业用纺 织品都会有很大的发展空间和潜力。因此，纺织企业要有正确的市场定位，形成 企业的核心竞争力和现代营销网络，才能在全球纺织产品的竞争中占有一席之地。 纺织行业也带动了相关产业的发展，例如棉、麻种植、化工、机械产业、贸易流 通等。我国加入w t o 以后，随着国际交流的日益增多，促进了国内外企业间的 互相合作与竞争，纺织行业得到了更快的发展，也给我国纺织业带来了机遇和挑 战【2 】o 在合成纤维不断发展的今天，各种特种纤维层出不穷，“创新制造 、“新型 纤维”是当前产品市场的关键词，各种防强紫外线、抗菌消臭、防污、抗花粉过 敏、冬季隔热保温、能调节温湿度的冬暖夏凉功能、酸度适合肌肤及能散发芳香、 森林浴和负离子等特种纤维产品相继闯世。国家发改委日前发布了最新的国家鼓 励类产业目录，符合生态、资源综合利用与环保要求的特种天然纤维( 包括除羊 毛以外的其他动物纤维、麻纤维、竹纤维、桑蚕丝、彩色棉花等) 产品加工被列 入重点建设项目。同时，随着我国工业化进程的加快，经济发展和资源环境的矛 盾越来越突出，靠大量消耗资源和牺牲环境来维持经济快速增长的路子已经难以 为继，今后，各类纤维材料高新技术的突破及推广应用不断加大，将成为新时期 化纤工业发展的主要趋势【3 1 。 梳理工艺是纺织工艺中常见的步骤【4 】，也是特种纤维梳理的必经过程，梳理 的目的是把块状纤维梳理成单个纤维，使纤维原料进一步混合均匀，单个纤维逐 步伸直平行，最后把松解成的单根纤维聚合成连续体纤维网或纤维条。在机 械上，特种纤维梳理机主要由喂入、梳理、剥取、卷绕四大部分的机构组成，梳 天津1 j 业人学硕十学位论文 理工序是开清工序的后续工序，纤维梳理的好坏直接决定着纺纱的质量。 竹纤维是一种天然环保型绿色纤维，迭| 为竹子的生长_ i 需施崩各类化肥，其 自身义能产生负离子和防虫抗菌作用，因此其生长过程q ，冈无病虫害而免除了农 药的污染。竹纤维征制造全过程r 1 ，采用高科技手段，不含任何化学添加剂1 5 1 。专 家指出，它是一种可降解的纤维，并在泥土中能完全分解，对周【钧环境f i 造成损 害。竹纤维产品不仪给人以刨归自然和米源常绿植物的感觉，更晕要的足它具有 其他纤维无法比拟的优点，如良好的透气性、瞬l ，日j 吸水性、较强的耐磨性、良好 的染色性，手感柔软、色泽亮丽、丝般滑爽、抗菌、抑茼、防蜗、防臭、抗紫外 线和易于生物降解不对环境造成污染等特性。竹纤维面料与皮肤的亲和力好，对 皮肤没有强刺激感，因此被业内专家誉为“二十一世纪最具有发展前景的健康面 料”【6 】。 1 2 课题来源及研究的意义 本课题来源于导师与某研究所的合作项目，该单位正在进行竹纤维的基础性 研究，需要一台特种纤维梳理机实验机。针对以上情况，实验室决定自行设计一 台特种纤维梳理机，来实现对竹纤维的梳理。该机的主要功能是对竹纤维进行梳 理性能的研究，喂入量可调，梳理环节可调，梳理次数可调，输出纤网的卷绕直 径可调，若变换其它针布，如棉、毛等的针布，该特种纤维梳理也可实现对其它 纤维的梳理，可以说是一台多用途机。现代纺织机械实质上是一个光、机、电和 计算机技术集成的系统，机电一体化和智能化水平的高低决定着纺机档次的高低。 中国加入w t o ，致使国内纺机行业面临巨大的竞争压力。我们应该密切注意国际 纺机发展的新动向，充分利用计算机技术、信息技术、激光技术、液压技术，研 制高柔性、高集成、高可靠性、高速、高效、节能、环保、自动化、连续化、智 能化的新型纺织机械，以适应高性能、多功能、小批量、多品种、高技术含量的 纺织品生产的要求【7 1 。 根据功能实现要求，竹纤维喂入后，经过梳理机构使得块状纤维梳理成单个 纤维，并伸直平行，由剥取机构连续剥取，最后卷绕在滚筒上，同时要求，喂入 量可调，梳理环节可调，梳理次数可调，输出纤网的卷绕直径可调。机构的设计 是整机的关键，机构的结构、运动学、动力学分析需要全面考虑，达到运行平稳、 2 第章绪论 噪音小、寿命长。此外，梳理工艺上要求输出纤网均匀，速度可调等性能，实现 整机的全自动化。由于竹纤维抱合力差，纤网蓬松，与金属摩擦力较大，输出纤 网的均匀度很难保证，所以我们在控制上重点讨论竹纤维纤网的自条匀整l s 。最 后，竹纤维的梳理过程是个及其复杂的过程，在块状纤维梳理成单个纤维过程中， 梳理机的内部及周围始终有流动的空气，影响纤维的传输，因此在研制特种纤维 梳理机时，不应该忽视气流问题1 9 。 针对竹纤维的特点，运用现代设计方法【l0 1 ，采用c a d 、p r o e 、a d a m s 、 a n s y s 等软件，设计出能完成特种纤维梳理的机器，运用p l c 、变频器控制喂入 电机和主电机的运动，保证竹纤维梳理成网均匀，最后，建立空气动力学模型， 分析特种纤维在不同传输区域的传输情况，主要涉及到纺织工艺、机械设计及制 造、控制工程等方面的知识。 特种纤维的梳理研究是一个新的研究方向，目前国内外还鲜有这方面的报导， 借鉴已有梳理设备的梳理工艺原理，综合考虑竹纤维的特殊性，设计一台小型机 器完成以上工艺，有一定的实用价值。若能研制出该产品，对我国竹纤维及复合 材料的研究将会有一定的帮助。设计一台机电一体化的产品来完成梳理竹纤维的 任务，也为新型纺织实验室的纺织机械从机械式到机电一体化的转变提供了一定 的参考价值，因此有着重要意义。 1 3 国内外发展现状 关于竹纤维的研究，源于竹材制浆造纸。1 9 9 5 年第8 期的林业科学研究 上，刊登了马乃川，张文燕撰写的竹材制浆造纸述评，论述了竹子的纤维细 长，交织力好，制浆过程纤维不易流失且竹子中多缩戊糖含量比木材高，因而制 浆时比木材原料易打浆，水化度和打浆度也容易升高，同时竹子相对密度大，产 浆量高，竹子纤维素含量与木材接近，因此也可作为纤维素纤维的制浆原料【l 。 1 9 9 8 年由四川省外贸、东方远成机械有限公司和阆中棉纺织厂联合成立了竹纤维 研制小组，阆中棉纺织厂对竹纤维在棉纺设备上的可纺性进行研究和探索，于 2 0 0 0 年4 月2 8 日在阆中棉纺织厂出纱，由于当时对竹纤维的物理化学性能还未完 全了解，所以成纱的各项指标均未达到工序的要求，但这次试纺为竹纤维在纺织 上的应用开创了先河。对于这次实验，阆中棉纺织厂的罗蒙川在2 0 0 0 年第6 期四 3 天津1 ：业人学硕十学位论文 川纺织科技发表了论文，具体工艺流程为：慈竹经过去青、齿轮的反复压扎后， 采用脱胶工艺进行脱胶，然后进行烘干，给油处理后存放2 4 h 后与选配好的原棉 利用人工进行混合，从f a l 0 2 双轴流开棉机喂入一f a l 0 4 多仓混棉机_ a 0 3 6 c 豪 猪开棉机一f a l 0 5 振动给棉机- a 0 2 6 c 成卷机_ a l8 6 f 梳棉机_ a 2 7 2 f 2 一a 4 5 6 d f a 5 0 2 - 13 3 2 m _ a 6 31e - - - ，13 3 2 m t 12 1 。 两年后，日本神户女子大学博士木村光雄教授和日本系井纺织公司系井彻总 经理( 美国健康学博士) 共同发明了一种含竹纤维的纺织服装系列产品。系井彻 作了关于竹纤维产品的开发方面的报告，王志进据此编译了环保型竹纤维布料 的开发，刊载于国外纺织技术2 0 0 3 ( 1 ) ，通过分析竹纤维的化学成分和试 验数据解释了竹纤维的环保性【1 3 1 ，为竹纤维产品的开发树起了一个里程碑。 近年来，我国的纺织院校的专家学者和纺织企业的工程人员在竹纤维的生 产、加工工艺，竹纤维的结构性能和纺织工艺、竹纤维织物的性能等方面也进行 了许多试验、探讨和研究。上海化纤浆粕总厂的沈望浩，陈夏生在合成纤维 2 0 0 3 ( 6 ) 发表了竹纤维的粘胶竹浆粕生产技术及其纺织品，长春工业大学的 宋晓峰在国际纺织导报2 0 0 5 ( 2 ) 期上发表了竹浆纤维浆粕的制备研究。 这两篇文章分别论述了竹浆纤维的生产方法，加工过程，工艺参数的控制【1 4 1 ， 为研究竹浆纤维的理化性能提供了素材。 竹纤维从加工方法上，国内将其分为“原生竹纤维”( 竹原纤维) 与“再生竹 纤维”( 竹浆纤维) 1 5 1 。原生竹纤维是将生长1 2 1 8 个月的慈竹或毛竹，采用 蒸煮等机械和物理方法进行脱胶，直接从竹子中提取竹纤维。湖南株州雪松麻业 有限公司采用纯天然植物的浸出液从竹子中提取出的原竹纤维洁白光亮，挺直滑 爽，细度均匀。四) l i m b 贸公司也开发出了原生竹纤维。竹浆纤维的制备基本上采 用粘胶生产工艺，在我国已有了比较稳定的生产线，如河北吉覃的“天竹纤维 ， 上海化纤浆粕总厂的纯“竹纤维粘胶丝，山东潍坊海龙的“竹素纤维”均有一定 的生产规模。市场上主要有1 6 7 d t e x x 3 8 m m 、1 3 3 d t e x x 3 8 m m 、2 2 2 d t e x x 51 m m 、 2 7 8 d t e x x 5 1 m m 等再生竹纤维品种供应。 不论是竹浆纤维和竹原纤维都具备良好的纺纱性能和织造性能。苏州大学材 料工程学院的蒋耀兴和常州纺织服装职业技术学院的陶丽珍在现代纺织技术 2 0 0 6 ( 3 ) 发表了竹原纤维结构和力学性能研究。通过实验测试，竹原纤维的 长度分布范围为1 5 1 0 - - - 2 1 5 m m ，重量加权主体长度为6 0 1 l m m ，短纤维率为4 1 9 ， 4 第一章绪论 长度变异系数为4 6 2 t 1 6 】。竹原纤维的长度比芝麻纤维略短，长度整齐度稍差， 且长度一重量分布状态是相似的，说明竹原纤维与苎麻纤维的长度、细度指标非 常接近，所以在苎麻纺设备上加工竹原纤维是可行的，而且苎麻纱的纺纱工艺的 配置对竹原纤维的纺纱具有一定的参考价值。竹原纤维的平均细度为1 7 3 4 n m ， 即5 8 d t e x ，与苎麻纤维的细度相似，比棉、羊毛等其他天然纤维粗。与棉纤维细 度相差太大，因此混纺中各工序需要选择合适的工艺参数，其中梳棉是竹纤维混 合均匀的关键工序，采用低速度，优选各梳理隔距等，将减少对纤维的损伤并且 保证混合的均匀性。竹原纤维与化学纤维混纺时，化纤的规格要尽量与竹原纤维 相匹配，以保证成纱过程中混纺纤维的混合均匀，保证成纱强力和纱线的质量。 这些研究初步探明了竹原纤维的基本形态和力学性质，为确定竹原纤维纺纱织造 工艺提供了依据。在此基础上，浙江纺织服装职业技术学院，朱远胜在合成纤 维2 0 0 9 ( 5 ) 竹纤维加工利用中存在的问题及对策一文中提出“慢速度、轻 定量、多回收、小张力”的梳理原则 1 7 1 。 2 0 0 9 年4 月1 7 日中国品牌服装网称，山东基德生态科技有限公司成功研发 1 0 0 天竹纤维面料，并实现批量生产。 1 4 特种纤维梳理机的发展趋势 在科学技术不断进步的今天，特种纤维因其独特的功能和良好的性能逐渐走 入市场，受到消费者的信赖，尤其竹纤维产品以其科技含量高、柔滑软暖、凉爽 舒适、抑菌抗菌、绿色环保天然保健的独特品质，独树一帜，致使国内外学者不 遗余力的对其基础性能进行研究引，加工竹纤维的设备正在被开发，而纤维的 梳理是影响产品质量的关键环节，因此梳理竹纤维的特种纤维梳理机有着广阔的 市场空间，高性能、高产量的尖端特种纤维梳理机为未来的发展趋势。 1 5 本课题研究的内容及拟解决的问题 竹纤维分为竹浆纤维和竹原纤维，这两种纤维都具备良好的纺纱性能和织造 性能，但是根据原生竹的性能不同，生产工艺不同，梳理性能存在很大的差异， 本课题实现的是竹浆纤维的梳理。对于常见的材料，如棉、毛、麻等的梳理已有 5 大津：r 业人学硕十学位论文 成熟的方法，都有专门的梳棉机、梳毛机等，而本课题是研究竹浆纤维的梳理， 在查阅了相关资料后，发现目前大部分实验都是在已有其它梳理机上直接进行竹 纤维的梳理，而很少有专门的特种纤维梳理机。我国每年可砍伐毛竹4 亿多支， 杂竹3 0 0 多万吨，因此，我国是一个竹资源丰富的国家，竹纤维的梳理是一个新 的研究方向，有广阔的发展空间f j 射。 梳理工序的主要任务是梳理纤维、除杂，混和、成网 2 0 1 。对于竹浆纤维纯 纺纱来说，梳理效果与竹产品质量高低有密切的关系。竹浆纤维性能特点将影响 分梳工艺，竹浆纤维梳理的主要问题是： 静电问题竹浆纤维与分梳元件摩擦会产生静电，并且易积聚静电， 所以纤维易吸附在分梳元件上，造成缠绕刺辊、锡林和道夫针布。在油剂比例不 当或性能失效后，这种问题更为严重。 成网蓬松由于竹浆纤维抱合力比棉差，纤网蓬松，同时与金属的摩 擦系数较大，容易堵塞通道。 温湿度控制竹纤维虽然吸湿性好，但放湿速率大，适当加湿，有助 于缓解静电影响，减少纤网破边和发毛。因此车间温湿度要合适，一般温度控制 在2 3 3 0 之间，相对湿度掌握在5 5 - 6 0 之间。 纤维长度竹浆纤维长度较长，安排梳理工艺时，与纤维长度有关的 工艺参数，如送网帘工作面长度、主要机件的隔距和速比等，均需作深入研究， 以免损伤纤维。 含疵内容一竹浆纤维不含杂质，一般只含少量的粗硬丝、并丝、胶块 和超长纤维；同时长度整齐度好，短绒含量极少。所以，梳理工序还应清除纤维 疵点，不应造成过多的纤维损失。 本课题首先对梳理原理进行研究，根据竹纤维的特点及梳理原则，在机械上 实现其运动功能，采用p r o e 软件进行三维设计，检查其机构设计是否合理，运 用a d a m s 软件对主要部件进行运动学和动力学分析，再对机架在a n s y s 中进 行静力结构分析，最终确定该机的机械结构。在对纤网的自条匀整进行研究后， 提出该控制的总体方案，以p l c 、变频器、传感器等构成控制系统的硬件结构。 p l c 与变频器之间的数据传送采用r s 4 8 5 通信，提高了系统的抗干扰能力。控 制方法的实现通过对p l c 进行编程来实现，易于调整。最后通过建立空气动力 学模型，分析竹纤维的梳理工艺。 6 ， ? 第一章绪论 总体上分为以下几个部分进行： 。 ( 1 ) 从机械上来实现喂入、梳理、剥取、卷绕的基本功能，完成机械部分的 设计并制造出该机器； ( 2 ) 对特种纤维梳理机进行运动学、动力学、静力机构分析： ( 3 ) 控制方法的确定、控制系统的硬件及软件的设计与实现等； ( 4 ) 传输过程的空气动力学研究； ( 5 ) 整个装置调试与试运行。 7 天津i ：业人学硕+ 学位论文 第二章特种纤维梳理机机构设计 第二章特种纤维梳理机机构设计 在合成纤维不断发展的今天，各种特种纤维层出不穷。所谓特种乃特殊种类， 与常规纤维在性能上有较大差别，是有一定功能和特殊功能的纤维，这些纤维包 括抗菌、止血、止痒、防臭纤维，高吸水纤维，吸收性纤维，抗静电纤维，抗辐 射纤维，阻燃纤维，耐高温等纤维。本文主要是针对竹纤维所设计的特种纤维梳 理机。 2 1 竹纤维概述 2 1 1 竹纤维的种类 竹子分为丛生竹和散生竹两类。与散生竹材相比，丛生竹材的纤维长度长， 宽度大；从纤维形态来看，丛生竹材作为纤维原料较散生竹材为优。从竹纤维的 加工方法来看，有原生竹纤维和竹浆纤维两类，原生竹纤维采用物理方法加工， 而竹浆纤维采用化学方法加工。所以两种纤维的性能有所不同，影响其纺织工艺。 竹浆纤维在很大程度上保持了竹原纤维的特性，其手感柔软、色泽亮丽、丝般滑 爽，目前市场上销售的竹纤维产品主要是竹浆纤维制品 2 1 l 。 2 1 2 竹纤维原料加工 竹浆纤维目前主要采用粘胶工艺加工，因此也存在制造过程中的环境污染问 题，不利于国家经济的可持续发展，污水处理本身也加大了生产制造成本。目前 已在开发采用l y o c e l l 工艺进行竹浆纤维生产，能减少在生产过程中对环境的污 染，其服用性能也接近于l y o c e l l 纤维，具有良好的发展前景，但工艺的成熟度 需要进一步实践和探索【2 2 1 。采用竹原纤维则可以避免对环境的污染，但竹原料 必须经过脱胶细化后才能变成竹纤维。生产工艺参考麻纤维生产工艺，技术落后， 生产率很低，纤维质量不稳定，浪费大。完全脱胶后其纤维细度约为0 0 5t e x ， 且长度不足5 m m ，不能在环锭纺纱机上加工。因此，纤维制备时不能将胶全部 脱完，需利用余胶使竹纤维相互连接，制成需要的竹纤维束。在竹原纤维的加工 中，存在细度与长度之间的矛盾，要获得一定细度的竹纤维，纤维的长度达不到 要求；而纤维长度达到要求时，纤维的细度又不够要求。这个矛盾是目前各生产 竹原纤维的厂家需要攻克的个难题。同时由于采用半脱胶的纤维加工工艺，因 9 天津+ l ：x _ l k 人学硕十学位论文 此不能用于生产高支数的轻薄型面料和服饰。目前对竹原纤维的细化主要有超声 波细化、生物酶细化及机械轧压和牵伸细化3 种方法【2 3 1 。超声波可缩短竹原纤 维的脱胶时间，但作用比较弱；生物酶对竹原纤维的细化有一定的作用，但由于 目前市场上没有专门用于竹纤维脱胶的生物酶，而只能用亚麻纤维的酶制剂，效 果不太理想；机械轧压和牵伸对竹原纤维的细化有显著的作用，机械轧压可以保 证竹原纤维细度的均匀性，但机械牵伸的结果还不太稳定，有待进一步进行实验 研究。表2 1 为竹纤维的主要性能。 表2 - 1 竹纤维的主要性能 2 i 3 竹纤维梳理原则 竹浆纤维由于湿强度低，因此纱线在加工过程中受车间相对湿度影响较大， 对于纱支在2 5t e x 及以上时纱线的强力问题更加突出，特别是机织用经纱。2 5t e x 及以上纯纺竹纤维纱线很难保持良好的纱线状态和承受浆纱的湿态加工，使浆纱 加工难度急剧增加，建议在此情况下使用混纺竹纤维纱线。竹浆纤维纱线不允许 在特别潮湿的地方存放，否则纱线受潮后在后加工中断头增加，严重的可造成无 法织造或布面出现大量细线，影响布面效果。无论是竹原纤维还是竹浆纤维都存 在抱合力差、有静电现象，特别是竹原纤维刚性大，因此在纺纱加工中要针对这 些不足进行必要的调整。生产前需进行必要的预处理，生产时车间生产现场保持 稳定而偏大的相对湿度，纤维中还要加入一定量的油水助剂，以降低竹纤维表面 的电阻，减少静电和纤维损伤，保证生产顺利进行。在梳理工序宜采用“慢速度、 轻定量、多回收、小张力 原则，以减少纤维损伤，降低生条中的短绒率1 2 4 1 。 1 0 第二章特种纤维梳理机机构设计 2 2 梳理机原理方案研究 2 2 1 三大作用 梳理机上有罗拉、剥取辊、锡林、道夫等多个辊筒，各个辊筒上都包覆着针 布，起着梳理作用。包覆着针布的各辊彼此之间相接近时便形成了三大作用区： 分梳作用区、剥取作用区和起出作用区 2 5 1 。根据两辊的针尖方向不同、转向不同、 速度快慢不同，试以a 、b 两辊针面为例，分析其相互作用的二十四种情况表入 下表2 2 所示。表中、圪分别表示两辊转速。 表2 2 梳理机的基本作用 a v 顺寒 针尖相对 佘 两辊运转方向速比关系作用性质两辊运转方向速比芙系作用性质 分梳 乡 a 剥取b 、k 、反 b 剥取a ) 忒 同 b 剥取a 爱匕 f 时，则 1 3 0 时，纤 维即可向上运动。 也就是说梳理力p 处于2 目的范围内， 无论p 大或小都不会使纤维沿针的上下运 动。更进一步说，梳理力p 向钢针根方向 的夹角称为梳理角，用仪表示，a 1 0 3 0 时，纤维 就会向针尖运动。当7 7 0 0 c e 时，这一束纤维便向前滑 移而被梳理。当f 时，这- j , 束纤维便被分撕成两部分。 综上可得，对纤维束的梳理决定于： ( 1 ) 纤维束可分成小束的数量； ( 2 ) 每一束所围绕钢针的数目及包围角大小； ( 3 ) 纤维与钢针之间的摩擦系数； ( 4 ) 纤维之间的抱合力。 2 3 机械结构设计 特种纤维梳理机的整体机构设计包括许多方面，根据梳理机的梳理原理，机 械部分可分为四部分，喂入机构、梳理机构、剥取机构和卷绕机构。为了实现对 特种纤维的梳理，结构要求如下： ( 1 ) 喂入机构采用可调机构，喂入的速度可调，喂入纤维的宽度、厚度可调； ( 2 ) 梳理机构实现在不损伤纤维的前提下，进行细致分梳，使纤维分离成单纤 维状态，并在这过程中将纤维均匀混合，排列成极薄的纤维网，并且根据不同的 纤维，梳理次数可调； ( 3 ) 剥取机构剥取连续均匀； ( 4 ) 根据采样不同，卷绕机构卷绕直径可变换。 2 3 1 结构类型的选用 要完成竹纤维的梳理工艺，机械功能的实现是基础。目前用于纺织行业的梳 理机主要有两种结构类型，罗拉式梳理机和盖板式梳理机。罗拉式梳理机一般是 毛纺等较长纤维的梳理，适用于5 0 - - 1 0 0 m m 长的纤维，而盖板式梳理机是棉纺 等较短纤维的梳理，适用于3 0 m m 左右的短纤维。该机是特种纤维梳理机样机， 主要用于梳理竹纤维，根据竹纤维的参数，以及对梳理结构的要求，选取罗拉式 梳理结构。 纤维束或纤维块由送网帘喂入，经过喂入罗拉送入刺辊，开松后的纤维由剥 取辊抓取送入锡林，纤维经过锡林和工作辊以及锡林和道夫之间的梳理形成单个 纤维，在锡林针布底端的纤维由风轮扫出，送入道夫，最后由剥取机构剥取连续 均匀的纤维网，卷绕在卷筒上输出。整机的结构示意图如图2 - 6 所示。 1 4 第二章特种纤维梳理机机构设计 工作辊 2 3 2 机构设计 图2 - 6 特种纤维梳理机结构示意图 2 3 2 1 喂入机构设计 基于整机工作的要求，喂入机构采用如下结构： 纤维由输送帘以顺向喂入方式匀速地送入，输送帘宽度采用可调装置，使 喂入纤维宽度可调。 罗拉表面包覆着金属齿条，上、下两个喂入罗拉间，以及上喂入罗拉和清 洁罗拉间的间距均采用楔型块装置来调节，使得喂入纤维的厚度可以变换。另外， 变化间距的同时必须保证罗拉问动力传递平稳，因此采用变位齿轮，结构简图如 图2 7 所示。 对于不同种类、不同厚度和宽度的纤维，喂入速度也不同。该机构由一台 变频调速电机带动，用同步带将动力传入喂入机构，通过变化电机的速度来调节 喂入速度。 清洁罗拉 、 、 | | 调节装簧调节块变位齿轮上喂入罗拉 下喂入罗拉调节块调节装置 图2 7 喂入机构简图 1 5 天津t 业人学硕十学位论文 2 3 2 2 梳理机构设计 一 梳理机构形成三大作用，即分梳、剥取和起出作用，其中工作辊与锡林、道 夫与锡林间均为分梳作用，剥取辊与锡林、工作辊问为剥取作用，风轮与锡林问 形成起出作用。 ( 1 ) 分梳作用与剥取作用分析 梳毛机的分梳作用主要表现在工作辊、剥 毛辊与锡林、道夫与锡林之间。其中道夫的分 梳作用原理上同工作辊，但因为道夫直径大， 工作角小，速比大，作用区大，所以道夫还存 在着对纤维的凝聚作用 2 6 1 。 工作辊与锡林的分梳区域如图2 - 8 所示， 分梳作用的范围为a b c d 所围的空间，a b 为开 始边界，c d 为结束边界。当锡林带着纤维到 开始边界a b 时，锡林上部分纤维的头端被工 作辊针布所握持。由于锡林速度快，有的纤维 图2 - 8 分梳作用区 有掉头现象，被工作辊抓取的纤维就会受到锡林的梳理。在开始及结束边界处伴 有剥取作用。梳理作用范围的大小依赖于两棍之间的隔距，隔距小，梳理作用范 围大，被梳理的纤维多，相对梳理效果好，但也不能太小，因此设计时各辊问隔 距均可调节。 ( 2 ) 起出作用分析 在锡林包覆着弹性针布的情况下，向道夫转移纤维时，由于纤维被挤压，纤 维在锡林针隙深层不易转移，此时，可使风轮针布插入到锡林针布内，使锡林深 层的纤维提升到针布上部，方便转移给道夫，风轮起到起出作用，而风轮钢