金属针布齿型规格设计探讨 / 开普饭

金属针布齿型规格设计探讨

许鑑良

［东华大学，金轮针布（江苏）有限公司］

0 前言

金属针布齿型规格参数主要有前角、齿密、基部宽、纵向齿距、齿深和齿顶面积及基部高度等。这些参数对分梳、转移、除杂、均匀、混和及包卷的影响各不相同，但就原则而言，应具有下述工艺性能：

良好的穿刺和握持纤维的能力，使纤维经常处于齿尖端与另一针面进行分梳，纤维易于从一个针面向另一针面转移；具有适当的针隙容纤量及良好的吸放纤维的能力，以提高均匀混和作用;齿条便于包卷；针齿应锋利、平整、光洁和耐磨。

国内外到目前为止，对这些规格参数还不能进行定量设计，都凭经验。国内更是很少见到自主创新的产品，绝大多数是照搬照抄国外的规格参数。

本文试图依据纤维与针齿的摩擦因数和滚筒上纤维的离心力估算针布的前角；以梳理机的产量、速度、道夫转移率、加工纤维的长度和细度计算针布的齿密；以纤维长度计算纵向齿距并确定基部宽；以梳理纤维层的厚薄，计算齿条的齿隙深度；按包卷要求设计基部高度等，尝试提出一个针布齿型规格参数的设计程序和主要规格参数的计算方法，以供针布设计人员设计时参考，为棉纺厂选配针布提供依据。抛砖引玉，以便后来者深入研究。

1 金属针布齿型、尺寸和角度名称、代号(新国标^［1］ )

（1）普通基部齿条和自锁基部齿条

图1 普通基部齿条

图2 自锁基部（V型）齿条

齿条基部尺寸名称、代号如图1、2和表1。

（2）金属针布的角度名称代号如图3~5和表2。

图3 前角δ≤90°

图4 棱形齿尖

图5 前角δ≥90°

（3）金属针布的齿型如图6~12和表3。

图6 棱形齿尖

图7 大齿距齿条

图8 “Morel”齿条

图9 平顶齿条

图10 尖顶弧背齿条

图11 平顶弧背齿条

图12 双弧形齿条

（4）新国标和老国标、习惯的主要不同处

①工作角和前角代号不变，名称对调；

②原齿背角改称后角，代号“γ”；

③原齿间角ε改称为内角，ε＝β；

④习惯基部宽用“W”表示，新老国标都用基部宽b₁表示。

本文中的角度名称、代号均以新国标为准。

2 角度设计

金属针布的角度，包括前角δ、后角γ、工作角α、齿尖角β、背尖角η和内角ε。其中前角δ对分梳、转移和除杂起决定性作用；工作角α是前角的余角，即α+δ=90°；齿尖角β=δ- γ；内角ε=β；背尖角η对纤维起托持作用。

2.1 前角设计

2.1.1 锡林前角δ_c的估算

锡林前角δ_c影响齿尖抓取和握持纤维的能力，即影响纤维沿针齿前面的运动方向。前角δc小，齿尖抓取握持能力强，抛除杂质和转移纤维难；前角δ_c大，则相反。

纤维在齿尖端的沿针运动与纤维在齿尖上的受力有关，其受力情况如图13所示。

图13 锡林齿尖上纤维受力

图中：

R为切向力，包括梳理力、空气阻力，近似作用于针布切向；

U为法向力，包括纤维离心力，针布内层纤维对该纤维的弹性力，针面间纤维束、块的挤压力，作用于针布法向；

N₀为针齿对纤维的反作用力，垂直于齿的前面；

F为纤维与针齿的摩擦力，F=μN₀。纤维向针面外滑移时，其方向由针尖指向针根；纤维向针根移动时，其方向由针根指向针尖，即与纤维的运动方向相反。

R和U的合力为K，K力与切线方向成θ角，θ=arctgU/R，如图13中所示。通过齿尖O点作针齿前面的垂直线XX′，于垂直线两边各作纤维与金属的摩擦角ψ，得AO和BO两条直线。若合力K位于角AOB内（阴影部分），则不论K力有多大，纤维或纤维束都不沿针前面上下滑移，即针齿尖端握持纤维处于受梳状态。因此，符合前言所述梳理原则的前角δ_c应满足下列条件：即 90°-ψ≤ δ_c +θ≤90°+ψ，得

90°-ψ-θ≤ δ_c≤90°+ψ-θ

棉纤维：与针齿的静摩擦因数为0.22，所以tgψ_棉＝0.22，ψ_棉＝arctg 0.22＝12°

涤纶纤维：与针齿的静摩擦因数为0.58，所以tgψ_涤＝0.58，ψ_涤＝arctg 0.58＝30°。

θ角随锡林速度、产量、隔距而变化。笔者曾在锡林周围无机件的情况下，用模拟棉纤维束闪光摄影测得：锡林220 r/min时，θ为3°~22°，平均12.5°；锡林260 r/min时，θ为4°~30°，平均17°。

可见锡林转速提高时，因U力增大，其他条件不变时，合力K上抬，θ角增大。根据梳理力研究，隔距减小，R力增大，其他条件不变，θ角减小。现在普通梳棉机（产量20 kg/h)，锡林转速n_c为320~360 r/min，30~60 kg/h的高产梳棉机，n_c=380~500 r/min。生产中，梳棉机的隔距很小，一般在0.1~ 0.3 mm，据此若取θ=18°进行估算，则棉纤维：90°-12°-18°≤δ_棉≤90°+12°-18°，即60°≤ δ_c棉≤84°，取其平均值δ_c棉=72°；涤纶纤维：90°-30°-18°≤ δ_c涤≤90°+30°-18°，即42°≤ δ_c涤≤102°，取其平均值δ_c涤=72°。

由此可见，纤维与针齿的静摩擦因数越大，摩擦角ψ越大，前角δ_c可选择的范围增大。对于化学纤维，除摩擦因数大外，生产中易产生静电，常出现绕锡林问题，为有利于纤维从锡林向道夫转移，锡林前角应设计得偏大些，一般δ_c化常设计在75°~85°。Graf锡林针布浅齿、矮齿，纤维易转移，为加强分梳，锡林前角δ_c化可进一步减小，常设计在65°~75°。对于棉纤维，因纤维与针齿的摩擦因数较小，为加强梳理作用，锡林前角δ_c棉可偏小设计，低速梳棉机一般设计在70°~75°；高产梳棉机，锡林速度高，离心力大，在仿Graf浅、矮齿后，纤维转移能力强，为平衡分梳与转移，加强梳理，锡林前角δ_c棉可设计在55°~70°。

锡林转速越高，离心力越大，纤维束翘出锡林针面的角度θ越大，可选取前角δ_c的平均值减小。所以，锡林直径减小，锡林速度增加时，针齿的前角δ_c必须减小。我国小锡林梳棉机锡林针布的前角δ_c已减小到58°~65°。锡林前角δc随锡林转速提高而减小，如表4所示。

表4 梳棉机锡林前角δ_c与锡林转速n_c的关系

由表4可见，梳棉机锡林每增加50 r/min，锡林针布前角δ_c平均减小约3°~5°。国内锡林针布的主要规格参数统计如表5。

由表5可见，锡林金属针布主要规格参数的发展规律是：随梳棉机产量、速度提高，针布总高降低、齿深改浅，前角δ_c减小，基部宽减小，齿密增加。

究其原因，产量提高，针面纤维负荷增加，梳理度降低，棉结杂质增加，成纱质量恶化。随产量提高，齿深改浅，以降低针面负荷;随产量提高，锡林速度相应提高，以保持梳理度不变；但锡林速度的提高，纤维离心力增加，针齿上纤维滑脱可能性增加，浮游纤维增多，搓成棉结的几率大大增加，为保持针齿抓取握持能力，故锡林针布前角δ_c必须减小，齿密必须相应增加。

为解决分梳与转移，分梳与抛除杂质的矛盾，国内外有负角前角、鹰嘴前角、圆弧前角（变前角）、大小前角、深浅齿和高低齿等齿型。如图14所示。

图14 金属针布前角型式

图14中：

（a）负角设计：有两个前角，齿尖上部的前角在自动制动范围内，齿下部的前角大于自制角，促使纤维上浮，提高转移率，易抛落杂质。负角离齿尖的距离与纤维长度、锡林盖板间隔距、锡林速度及齿的总高、齿隙深度等因素有关。当纤维长，锡林盖板间隔距小，锡林速度低，齿隙深度大时，负角离齿尖的距离应小些，反之则应大些。负角离齿尖过大，将纤维上托限在齿尖端受梳的作用小，负角效果不显著;过小，则转移率高，且可能损伤纤维，齿尖磨损后，齿尖易变大，于使用寿命不利。一般设计在0.2~0.3 mm。这种齿，大棉束、块时，在挤压力下能沉入齿根，压力消失纤维又很快上浮齿尖端受梳，不易损伤纤维，可提高成纱强力。如SC3和JT49。

（b）鹰嘴齿尖：近齿顶处前角小于自制角，抓取和握持能力特别强，但离齿顶不远（约0.2 mm），前角设计在一般自制角范围内，防止纤维下沉或绕花。由美国Holing Sworth制造的这种锡林针布，降低棉结特别显著。这种齿，在磨针后仍能保持锋利的齿尖，不易衰退，使用寿命延长。

（c）变前角齿：从齿顶到齿根，前角由小连续变大，齿顶处前角特别小，抓取握持能力特别强，但随齿深增加，前角不断扩大，防止纤维沉入齿隙，减小针面负荷，提高转移率，易抛落杂质。

（d）大小前角、高低齿、深浅齿和不等距齿：小前角抓取握持能力强，分梳效果好；大前角，释放能力强，转移纤维好，也易抛落杂质，兼顾分梳和转移、除杂的矛盾；高低齿，高齿主梳，低齿补充梳理，进行二次分梳；适应大小棉束梳理，小棉束，高齿梳，大棉束，低齿梳，防止损伤纤维；且低齿有托持纤维在高齿尖上充分受梳的作用；深浅齿，浅齿转移和释放性强，深齿容纤量大，可容纳大棉束块，均匀混和作用好，也可防大棉束块强力梳理损伤纤维;不等距齿，可适应长纤和短纤维梳理，使单根纤维的梳理度既不过多也不过少。这种齿还可增加锡林盖板间的反复分梳和转移，充分提高分梳效果。如青纺机曾生产的JT211中长化纤针布，上海金属针布厂生产的SC31纺棉及化纤的针布和SC32纺中长化纤的针布，都收到非常好的纺纱效果，如表6和7所示。

由表6、7可见：对改善分梳，减少棉结或毛粒，减少纤维损伤，提高强力，改善条干,减少盖板花均有显著效果，据试纺者反映，棉网（或毛网）清晰度显著改善。

必须指出，上述负前角、鹰嘴齿、变前角、大小前角、深浅齿、高低齿和不等距齿等设计，于制造不利，生产上模具制作、修磨困难，特别不适宜圆盘高速冲齿机，已生产的JT211、SC31和SC32都是在摆动式冲齿机上生产的。

2.1.2 道夫前角δ_D

道夫与锡林为分梳配置，其任务是通过分梳，转移锡林上已梳好的纤维，为部分转移。锡林与道夫的速比非常大，道夫上凝聚的纤维层厚度是锡林的好几倍，为抓取和容纳厚纤维层、泄导高速气流，道夫前角δ_D应减小，齿隙应加深，以提高其凝聚纤维的能力。

道夫前角δ_D小，道夫转移率高，锡林盖板间梳理负荷轻，锡林盖板间一次分梳效率高，但均匀混和作用差，平均梳理时间短，梳理不充分；道夫前角δ_D大，其作用则相反。道夫前角δ_D与转移率的关系如图15所示^［2］。故前角δ_D应在自制角范围内偏小设计。但道夫前角δ_D过小，不抗轧。一般设计在58°~65°，国外最小达50°。

图15 道夫针布前角与转移率的关系

道夫金属针布代表性型号的主要规格参数统计如表8所示。

道夫针布由于齿隙深，前角过小易倒伏，不抗轧，为进一步提高道夫针布的转移率，设计了鹰嘴齿尖和齿侧面加沟槽或凸纹的齿，以进一步提高高产梳棉机道夫的转移率和防止抱合力差的纤维掉棉网。如图16所示。

图16 鹰嘴、沟槽和凸纹道夫针布

2.1.3 刺辊前角δ_T

刺辊的主要任务是对握持的纤维层和棉束进行握持分梳，并清除其中杂质和短绒，把分梳过的纤维完全转移给锡林。为抛除杂质和短绒，并完全将纤维转移给锡林，刺辊锯齿的前角δ_T宜大不宜小。

刺辊锯条的前角δ_T小，抓取握持纤维强，易损伤纤维，影响落棉和纤维转移，刺辊反花增加，与喂入棉层搓擦，形成大量棉结。刺辊的前角δ_T偏大，对握持分梳影响不大，但利于排杂和完全转移纤维。故刺辊的前角δ_T可在自制角范围内偏大设计。一般纺棉设计在80 °~85 °，棉型化纤设计在85 °~90°，中长化纤设计在90°~95°。由于刺辊锯条齿隙深（在2.0~2.6 mm），故不论棉和化纤，均可设计带负角的刺辊锯齿。如纺0.8 dtex×38 mm 涤和丙纶的齿条。对比刺辊锯条规格列于表9，对比结果列于表10。

由表9可见：AT5605-05011细旦化纤刺辊锯条总高减小0.25 mm，前角增大至85°，并带负角，纵向齿距减小0.05 mm，齿密增加5 齿/（25.4mm）²。

由表10可见：刺辊锯条采用带负角的大前角后，较不带负角的小前角刺辊锯条，生条棉结减少27.52%，MCZ18盖板后区脉冲梳理力减小11.90%，MCZH35盖板后区脉冲梳理力减小12.01%，成纱细节（-50%）无显著差异，成纱粗节（+50%）减少23.92%，成纱棉结减少24.68%，成纱条干CV值降低5.21%，成纱单强提高3.45%。工艺效果非常显著。这是因为总高减小，前角增大并带负角后，抛落杂质好，能完全转移纤维，减少了返花与喂入棉层搓擦产生的棉结和损伤纤维，且纵向齿距减小，齿密增加，提高了梳理度所致。

2.1.4 附加分梳件的前角

附加分梳件包括刺辊下预分梳板、后固定盖板和前固定盖板。这些分梳件与刺辊、锡林均为分梳配置，为防止嵌花影响分梳，附加分梳件的前角均应设计在相关纤维自制角的上限值。一般前角设计在90°～75°，预分梳齿和后固定齿取大前角，前固定齿取小前角，由后到前附加分梳件的前角由大到小，以便逐渐加强握持分梳。

2.2 其他角度设计

其他角度包括后角、工作角α、齿尖角β、背尖角η和内角ε。这些角度中，工作角α与前角δ互为余角，即 α=90°-δ；后角γ与齿尖角β之和即为前角δ，即γ+β=δ；内角ε等于齿尖角β，即ε=β。这些角度中，对分梳和转移影响较大的是齿尖角β、后角γ和背尖角η。

2.2.1 齿尖角β

由前述纺纱工艺要求，欲使针齿穿刺性能强，梳理效果好，齿尖角β_C越小越好，且磨针后齿顶面积增加小，利于延长使用寿命。但β_C过小，齿尖强度弱，易断裂，抗轧性能差;制造过程中冲齿易扭尖，淬火时齿尖易脱碳，易氧化烧毁成圆头。青纺机根据实践认为，β_C =15°较好。双卷喂入时β_C应稍大，以增加齿尖强度。道夫齿尖角β_D=20°，以提高其抗轧性能。

2.2.2 后角γ或棱形齿的背尖角η

后角γ可由前角δ和齿尖角β设计确定后算出，即γ=δ-β。后角小，易托持纤维上浮针尖，转移强，后角γ大，纤维易下沉，梳理负荷大，梳理差。为托持纤维上浮针尖，又增强齿尖强度，提高抗轧性能，可采用圆弧背（变后角）设计，齿顶处后角为零，以后后角连续增大。

棱形齿的背尖角η，既影响托持纤维和草杂，又影响穿刺纤维层。背尖角η越小，托持纤维和草杂能力越好，但齿尖尖劈角增大，锋利度越差，对穿刺分梳不利。常在毛纺除草辊针布、胸锡林和开松辊针布中采用棱形齿，设计背尖角η，η一般设计在5°左右。

3 齿尖密度N、纵向齿距p和基部宽b₁

齿尖密度N对分梳和转移都有影响，如锡林齿尖密度增加，针齿对纤维的握持能力增强，切向抓取转移纤维能力强，每根纤维受到的作用齿数多，梳理度提高；但过密影响锡林上纤维向道夫转移，使道夫转移率降低，平均梳理转数增加，损伤纤维，反而增加棉结。

3.1 梳理度

在纺纱工艺上，以梳理度C，即每根纤维的平均作用齿数，表示梳理效能的大小。

式中：

D_c——锡林直径（m），A186梳棉机D_c=1.29 m；

B——锡林幅宽（m），A186梳棉机B=1.016 m≈1.0m；

q——梳棉机单产（ kg/h）；

——纤维平均长度（m）；

N_m——纤维是公制支数（m/g）

N——锡林单位针面齿尖密度（齿/m²），N=

b₁——基部宽（mm）；

p——纵向齿距（mm）；

γ_D——锡林道夫转移率（%），其参考值列于表11~13。

注：锡林转速为360 r/min

将A186梳棉机有关常数代入得梳理度：

由（2）式可见：梳理度C与针齿密度N、锡林转速nc,转移率γ_D及纤维平均长度

成正比；与梳棉机产量q、纤维平均公制支数N_m成反比。也就是说，若提高梳棉机产量，纺制纤维支数高时，为保持必要的梳理度C，必须增加针布齿密N，或相应提高锡林转速，或配置锡林道夫转移率高的针布。式（2）中常数0.24316适合于锡林直径1.29 m、幅宽1.0 m的梳棉机，不同直径和幅宽的梳棉机，应按（1）式计算。

据日本金井公司经验，每根纤维的平均作用齿数至少应在3；国产FA203梳棉机直径和幅宽与A186相同，包卷AC2030×01550，锡林n_c为420 r/min，产量q为40 kg/（台·h），锡林道夫转移率γ_D为12%，纺制纤维平均支数N_m=5500（即线密度为71.82 dtex），纤维平均长度

为0.028 m时，由上式可求得锡林针布单位面积的齿密N=1333333.33 齿/m²，锡林针布梳理度C=2.08（齿/根）。

金井公司认为，若每根纤维的作用齿数接近1，则棉结增加。一般，梳理度应控制在3左右。梳理度过大，转移不良，损伤纤维，短绒增加；过少，梳理不充分，棉结增加。

在产量40 kg/（台·h），锡林转速420 r/min，纤维平均长度为0.028 m，细度为5500公支，道夫转移率为12%时，不同锡林针布型号的梳理度列于表14。