Ken Atkinson

•技术专论

新型道夫和工作辊针布的设计探讨

Ken Atkinson

为提高梳理质量，剥棉效率一直为纺织业界关注。剥棉效率降低，纤维绕主锡林的再循环次数增加，会出现棉网质量降低、棉结含量增加、纤维断裂增加等问题，提出一种新的道夫工作理念，强调在锡林—道夫转移效率中道夫针布齿条内的纤维损失所起的作用，而采用这种新型道夫针布，可避免纤维损失。新型道夫针布依据新原理制造，已申请专利，并通过试验验证其具有优良的纤维握持能力。这种新型针布对纤维长度和精纺梳毛工艺落毛的影响问题已有所报道，仅讨论不同于羊毛分梳的棉纤维梳理过程；并指出由于工作辊针布的工作原理与道夫针布相似，故新型针布也可用于工作辊针布。

道夫；针布；工作辊；锡林；剥取；台阶；齿形；前角

0 引言

剥棉和梳理质量之间的关系一直为纺织业界关注。澳大利亚联邦科学与工业研究组织的研究结果表明：在精纺梳理过程中，增加纤维再循环次数将降低剥棉效率，从而导致棉网中的棉结增加、纤维断裂及精梳落棉的增加。剥棉效果的好坏对非织造布及短纤维的梳理也很重要，这是因为棉结的形成和棉网的结构都对最终成品质量具有很重要的影响[1-2]。

梳理针布制造商为提高剥棉效率，在针布设计上进行了许多革新，包括为提高齿密而将齿条基部宽减小到0.85 mm、甚至更小，或增加每米内的齿数来实现，或是这两种措施同时使用；还可采用前角小的齿条且沿着齿条侧面有凹槽的设计来实现。

笔者在此讨论的新型梳理针布工艺的不同，源于由道夫针布所握持的纤维和由锡林针布所握持的纤维之间的作用力的分析。这种新工艺也可以应用于工作辊，因为工作辊的工作原理与道夫相似。

1 道夫针布工作原理

道夫针布的工作原理已被研究了很长时间，但仍然有一些问题无法彻底解决。已有的研究重点是关于道夫针布是怎样使纤维流平滑地通过梳棉机，以及道夫针布是怎样影响棉网均匀度的；因为棉网均匀度对于纺织生产是很重要的因素。在此，笔者重点研究纤维从锡林至道夫的转移，如图1所示。

图1 锡林和道夫的相互作用

由图1可见，锡林针布和道夫针布的隔距很小，在现代梳棉机上通常为0.4 mm，或者更小。

在梳棉机上，锡林是顺时针回转的，其针布齿向与回转方向一致，是一种典型的积极剥取方式；而道夫是逆时针回转的，其针布齿向与回转方向相反。锡林和道夫的回转速度通常是设定好的，道夫速度约是锡林速度的1/10，而这个速度比又被称为牵伸或锡林—道夫速度比，习惯上用大于1的数字形式来表示，也就是说，上述锡林—道夫速度比为10。

除了这些基本参数外，锡林针布的齿条齿部小、齿深小限制了锡林针布的积极剥取作用；同样，也限制了植针的数量，这对于精纺梳毛、非织造布及短纤维的梳理非常重要。粗纺梳毛机仍然使用弹性针布的锡林，使得较厚的纤维层能梳理成更加均匀的毛纤维网，这对粗纺毛纱的质量很重要。

纤维网被锡林针布剥取后，还要从道夫针布上剥取下来，可通过多项工艺来实现。如精纺梳毛机上道夫的振动斩刀、非织造布和短纤维梳理中的剥取罗拉，以及非织造布梳理中的一些随机性装置。这些工艺的关键是必须能够容易地将纤维网从道夫针布上剥取下来，使其积聚并进一步加工，这也是道夫针布设计时要考虑的一个重要方面。例如，若梳棉时道夫回转的表面线速度达到300 m/min，使针布齿尖握持纤维的能力被棉网迅速剥取所干扰，将会导致梳棉机停机。

图1表示的剥棉过程中纤维状态的变化是一种理想状态，即纤维通常不是直的，一旦无张力时，纤维则呈现单一的线状，而实际上纤维是带弯钩的。下面关于剥棉时单根纤维状态的描述是全新的理论，也是对工艺的全新理解，剥棉过程有以下几个阶段。

a) 由锡林针布握持的纤维是松散的、带有弯钩的，被道夫针布齿条在连接中心的a点处抓住。由于纤维带有弯钩，被道夫针布齿条握持并绕其运转，而锡林转速很高，因而纤维尾端还被握持在锡林针布上。此处需注意的是，图1中描绘的纤维是单根的，而实际上是不同长度的两根纤维。

b) 纤维在锡林针布齿条的连续相互作用而产生的张力作用下，沿着齿前面滑下，在此过程中道夫回转到b点。

c) 道夫继续回转，但是由于齿条工作角开始变大，使纤维滑向齿条顶端c点。

d) 如果道夫针布能够继续握持纤维到达d点，纤维就可以正常地处于道夫针布的齿前面，也就是说纤维直线运动路线可以通过道夫中心，这是一个极限位置，是剥取的纤维和锡林针布接触时间最长的点。

e) 道夫针布下一步的小回转将纤维带离锡林针布e点，然后道夫针布继续回转将纤维完全剥取(即f点和g点)。一旦失去张力，纤维就会沿着曲折的路径放松，最终使剥取的纤维形成纤维网。

这是一种理想化的描述，目的是突出关键的阶段，即道夫针布对纤维的集聚和握持阶段。道夫针布齿条制造商已经意识到纤维有效集聚的重要性，采取了以下措施来改进：道夫针布齿条采用较小的前角δ，具有代表性的是前角δ为50°或更小，如图2所示。还有一种趋势是增加一个或多个平行于底面的凹槽，目的是提高齿条对纤维的握持力；这些凹槽也可以称为横纹，这些横纹被证明能对握持力的提高提供直接帮助，也可以通过在剥棉网时为纤维提供关键点进行间接帮助，从而减少纤维网嵌入道夫针布的机会。

图2 凹槽道夫针布齿条(ECC-Platt，L10型)

仔细分析锡林针布和道夫针布之间的相互作用，可以更加明确握持纤维的重要性。在梳理开始阶段的内部恢复平衡过程中，当纤维从锡林针布上刚到达道夫针布时通常是很薄的一层，因为多数纤维未被锡林针布梳理。随后有弯钩纤维绕在道夫针布上，当受到锡林针布最大抓取力的作用时使大多数纤维仍保留在锡林上，而道夫只能抓取比通常状态下要少的纤维；由于喂入锡林针布的纤维流以及纤维再循环的增加，使得锡林上集聚的纤维密度增大，锡林针布逐渐握持了更多的纤维，导致锡林针布从道夫针布上抓取纤维的作用力下降。

因此，当道夫针布运转处于平衡状态时，再循环纤维层的厚度恰能使道夫针布以纤维喂入梳棉机的速率来集聚。如，对于给定的梳棉机喂入速率，若道夫针布从锡林针布上剥取的纤维较少，则再循环纤维层的密度增大，从而会使从锡林针布转移至道夫针布上的纤维密度增大，意味着道夫针布能够从锡林针布上剥取较多的纤维，从而恢复平衡。相反，若道夫针布从锡林针布上剥取的纤维较多，则再循环纤维层的厚度减小，锡林针布就会从道夫上抓取更多的纤维，从而再次恢复平衡。

道夫生产效率与道夫针布的质量无关，质量守恒定律可确保道夫针布质量低或设计差的梳棉机的生产效率，并确保道夫生产率与纤维喂入梳棉机的生产率相等，其实质是不断地调整使再循环纤维层变厚。

此分析，对于锡林针布和道夫针布设计提出了一种新的观点：现代锡林针布齿条的总高小，可确保有效地剥棉并避免抄针。这种较小总高的针布有利于剥棉，主要是因为降低了锡林针布对于道夫针布握持纤维的抓取能力。当然锡林针布抓取能力的增大并不意味着生产效率的下降，仅仅是纤维再循环次数的增加，直到道夫针布能够握持足够的纤维以实现质量守恒。

2 纤维和道夫针布齿条间的机械作用

为了理解剥棉工艺，必须仔细考虑纤维和道夫针布齿条间的相互作用，图3中纤维处在垂直于齿条底面的极限位置。

如图3所示，纤维受到垂直于齿条底面的拉力T的作用，齿前面与基部底面的夹角为δ。由于摩擦力的作用，有一个沿着齿前面向下的作用力F防止纤维滑落，且作用力F与纤维所受拉力的反作用力R有关系。根据摩擦定律，防止纤维滑落的齿条

注：F=μR；R=Tcosδ图3 纤维和道夫针布齿条间的相互作用

前角δ为：

tanδ=μ

其中μ为纤维与齿前面间的摩擦因数。羊毛与齿条间摩擦因数μ约为0.22，如果仅靠摩擦力来握持纤维，δ必须小于12°，这样的齿条则为细长形；但是，道夫针布齿条采用较小的前角δ是不切实际的；而实际生产中通常采用的最小前角δ约为50°。

为此，一个可替代的已申请专利的解决方案是：在针布齿条齿前面设置几个平行于齿条底面的台阶[3]。这个方案的原理是：当纤维环绕台阶并被垂直于针布齿条底面的拉力作用时，纤维滑落的机会大幅减小，且因摩擦力作用能够将纤维握持在台阶上，以防止其返回锡林针布。根据这种理念设计的几种齿条型式，如图4所示。

a) 齿前面单台阶型 b) 齿前面双台阶型

c) 齿前面多台阶平行型 d) 齿前面多台阶平行且垂直底面型

图4展示了以下4种齿型。

a) 齿前面单台阶型，可使制造简化，但当齿条顶端损坏则无法继续使用。

b) 齿前面双台阶型，两个台阶紧密连接，且靠近齿顶面。

c) 齿前面多台阶平行型，台阶的竖直部分或多或少与齿条原前面平行。

d) 多台阶平行且垂直底面型，齿前面设置更多的台阶，台阶的竖直部分垂直于针布齿条的底面，且台阶之间竖直部分都是相互平行的。

该专利中除描述了以上4种齿型，还有无图示的齿型。它们的共同特点，是都有一个短而直的面平行于齿条的底面，且有足够的工作长度，以确保带弯钩的纤维在剥取过程中不发生滑落；根据摩擦因数可以计算出齿条的前角为24°时，可以更好地握持纤维。

图4a)是一种单台阶的简单设计。当模具设计和制造困难时，可简化粗齿或过细齿的制造。图4b)是一种切实可行的设计，其拥有两个台阶的齿条，针布在集聚纤维的过程中，若顶端损坏则还有一个台阶继续握持环绕的弯钩纤维。图4c)有多个台阶，最重要的特点是台阶的竖直部分或多或少地与原齿前面平行，因此在集聚纤维的过程中纤维可以自由滑落到齿内；通过对纤维集聚的力学分析表明，纤维若要无阻碍地滑落到齿内，其工作角α应小于78°，对应于底面的前角为12°；这种齿型的缺点是齿条若有凹陷则会降低其强度，然而对于高摩擦性的原料，它具有一定的功能。图4d)展示的是一种多台阶的设计。

分析道夫针布握持纤维的密度，发现每个齿平均只握持一根纤维，至少精梳是这样。这意味着台阶不必很长，以使针布齿条的效率有明显的不同。

如简介中讨论的那样，从道夫针齿中释放的纤维也非常重要。设置与齿条底面平行的台阶，意味着由于作用于移动棉网的力也与齿条底面平行，所以棉网仍然可以从齿前面滑落，如图5所示。

a) 齿前面单台阶型 b) 齿前面双台阶型

c) 齿前面多台阶平行型 d) 齿前面多台阶平行且垂直底面型

在齿部设置台阶的主要优点，是它能够为优化齿形提供较大的自由度，从而提高针布的强度和使用寿命。如，目前使用的针布齿条具有翻转的齿尖以提供一些额外的握持力，这点是非常有用的；但是，由于弯曲的齿尖与齿条底面不平行，因此无法发挥上述优势；而且只能弯曲齿顶端，否则易断齿。多台阶设计是在纤维滑落的一侧，且台阶的尺寸和数量不受限制，可明显延长针布的使用寿命。另一个优点，由于齿条是由型材加工而成的，能同时实现高质量和高生产速度，从而提高了生产效率。

3 新型针布齿条外形的实验

为了验证上述观点，澳大利亚联邦科学与工业研究组织与某公司磋商，制造一个线匝在实验室进行检测。如图6所示，纤维钩在图6a)普通齿条和图6b)新型齿条来支撑重量的仿真照片，为模拟剥棉区的情况，在此区域锡林针布齿条产生拉力抓取由道夫针布握持的纤维。为加强控制，传统道夫针布齿条设置在重量将要从齿部滑落的位置，针布齿条底面与水平线夹角为37°；通过比较，新型道夫针布齿条能够继续承受重量越过水平的位置。鉴于道夫针布齿条的限制性，可以通过其垂直底面保留纤维的能力而获得，表明这种新型针布的附加握持力十分明显。

a) 普通针布齿条

b) 新型针布齿条

从图6照片可以看出，传统道夫针布齿条的齿前面或多或少的都会与水平线平行，而新型齿条的齿前面与水平线呈50°角。新型针布齿条上的台阶小得几乎看不见，且与水平线平行，这说明带有台阶的新型道夫针布齿条与无台阶的针布齿条相比，其控制握持纤维能力的工作角约超过37°。

在CF型Thibeau梳棉机上，直径为1000mm的道夫滚筒包覆针布齿条，采用直径分别为18μm和22μm的两种毛纤维进行试纺，且梳棉机以不同的纤维密度(0.8g/m2～1.5g/m2)、不同的道夫牵伸倍数(12.5倍～17.5倍)开始运转；对于精梳毛纱的加工，描述加工性能的2个重要参数是豪特长度和落毛，道夫针布齿条对豪特长度和落毛的影响如图7、图8所示。

图7 道夫针布齿条对豪特长度影响的初期结果

a) 控制道夫针布齿条

b) 实验道夫针布齿条

图8 控制道夫针布和实验道夫针布的结果

根据实验结果，随着纤维密度的增大，豪特长度随之减小，这在CTFT的很多实验中都可以观察到，对豪特长度的影响结果较明显，并在一个较小的范围内。无显示的95%的置信区间，为道夫牵伸产生的变化幅度，因差异不明显而未统计。因此，3次实验只绘制了一条取中值的回归线，即道夫牵伸倍数为17.5倍。

虽然实验结果不同，纤维密度的影响却很明显，且对道夫牵伸的影响更显著。实验结果显示，两个最小牵伸的豪特长度明显比传统针布齿条的长，当牵伸倍数增大到17.5时，实验针布齿条的豪特长度与传统针布齿条的值很难区分。在这种情况下，选择的回归分析是在较小的牵伸倍数，即牵伸倍数为12.5倍时，结果显示豪特长度比纤维密度为1g/m2时约长1.5mm。这表明在较小的牵伸倍数时，当更多的纤维从锡林上被转移，实验新型道夫针布具有较大的握持力则更有优势。

如果这种变化趋势可被大量试验所验证，更适合于工业生产环境的话，它可以提供了两种开发替代策略，见图7。首先，在生产纤维密度为1g/m2时进行生产，新型针布齿条会使豪特长度增加约1.6mm，而目前羊绒的市场估算经济效益增长值可达25 $/kg。其次，在豪特长度相同时，梳棉机需以较高的生产效率来运转。这种情况下的效益难以计算，因为它取决于加工厂的成本结构，但它是一种可行的策略，且很可能会有收益。

控制针布齿条和新型针布齿条对落毛的影响如图8所示。在标准的加工条件下，经3次准备针梳，然后在SchlumbergerPB29型精梳机上进行精梳。

从实验结果可以看出，采用控制针布齿条和新型针布齿条对落毛的影响无差异，而对豪特长度的影响则有较小的差异。落毛是一个难于准确测量的参数，因此相较于此处牵伸倍数为12.5的实验，需要进行更多的研究，从而完全确保是否对工业生产有影响。

4 讨论

新型道夫针布的设计，源于对其运转基本原理和影响其性能的主要因素(从针布齿条上释放纤维)方面进行的分析。锡林针布和道夫针布不同于在粗梳毛纺上的应用(生产中关注的是毛网均匀度，而非纤维断裂或生产效率)，现代道夫针布的效率相对提高，达到30%。

通过在道夫针布齿条的齿前面上设置台阶，可使纤维滑落的趋势明显下降，证明新型道夫针布齿条能够在90°的限制角内握持纤维。

新型针布设计的齿条是灵活多变的，能够通过多种形式来实现要求，以达到高质量的标准且不会影响其功能。一旦模具被制成，齿条就能达到高公差和高速要求，确保其在市场上使用不受高成本的限制。锡林和道夫的间距通常为0.4mm，或更小(相对于从1000mm到3500mm的锡林宽度)。这就对齿形设计有严格的要求，每个针齿都必须以严格的公差来制造。在齿形上增加台阶不会影响齿条的基本设计，且以前的所有需求都可以实现。

限制实验说明这种新型设计对于豪特长度是很有利的。在实验室进行实验的最大困难是要确保新型针齿能够充分有效地降低其通常造成的纤维断裂问题。目前大量的测试设计正在进行中，着眼于许多纤维类型的性能，不仅仅是羊毛还包括棉和合成纤维。这项工作在很多产业中正在进行，以便尽可能快地确定技术和商业效益的前景。

对类似于道夫的工作辊，该设计也可用于工作辊针布上。在梳毛过程中锡林和后面的剥取辊如何从工作辊上成功剥取纤维，而新型针布较大的握持力对梳理有益，确保了由工作辊剥取的纤维不会在最初的工作点过早地被除去，而是在剥取辊作用下返回到锡林上。

对于锡林针布和道夫针布的共同发展问题，一个新趋势是有一种更有效的道夫针布可以使锡林针布对纤维的控制能力增强，当然这样做的结果是纤维的再循环性增加，但是潜在的价值是在不损失豪特长度和增加落棉的基础上使生产纤维密度高于1.6g/m2；在某些情况下，工厂生产效率的增加可能比豪特长度的增加更重要。

新型设计会影响道夫直径，使用大道夫意味着在道夫和锡林表面开始分离之前，纤维从锡林向道夫的转移更加完全；但在更有效的道夫针布作用下，小道夫也可为梳棉机设计提供有效的新机会。

新型针布齿条的另一作用是梳理摩擦小的纤维，如Teflon，其较低的剥取效率导致锡林负荷增加。

为了使棉网握持在道夫针布上，避免棉网在很光滑的道夫上未到达剥取点就滑落，则带台阶的齿条具有阻止纤维滑落的良好性能。

最后一个应用，是将道夫针布用于精梳机。CTFT的经验显示，当新条子喂入精梳机时，条子的头端有被循环梳针拔出形成一束纤维的趋势，然后纤维束由电刷喂入道夫；但经验显示道夫针布无法握持住纤维束并如图1讨论的那样准确地将其释放回到电刷，一旦纤维束回到电刷上，通常会被转回到循环梳针上，聚集在针齿中，妨碍精梳过程。而新型道夫针布可以握持住聚集的全部纤维，使循环梳针能够继续以最大的效率工作。

5 商业化

这种新型道夫针布的设计正在与ECC-Platt公司进行磋商，使其商业化。该公司已对其L10型道夫针布齿条进行了改造，专门用于羊毛梳理，也在合成纤维上做过试验；用于梳理羊毛的齿条齿形如图9所示。同时，该公司也生产了一种适于梳棉机的道夫针布，且正在进行最终试验。

a) δ=50° b) δ=45°图9 ECC-Platt公司研制的用于精毛纺梳理的齿条

6 结语

新型道夫针布设计理念的出现，并随着欧洲ECC-Platt公司在该技术上的发展，已在世界很多工厂进行试纺。结果显示新型针布前景广阔，但是在进行商业化生产之前，还需在工厂进行大量的试纺和评估，这样才会使产品有继续发展的空间。

[1]Harrowfield,BV,JREley,etal.ThePressureonFibresinCarding,Symposium:WoolScouringandWorstedCarding:NewApproaches[M].CSIROTextile&FibreTechnology:Geelong,1986：5-7.

[2]Harrowfield,BV，DFGravolin.DynamicTransferEfficiencyofWoolFibresfromSwifttoDofferinaMiniatureCard[J].JTextInstit,1986,77(1):9.

[3]Atkinson,KR.CardWire,EspeciallyforDoffersandWorkers:WO00/26450[P].

郭 昕，曹继鹏 编译自

A New Generation of Doffer and Worker Wire.

(TextileInstitute81stWorldConference，CSIROTextileandFibreTechnology，2000.)

A New Generation of Doffer and Worker Wire

Ken Atkinson

The textile industry has long been aware of the importance of the efficiency of doffing for the quality of carding.As the efficiency of doffing decreases the recycling of fibre around the main cylinder increases,which can cause problems such as lower web quality,greater nep content,or increased fibre breakage.A new philosophy of doffer operation is presented that highlights the role of the fibre loss from the teeth of the doffer on the efficiency of cylinder-doffer transfer.The fibre loss can be prevented by adopting a new profile for the doffer wire.The doffer wire was manufactured incorporating the new principle,which has been patented,and tests confirmed as superior capacity to retain fibre hooked around the pins.The effect of this new wire on fibre length and noil for worsted carding is reported and the implications for the carding of fibres other than wool are briefly discussed about.The extent to which worker wires operate like doffers means that the new profile could also be used as a worker wire.

doffer;clothing;worker wire;cylinder;doffing;steps;profiles;front angles

2016-04-20

郭 昕(1972—)，女，辽宁丹东人，副教授，主要从事纺织工艺研究。

时间：2016-10-08 09:29

TS103.82+1

A

1001-9634(2017)01-0005-06

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1131.TS.

20161008.0929.002.html