冯喜奎、王雪峰/郑州科技学院机械工程学院 郑凯旋/恒天重工股份有限公司
0前言
随着“中国制造2025”国家战略的推进，高端装备制造和升级越来越受到人们的关注，中国纺织业也进入了结构调整、产业升级的新阶段。要走出困境，必须提高装备水平、创新生产模式，提升产品档次和水平。发展自动化、数字化、智能化生产线是我国制造业也是纺机业今后的发展方向，梳棉机是纺织装备科技水平的标志性设备，梳理针布作为梳棉机的心脏，为其高效、智能工作提供强有力保障。而随着梳理装备技术研究的进展，附加分梳对高产、高效梳理的作用与贡献越来越受到人们的关注，附加分梳延伸纤维路径，扩大梳理作用区，细化区域功能组合，不但增加台时产量，且显著提高棉网和成纱品质。附加分梳的核心是分梳板的针布，它的设计、优化及创新对梳棉机整机功效提升至关重要。
1.附加分梳板针布现状
伴随着梳理技术的发展，自上世纪90年代起进口及国产新型高产梳棉机不断涌现，新型高产梳棉机在追求高产的同时，更加关注棉网及成纱质量，普遍采用扩大梳理面的措施：在刺辊部位加装预分梳板，在活动盖板前后两侧加装固定盖板，增加分梳和除杂，确保足够的梳理度，同时提高梳棉机的一次分梳能力，改善棉网及成纱质量［1~3］。进口梳棉机附加分梳元件的更换、国产新型梳棉机附加分梳元件配套、老型梳棉机的附加分梳元件改造形成了一个巨大的市场需求。
经历了二十多年的不懈努力，特别是近十年对国外先进梳理主机的研究和借鉴，国产附加分梳元件作为高端器材,在品种、规格、质量性能等方面有了显著提高，再加上国产分梳板有成本和价格优势，逐步形成了与国外名牌（如Trützschler、Graf）分庭抗争的局面［4］。但高端梳棉机配用国产附加分梳元件的比例仍然较低，国产附加分梳元件在制造精度、使用寿命、设计创新等方面与国外一流品牌尚存在一定差距。
2.附加分梳板针布设计
2.1附加分梳板针布设计要则
2.1.1分区段、巧对应
附加分梳在梳棉机上跨度大，配置在三个不同工作区间：刺辊预分梳区、后固定盖板区、前固定盖板区，由于在不同区间及同一区间的不同位置所处理纤维的状态不同，针布具体承担的任务不同，针布应具有的梳理特性也截然不同，需要作针对性的特殊设计［5、6］，其变化规律是伴随着纤维束的细化、分解、顺直，针布的齿距和齿深减小、齿密增大。
2.1.2小角度、大容量
分梳板齿体处于内弧面,在锡林或刺辊离心力作用下纤维层极易向齿底沉积，影响梳理效果，小角度（小α—齿前面与底面垂线之间夹角）有利于将纤维调控在上齿区。
在刺辊预分梳及后固定盖板工作区间，纤维层中以较大束状为主，且混杂较大破籽杂质，束状纤维的松解、细化，杂质的剥离、破碎，都要求提供足够的空间，同时大的齿隙容量能保障良好的释放性能，可有效避免充塞及嵌杂的发生。对前固定盖板来说，来自回转盖板区的纤维流不会因齿隙容量骤减（回转弹性盖板的齿隙容量比金属针布要大得多），而影响精细分梳和整理分梳的效果。
2.1.3高自洁、免维护
附加分梳被固定封装在工作位置上，其状态无法观测，维护及检查也十分不便，要求其自洁能力强（不挂花、不嵌杂）、检修周期长、免维护。
采取小角度（小α）、楔形齿截面、错位排齿、较大齿夹角、圆弧形齿底、加大过渡圆弧等设计特点，保障对纤维的有效释放，最大限度地避免挂花及嵌杂的发生。
2.1.4高耐磨、长寿命
由于刺辊梳理作用区预分梳板总齿数远少于刺辊，锡林~盖板梳理作用区工作盖板（回转加固定）的总齿数远少于锡林，故梳理作用中分梳板的磨耗要大得多，产品寿命周期的匹配要求附加分梳板具有高耐磨、长寿命特性。
应采用高碳细晶钢、合金钢材质，特殊热处理工艺，高耐磨齿形设计等措施，确保产品具有较高的纤维梳理量［7］。
2.1.5布局好、分梳强
在附加分梳的各区段，通过不同规格针布的设置与布局，强化与对应梳理元件针齿面的协同作用，使纤维层处于恰当的梳理条件之下，最终获得增强的分梳效果。
2.2产品分类细化
与传统梳棉机不同，新型梳棉机大量采用了新技术和新材料，设备造价高，具有高速、高效、高针对性的特点。附加分梳依附于主分梳，依据梳理主机梳理特性的不同需要应具有针对性的针布配置，以保障梳理过程的高效和产品的高品质。为此作者认为附加分梳板针布应细化产品类别，逐步形成以下品类。
2.2.1通用型分梳板针布
适用于中、低端具有附加分梳的梳棉机配套，与老型梳棉机做附加分梳改造相配套。适用于纺织企业生产中在棉和棉型化纤之间经常变更，对针布通用性有一定要求的梳棉机。
2.2.2高耐磨型分梳板针布
适用于高档清梳联生产线配套的梳棉机。高档设备投资大，要求设备的开台率高、维护周期长，梳理器材耐用、寿命长，需要配用高耐磨、长寿命的针布。应采用优质的合金钢，采取特殊的热处理等强化工艺，对齿形作高耐磨设计。
2.2.3高速高产型分梳板针布
适用于高速、高产梳棉机。梳棉机车速高使离心力加大，需减小针布前角；高产条件下，梳理强度高，需要足够高的齿密来应对；高负荷强分梳条件下要求针布具有高耐磨、长寿命特质，应采用优质的合金钢，采取特殊的热处理等强化工艺，对齿形做高耐磨设计。
2.2.4化纤型分梳板针布
适用于纯化纤或以化纤为主的混纺，以小角度（小α）、大齿隙设计应对化纤梳理中因静电而缠绕及糊齿的现象。
2.3齿形设计
针布作用于纤维时，所表现的效能包括对纤维的穿刺、吸纳、握持、均混、分梳、释放、转移等，随针布所服务的梳理机型特点、纤维种类、工艺配置、纺纱产品、包覆或固装工作部位等的不同，其效能的突出和强化不同，就形成了不同类别、不同齿形、规格众多的各型针布产品。就针布产品的齿形而言，在满足冲模加工和冲齿工序要求的前提条件下，可以有广阔的设计空间。
2.3.1直线负角大容量齿形设计
较大规格的附加分梳板针布相对于刺辊针布而言齿深要浅些，设计成直齿齿形时，齿前面前角直线部分过浅，对纤维的容持空间不足，应设计成负角前面，并适当减小齿尖角（大约40°），增大齿体空间面积（在齿深平面区域内无齿体的空间~齿空远大于有齿体的空间~齿体），形成直线负角前面大容量齿形，如图1所示。
图1 直线负角大容量齿形设计
2.3.2高耐磨慢衰退齿形设计
当为直齿齿尖时，齿尖角设计得过小，有两大缺陷，一是齿尖强度不足易掉尖（崩尖），二是齿尖部体积容量小，储备的供磨损的材料不足。加大齿尖角又影响锋利度且齿空容量下降。
高耐磨慢衰退齿形如图2所示，在较小齿尖角的负角前面齿形基础上优化齿形，将齿前面靠近齿尖部（直线部分的三分之一）角度加大（α约8°），齿背靠近齿尖处设计成弧形（弧尖），α角是针布的主要技术参数，影响对纤维的握持与释放，仅在齿尖部小区域加大α角，对全齿深纤维流层的握持与释放不会造成大的影响。
此设计方案的优越性表现在三个主要方面：一是既采用了较小齿尖角，获得较大的齿空容量，又增加了齿尖强度，抑制掉尖发生；二是有效地增加了齿尖区域可用磨损体积，为梳理磨损储备下较多的材料，可明显提高齿体的耐磨性和寿命［7］；三是可有效减慢针布的衰退。齿体的衰退突出表现在三个方面：齿高变矮、齿尖及棱角圆钝、形态“走形”。
图2所示的齿形设计可以减缓齿高变矮，尤其是对减缓齿形衰退将有所作为，观察针布齿体的磨损可知，磨损极不均匀，越靠近齿尖磨损越快，伴随着齿体磨损，α角在逐渐变小，纤维的握持逐渐不足，而释放及滑脱在加剧，梳理功效逐渐衰退。当采用齿尖区加大α角并做弧顶设计时，在高耐磨慢衰退的预期方面会有不俗的表现。
图3是两种齿形齿体磨损衰退的比对示意图，在齿体的早期及中期磨损中，齿尖部优化的齿体以特别增加的齿体材料抵消了齿体磨损，齿高矮缩变慢，特别是α角的衰变大大减缓，有效保持齿体形态，为取得较好的梳理效果创造条件。
图2 高耐磨慢衰退齿形设计
图3 针布齿体磨损衰退比对
2.3.3直线负角弧背齿形设计
弧背形设计使齿尖区域强度加大，不易掉尖，针齿齿尖角减小，形成较大齿空容量；同时弧形齿顶耐磨性优于直齿，可有效增加梳理寿命。
图4 直线负角弧背齿形设计
2.3.4其它齿形设计
直齿齿形，直齿平底齿形，直线负角平底齿形等。
2.4刺辊预分梳板针布设计
刺辊预分梳板的任务是开松和分解粗大棉束、剥离籽壳、细化杂质，工作中针齿受力强度高且不均衡，杂质、粉尘对针齿的磨耗极大，应作如下设计。
2.4.1稀齿密
齿密与刺辊齿条匹配，可接近但一般不高于刺辊齿条。Trützschler设置齿密为78、90齿/（25.4mm）2，Graf齿密设置为40、60、90齿/（25.4mm）2；鉴于预分梳板针布制造及应用日臻成熟及国内企业已形成的共识，作者推荐60、90、120齿密系列。纵向齿距3.2~5.6 mm，横向可以隔距片作密度调整。α角5°~－5°，刺辊转速越高α角越小，纤维静电越高α角越小。
2.4.2大容量
横向间距大形成宽松纤维通道，纵向大齿空，使齿板具有足够的纤维容量。齿形设计为直线负角大容量齿形，或直线负角弧背齿形、直线负角平底等齿形。
稀齿密与大容量的融合力图产生对粗大纤维团束的握而不塞、释放自如的效果。
2.4.3高耐磨
除了材质和淬火工艺保障之外，必要时可施加表面（层）强化措施，齿部形态符合高耐磨设计：齿尖宽可厚于刺辊齿条，并对齿形作高耐磨慢衰退齿形设计。
2.4.4高强度
体现在齿体的高强度和齿板固装的高强度，以应对强大且不均匀的梳理力。应以较浅的齿深、楔形齿提高齿体强度，齿深在2.2~3.0 mm之间，当齿尖角≤40°时，要作弧形齿顶或弧形齿背设计，以增加齿体强度。
除了上述设计之外可对齿板上的齿段作齿序错位排列、齿段斜角排列、“V”型排列等，以优化分梳效果。
2.5后固定盖板针布设计
后固定盖板是预分梳的推进，为主分梳（回转盖板与锡林）创造条件，进一步开松和分解纤维束，分离杂质和短绒，均混纤维。工作中齿体受力强度仍较大且不够均衡，应作如下设计。
2.5.1齿密梯增
从上游的刺辊预分梳板到下游的回转盖板，针布的齿密有巨大的跳跃，从预分梳板的60~90 齿/（25.4mm）2至回转盖板400~550齿/（25.4mm）2，用单一齿密规格不利于纤维的渐进梳理，以几种齿密梯度增加的规格，梳理效果更好，依机型及纱线产品不同，齿密可在90~330 齿/（25.4mm）2所形成的齿密系列中适选一个齿密组合，如：160/270/330。
2.5.2上下衔接
预分梳板具有较大的齿体，植针型回转盖板也有着较大的针高，处于两者之间的后固定盖板，其齿体高度及齿密设置都要充分考虑与上下游的衔接，齿高比预分梳渐小,但不可过小，否则会引起纤维流的涌堵，影响梳理效果。可形成齿深在2.2~0.9 mm之间的递减系列。
2.5.3不充塞、不绕挂
该作用区存在较大束状纤维,且分布不均匀，瞬间涌堵时有发生，极易产生充塞绕挂，应以7°~0°设计α角，选择较大齿空容量的齿体形态，确保对纤维的有效释放。
以上设计形成了后固定盖板是一组（三种或两种规格）齿体尺寸递减、齿密递增、分级跨接的分梳板组合［8］。
2.6前固定盖板针布设计
前固定盖板梳理区是梳理的补充或延伸，重点解决回转盖板因出入端兼顾所造成的出口端齿密不足的缺憾，在齿密梯增条件下完成精细分梳、整理分梳、顺直纤维，进一步清除残余杂质、微尘及短绒，达到改善棉网及成纱品质的目标。
2.6.1具有衔接性
密及梳理度与上游的回转盖板相衔接（高于回转盖板）。
2.6.2具有延伸性
为实现精细分梳、整理分梳，进一步提升纤维的伸直度，要将梳理的收官区段向高齿密延伸［8］，齿体规格梯级减小，但不小于锡林针布，以5°~7°设计α角（当为化纤时α角更小），尽量选择较大齿空容量的齿体形态，依机型及纱线产品不同，齿密可在310~860 齿/（25.4mm）2所形成的齿密系列中适选一个齿密组合，如550/720。
以上设计决定了前固定盖板是一组（两种或一种规格）齿体形态尺寸较小、齿密大于回转盖板且递增的分梳板组合。
3.附加分梳板针布的创新与优化
3.1普遍适用的创新优化
3.1.1齿形高耐磨、慢衰退设计
其必要性及设计方法前面已详述。其可行性已经过多次成功尝试，不但可得到精准齿体形态，还可大幅提高冲齿时的冲模寿命。
3.1.2以表面处理保障高自洁、不绕花
（1）机械刷光
可设计回转式齿板刷光机，将镶排好的齿板像梳棉机回转盖板那样低速循环，在回转通道上设置软毛刷式的抛光辊（刷毛上覆着抛光磨料），对抛光辊的转向、转速、摆动、刷毛方向作科学设计，有效地清除毛刺及氧化膜。
（2）电化学抛光、镀层
电化学抛光也称电解抛光，是被抛光工件黏膜作用下的阳极溶解。在去除毛刺和氧化皮的同时，由于表面凸起的溶解度大于低凹处，其整平作用使齿体的表面粗糙度获得改善。镀层处理不仅是获得高耐磨的表层，其镀前预处理有溶解毛刺作用，使镀后的表面具有好的表面粗糙度。
3.1.3大齿空容量设计
齿体式分梳板针布的齿高比植针式针布的针高要小得多，有必要做大齿空设计，并有明显的齿颈，保障足够的纤维容纳空间及气流通道，提高分梳能力，且有利于清除碎屑和嵌杂。
3.2分类创新优化
3.2.1齿条式
（1）齿段无截冲残齿及毛刺
入口及出口端不留残齿。如图5所示，当前排为整齿时，后排齿段可能会留下残齿（图中箭头所指的浅虚线齿段的端部）；模具精度有保障，不产生毛刺。
可行性方案：
①优化截冲工艺及模具，截裁齿段时不留残齿。
②实施冲淬卷线的节段周期冲齿。
借助伺服及其它协同传动技术，将冲淬卷的冲齿牵料与齿条冲截送料长度进行统筹设计，即在冲淬卷线上每牵料一组连续正常的齿距后，牵引1~3个小齿距，生成一段无齿空隔，在此空隔区冲截齿段。无齿空隔设计长度不同，后续截冲时生成具有不同齿位起点的齿段，但它们都不再有较大的残齿。
（2）嵌镶充分露齿
从客户反馈及调研发现，在某些梳棉工艺条件下，齿条式固定盖板易发生齿底积聚碎屑甚至于糊齿的现象。笔者认为除了α角过大、纤维释放不足及齿体不光洁外，齿高不足、齿根空间陷入齿板平面之下也是主要成因。为此，齿段在铝合金板上嵌镶不宜过深，齿部与齿颈部要全部露出底板平面，保持纤维及气流的通道畅通，不给碎屑积聚留空间，为纤维流拖带杂质清除嵌杂创造条件。图6嵌镶过深，图5嵌镶深度恰当。
图5 齿条式齿段截冲残齿
图6 齿条式齿段嵌镶过深
3.2.2隔距片式
隔距片式分梳板针布在全齿淬火、精细抛光、以隔距调齿密、全齿宽布齿等特点前提下，需要寻求新突破，其创新优化的突破口是由等厚齿（齿尖与齿根等厚）转为楔形齿（齿尖薄齿根厚），图7上侧为优化前，下侧为优化后。此时半成品钢带要单侧带斜面，加工工艺需要相应调整。当为楔形齿后，齿尖变薄，齿根变厚，整齿强度增加，为加大齿高创造了条件，低齿密得以加大纵向密度（大齿距），减小横向密度（减薄隔距），与锡林针布的齿密布局相匹配，强化分梳效果；高齿密针布的齿体锋利度得以提高，还可有效遏制横向齿隙嵌杂的发生。
图7 隔距齿片式齿体截面及优化
3.2.3基台齿片式
（1）加隔距片
带基台的齿片式分梳板针布属传统型产品，除了还在用于包夹式固定盖板以外，现主要用于预分梳板，其规格尺寸较大，轧制时基台的形态规整有难度，台侧平面不足或厚度不一致会影响排列精度。设置隔距片，减小基台高度，可提高轧制精度，串排后的齿板精度将得到提高。另外，加了隔距片后，齿片大大减薄，可大幅降低材料成本（隔距片材料成本低）。如图8所示，上侧为整体式，下侧是加了隔距片后。
图8 基台齿片式截面及优化
（2）齿段无截冲残齿及毛刺（略）
短针式在刺辊、刺辊预分梳板、固定盖板等分梳件上的试验效果明显优于锯齿式分梳件［9-11］，但在针齿截面与强度、梳针基板选材及结构设计、生产效率、高针密应用、针尖平面度等方面尚需有全新的创新与突破，才能实现规模化生产和应用［4］，此处不赘述。
4.结语
（1）梳棉机附加分梳的设计与创新是一项系统工程，还包括分梳板结构、附加分梳装置、主附分梳元件的选型与配套等方面，此篇仅涉及与针布齿板技术性能、质量特征、规格参数分布相关的设计、创新与优化，借此为行业梳理技术进步助一臂之力。
（2） 附加分梳板针布的设计要抓住三个关键：结合不同作用区的纤维状态；围绕各作用区针布的具体任务；与对梳元件（预分梳的刺辊针布、固定盖板的锡林针布）相适配。
（3）附加分梳延伸纤维路径，扩大梳理作用区，实现梳理作用多区段，利于梳理的分区域功能组合设计、优化针布配置，使梳理作用富有针对性，更加高效，为提高棉网和成纱品质创造了条件。
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