賈國欣, 任家智, 馮清國

(1. 河南工程學院 紡織新產(chǎn)品開發(fā)河南省工程實驗室， 河南 鄭州 450007； 2. 河南省紡織服裝協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南 鄭州 450007； 3. 中原工學院 紡織學院， 河南 鄭州 450007)

基于纖維長度根數(shù)分布的精梳加工模擬及棉網(wǎng)質(zhì)量預測

賈國欣1，2, 任家智2，3, 馮清國2，3

(1. 河南工程學院 紡織新產(chǎn)品開發(fā)河南省工程實驗室， 河南 鄭州 450007； 2. 河南省紡織服裝協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南 鄭州 450007； 3. 中原工學院 紡織學院， 河南 鄭州 450007)

為實現(xiàn)精梳質(zhì)量的預測及精梳工藝的智能設(shè)計，采用Monte Carlo隨機模擬的方法，對給定纖維長度分布(根數(shù))的棉卷進行精梳加工計算機模擬，得到工作周期內(nèi)不同階段的棉叢形態(tài)及輸出棉網(wǎng)根數(shù)不勻CV值。討論了不同工藝參數(shù)下的模擬結(jié)果，結(jié)果表明：分離羅拉順轉(zhuǎn)定時為14.5、15.5分度時，輸出棉網(wǎng)的不勻值較??；落棉隔距增大，輸出棉網(wǎng)的不勻小幅度增長；給棉長度在4.7～5.9 mm之間增加時，輸出棉網(wǎng)的不勻輕微惡化，模擬結(jié)果與此前的實驗研究結(jié)論有良好的相關(guān)性,模擬加工的方法更適用于纖維長度分布(根數(shù))經(jīng)常變化的棉卷精梳過程研究。關(guān)鍵詞 纖維長度分布； 加工模擬； 棉網(wǎng)； 預測

精梳條的條干均勻度是精梳工序的重要質(zhì)量考核指標。如何通過改變工藝參數(shù)來改善精梳條的均勻度，以往的研究主要集中在實驗方面。任家智等分別利用單個分離叢2 mm切斷稱重法分析了分離羅拉順轉(zhuǎn)定時、落棉隔距、給棉長度等工藝參數(shù)對精梳棉網(wǎng)均勻度的影響，得出了一定纖維長度根數(shù)分布情況下上述工藝參數(shù)的優(yōu)選方案[1-3]。但采用單個分離叢2 mm切斷稱重法時，實驗過程容易受到人工操作手法及外界諸多因素的影響及干擾，造成實驗結(jié)果不穩(wěn)定，而且2 mm切斷稱重法實驗用時長、工作量大、效率低，對纖維長度分布千變?nèi)f化的精梳棉卷的適應性差。在紡紗研究中，有學者采用過程模擬的研究方法，作出質(zhì)量預測并優(yōu)化紡紗工藝[4-5]。本文采用Monte Carlo 隨機模擬的方法，編制Matlab編程，對給定纖維長度分布(根數(shù))的精梳棉卷進行不同工藝參數(shù)下的模擬加工，通過模擬得到輸出棉網(wǎng)形態(tài)及其根數(shù)不勻的CV值。并通過比較可知，這種方法得到輸出棉網(wǎng)不勻規(guī)律與此前實驗研究結(jié)果有良好的相關(guān)性，而且這種方法速度快、效率高，對于纖維長度分布經(jīng)常變化的精梳棉卷具有更好的適用性。

1 纖維長度根數(shù)分布

在精梳加工過程中，能夠通過儀器(如印度產(chǎn)Premier大容量棉花檢測儀)檢測得到棉卷的纖維長度分布(根數(shù)),該分布是以頻率密度表示的直方圖[6]，如圖1所示。由圖可知，輸入棉卷中每2 mm間距上的直方圖面積(即頻率密度值)分別為a1,a2,a3，…，an，其中a1為纖維長度[0mm,2mm)上的頻率密度，an為纖維長度[2(n-1),2n)上的頻率密度。顯然有a1+a2+…+an=1。

圖1 纖維長度分布Fig.1 Fiber length distribution

2 精梳加工的計算機模擬

2.1 工作棉叢的生成

已知纖維長度分布，可采用Monte Carlo 方法生成纖維長度li。取b1=a1,b2=a1+a2,…,bn=a1+a2+…+an，則(0,b1,b2,…,bi,…bn)正好劃分了(0,1)區(qū)間，利用均勻分布隨機函數(shù)生成一個(0,1)區(qū)間的隨機數(shù)ξ，判斷隨機數(shù)ξ屬于哪個區(qū)間，若ξ∈(bi,bi+1)，則生成1根長為li=2i+ξ-bi的纖維[7]。

根據(jù)精梳機的工作特點，一個工作循環(huán)中，鉗板輸送給分離羅拉的棉叢長度等于喂棉長度A，設(shè)纖維頭端服從[0，A]的均勻分布[8]，以Aξ作為這根纖維的右頭端，以li作為纖維的長度，使纖維向左平行展開。采用上述方法，編制Matlab程序，生成若干根滿足頻數(shù)分布特性的纖維，形成精梳工作棉叢的示意圖，如圖2所示。

圖2 工作棉叢Fig.2 Working cotton cluster

2.2 棉叢的錫林梳理

圖3 錫林梳理后棉叢Fig.3 Cotton cluster after cylinder carding

2.3 棉叢的分離接合

經(jīng)過錫林梳理后，鉗板將棉叢送向分離鉗口。棉叢頭端進入鉗口時，分離接合開始，鉗板擺動到最前方，不再有纖維喂入分離鉗口時，分離接合結(jié)束。根據(jù)精梳機的運動特性可知，鉗板擺動到最前方的時間為24分度，則分離結(jié)束的時間為24分度[10]。而纖維分離開始的時間(纖維進入分離鉗口的時間)與纖維的頭端位置有關(guān)，也與鉗板的運動規(guī)律有關(guān)。纖維頭端位置不同，鉗板運動情況改變，分離開始時間不同。

對精梳機鉗板機構(gòu)建立運動模型，編制MatLab程序，算出不同鉗次、不同落棉隔距時下鉗板一個工作周期的位移參數(shù)，并據(jù)位移參數(shù)值擬合出下鉗板在分離接合階段的位移方程。利用位移方程計算出頭端位置為Aξ的纖維到達分離鉗口的分度K(分離開始時間)。例如：精梳機速度為350鉗次/min，給棉長度A=5.2mm，落棉隔距為9mm時，擬合下鉗板分離接合階段的位移方程為：X=(-0.137)×K2+6.77×K-78.148，其中：X是位移，K為分度。一根纖維的頭端位置為4.96mm,其到達分離鉗口走過的位移X=A-4.96=5.2-4.96=0.24 mm， 利用位移方程，可得到其分離開始的時間為18.6分度。

同理，對精梳機分離機構(gòu)建立運動模型，編制MatLab程序，算出不同順轉(zhuǎn)定時、不同鉗次時分離羅拉一個工作周期的速度參數(shù)，并根據(jù)速度參數(shù)值擬合出分離羅拉在分離接合階段的速度方程。以鉗板位移方程計算的分離開始時間為積分下限，以分離結(jié)束時間作為積分上限，對分離羅拉速度方程進行定積分運算，可得纖維在分離接合階段走過的位移[11]。例如：精梳機速度為350鉗次/min，分離羅拉順轉(zhuǎn)定時為16分度時，擬合分離羅拉分離接合階段的速度方程為：V=3.451×107×t3-6.163×106×t2+1.893×105×t+337.26，其中：V是分離羅拉線速度，t是時間。以上述位移方程計算的分離開始時間為積分下限(需將開始分度折算成分離接合階段的對應時間)，以分離結(jié)束時間作為積分上限(需將結(jié)束分度折算成分離接合階段的對應時間)，對分離羅拉速度方程進行定積分運算，可得上述纖維在分離接合階段走過的位移為32.94mm。

對圖3所示的每根纖維進行上述計算，可得到分離接合后的棉叢(分離叢)形態(tài)，如圖4所示，對分離叢不同位置的纖維根數(shù)進行統(tǒng)計，得到單個分離叢纖維根數(shù)分布曲線，如圖5所示。

圖4 分離接合后的棉叢Fig.4 Cotton cluster after detaching-overlapping (flock)

2.4 精梳機輸出棉網(wǎng)

利用Matlab程序，依據(jù)精梳棉卷纖維長度根數(shù)分布，重復上述工作棉叢生成、錫林梳理、分離接合模擬，得到不同的隨機分離叢。根據(jù)精梳原理，后一個分離叢疊放在前一分離叢之上，并且前、后分離叢的頭端距離為有效輸出長度S[12]。依次疊放7個分離叢，得到精梳機輸出棉網(wǎng)。有效輸出長度S=26.48mm時，精梳機輸出棉網(wǎng)的形態(tài)如圖6所示，對輸出棉網(wǎng)不同位置的纖維根數(shù)進行統(tǒng)計，得到輸出棉網(wǎng)纖維根數(shù)分布曲線，如圖7所示。

圖6 輸出棉網(wǎng)Fig.6 Outputting cotton web

圖7 輸出棉網(wǎng)纖維根數(shù)分布曲線Fig.7 Distribution curve of fiber number to outputting cotton web

2.5 輸出棉網(wǎng)根數(shù)不勻

按照電容式條干儀的原理，檢測的不勻率是使用一定長度電容板上纖維量的變異來表示的[8]，所以在對輸出棉網(wǎng)不勻率進行模擬時，可采用計算機程序來計算定長上纖維量的變異。將輸出棉網(wǎng)沿長度方向分成n段，分別統(tǒng)計計算每段上的纖維根數(shù)wi，并計算出n段的平均纖維根數(shù)w0，利用CV值計算公式得到輸出棉網(wǎng)的不勻值，可對棉網(wǎng)質(zhì)量進行預測。

3 應用結(jié)果與討論

利用上述精梳加工模擬技術(shù)，可分析精梳工藝對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，優(yōu)化精梳工藝，并實現(xiàn)對精梳質(zhì)量的預測。

3.1 順轉(zhuǎn)定時的工藝優(yōu)化及棉網(wǎng)不勻預測

3.2 落棉隔距的工藝優(yōu)化及棉網(wǎng)不勻預測

對纖維長度根數(shù)分布如圖1所示的精梳小卷進行計算機模擬加工，其加工條件為：精梳機速度350鉗次/min，給棉長度5.2 mm(前進給棉)，分離羅拉順轉(zhuǎn)定時15.5分度。落棉隔距分別為9、10、11、12 mm時，各自模擬加工10次，并記錄其各次輸出棉網(wǎng)不勻CV值，10次棉網(wǎng)不勻CV值的平均值經(jīng)計算分別為7.4%、7.5%、7.9%、8%?？芍?，落棉隔距增大，精梳棉網(wǎng)的不勻CV值增大，但增大幅度較小，這與文獻[2]通過實驗方法獲得的結(jié)論相符性良好。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是精梳機前進給棉過程中，分離前鉗板鉗口外棉叢長度L見下式[13]：

L=B+(1-k)A

由式(2)可知，鉗板鉗口外棉叢長度L隨著分離隔距(落棉隔距)的增大而增大。在小卷定量及其他參數(shù)不變的情況下，增大落棉隔距將增大鉗板鉗口外棉叢長度，增加長纖維被錫林梳掉成為落棉的概率，使分離前鉗板鉗口外棉叢變薄，分離叢變薄，精梳棉網(wǎng)的均勻度發(fā)生變化。

3.3 給棉長度的工藝優(yōu)化及棉網(wǎng)不勻預測

對纖維長度根數(shù)分布如圖1所示的精梳小卷進行計算機模擬加工，其加工條件為：精梳機速度350鉗次/min，分離羅拉順轉(zhuǎn)定時15.5分度，落棉隔距9 mm。給棉長度(前進給棉)分別為4.3 、4.7、5.2、5.9 mm時，各自模擬加工10次，并記錄其各次輸出棉網(wǎng)不勻CV值，10次棉網(wǎng)不勻CV的平均值經(jīng)計算分別為8.3%、7.7%、8.1%、8.4%。綜上所述，給棉長度為4.7 、5.2 及5.9 mm時，隨著給棉長度的增長，輸出棉網(wǎng)的不勻CV值增加。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是給棉長度增加，分離牽伸倍數(shù)變異系數(shù)增大，惡化了精梳棉網(wǎng)的不勻。而給棉長度為4.3 mm時，精梳機每鉗次的喂棉量太短，造成精梳機的接合長度降低，棉網(wǎng)的均勻度變差[14]。

4 結(jié) 論

1)采用Monte Carlo隨機模擬的方法，可對不同纖維長度根數(shù)分布的棉卷進行不同工藝參數(shù)下精梳過程的計算機模擬，得到一個工作周期不同階段的棉叢形態(tài)及最終輸出棉網(wǎng)根數(shù)不勻的CV值。利用模擬結(jié)果，可對精梳產(chǎn)品的質(zhì)量進行預測并實現(xiàn)智能工藝優(yōu)化。

2)不同參數(shù)條件下的模擬結(jié)果表明：分離羅拉順轉(zhuǎn)定時為14.5、15.5分度時，輸出棉網(wǎng)的不勻較小，而分離羅拉順轉(zhuǎn)定時為16.5、17.5分度時，其輸出棉網(wǎng)的均勻度急劇惡化；落棉隔距增大，輸出棉網(wǎng)的不勻小幅度增長；給棉長度在4.7～5.9 mm之間增加時，輸出棉網(wǎng)的不勻輕微惡化。結(jié)果與此前的實驗研究有良好的相符性。

3)本文在模擬研究的過程中，有理想化的假設(shè)條件，例如所有纖維都順直平行，分界纖維長度以下的纖維排除率為100%，這些理想條件和實際情況存在一定差別，可能造成模擬結(jié)果優(yōu)于對應實際情況的現(xiàn)象。為了得到更貼近實際的數(shù)據(jù)，還需要進一步深化研究。

FZXB

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Simulation on combing processing and prediction of combing web quality based on fiber length distribution by number

JIA Guoxin1,2, REN Jiazhi2,3, FENG Qingguo2,3

(1.HenanEngineeringLaboratoryofNewTextileDevelopment,HenanEngineeringInstitute,Zhengzhou,Henan450007,China; 2.TextileandClothingCollaborativeInnovationCenterofHenanProvince,Zhengzhou,Henan450007,China; 3.CollegeofTextiles,ZhongyuanInstituteofTechnology,Zhengzhou,Henan450007,China)

In order to realize prediction of combing quality and intelligent design of combing process, combing processing was simulated by computer for a cotton lap with specified fiber length distribution (number) using Monte Carlo stochastic simulation method, and it was obtained that cotton web form in different stages of a work cycle and number CV value of outputting web. Simulating results under different parameters were discussed. The results show that number CV values of outputting web are lower when forward motion timing is 14.5 and 15.5 index; the number CV value increases with the increase of the noil gauge; and when feeding length increases in the range of 4.7-5.9 mm, the unevenness of outputting web becomes worse. The simulated results are in good agreement with previous experiment data. The simulation processing method is more suit for combing process research of cotton lap whose fiber length distribution changes frequently.

fiber length distribution; processing simulation; cotton web; prediction

10.13475/j.fzxb.20160803605

2016-08-19

2016-12-15

河南省高等學校重點科研項目(17B540001)

賈國欣(1975—)，女，副教授，碩士。主要研究方向為新型棉紡工藝與設(shè)備。E-mail:jgx.65@163.com。

TS 111.8

A