棉纺混抓棉技术现状及全唛混抓棉技术的创新与突破

倪 远

(纺之远(上海)纺织工作室,上海 200063)

0 引言

开清棉流程中,配棉、混棉、抓棉工序的重要功能就是纤维的混和,其目的在于得到均匀混和的原料、纺纱半制品和成纱,使须条或纱线在任一截面内的纤维组成与混和配比一致,从而使成纱品质均匀、生产过程稳定。混棉的实质在于每种成分的内部充分相混,以及每种成分的纤维在整个混料内的分布均匀[1]。

纤维原料混和方式有强制性混和与随机性混和两种。强制性混和是纺纱原料混和的基础,随机性混和是改善混和效果的补充。强制性混和利用混和机械将各种原料按配棉比例混和;而随机性混和则依靠混和成分作不规则运动而完成。强制性混和主要是散纤维(棉块、棉束)混和与条子混和,抓棉机的强制性混和是散纤维混和。

数十年来,开清棉流程不断变革,当下已发展到单机功能定位明确、工序装备配置越来越精简的程度,但要进一步实现重大突破难度较大。事实上,传统行业技术领域的进步都是循序渐进的,鲜少有重大突破,几乎无跳跃式发展,特别是对纤维进行纯机械运动加工的纺纱生产。纤维运动控制工艺技术进步缓慢,不等于已经实现最优化;对现有纺纱工艺技术现状的行业认同,也不等于技术领域进步发展的终结。

纺纱工程中对纤维或须条进行任何形式的加工,都与“均匀”息息相关。构建物理和外观的均匀分布,消除或抵抗各种不均匀是纺纱生产重要的任务之一。纺纱生产存在混和、结构、色泽、强力和捻度5大不匀,而混和不匀是所有不匀中的根本性不匀。因此,纺制优质纱线的首要任务是改善混和不匀,而配棉、抓棉环节的强制性混和是纺纱流程中第1个和关键性的混和环节。纺纱生产的5大不匀及相互关系如图1所示。

图1 纺纱生产的5大不匀及相互关系

1 混抓棉技术现状及应用

1.1 现有抓棉技术的不足

现有技术的抓棉机,自无框架往复式自动抓棉机问世以来,被广泛应用于清梳联流程中;相比小量混棉方式,往复式自动抓棉机排包量大、抓棉量多、自动化程度较高,适应清梳联高产。全球各纺机制造商均采用类似模式,制造出大同小异的抓棉机,来完成排包配棉抓棉任务,数十年来无较大创新和突破。随着生产力的发展,对混棉、抓棉工艺重要性认识的提升,以及纤维与纱线品种的扩展、对纺纱产质量要求的提高,现有抓棉机的不足已经显现。

现有抓棉机未能很好地运用和发挥配棉、抓棉环节的强制性混和功能,错失了在配棉、抓棉阶段,对纺纱原料唛头间利用工艺技术手段进行最小质量单元强制性混和配置的最佳机会;除了满足开清棉流程抓棉、供棉的产能需求外,现有抓棉机几乎无其他附加功能。

由于纺纱流程的第1台装备存在不足,为满足开清棉系统配棉、开棉、混棉、清棉等工艺要求,在流程中增加诸多功能单一的装备,导致整个开清棉系统设备单机多、工艺流程长。

现有抓棉机在多唛头配棉的实际生产中,按照如图2往复式抓棉机的排包方法,其2个抓棉打手瞬时抓取以2个唛头为主、随机变化的2～4个唛头。通常配置情况下,其全部唛头配比抓取的时间周期,是抓棉小车行走1个装棉区域长度的时间,即使在工作效率为100%的状态下,全部唛头配比抓取的周期也需要约2 min,期间抓取的原料质量为10 kg～20 kg,即此抓取量是全部唛头完整的配比单元。从纤维混和角度看,这种抓棉型式之后的混和都是较为宏观的大单元棉量、粗犷随机混和,这是现有抓棉技术的重大缺陷,由后续的多仓混棉机(4～10仓混棉机、甚至2台串联的多仓混棉机组)通过随机性混和方式进行改善性弥补。

1—控制箱;2—棉包排放区;3—抓棉机构;4—原料输送管道;5—回转塔和塔座。图2 典型的往复式抓棉机

抓棉机输出单元的全部唛头配比棉量流,须在后流程中进行混和,且尽可能使全部唛头配比分布均匀。由于是成分基本相同的棉量流连续流入后流程,因此现有混棉工艺和混棉机械利用棉流进入混棉机械的时间差、三维空间差、分隔空间差,在大棉流储量混棉机械的多个分隔空间中实施随机性混和作业,完成将不完整配比的棉量流进行混和的任务。一般多仓混棉机的储棉容量为数百千克,约为多仓混棉机0.5 h的供棉产量。多仓混棉机所有储棉仓的容量为数十个完整配比单元的棉量流。为了将陆续进入的不完整配比棉流,尽可能混和为任意片段都具有完整配比的棉流,出现了各种方式均匀混和的混棉机械、混棉方案,包括同时输入不同时输出、分仓延迟输入阶梯输出、随机输入输出、随机输入不同速度(不同时)输出、横铺输入直取输出等,这些混棉机械的工艺设计思路各有侧重,但没有一种混棉方案能显示出特别优势而取代其他混棉方案。其关键点在于对已经形成的10 kg～20 kg全唛配比棉量流进行再混和,是无法在混棉机械中,通过随机性混和方式实现棉块级小质量单元的全唛配比精细混和,而只能依靠后续清棉、梳棉及并条等工序逐步改善混和效果。

现有抓棉机的棉包放置方式也显示出对抓取和混和的不利因素。棉包自包装去除和“倒卧式”放置后,“高度”方向的压缩密度开始弹性释放,因现有圆盘式或往复式抓棉机的棉包,均采用与棉包成包时相同的“倒卧式”放置方式,棉包弹性释放的方向向上伸展,而长度和宽度方向的尺寸基本不变。同时由于棉包自重作用,“高度”方向呈下部密度大、上部密度小方式分布。这种“高度”方向的尺寸和密度变化率,受棉包的打包紧密度、纤维材质种类和含水率等因素影响而不同,一方面造成棉台上、下部密度差异,从而使抓棉机在台面上部和下部的抓棉量产生较大差异,导致上下部抓取棉块质量有离散性;另一方面也使配棉的唛头之间、混配棉纤维种类间在装台后产生棉包上部的高度差,使台面部分抓取唛头间的混配棉比例大幅偏离工艺设计值。

因此,台面部分的棉层抓取有一个“找平”过程,这是一个较长周期的混配比大幅偏离的过程,在后工序中难以修正和补偿。装台时,操作规范中的“削峰填谷”只能减轻混配比的偏离程度,而无法使其完全消除。

除了非实时全唛抓取的短板、棉包放置方式的问题和功能单一的不足外,还存在抓棉机占地面积大、面积利用率低以及抓棉机塔身体积大、质量大、质心高且悬臂工作导致运行稳定性差,棉流通道载体复杂、输送距离远,输送通道对棉块和纤维的摩擦损伤大且输送功耗大等问题。

1.2 色纺抓棉混棉的工艺补偿

以浙江某企业纺制白色/黑色纤维混配比例为80/20的涤纶麻灰纱为例,图3为其采用圆盘抓棉机一次抓棉预混后再成包的外观形态;图4为该品种二次抓棉到筵棉的棉流外观形态。

图3 白/黑 80/20一次抓棉再成包外观形态

图4 白/黑 80/20二次抓棉到筵棉外观形态

纺制白色/黑色纤维混配比例为20/80的涤纶麻灰纱品种,图5为其采用圆盘抓棉机一次抓棉预混后再成包的外观形态;图6为该品种二次抓棉到筵棉的棉流外观形态。这2个品种的一次抓棉都是经圆盘抓棉机采用夹心包排包方式强制性抓混后再成包的外观状态,观察发现其混和度和配比均匀度黑白纤维的混和状态仍然较差,可以明显看出混和不匀。

图5 白/黑 20/80一次抓棉再成包外观形态

图6 白/黑 20/80二次抓棉到筵棉外观形态

均较差,但是,这些品种如果在一次抓棉时采用普通的非夹心包排包方式抓取,其混和度和配比均匀度将更差。

图7是白/黑 20/80二次抓棉后的生条外观形态。经观察可发现,即使经过梳棉机的梳理和混和,上述混纺比例差异较大的黑白纤维品种作为可视性强的示例,相当于纺纱工艺研究采用“示踪”纤维方法,能够明显地反映混和度和配比均匀度的状况。事实上,采用现有技术的一次抓取模式,对于任何品种的日常生产,唛头间的混和状况还会差于上述二次抓取的实例。因此,当存在包括色泽、线密度、成熟度、回潮率、单强等唛头间纤维性状指标差异时,配比不匀与混和不匀对成纱的结构、色泽、强力和捻度4个不匀的影响是不可忽视的。

图7 白/黑 20/80二次抓棉后的生条外观形态

1.3 差别化纤维纺纱抓棉混棉的工艺补偿

山东某新材料股份有限公司,在其纺制差别化纤维纱线品种的一分厂,为了保证纺纱质量,在应用清梳联的情况下,放弃使用往复式抓棉机,而采用小圆盘抓棉机进行预混后再成包,然后再采用大圆盘抓棉机进行二次抓取以供应清梳联流程的工艺技术方案。

色纺和差别化纤维混纺采用夹心包、二次成包、二次抓取的混棉工艺方案,实质上是将开清棉流程往上游方向进行了延伸,是为了补偿原有工艺技术不足。此外,还有依据品种要求和混纺比例等因素采用分组混棉、棉条与棉卷夹混和并条混和等强制性混和工艺措施,均是为了改善开清棉工序的混和不足。

1.4 抓棉混棉技术的行业认知与改善方向

上述案例均采用二次排包、二次抓取的抓棉、混棉工艺技术路线,即使增加了工序流程和操作难度,但仍未达到强制性混和阶段精细混和的状态。这种现状在行业中是长期和广泛存在的,也是一种必然和常态,所以通过增加工序流程、增加管理难度、降低配比与混棉精度进行改善。

棉块级小质量单元全唛配比的不完整,是现有抓棉技术的固有缺陷。无论是早期非清梳联流程使用的棉包平台上升往复式抓棉机、打手下降圆盘环型式抓棉机,还是现代广泛应用于清梳联流程中的打手下降往复式抓棉机,其共性为抓棉打手从棉包上方垂直抓取原料,均不是实时、长周期全部唛头大棉量抓取模式。

ITMA 2019西班牙巴塞罗那国际纺织机械展览会上,德国特吕茨施勒公司首次推出的创新产品BO-P型门架式抓棉机(见图8),在增强混棉功能方面,也只是增加了抓棉打手的幅宽、增多了1～2包横向排列的棉包,仍属于非实时全唛抓取模式。

图8 特吕茨施勒BO-P型门架式抓棉机

现实生产中,改善现有抓棉机混和性能的思路,依然是采用增加棉台上纵横向棉包数量来改善包间不匀的方法,这种方法基于参与混棉棉包数量越多棉包间混和度越好的观念而来。按照此思路,装棉棉台设计向长度更长(最长超过50 m)、宽度更宽(打手宽度为3.5 m)、装棉容量更大的方向发展,导致全部唛头配比的抓取时间周期更长、质量单元更大,后续混棉机械得到的是不完整配比棉量流,混和为棉块级小质量单元具有完整配比棉流的难度更大。这种粗犷配棉、混棉的思路背离了精细配棉、混棉的方向,以改善所有棉包混和度为出发点,反而使唛头间的配棉比例和混棉均匀度更趋于随机性。

因此,配棉、混棉中唛头间的不匀是混和均匀度的主要矛盾,唛头内部包间差异是混和均匀度的次要矛盾,只有在抓棉、配棉的强制性混和环节做好棉块级小质量单元全唛配比的混和,才能保证唛头间配棉比例的精准化和混棉均匀度的精细化;而唛头内部棉包间的不一致性则通过后工序的随机性混棉处理,或采用正在发展中的逐包检验——电脑信息化配棉技术来改善。

总之,行业抓棉技术发展的理念仍处于粗犷的大棉量全唛混和阶段。对于需要更高混和精度的生产工艺,国际上早已有专用于精细混棉的配套装备。如：德国特吕茨施勒在开清棉联合线外附加了一套T-Blend型精细混和线(见图9),用于多纤维混纺和色纺等需要高精密配比品种的混棉,其混棉配比精度可小于1%,最多可以同时混和6种纤维[2];瑞士立达近年也加大类似机型的推广力度,其制造的A81型精细混棉机(见图10)最多可同时混和8种纤维[3]。这两家纺纱装备制造商大力宣传精细混棉技术,说明在混纺、色纺和差别化纤维行业应用量增加的背景下,传统开清棉联合装备特别是强制性混棉阶段抓棉装备存在固有不足,须在传统开清棉流程和装备以外,附加专用装备以补偿和改善纤维混和效果。

图9 特吕茨施勒T-Blend型精细混和线

图10 立达A81型精细混棉机

上述两种混配棉方式实际上增加了开清棉装备,采用插入方式延长开清棉流程并使之复杂化,在增加装备投入的同时加大了管理难度,也不适用于大部分品种的纺纱生产。

2 实时全唛混抓棉技术概念和模式

实时全唛混抓棉是指抓棉机打手工作的每个瞬时,理论上都能抓取到全部配棉唛头,且各唛头抓取比例为工艺设置的配比,这是在纺纱工程的第1个工序、第1台装备上运用棉块级小质量单元进行强制性混和的最佳方案。

实时全唛混抓棉模式是棉包直立平移、打手上下运动从棉包的垂直侧面抓取棉块。实时全唛混抓棉机可以称为全唛棉包直立平移垂面侧抓式混抓棉机,这是一种具有颠覆意义的混棉、抓棉工作模式和全新的短流程开清棉理念。全唛混抓棉机还具有精细抓棉、精控混配比、异物分离、杂质去除、短距输送、输送功耗低、占地面积利用率高、等密度等高度抓棉和高效连续工作等系列优点,将为纺纱生产带来诸多重要工艺理念和技术经济指标的改善。

实时全唛混抓模式,在抓取棉块平均质量为数十毫克的情况下,可以实现全部配比唛头以数克质量为单元的抓混,使纺纱原料的精细混和与精准配比从抓棉机开始。与现有抓棉机10 kg～20 kg的大质量全唛配比单元相比,全唛混抓棉机的混配棉精度提高了数千倍。实时全唛混抓棉机的混棉均匀度,甚至比同样为强制性混和方式的称重式小量混棉要高很多。

实时全唛混抓棉技术方案改变了棉包的放置方向,将“倒卧式”放置变为“直立式”放置,即把棉包的长度方向作为上下直立放置,而原来拆包后发生伸展的“高度”方向作为水平平移进给的长度方向,这样拆包后棉包弹性释放产生的伸展在水平方向,因水平方向的伸展是双向同性的,克服了“卧式”放置时重力压缩的单向伸展效应。当自由弹性释放伸展稳定平衡后,排列在输棉辊进给方向上的同唛棉包密度较为均匀,这对每个唛头棉包抓棉量的一致性和稳定性非常有利。

3 实时全唛混抓棉机架构与功能

3.1 实时全唛混抓棉机典型架构

实时全唛混抓棉机的典型应用为两端对称组和双向延伸的双打手混抓棉机(见图11)。在打手工作幅宽为3100 mm的配置情况下,其同时抓取的最大棉包数量为8～12包,适应绝大部分多唛混棉配棉纺纱品种应用。一般配棉唛头数为3～6个时(如多唛头大棉包化纤品种,宽度为700 mm),同时抓取的最大化纤棉包数量为8包(见图12);配棉唛头数为5～12个时(如多唛头小棉包原棉品种,宽度为500 mm),同时抓取的最大棉包数量为12包。在少唛头混棉、配棉纺纱品种应用时,可用作单向延伸输棉辊组的单打手抓棉机。

图11 全唛混抓棉机模型(左边为分唛输送输棉辊)

图12 全唛混抓棉机模型工作状态(左边为分唛输送棉包)

每台抓棉机由垂直支架、抓棉小车与抓棉打手、双向延伸的水平输棉辊组、吸棉与排杂机构及驱动控制系统组成。棉包由人工或自动拆包后直立放置在两端双向延伸的水平输棉辊组上,每台抓棉机可横向平行放置排列最多4个化纤棉包或最多6个原棉棉包,水平输棉辊组同步步进驱动、同向旋转,使棉包平移喂送、向垂直支架上的抓棉小车和打手进给。安装在中部垂直支架上的抓棉小车,以大于棉包的最大放置高度为动程做上下往复运动,抓棉小车上设有2个均布角钉的抓棉打手,抓棉打手旋转的同时抓取输棉辊上横向排列的所有棉包。1台抓棉机的2个抓棉打手,能在工作的每个瞬时完成全部配棉唛头棉包的抓取,抓取的小棉块在吸棉管道输送过程中,也具有混和功能。

中部垂直支架在抓棉小车的两边设有肋条,可调节打手角钉的插入深度,压持控制棉包的被抓取端面,确保抓棉打手角钉能均匀抓取;抓棉小车上还可设置重力平衡机构,平衡抓棉小车自重,使抓棉小车上下运动的驱动力均衡。

抓棉小车的抓棉打手下部设有尘棒结构,可以排出金属、重杂物和棉籽杂质,能在抓棉打手触及异物的第一时间分离异物,且异物不会被强制粉碎或被强制吸入下道流程。抓棉打手下部的排杂区,可以使大杂早落少碎。

抓棉机输出棉流的位置位于抓棉小车的中间上部(见图13),为伸缩管垂直定点输送设置,杜绝了被抓取棉流在不规则管道中的不等距及远距离输送,既可大幅减少棉流在管道输送过程中摩擦产生棉结和束丝,又能大幅降低棉流输送功耗。

图13 全唛混抓棉机模型上下往复小车

3.2 实时全唛混抓棉机主要功能

实时全唛混抓棉机,由于1台抓棉机的2个抓棉打手同时抓取配棉的全部唛头棉包,不但混棉效果好,而且抓棉产量大幅提高,故能够在满足清棉流程产能需求的情况下,大幅减小抓取棉块的质量和尺寸,实现精细抓取。该机可以通过控制系统在工艺上合理设置输棉辊的喂送量、抓棉辊与肋条的插入量以及抓棉小车上下往复速度和抓棉辊转速,实现柔和均衡抓棉。

一个特别重要的功能是,在抓棉机的一端输棉辊(图11和图12左边)或两端输棉辊上,设置横向分段独立驱动的单唛输送输棉辊,对输棉辊上横向排列的每包棉包的喂棉进给量进行独立控制,以满足工艺上对唛间混配比例差别化和精准化需求。当配棉唛头之间的混配比例无法通过改变棉包数来实现时,可以分别控制独立驱动的输棉辊组进给线速度,达到混配比例的精准设定,实现各唛头的定量抓棉,从而使配棉工艺基本实现唛间混配比例的无级调整。

更具智能化的功能是,全唛混抓棉机可以在每列棉包的顶部设置棉包密度传感器,将棉包密度变化的信息反馈给所在输棉辊的驱动控制系统,以实现每个唛头棉包的动态等棉量抓取,同时给混抓棉机赋予智能化元素。此外,可在肋条固定部位设置棉包压力传感器,检测棉包密度并反馈控制进给速度。因而全唛混抓棉机非常适用于多纤维类别、多颜色混纺品种和差别化纱线品种的抓棉,在精准配比和精细混和方面表现出显著优势。

混抓棉机是水平连续喂送棉包的,因此其整机为无拆包等待不间断的高效率工作模式。拆包装台仅需1名操作工或者AGV运输机械,就可以完成多台混抓棉机的补包工作,也便于配置自动化拆包机械。在安全生产方面,全唛混抓棉机不存在悬伸抓臂的大动程横移,具有明显的安全优势。

每台混抓棉机输棉辊组的纵向最短长度以放置2～4个棉包的长度为宜,可使混抓棉机的占地面积比现有抓棉机约节省70%;也可加长混抓棉机输棉导辊组的纵向长度以放置更多的备用棉包,便于延长操作工的间隙值守时段,或将输棉导辊组延伸到预置棉包或拣花区域,以实现自动输送。

实时全唛混抓棉机也可以做成单台一列棉包输送抓取,根据混棉唛头数量由多台混抓棉机组成混抓棉机组,由混棉抓棉中央控制电脑来控制机组运行。

4 实时全唛混抓棉机与现有抓棉机对比

现有往复式抓棉机以抓棉为主、粗犷配棉,无其它附加功能;实时全唛混抓棉机,混配在先、混抓结合、以抓带混、精确抓取、精细混棉、精准配比,附加多项重要功能。

抓棉机是纺纱流程的第1台主机装备,其功能和性能直接影响到开清棉流程的装备配置和纺纱质量。实时全唛混抓棉机改变了传统抓棉机的工作模式,将垂直抓取改为侧向抓取,将周期性大棉量配比抓取改为实时棉块级小质量单元全唛抓混,将垂直进给抓棉优化为水平进给抓棉,促使开清棉工序所需要的系列功能扩展和性能改善,为开清棉工序的流程缩短和优化提供了基础条件,也为纺纱生产中配棉、混棉和抓棉向着精准化、精细化、自动化及智能化有效推进提供了保障。开清棉流程也将产生革命和再造：重杂分离机构、轴流开棉机和多仓混棉机功能的弱化,及附加异纤异物的“早排少碎”等等。因此,全唛混抓棉机是一种高效能、多功能的先进纺纱机械设备。

实时全唛混抓棉机与现有往复抓棉机在13个技术经济项目方面的对比,见表1。

表1 实时全唛混抓棉机与现有往复抓棉机对比

由表1可知,在13个项目比较中,全唛混抓棉机均具有突出优势,其涉及纺纱生产投资、质量、能耗、用工、效率和管理等技术经济相关指标。

全唛混抓棉机使用便利,混棉配棉工艺调整的柔性度好,可通过彩色触摸屏调整混抓棉机工艺参数以及小范围调整混棉、配棉比例,也可预设每列棉包的最少剩余量,以便做出补包工作报警通知或联动控制。

使用全唛混抓棉机有待系统性完善之处在于,棉包成包规格的优化和统一。目前行业应用的棉包成包规格有多种,进口棉包主要采用国际标准ISO 8115-1：2022《棉包 第1部分：尺寸和密度》规定的棉包尺寸,其规格为1400 mm×530 mm×(700～900)mm(长×宽×高,下同);国产规模化的轧花企业棉包尺寸基本采用此规格,仅有少量采用非主要规格,如1060 mm×530 mm×780 mm和800 mm×400 mm×600 mm,粘胶和涤纶等化纤的成包规格也存在差异。棉包成包规格不统一,对任何抓棉机配棉、混棉的均匀度均会产生一定影响。对于全唛混抓棉机来说,棉包成包规格的优化方向是：宽度窄的棉包有利于在移动宽度的输棉辊上横向放置较多唛头,长度长的棉包有利于增加打手上下运动行程。因此,无论是棉花还是化纤成包,推荐统一采用国际标准规定的1400 mm×530 mm×(700～900)mm规格。

5 结语

机器纺纱诞生于第一次工业革命的英国,其后的行业进步基本上由英国、美国、德国、瑞士、意大利和日本等国引领,我国少见原创性技术突破案例。从《纺织工业“十一五”发展纲要》的“自主创新能力薄弱”到《纺织工业“十二五”科技进步纲要》的“行业自主创新能力仍相对薄弱”,再到《纺织机械行业“十二五”发展指导性意见》的“原始创新能力薄弱”,再到《纺织工业“十三五”科技进步纲要》的“自主创新能力不足”,直到《纺织机械行业“十四五”发展指导性意见》的“原始创新研究需要重视”,历数连续5个纺织行业五年发展规划,都出现了相似的结论。虽然我国早已发展为全球第一纺织大国,但在从纺织大国走向纺织强国的征程中,我们应该、也有能力发现现有技术的不足,应用创新思维构建具有突破意义的技术解决方案。其中,实时全唛混抓棉机项目将成为一个由中国原创的纺纱新技术突破。

在非棉纤维用量过半、差别化纤维品种日渐增多及色纺品种效益优势依然显著的当下,实时全唛混抓棉机的创新应用,将契合行业的技术进步与发展,有利于纺纱生产工艺技术的转型升级。

就时代特征而言,实时全唛混抓棉机可以称之为新时代混抓棉机;从功能角度看,其可以称之为混抓开清一体机。对业界来说,全唛混抓棉机作为全新的纺纱装备,需要与整个纺纱工艺流程做系统性的优化、完善和适配,包括小棉块高效率抓取、各唛头棉包密度与抓取量的智能检测反馈、异物杂质的排除收集、控制软件优化和后续开清棉单机的短流程适配等;优化完善后,除了表1的13个比较项目显示优势外,其将在纺纱生产应用中发挥出更大的优势潜力。