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本文发表在第13期《梳理技术》杂志上，更多好文章期待您的投稿。投稿、咨询邮箱：shulijishu@geron-china.com 自调匀整技术在高产梳棉机上的应用及其匀整效果的分析（下） 费青 （中国纺织科学研究院） 3 自调匀整器的匀整效果分析 清梳联生条和卷喂生条相比，其不匀结构主要问题是长片段不匀率高、平均定量偏差大。采用自调匀整器后，能较好的解决这二问题。目前清梳联梳棉机上采用的自调匀整器主要是长片段闭环自调匀整器和长短片段混合环自调匀整器。 3.1 长片段闭环自调匀整器 一般都采用机前检测，机后给棉罗拉调速，由于检测点与给罗拉变速点间在时间上存在着一个滞后τ0，因面匀整片段长，主要匀整长片段不匀率。但对中、短波段有破坏作用，因而中、短片段不匀率是否改善要视：（1）滞后时间τ0的大小。（2）自调匀整器各参数的选择是否确当等条件而定。一般来说，采用自调匀整器后，生条片段长度不匀率均存在一个临界片段长度，在此片段长度以上的不匀率均有改善，而在此临界片段长度以下的不匀率存在破坏作用。也即有无自调匀整器各片段重量不匀率曲线有一个交点，此交点即为临界片段长度。在此以下各片段，自调匀整器非但没有匀整效果，而且还有破坏作用，使不匀恶化，根据我们调研测试，在立达C/3梳棉机采用Ucc-L长闭环自调匀整器上，在30~25 m以下片段具有一定破坏作用。 3.2 混合环自调匀整器 由于混合环自调匀整器是长短片段开闭环相结合的自调匀整器，兼有开、闭环的优点，长片段闭环自调匀整器的滞后时差τ0可由开环短片段自调匀整器来补尝，因而有：（1）匀整长度短；（2）可匀整长、短片段；（3）对中、短片段的破坏作用小；（4）临界片段长度短，如C4、DK740采用混合环自调匀整器后，5m以上片段重量不匀率均有改善，只有在1~2m以下片段才存在交点。采用混合环后，匀整效果大，匀整值和匀整百分率增加，生条的重不匀率改善（见表4），各种自调匀整器的生条重量总不匀率CV（5m）%见表6。 ［注］表中CV（5m）%按：（1）CV（5m）%=1.4CV（10m）%；（2）CV%=1.25H%；（3）H=U换算。 清梳联在加强管理，严格控制混用回花，提高棉块开松度，严格生条质量检验把关等措施下，根据青岛五棉、会兴纺织厂、上海一棉、京棉三厂及表3、4、6中所列数据，并结合调研资料可汇总统计如表7。 4 清梳联梳棉机自调匀整器的匀整效果动态特性分析 4.1 生条重量不匀率（总不匀率、内不匀率、外不匀率） 由于纺织生产是大批连续生产的，有很多台梳棉机同时生产棉条，很多只锭子同时生产粗纱和细纱，在对棉条、粗纱、细纱进行质量检测时，总要从若干台梳棉机、若干只锭子上取样，在各样品上各截取若干段，测定其品质，从而得到很多数据，分析时可采用把全部试验结果（数据）混和分组，求得总的平均数和均方差等，以表示样品的总质量品质，如总平均值、总不匀率等。同时也可采用另一分组方法，进一步求得各台、各锭内纱条的内不匀率和各台、各锭间的台间、锭间外不匀率。要比较清梳联生条总的不匀率质量水平，只能采用总不匀率，而内不匀率和外不匀率只能表示某一方面的质量情况。 4.1.1 总不匀率（简称生条重不匀率） 一般是在K台梳棉机上各取n段长为5m、10m等的生条称重，对其总平均数求得的不匀率，即包含各机台内部的不匀（内不匀率），又包含机台间的不匀（外不匀率或台间不匀率）。 4.1.2 内不匀率 内不匀率有单台不匀率和多台内不匀率两种，单台内不匀率为在一台机上取n段长为5m、10m等的生条称重，计算其σ和CV%值。多台内不匀率为各台梳棉机分别取n段生条称重，各对本台重平均值求得均方差σ1、σ２、…等。 4.1.3 总不匀率、内不匀率和外不匀率的相互关系 生条重量不匀率可用H%（平均差不匀率）和CV%表示，当二者的数据相当多时存在如下关系： CV%=1.25H% 一般片段长度有5m、10m、20m等，不同片段间的关系如何？由于20m的生条重=4×5m的生条重，为4个5m之和，10m重为2个5m重之和，在数理统计学中，一个子样分布的均方差为σ，由n个个体数组成的平均数形成另一个分布，其均方差
由此可得：
表8为36次-40次同时测定5m、10m、20m的CV%平均值。 4.2 清梳联梳棉机系统的三个匀整环节 （1）从清棉到梳棉采用连续喂棉控制装置。如TRU公司的CF连续喂棉装置、青纺机的FT301连续喂棉控制器和郑纺机的连续喂棉控制装置，检测输棉管道内的风压（首台梳棉机配棉头前端），调整清棉机喂棉罗拉的速度（无极变速），使管道压力始终保持在800±20Pa（或±50Pa），实现输棉管道内棉流连续均匀定量喂给。亦即在喂棉箱的输棉管入口处，安装一压力传感器测定其管道静压，并转为电信号与设定值比较后，控制末道清棉机喂给罗拉的交流变频电动机，实现连续喂给无机调速。同时，喂棉罗拉的速度还比例跟踪每台梳棉机的道夫速度，使清梳喂棉系统始终保持喂入与产出平衡，从而保证了上棉箱管道静压差在±20Pa以内，使棉流连续均匀定量喂给。这是一个喂棉闭环自匀系统，较好地解决了无回花喂棉均匀控制的问题，对质量更为有利。与间歇喂棉相比，由于运转率提高（η=100%），提高了末台清棉机的开松度和除杂效率。 （2）由于棉箱压力传感器控制棉箱喂棉罗拉无级变速喂棉，保持了下棉箱纤维密度均匀不变，进而保证出棉均匀，此亦为闭环自匀系统。 （3）梳棉机上采用自调匀整器。梳棉机采用自匀器后，能较好解决清梳联生条长片段与超长片段不匀率差和平均定量偏差大的问题。 4.3 梳棉机的均匀能力和传递函数 清梳联梳棉机生条的均匀度是梳棉机和自调匀整器共同作用的结果，因而分析自调匀整器作用时，必须了解和结合梳棉机匀整效果一起分析。 梳棉机的均匀作用可以把梳棉机视为线性系统的一阶惯性环节来研究，并得出梳棉机的传递函数。同时梳棉机的均匀混合能力、梳理纤维的平均梳理时间和平均梳理转数越大，梳理作用和均匀作用越强。 由梳棉机传递函数及均匀能力的分析（A186梳棉机为例）可知：梳棉机对短波（A<6.5m）均匀作用大，对中波（A≤23m）的均匀能力已减弱，对于长波已没有均匀能力。因此，梳棉机的均匀作用相当于中、短片段自调匀整器，为改善清梳联生条的特长波段不匀，应采用自调匀整器来解决。 4.4 开环、闭环和混合环的动态特性分析 4.4.1 开环 如图17所示，先检测后匀整变速，控制回路为非封闭的。（1）检测喂入定量波动的信号，调节喂入（给棉罗拉，在机后开环时）或输出（机前开环时）速度，达到输出定量不变，保持常量。（2）开环应严格附合调节基本方程式。（3）系统的延时和从检测点到变速点的时间必须配合得当，否则开环系统无法匀整其输出棉条的偏差和改善均匀度。（4）开环不能核实调节的结果，并无法修正由于各环节或元件变化引起的偏差和零点漂移，也即它缺乏自检能力，输出棉条的平均定量容易发生漂移。（5）匀整片段短，最短约为纤维长度的6~8倍，可以改善中、短片段的均匀度。（6）在棉纺中，由于检测点到变速匀整点的距离短，一般可不设置记忆延时机构。 图17 开环控制回路 4.4.2 闭环 控制系统有反馈回路，检测在变速部位的前方，系统中控制回路是封闭的（见图18）。 图18 封闭控制回路 （1）它具有自检能力，能修正各环节、元件变化和外界干扰所引起的偏差，比开环要稳定。 （2）但它由于滞后时差的存在，特别是滞后时差较大时，影响中波和短波的匀整，不能匀整波长等于或小于变速点到检测点之间“时差”长度的不匀波，所以机前检测机后调节的长回路闭环系统，主要匀整长片段以上波段。短回路闭坏系统则可匀整短的片段长度。也即根据闭环回路的长短，决定所能匀整的最小片段长度。 4.4.3 混合环 开环和闭环两个系统的结合，如图19所示。 图19 封闭控制回路 4.4.4 复合环 如SYH600型自调匀整器，为二检二控（复合环）如图13所示。 5 自调匀整器的动态特性分析 5.1 梳棉机长片段闭环自调匀整器系统的动态特性分析 5.1.1 总传递函数 梳棉机采用机前检测机后给棉罗拉变速的长闭环自匀器，应包括梳棉机均匀作用在内的长闭环自调匀整器系统，为简化分析，除梳棉机和调节器外，其他各环节都近似的视为比例环节，则系统框图如图19所示，实际上，除梳棉机外，其他环节如检测环节和执行环节都存在滞后，因而总传递函数为： 式中：KF—调节器传递函数的变换系数； H（S）—调节器传递函数。 此即为包括梳棉机在内的长片段闭环自调匀整器系统的总传递函数。 5.1.2 长闭环自匀器的幅频特性 实测：参照A186梳棉机的实测参数得出（当采用不同的检测及执行部件时，此参数值将略有变化）。对比例调节器（P）：H（S）=KP（6），比例积分调节器（PI）：H（S）=Kp［1＋（1/T1S）］，进行计算。求得长闭环自调匀整器的幅频特性，如图20所示。
图20 长闭环自调匀整器的幅频特性 （1）短波区（ω＜0.2）：此区自调匀整器的调节器及各参数对匀整效果影响不大，A（ω）＜0.5，波长愈短，衰减愈大，这区主要由梳棉机的均匀作用起作用，故长片段闭环自匀系统对短波总匀整效果明显。 （2）中波区（0.2＜ω＜2）：各种调节器的自匀系统均出现A（ω）值的高峰，且有A（ω）＞1，这表明对中波区有一定程度的恶化，且当参数选择不当时，系统将对某一频波发生振荡。 （3）长波区（ω＞2）：此区匀整效果随调节器类型和所选参数而变化，此区主要由除梳棉机以外的自调匀整器环节在起作用。 因此可知：长片段闭环自调匀整器系统在超长波、长波及短波有良好的匀整效果，而对中波有恶化作用，其恶化程度决定于调节器种类和所选参数，特别当系统对某一频波段发生振荡时恶化更严重。 5.2 波长不匀与片段不匀间的关系 根据试验表明：长片段闭环自匀器在生产运转稳定情况下，只要参数调整选择恰当，不仅生条长片段而且中、短片段的不匀率也能有所改善。为说明此问题，必须研究波长不匀与片段不匀率之间的关系，二者既有区别，又有联系。根据平稳随机过程的理论，棉条是由0~∞的各种波组合而成，由分析得出： （1）超长片段不匀率主要决定于超长波； （2）长片段不匀率主要决定于超长波和长波； （3）中片段不匀率主要决定于超长波、长波和中波； （4）短片段不匀率主要决定子超长波、长波、中波和短波； （5）长波的改善，不仅能改善长片段不匀率，而且也对中片段、短片段不匀率有利，同样，中波的改善也能改善中、短片段不匀率。 因而梳棉机长闭环自调匀整器对长片段、超长片段的不匀率是肯定改善的，但对中、短片段就要决定于超长、长、短波的改善和中波恶化的程度，因此只要控制中波恶化的程度就能使长、中、短片段不匀率均能得到改善。如①小压辊检测、给棉罗拉变速的长闭环机电式自调匀整器、由于τ过大，调节器过简，致使中波恶化过多，其单台内不匀短片段恶化，50m以上片段的不匀率才改善。②FT021自调匀整器大压辊处检测，调节棉箱压力，其τ也很大，但它采用了步进式调节，减少了超长恶化程度，因而5m短片段不匀率也有所改善，但其匀整长度较长，必须在生产运转稳定条件下才能获得较好的效果。 5.3 自匀器滞后时间对不同波段匀整效果的影响 除梳棉机外的闭环自调匀整器环节，所以能对超长波、长波起匀整作用，而对中、短波起恶化作用，主要原因与滞后时间τ有关，下面用平稳随机过程中的相关函数来研究。 5.3.1 自相关函数 平稳随机过程的相关理论对于纱条不匀的研究具有较大的际实意义，若以X（t）表示一个平稳随机过程（如棉层、纱条的断面波动），则其在两个时刻t和t+τ的值X（t）和X（t+τ）的乘积，其数学期望就称为自相关函数R （τ）的值。 自相关函数R（τ）是表示X（t）和X（t+τ）相互关系的一个函数，也可认为是根据过去值X（t），预测未来值X（t+τ）时准确到什么程度，对纱条来说，自相关函数R（τ）表示了纱条中相隔τ距离的断面波动的关联性。根据检测点的棉条厚度（或重量）去调整给棉罗拉处的棉层厚度（或重量），二者同为一个随机函数X（t），但时间间隔相差τ，也即根据检测点的棉条厚度去预测给棉罗拉处的棉层厚度，再以此为根据调节给棉罗拉速度，如它们间的关系密切，R（τ）很大，则匀整效果就好，如果关系很小，甚至无相关，即R（τ）→0，则显而易见，根据检测信号来调节给棉罗拉速度，以匀整喂入量是不起作用的，甚至反而起恶化破坏作用。关键就看R（τ）的大小。 5.3.2 应用自相关函数R（τ）分析滞后时间对闭环自调匀整器幅频特性的影响 喂入棉层可以视为一个平稳随机过程（甚至还混有某些周期成分），如前所述可分解为各种不同ω、不同振幅的波形叠加而成。 （1）梳棉机长片段闭环自调匀整器的总匀整效果可视为梳棉机均匀作用和纯闭环自调匀整器（即除梳棉机外，单纯闭环自匀系统的作用）的共同综合效果。 （2）由平稳随机过程的谱分解理论和R（τ）概念可知，梳棉机长片段闭环自调匀整器所谓“马后炮”、“匀整死区”这一概念，仅是对某些波段有影响，对于超长波、长波和次中波、短波（λ ≤〖WTBZ〗 6.5m） 是没有影响的，是有匀整效果的。 5.4 复合环混合环长短片段自匀器系统动态特性分析 混合环和复合环自调匀整器：前者为系统中既有开环又有闭环的自匀系统，兼有开环、闭环的优点，长短波均能匀整，但结构比较复杂，后者泛指由两个匀整环复合而成的自匀系统。 5.4.1 混合环自调匀整器的动态特性分析 （1）二检一控式混合环自调匀整器：为改善长片段闭环自匀器的缺点，提高对中、短波的匀整效果，在梳棉机上（如C4-RR、DK-740的CFD-CCD及FT-022等）都采用了机前机后检测，机后给棉罗拉变速的二检一控式自匀器。它是在长片段闭环自匀器的基础上，增加一个机后检测点。机后为开环方式，前后检测与各自给定值间的偏差信号比较后，通过微机处理控制给棉罗拉电机，使给棉罗拉调速，达到匀整长短片段的目的。同时根据系统框图可求得二检一控式混合环自匀器的传递函数，可作动态特性分析。 （2）一检二控的混合环自匀器：Ucc-S是在Ucc-L长闭环自匀器基础上发展起来的，它采用一检二控方式，机前检测喇叭口的偏差信号，送入控制单元。一方面反馈调节给棉罗拉速度，另一方面调节机前三上二下牵伸装置的前罗拉速度、改变机前牵伸区的牵伸倍数，达到匀整棉条不匀率的目的。为克服前罗拉变速传动与圈条器恒速传动的矛盾，在圈条器前加一棉条暂存器。一检二控式混合环自匀器，如Ucc-S相当于长片段闭环自匀器（如Ucc-L）与一个机前开环自匀器串接，其总传递函数为二者的乘积。由此可见，其幅频特性能得到良好的改善。此类混合环自匀器可看成是在长闭环自匀器串接一个机前开环自匀器，经长闭环匀整的棉条，再经机前开环匀整，因而其匀整效果好，且匀整片段短，改善了长闭环自匀器的不足。 5.4.2 中片段双闭环自调匀整器 Uster公司在Ucc-L长闭环基础上，于锡林前上罩板处增加一只光学测量传感器，检测锡林表面的纤维负荷，并通过调节给棉罗拉速度来达到匀整目的，它是二检一控式的中片段双闭环自调匀整器。根据其框图可求得中片段双闭环自匀器的总传递函数。并由此求得幅频特性分析：（1）由于中闭环的滞后时差比长闭环快（即短）5~10倍，因而可匀整中波段；（2）此双闭环是两个长、中双闭环的叠加，明显改善了整个双闭环自匀系统的幅频特性，提高了匀整效果。如长闭环自调匀整器１０m头并条的重不匀率为1.43%，中片段双闭环为0.81%。 5.4.3 二检二控双开环自匀器的动态特性分析 （1）由两个独立的机后开环和机前开环组合而成，如SYH600型二检二控（复合环）自调匀整器（见图13），也可根据框图分析其传递函数、幅频动态特性。 （2）由两个独立的机后开环和机前闭环组合而成，其中机后开环为给棉罗拉检测和调整变速。机前闭环为机前喇叭口检测，调整道夫速度，从原理上讲，可以达到匀整目的，但道夫变速要涉及锡林表面纤维负荷和道夫转移率的变化，因而系统反映慢，对中短波段的恶化作用大，影响匀整效果。 5.5 提高自调匀整器效果应注意的几个问题 （1）根据幅频特性分析，合理选择各环节的种类和参数，特别要避免系统对某些波段产生振荡，并尽量降低中波段恶化程度。 （2）应设法减少系统的滞后时间。 （3）在检测环节和调节器间加入滤波环节，使由于滞后时间的存在，自相关函数小的波段谐波滤去，减少自匀系统对中短波的破坏。也即按长波段信号来调节给棉罗拉或牵伸区的牵伸比，也可和电子计算机结合，取出长波、超长波段信号来调节。 （4）采用步进调节等措施，以减少过调和振荡，改善中短波段的恶化。 （5）采用开闭环结合的混合环、中片段双闭环或二检二控式自调匀整器，改善滞后时间（τ0）对中、短波段的破坏作用，进一步改善长、中、短波段的匀整效果，但其结构要复杂一些。 （6）梳棉机的自调匀整，只要采取一些措施，不仅能改善超长片段和长片段的不匀率，解决清梳联生条的质量问题，还能改善中、短片段的不匀率、满足清梳联的要求和产品工艺质量提高。另一方面，自调匀整的使用效果，不仅与自匀器本身有关，也应注意清棉机的匀棉、开松能力和清梳的运转状态正常，没有这些条件，自匀器的效果也不能获得理想的发挥。 参考文献： ［1］费青.梳棉机自调匀整器及若干问题的探讨［Ｊ］．棉纺织技术，1986，（6）． ［2］费青．清钢联梳棉机自调匀整器及其匀整效果的分析［Ｊ］．棉纺织技术，1992，（10）． ［3］赵强，费青，等．梳棉机微机自调匀整器的研究［Ｊ］．棉纺织技术，1992，（3）． ［4］费青．清梳联生条重量不匀率及自调匀整器作用的分析［Ｊ］．棉纺织技术，1999，（9）． ［5］费青．自调匀整装置与清梳联技术发展［Ｊ］．棉纺织技术，2002，（7）． ［6］费青，清梳联匀整技术的应用和效果分析［Ｊ］．梳理技术，2002，第5期． ［7］费青．马佐里C501高产梳棉机的主要特点和性能［Ｊ］．北京纺织，2000，（10）． ［8］费青．梳棉机自调匀整器及其特点［Ｊ］．北京纺织，1985，（6）． ［9］谢应安．梳棉机闭环自调匀整系统的匀整效果［Ｊ］纺织学报，1984，（4）． ［10］刘豹．自动调节理论基础［Ｍ］．上海：上海科技出版社，1964． ［11］费青．梳棉机自调匀整器及其匀整效果分析（上、下）［Ｊ］．纺织科学研究，1991，（２）；1991，（４）． ［12］棉纺手册（第三版）［Ｍ］．北京：中国纺织出版社，2004． |
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