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無紡布廠家15838056980高速非織造雜亂梳理機的基本結構與特性
周騫、靳向煜
（東華大學非織造研究發(fā)展中心）
0 前言
在非織造的生產(chǎn)過程中，梳理機扮演著承前啟后的重要角色，一方面對開清工序的纖維進行進一步開松混合，同時將塊狀的纖維梳理成由單纖維組成的薄纖網(wǎng)，供鋪疊成網(wǎng)，或直接進行纖網(wǎng)加固，梳理質量的好壞將直接影響最終產(chǎn)品的品質［1］。
在非織造產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，梳理機采用的是由原先棉紡和毛紡行業(yè)改進的梳理機。但初期的非織造梳理機產(chǎn)量低、幅寬窄、成網(wǎng)質量差。后來，隨著非織造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，非織造布的梳理成網(wǎng)設備已經(jīng)實現(xiàn)了專業(yè)設計與制造。羅拉式梳理機屬于間歇式的梳理，對長纖維損傷少，而且可梳理纖維的長度范圍廣，無紡布廠家15838056980非常適合非織造用纖維的梳理［2］，因此當前非織造專用的梳理機普遍采用羅拉式梳理機。為了配合生產(chǎn)線的高產(chǎn)高速的生產(chǎn)要求，非織造梳理機目前最大幅寬可達6 m，最高出網(wǎng)速度可達200 m/min，產(chǎn)量可達到400 kg/h以上。因此，高產(chǎn)高速是未來非織造梳理機的主要發(fā)展方向。
1 高速雜亂梳理機的基本結構
早期的非織造梳理機，由于無統(tǒng)一的行業(yè)標準，型號規(guī)格種類繁多，有單錫林、雙錫林、單道夫、雙道夫，帶或不帶雜亂輥、凝聚羅拉的多種非織造梳理機。隨著科技的進步，以及對梳理工藝深入的研究，高速雜亂式的非織造梳理機的機型越來越趨于標準化、模塊化。圖1所示的是目前一種典型的高速雜亂式的非織造梳理機。該梳理機為雙錫林，雙道夫羅拉式梳理機，其由喂入部分、預梳、主梳、雜亂、凝聚、成網(wǎng)等部分組成。雙錫林的使用使梳理工作區(qū)面積擴大了一倍，無紡布廠家15838056980即在錫林表面單位面積纖維負荷量不變情況下，增加面積來提高產(chǎn)量，同時梳理質量更容易控制。雙道夫的配置便于錫林上纖維及時地剝取轉移，兩層網(wǎng)同時輸出，保證了高產(chǎn)。為了提高纖維在纖網(wǎng)中的雜亂程度，非織造梳理機配置高速雜亂輥和凝聚羅拉，使纖網(wǎng)中的纖維由縱向排列趨向于雜亂排列，來改善纖網(wǎng)的橫向強力。
圖1 高速雜亂梳理機基本結構
1-喂入羅拉；2-刺輥；3-工作輥； 4-剝取輥；5-胸錫林；6-轉移輥；7-主錫林；8-雜亂輥；9-道夫；10-凝聚羅拉1；11-凝聚羅拉；12-剝棉羅拉；13-毛刷輥；14-平整輥
2 高速非織造梳理機關鍵部件及特征
2.1 喂入部分
傳統(tǒng)的喂棉方式如圖2所示。
圖2 逆向“Λ”型喂棉示意
喂棉羅拉在喂棉板之上，給棉板鼻尖處圓弧的切線與垂直方向間夾角θ＝arcsin［（R－D）/ R］。一般在逆向喂棉中θ=20°~30°，γ=8°~15°，所以纖維的轉向α=180°－θ－γ=135°~152°。纖維喂入方向與刺輥抓取方向相反，筵棉的走向呈“Λ”型，盡管有無紡布廠家15838056980利于筵棉的握持，但纖維運動存在換向，易造成纖維扭結與斷裂，從而形成棉結與短絨, 影響產(chǎn)品的品質。非織造梳理機通常將喂棉板上置，形成順向的喂棉，如圖3所示。
圖3 順向“～”型喂棉示意
給棉板圓弧在鼻尖處的切線與刺輥抓取方向間的夾角β＝ arcsin（H/R）（纖維層厚度相對喂入羅拉直徑可以忽略不計），H=50~80 mm，R=207 mm，所以β=14°~23°。在喂入?yún)^(qū)只存在14°~23°的轉向，在喂入?yún)^(qū)段較為平坦，筵棉層與刺輥的運動方向基本保持一致，呈“～”，纖維在握持狀態(tài)下的分梳作用流暢、柔和，能有效減少纖維的損傷與牽伸。此外，上喂棉板的手輪調節(jié)結構結合螺桿頂升系統(tǒng)，可以精確調節(jié)上喂棉板與喂棉羅拉的隔距，生產(chǎn)過程中可根據(jù)需要，精確地調整喂棉板處所需的分梳工藝長度。該結構可以適合非織造工藝中不同的原料變化［3］。
2.2 梳理部分
非織造梳理機梳理區(qū)域分預梳和主梳兩部分，預梳通常配置3~4無紡布廠家15838056980組梳理單元，使纖維束獲得初步分解，并起到排雜的效果。主梳配置4~5組梳理單元，對纖維進行分梳、混合、剝取等作用，逐步將纖維束分解為單纖維。要實現(xiàn)非織造的高產(chǎn)梳理，必需要提高錫林的有效梳理面積，可以從縱向、橫向、以及旋轉速度等三個方面擴展錫林有效梳理面積。在縱向，高產(chǎn)非織造梳理機增加了錫林直徑。目前，主錫林直徑達到了1500 mm。傳統(tǒng)梳理機錫林與轉移輥的中心軸幾乎在同一水平線，高產(chǎn)梳理機相對抬高了錫林中心，以便配置更多的梳理單元，實現(xiàn)對纖維的有效梳理。以配置5組梳理單元的主錫林為例，如圖4所示。主錫林的的名義工作區(qū)定義為轉移輥、雜亂輥與主錫林的隔距點之間所對應的區(qū)域。該區(qū)域梳理的弧長為L=αR=2.355 m。整臺梳理機包括胸錫林和主錫林的總無紡布廠家15838056980名義梳理面積達到了19.24 m2，相比常規(guī)的梳理機如表1所示，總的名義梳理面積提高了206.4%。在橫向，主流的高速雜亂式梳理機幅寬達到了3.8 m。此外，錫林的最高線速度可達到1500 m/min。
圖4 主錫林梳理單元示意
幅寬增加后, 傳統(tǒng)的鋼鐵材料已滿足不了生產(chǎn)要求。碳纖維復合材料、高強度鋁合金在梳理機中的工作輥、剝取輥大量運用。由于幅寬、轉速明顯的提高，對錫林輥體也提出了新的設計要求，大錫林輥體采用鋼板卷制，取代了原先的鑄鐵，減輕了重量，降低了功率消耗，便于迅速啟動和停止。此外，對寬幅錫林的輥體設計了加筋技術，如圖5所示，以滿足非織造梳理機高速旋轉的強度要求。
圖5 錫林加筋
2.3 雜亂部分
由于經(jīng)過非織造梳理機各級梳理單元的梳理作用，大多數(shù)纖維處于伸直平行的單纖維狀態(tài)，這將造成纖網(wǎng)縱橫向性能差異較大，而大多數(shù)非織造材料要求纖維在纖網(wǎng)中呈隨機排列，形成雜亂的狀態(tài)［4］。為了使無紡布廠家15838056980高速梳理機梳理的纖網(wǎng)達到相應的要求，為此設計了雜亂和凝聚裝置，如圖6所示，使得纖維在氣流的作用下趨向一種雜亂的狀態(tài)。
圖6 雜亂凝聚部分
這類梳理機主要在主錫林與道夫之間配置了高速旋轉的雜亂輥，在道夫之后再安裝一對凝聚羅拉，將兩種雜亂效應有效的結合起來，進一步提高纖維的雜亂程度［5］。
雜亂輥上的針齒與錫林針齒呈平行配置，且二者同向旋轉，雜亂輥的線速度大于錫林線速度，且遠大于道夫的線速度。對于高無紡布廠家15838056980速旋轉的回轉圓柱體會帶動四周的氣流高速地旋轉，而相鄰流體間由于粘性會產(chǎn)生一定的速差，對于外部沒有能量補給的流體而言，旋渦運動基本方程如式（1）所示［6］：
Ln(Vr)＝常數(shù)，即Vr＝C（常數(shù)） （1）
式中：V為氣流線速度；r為氣流半徑。
即錫林與雜亂輥四周的氣流隨半徑的增大，氣流的線速度呈雙曲線下降，如圖7所示。由于高速旋轉的回轉圓柱體的氣流具有流速分布，因而纖維在這樣的氣流中有沿氣流切線方向運動的傾向，如圖7所示。在氣流中有一根纖維其速度為Vf，取纖維的dl段分析，該處的氣流速度為V=C/r，C為常數(shù)。則氣流對dl段在氣流切線方向的作用力為［7］：
式中df為纖維直徑，Cg為與氣流相關的常數(shù)。
由上式可知，纖維各點的F切不同，如果Vf與纖維上某段氣流速度相等，那么氣流作用于該段上下部位的作用力不同，形成轉動的力矩，使纖維向著流體切線方向轉動。
而錫林，雜亂輥，與高精度圓弧板三者之間形成相對封閉的三角區(qū)為雜亂三角區(qū)，如圖8所示。
圖7 旋轉體氣流速度分布 圖8 雜亂三角區(qū)氣流
由于錫林、雜亂輥都包覆金屬針布，針隙容量小，錫林高速旋轉產(chǎn)生的氣流在錫林、雜亂輥隔距點未能完全通過，部分氣流受阻而折返，與雜亂輥的高速氣流匯合，部分氣流變向，如圖9所示，在CD方向（cross direction）無紡布廠家15838056980產(chǎn)生氣流分布。當錫林的氣流與雜亂輥的氣流相遇時，產(chǎn)生渦旋氣流。當錫林運轉至雜亂區(qū)時，一部分纖維未受雜亂區(qū)的氣流作用直接被雜亂輥的針布所抓取，另一部分錫林表面的纖維當其轉至雜亂三角區(qū)附近時，由于受氣流作用，纖維的一端勾住錫林針布，另一端被氣流吹起，被吹起纖維的自由端受到渦旋氣流和CD方向氣流的作用，使得纖維的自由端發(fā)生向CD方向的位移，從而達到良好的混合雜亂效果［8］。
圖9 雜亂三角區(qū)氣流分布（CD crossdirection）
除了配置雜亂輥外，結合凝聚羅拉可以進一步提高隨機排列的效果。第一凝聚羅拉和道夫，第二和第一凝聚羅拉之間的針齒為交叉配置，故均為剝取關系。由于道夫與第一凝聚羅拉的線速度比為2∶1~1.75∶1，第一個凝聚羅拉與第二個凝聚羅拉的線速度比為1.5∶1，即V道夫＞V凝聚1＞V凝聚2。纖維在上述轉移無紡布廠家15838056980過程中存在負牽伸，凝聚羅拉剝取纖網(wǎng)時，纖網(wǎng)中的纖維處于短暫的松弛狀態(tài)，纖維在由道夫向凝聚羅拉轉移的過程中被壓縮。由于纖維屬柔性材料，從而纖網(wǎng)中縱向排列纖維由于擠壓力會發(fā)生向橫向的轉移，從而使得橫向排列的纖維比例增加，纖維排列改變方向，纖網(wǎng)的取向度降低。最終形成一種纖維呈雜亂排列的纖網(wǎng)。
2.4 剝取成網(wǎng)機構
高速雜亂式梳理機采用三輥剝棉裝置設計，可以實現(xiàn)纖網(wǎng)的連續(xù)高速剝取，同時剝取的纖網(wǎng)均勻平整。傳統(tǒng)的機械式斬刀剝取裝置，纖網(wǎng)在微觀上形成波浪式的痕跡，影響纖網(wǎng)的美觀和均勻性。目前有些高速的梳理機引入了電磁斬刀，提升了斬刀擺動頻率，實現(xiàn)快速的剝棉。
此外，此梳理機還應用抽吸剝棉和負壓凝網(wǎng)系統(tǒng)進行高速剝棉轉移。抽吸剝棉系統(tǒng)是在抽吸風機作用下，抽吸箱內產(chǎn)生負壓，無紡布廠家15838056980剝棉輥上的纖網(wǎng)在負壓作用下轉移到輸網(wǎng)簾上（如圖10所示）。
圖10 抽吸剝棉系統(tǒng)
負壓凝網(wǎng)系統(tǒng)在抽吸風機作用下在凝棉塵籠內部產(chǎn)生負壓，兩層纖網(wǎng)在負壓的作用下緊貼塵籠旋轉［9］，轉過負壓區(qū)后，纖網(wǎng)從塵籠上脫離（如圖11所示）。采用該抽吸剝棉和負壓凝網(wǎng)的組合系統(tǒng)，可減少纖網(wǎng)轉移過程中產(chǎn)生的意外牽伸，保持纖維雜亂的效果，更有利于實現(xiàn)低強力纖網(wǎng)的高速剝取轉移，適應梳理機高速高產(chǎn)的要求。
圖11 負壓凝網(wǎng)系統(tǒng)
2.5 梳理針布
針布被譽為梳理機的心臟，其選配以及本身的品質將直接影響梳理的效果。非織造梳理機對特殊的材質，不同齒形的針布進行了合理地配置，能有效地提高梳理的質量，滿足高產(chǎn)高速的生產(chǎn)要求。
由于經(jīng)過開松混合的纖維大多還是處于塊狀，剛進入梳理機必然會受到針布強烈的梳理作用，非織造梳無紡布廠家15838056980理機的喂棉羅拉，刺輥等喂入、預梳部件的針布都采用V型基部自鎖針布，基部自鎖針布如圖 12 所示，包覆后各圈之間相互咬合鎖緊，使相鄰并列的針布互相鎖住，即使針布被拉斷也不會松散；而且自鎖針布比普通針布基部厚得多，抗拉、抗軋、承受載荷的能力很強，而且金屬自鎖針布表面光滑、平整度好，有利于均勻的出網(wǎng)［10］。
圖12 基部自鎖針布
為滿足非織造梳理機高速高產(chǎn)的要求，錫林針布也向矮、淺、密的趨勢發(fā)展。隨著產(chǎn)量的提高，針面負荷增加，梳理度下降，齒深變淺可降低針面負荷，保持梳理度不變；錫林轉速相應提高，纖維的離心力隨之增加，纖維易從針齒上滑脫，造成浮游纖維增加，為保持針齒抓取握持纖維的能力，前角必須減小，齒密相應增加。同時，矮密的針布可以使錫林的抗軋能力提高，在齒形的選擇上，錫林針布通常采用變前角齒形，如圖13所示，無紡布廠家15838056980從齒頂?shù)烬X根，前角由小逐漸變大，齒頂處前角小，有利于纖維的抓取，但隨齒深增加，前角不斷擴大，可防止纖維沉入齒隙，減小針面負荷，提高轉移率，齒底形狀設計有過渡圓弧，防止纖維下沉［11］。總之，錫林針布矮、淺、密與變前角的齒形的設計是與梳理機高速、高產(chǎn)的發(fā)展特點相適應的。
圖13 變前角針布
為了加強工作輥對纖維的控制，適合高速高產(chǎn)的需要，常選用帶橫紋設計的針布，如圖14所示。即在工作輥針齒斜側面上增加2～4根橫紋。工作輥增加橫紋設計后，能有效地增加纖維與針布的靜摩擦因數(shù)，從而提高工作輥針布對纖維的控制能力，提高梳理能力，提高纖網(wǎng)的均勻度。目前，金輪公司研發(fā)的雙面橫紋針布，能進一步增強針布對纖維抓取控制能力，提高針布的梳理效果［12］。
此外，Bekaert公司成功地引入了SiroLock針布應用于工作輥，這種針布無紡布廠家15838056980的特點是在針齒前部有一個獨立的平臺，能夠幾乎獨立于輥的速度而實現(xiàn)纖維的“鎖定”(如圖15所示) ，從而加強纖維的被攜帶和握持能力，提高梳理能力［13］。
圖14 橫紋針布
圖15 SiroLock針布
非織造生產(chǎn)線對產(chǎn)量有較高的要求，因此對道夫的轉移能力要求較高,道夫通常選用鷹嘴形齒形,并采用橫紋設計，來提高其轉移能力。
目前非織造用梳理機的產(chǎn)量和所加工原料的品種都在不斷增加，致使梳理機元件受到的磨損也越來越嚴重，針對該問題， TCC研發(fā)了NovoStar+高性能針布，其材質使用高耐磨合金鋼，提高了鋼中合金的比例并優(yōu)化元素配比，形成高碳耐磨合金鋼，可進一步提高針布的耐蝕和耐磨性能，其使用壽命延長了15%~35%。梳理壽命可達1000 t以上，即使在非常高的產(chǎn)量下加工粗糙的原料，該針布也可保證優(yōu)異的加工品質和超長使用壽命。
3 電氣控制系統(tǒng)
目前新型的高速非織造雜亂梳理機的電氣控制系統(tǒng)充分利用了先進的自動化控制技術，采用PLC、伺服驅動等技術對梳理機進行智能化控制，克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)接線復雜、高故障率等缺點，使非織造梳理機智能化水平大幅提高［14］。
高速非織造梳理機通常采用西門子S7 300的PLC，能在0.1~0.6 s內快速的處理指令，系統(tǒng)內集成操作，方便的人機界面服務，智能化的CPU診斷系統(tǒng)，可以連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常。
整臺梳理機的電機采用變頻電機與伺服電機相結合的方式，對轉體部件進行有效驅動。其中主錫林與胸錫林采用西門子的低壓交流電機，配合變頻器，從而達到變速、節(jié)能的目的。
其余部件均采用伺服電機驅動，伺服系統(tǒng)具有穩(wěn)定、快速、準確等特點，可以實現(xiàn)跟蹤指令的快速響應，對外界的干擾，經(jīng)過短暫的調節(jié)即可恢復原先狀態(tài)，從而實現(xiàn)精確的控制。
此外，梳無紡布廠家15838056980理機工作輥與剝取輥的傳動均為同步帶傳動，提高了傳動精度并降低噪聲；并采用了電磁剎車，可實現(xiàn)急停，以保障設備和人身安全。
4 結語
綜上所述，非織造專用梳理機為了適應高產(chǎn)高速的生產(chǎn)要求：
（1）采用順向“～”型喂棉方式，形成均勻的筵棉；（2）采用雙錫林雙道夫系統(tǒng)，多組梳理單元逐級梳理的方式，減少針布對纖維的損傷，實現(xiàn)良好的梳理效果；（3）引入高速旋轉的雜亂輥與二級凝聚羅拉進行雜亂，實現(xiàn)纖維在纖網(wǎng)中雜亂排列，有效地提升非織造布的橫向強力；（4）抽吸剝棉和負壓凝網(wǎng)系統(tǒng)配合使用，進行高速剝取成網(wǎng)；（5）使用多種變化齒形和特殊材質的針布，提升梳理效果及使用壽命；（6）運用先進的自動化電控系統(tǒng)，對梳理機進行精確控制。最終實現(xiàn)良好的梳理效果及高產(chǎn)高速的生產(chǎn)要求。
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