司徒元舜+胡曉航
摘要:驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動成網(wǎng)機網(wǎng)帶正常運行的動力裝置,主要由驅(qū)動電機、減速裝置、張緊裝置、糾偏裝置及各種輥筒組成。
關鍵詞:網(wǎng)帶;驅(qū)動;電動機;恒轉(zhuǎn)矩;主動輥;張緊裝置;糾偏裝置
中圖分類號:TS173.3 文獻標志碼:B
Web-driving System for Web Former
Abstract: Driving system is the power unit that ensures smooth running of the web on web-forming machine. It is mainly composed of driving motor, decelerator, tensioner, deviation rectifying device and various rollers.
Key words: web; driving; motor; constant torque; driving roller; tensioner; deviation rectifying device
網(wǎng)帶的驅(qū)動裝置主要由驅(qū)動電機、減速裝置,傳動、導向輥筒等組成。成網(wǎng)機的負載特性屬“恒轉(zhuǎn)矩”型,即在成網(wǎng)工藝條件不變的情形下,負載的轉(zhuǎn)矩也基本保持不變,所需要的驅(qū)動功率與運行速度成線性關系。
驅(qū)動電動機的調(diào)速特性應與成網(wǎng)機的負載特性匹配,匹配不當?shù)碾妱訖C容易出現(xiàn)超負荷現(xiàn)象或轉(zhuǎn)矩不足現(xiàn)象,影響成網(wǎng)機正常運行。在使用直流電動機驅(qū)動時,由電樞額定電壓向下調(diào)節(jié)速度;在使用交流電動機時,在額定頻率以下的范圍進行調(diào)速時,電動機都屬恒轉(zhuǎn)矩特性。
成網(wǎng)機有單電機驅(qū)動及多電機驅(qū)動兩種形式,前者僅用一臺電動機,后者會用到多臺電動機。其中功率最大的為主傳動電機,用于驅(qū)動網(wǎng)帶運動,其余功率較小的電機則用于驅(qū)動各紡絲系統(tǒng)的支承輥、壓輥,或支承輥及壓輥。
1 驅(qū)動電動機
1.1 電動機的類型和轉(zhuǎn)速
目前,成網(wǎng)機使用的電動機有直流電動機及交流電動機兩種,早期的成網(wǎng)機大都是用直流電動機驅(qū)動,隨著交流傳動技術的進步和成熟,直流電動機已逐漸被交流電動機取代,并得到廣泛應用。
根椐工藝要求,成網(wǎng)機網(wǎng)帶的線速度是進行產(chǎn)品定量計算的基礎數(shù)據(jù),也是生產(chǎn)線中其他設備(如熱軋機、卷繞機)的速度基準。因此對調(diào)速精度的要求最高。應能在運行過程平穩(wěn)調(diào)整速度,并有較高的調(diào)速精度,一般要求調(diào)速精度要達到±(0.1% ~ 0.2%)。
目前,成網(wǎng)機普遍使用帶編碼器的交流變頻調(diào)速異步電動機驅(qū)動,并利用變頻技術連續(xù)、平滑地調(diào)整速度。由于國產(chǎn)齒輪減速機輸入軸的最高轉(zhuǎn)速一般都限制在1 500 r/min,因此,一般應選擇同步轉(zhuǎn)速≤1 500 r/min驅(qū)動電動機,這種配置可使減速機有較高的傳動效率。如轉(zhuǎn)速太高,減速機的溫升增大,故障率升高,會影響安全運行。
1.2 單電機驅(qū)動時的電動機功率
驅(qū)動電動機的功率與生產(chǎn)線的紡絲工藝(紡粘法、熔噴法)、產(chǎn)品幅寬、運行速度、紡絲系統(tǒng)的數(shù)量等因素有關;幅寬越大、運行速度越高、紡絲系統(tǒng)的數(shù)量越多,則所需要的功率也越大。
雖然在實際運行過程中驅(qū)動功率還與抽吸風機的轉(zhuǎn)速相關,轉(zhuǎn)速越高,所需要的功率也越大。但對同一定量的產(chǎn)品,負載基本上仍呈恒轉(zhuǎn)矩特性。
以3.2 m幅寬的國產(chǎn)紡粘生產(chǎn)線為例,在400 m/min速度范圍內(nèi),單個紡粘系統(tǒng)(S型)的成網(wǎng)機,其速度一般低于200 m/min,驅(qū)動的功率為 8 ~ 10 kW;兩個紡粘系統(tǒng)(SS型)的成網(wǎng)機,其速度一般低于300 m/min,驅(qū)動的功率為18~ 22 kW;有 3 個紡粘系統(tǒng)(SSS)型成網(wǎng)機,其速度一般可達450 m/min(相當于電動機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min),負載轉(zhuǎn)矩在110 ~ 130 N?m之間,在最高速度運行時所需的最大驅(qū)動功率為20 kW,考慮其他因素后,實配電動機的功率在30 kW已足夠。
實際配置的電動機功率與電動機的類型有關,除了要按現(xiàn)有電動機的功率系列選用外,要選用工作制為S1(長期連續(xù)運行),絕緣等級為B或F級的電動機。
由于交流電動機在低速(低頻)運行時的輸出轉(zhuǎn)矩不如直流電動機,為了保持在低速時仍有足夠的轉(zhuǎn)矩,使用交流電動機的功率會比直流電動機大一至兩個檔次。
雖然熔噴系統(tǒng)抽吸風機的負壓很高,網(wǎng)帶與支承裝置間的摩擦阻力較大,但由于受熔噴布的斷裂強力和伸長率較小的限制,加上靜電的影響,獨立熔噴系統(tǒng)很難生產(chǎn)薄型產(chǎn)品,也就無需高速運行,因此運行速度都較低(<100 m/min),單個獨立熔噴系統(tǒng)成網(wǎng)機驅(qū)動功率約5.5 ~ 7.5 kW。
在多紡絲系統(tǒng)的SMS型復合生產(chǎn)線,由于有紡粘纖網(wǎng)的加強、防護,熔噴系統(tǒng)也可以用較高的速度運行,運行速度一般都較快(目前國產(chǎn)設備約在200 ~ 400 m/min);含有熔噴層的多層纖網(wǎng)復合后的透氣性能變差,在抽吸風機的負壓作用下,形成的運動阻力很大,并疊加在其下游的其他紡絲系統(tǒng)。因此,每增加一個熔噴系統(tǒng)投入運行,驅(qū)動裝置所增加的功率(約15 kW左右)要比紡粘系統(tǒng)多。
SMS型生產(chǎn)線,隨著熔噴系統(tǒng)的數(shù)量增多,成網(wǎng)機驅(qū)動功率隨之增大,如國產(chǎn)3.2 m幅寬、在400 m/min速度范圍內(nèi),只有一個熔噴系統(tǒng)的SMS生產(chǎn)線,成網(wǎng)機的驅(qū)動功率一般在45 ~ 55 kW;兩個熔噴系統(tǒng)的SMMS生產(chǎn)線,驅(qū)動功率在55 ~ 75 kW;3 個熔噴系統(tǒng)的SMMMS成網(wǎng)機,驅(qū)動功率在75 ~ 90 kW。
由于引進的多紡絲系統(tǒng)生產(chǎn)線運行速度比國產(chǎn)設備更快,成網(wǎng)機的負載更大,驅(qū)動電動機的功率也比同類型國產(chǎn)設備更大,如幅寬為4.2 m、運行速度600 m/min的SMMS生產(chǎn)線,其成網(wǎng)機的驅(qū)動電機功率可達130 kW。設計速度為1 200 m/min,運行速度可達1 000 m/min的機型已在國內(nèi)出現(xiàn),驅(qū)動電動機的功率會更大。
通常一臺成網(wǎng)機只有一臺主驅(qū)動電動機,對傳動功率較大的成網(wǎng)機,已出現(xiàn)用兩臺功率較小的電動機代替一臺大功率電動機,在驅(qū)動輥的兩端各自同步驅(qū)動的傳動方式。除了可以降低軸端的轉(zhuǎn)矩外,這種方式還可以減少電動機的轉(zhuǎn)動慣量(對四極電動機可減少約30%),有利于改善調(diào)速性能,提高制動的可靠性。
電動機的功率太大,除了會增加系統(tǒng)的購置成本和增加設備的裝機容量外,還會降低電動機的功率因素和效率。而在故障狀態(tài),還會產(chǎn)生足以撕毀網(wǎng)帶的過載力矩,這是大功率成網(wǎng)機常見的運行風險。
1.3 多電機驅(qū)動時的電動機功率
除了與上述多種因素有關外,成網(wǎng)機驅(qū)動電機的功率還與紡粘系統(tǒng)的支承輥、壓輥的運行方式有關,上述所指的電動機功率是在支承輥、壓輥均處于被網(wǎng)帶拖動的負荷狀態(tài)所需的功率,如果支承輥、壓輥均由獨立電機驅(qū)動的主動狀態(tài)運行,則成網(wǎng)機的驅(qū)動功率可較小。
在引進的主流設備及部分國產(chǎn)設備中,目前僅是讓支承輥處于主動狀態(tài)運行,而壓輥仍然由網(wǎng)帶拖動、以被動方式運行。在個別引進機型及部分國產(chǎn)機型中,也有支承輥和壓輥均使用獨立電機驅(qū)動,以主動方式運行。
這種驅(qū)動方式可避免在壓輥處于升起狀態(tài)時,由于沒有足夠的摩擦力使網(wǎng)帶帶動支承輥正常轉(zhuǎn)動,導致支承輥的圓柱面被磨成多邊形,以致正常運行時發(fā)生劇烈跳動。
在3 200 mm幅寬的的成網(wǎng)機,支承輥或壓輥的驅(qū)動電機功率一般在4.0 ~ 7.5 kW之間,以5.5 kW較常用。由于支承輥與網(wǎng)帶間幾乎是處于“線接觸”狀態(tài),包角很小,是無法傳遞更大功率的,功率再大,就相當于一臺單個紡絲系統(tǒng)成網(wǎng)機的主驅(qū)動電動機了。因此,沒必要配置更大功率的驅(qū)動電機。
控制系統(tǒng)必須保證這些電機是處于“電動機”狀態(tài)運行,以減輕主驅(qū)動電機的負荷和減少各段網(wǎng)帶的張力差異,從而消除網(wǎng)帶由于張力差異所產(chǎn)生的透氣量變化。當傳動電機的功率很大時,還能避免靠近驅(qū)動輥的網(wǎng)帶承受過大的張力,保證網(wǎng)帶的安全。
2 減速裝置
2.1 常用的減速裝置
由于電動機輸出的轉(zhuǎn)矩不足以直接驅(qū)動成網(wǎng)機正常運行,因此要利用減速裝置降低速度,增大轉(zhuǎn)矩。隨著成網(wǎng)機所需的驅(qū)動功率和運行速度等方面的差異,會用到各種形式的減速機,如:渦輪/蝸桿減速機,齒輪減速機、擺線針輪減速機,行星輪減速機等。目前較多使用K系列的減速機。
為了使成網(wǎng)機在低速狀態(tài)下也能安全運行,驅(qū)動電動機要使用帶有獨立冷卻風機的變頻調(diào)速專用電動機。當調(diào)速范圍較寬時,為了保證在低頻狀態(tài)下電動機還能輸出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩,在設計時可以適當加大電動機功率。
2.2 電動機與減速機之間的連接方式
成網(wǎng)機驅(qū)動電動機與減速機的輸入軸(高速軸)之間,一般有聯(lián)軸器連接與電動機直聯(lián)(電動機輸出軸直接插入減速機內(nèi))兩種連接方式。
使用聯(lián)軸器連接時,電動機的基本安裝方式為帶底座的IMB3型,電動機和減速機都安裝在公共機座上,最常用的聯(lián)軸器有:彈性銷聯(lián)軸器、膜片聯(lián)軸器、梅花聯(lián)軸器、蛇形彈簧聯(lián)軸器等。電動機與減速機間采用直聯(lián)方式時,電動機的基本安裝形式為機座無底座,端蓋有凸緣的IMB5型,有時會用到IMV型。這種連接方式軸線對中準確,結(jié)構(gòu)緊湊,無易損件,無需另設安全防護,運行過程可免維護。
2.3 減速機與主驅(qū)動輥之間的連接方式
驅(qū)動電動機常通過減速機減速后,再帶動成網(wǎng)機的主動輥旋轉(zhuǎn),由于傳遞的轉(zhuǎn)矩比輸入軸、輸出軸的直徑及聯(lián)軸器的尺寸也較大。
網(wǎng)帶驅(qū)動裝置與成網(wǎng)機主動輥之間常用以下兩種方式連接:一種是減速機的輸出軸利用撓性傳動件(同步帶或鏈條)將動力傳遞給主動輥,這種連接方式對中心距沒有嚴格要求,布置較為靈活,適用于一些小型、低速、小功率成網(wǎng)機。另一種方式是減速機的輸出軸利用聯(lián)軸器,如齒輪聯(lián)軸器、彈簧聯(lián)軸器、彈性銷聯(lián)軸器、輪胎聯(lián)軸器等,直接將動力傳遞給主動輥,這種連接方式能傳遞大扭矩,是高速、大功率成網(wǎng)機常用的傳動方式。由于是同軸傳動,對安裝精度要求較高,對減速機的安裝位置也有限制。
圖 1 是一套電動機與減速機輸入軸間、減速機輸出軸與成網(wǎng)機驅(qū)動輥間均使用聯(lián)軸器直聯(lián)的驅(qū)動裝置。電動機的一般選IMB3、IMB5,當功率較大時選IMB35等安裝方式,減速機利用一個兩端帶法蘭的長套筒固定在成網(wǎng)機的墻板上。
對于一些傳動功率較小的成網(wǎng)機,如熔噴生產(chǎn)線的成網(wǎng)機,有時會直接將主驅(qū)動輥的軸伸端插入減速機的空心輸出軸套內(nèi),不需要其他聯(lián)軸器,結(jié)構(gòu)很簡單。
2.4 驅(qū)動裝置的布置方式
驅(qū)動裝置的布置方式與連接方式相關,既可以布置在成網(wǎng)機機架的內(nèi)側(cè)(內(nèi)置式),也可以布置在機架的外側(cè)(外置式);可以直接安裝在成網(wǎng)機的機架或墻板上,與成網(wǎng)機連成一體,也可以將驅(qū)動裝置作為一個獨立的單元,與成網(wǎng)機分開安裝。
將傳動裝置內(nèi)置是早期引進的德國生產(chǎn)線成網(wǎng)機的布置方式,由于驅(qū)動裝置的輸出軸與成網(wǎng)機驅(qū)動輥是同向平行,兩者間一般要使用撓性件傳動。這種安裝方式的驅(qū)動裝置直接緊固在墻板上,精度較高、外形簡潔,不占用外部空間,但檢查、維修困難,并容易污染網(wǎng)帶,現(xiàn)在已很少使用這種方式。
為了滿足大功率、高速傳動的強度要求,一些采用墻板式結(jié)構(gòu)的成網(wǎng)機機架,隨著運行速度的升高,墻板的厚度已從早期的40、80 mm發(fā)展到目前的100 mm;而一些采用框架結(jié)構(gòu)的成網(wǎng)機,其使用的方形管構(gòu)件截面尺寸也達到了200 mm×200 mm。
這些厚實、穩(wěn)重的機架不僅為驅(qū)動設備、各種輥筒軸承座提供了牢靠的安裝基礎,也提高了機架的自振頻率,避免了在高速運行時成網(wǎng)機可能出現(xiàn)的共振現(xiàn)象。
驅(qū)動裝置一般布置在成網(wǎng)機的下游端,即靠近生產(chǎn)線的熱軋機一端。這種布置方式可以使網(wǎng)帶的“緊邊”長度最短,而“松邊”的網(wǎng)帶最長,各種輥筒及軸承所承受的負荷也最輕,從而降低了驅(qū)動電機的負荷和網(wǎng)帶的張力,有利于提高設備的可靠性。
為了適配傳動比及設備中心高,避免驅(qū)動裝置的震動影響成網(wǎng)機正常工作,驅(qū)動裝置的輸出軸與主動輥之間也可利用如滾子鏈條、齒形同步帶等能準確保證傳動比的撓性傳動件傳遞動力。
3 傳動輥筒
在紡粘法非織造布生產(chǎn)線的成網(wǎng)機中,傳動輥筒按其功能可分為:主驅(qū)動輥、張緊輥、鼻端輥、導向輥、糾偏輥、預壓輥、支承輥、托輥等,其結(jié)構(gòu)均大同小異。
主驅(qū)動輥的功能是將減速機輸出的轉(zhuǎn)矩變?yōu)榫W(wǎng)帶的運動,因此帶有安裝聯(lián)軸器的軸伸。主動輥的工作面常被覆了一層厚度約10 ~ 20 mm、邵氏硬度約50 ~ 55 HA的耐磨橡膠,以增加摩擦力、避免打滑(圖 2)。
為了降低網(wǎng)帶單位面積的負荷,提高傳動的可靠性,當需要傳動的功率較大時,要增加網(wǎng)帶與主動輥的接觸面積。最常用的措施是增加網(wǎng)帶在主動輥面上的包角和增加主動輥的直徑,從而提高傳動的功率。
如果輥筒的曲率半徑很小,網(wǎng)帶會出現(xiàn)太大的彎曲應力,影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。對于包角較大的主動輥及張緊輥,網(wǎng)帶制造商建議的直徑要大于網(wǎng)帶厚度的100倍,常用網(wǎng)帶的厚度約在 2 mm左右,也就是主動輥或張緊輥的直徑不得小于200 mm,但這僅是從網(wǎng)帶安全使用角度提出的基本要求。
網(wǎng)帶在主動輥面的包角可達180°,視傳動功率和運行速度,主動輥的直徑可大于500 mm。主驅(qū)動輥是接收成網(wǎng)設備中受力最大的輥筒。為了使網(wǎng)帶能得到均勻的張緊,要求各種輥筒要有足夠的強度和剛性,避免在運行中出現(xiàn)明顯的撓曲變形。
成網(wǎng)機中的其他輥筒(包括底部的“松邊”托輥)也應與主動輥一樣,要有好的表面狀態(tài),并要經(jīng)過嚴格的動平衡校驗,這樣既能保護網(wǎng)帶,又能避免在高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生劇烈的震動,影響系統(tǒng)正常運行。
運行經(jīng)驗證明,隨著運行速度越來越快,為了消除震動現(xiàn)象,除了采用增大輥筒直徑以降低角速度外,筒體內(nèi)腔進行鏜削加工也是提高輥筒平衡精度的重要工藝措施。
處于“松邊”的托輥由于受力較小,可選用較小的直徑,一般在200 mm左右,但直徑太小會容易纏上廢絲,影響運行并難于清理。由于托輥表面直接與網(wǎng)帶的工作面接觸,為了減少對網(wǎng)帶工作面的磨損,外緣也可包覆橡膠層。
為了避免在運行過程中發(fā)生軸頭斷裂事故,成網(wǎng)機中一些負載較重的輥筒,如主驅(qū)動輥、張緊輥,熱壓輥等,可以使用鍛鋼軸頭。由于輥筒的連接法蘭與軸伸為一個整體鍛件,法蘭與軸伸間沒有因焊接而產(chǎn)生的應力集中現(xiàn)象,提高了耐疲勞性能,杜絕了斷軸事故。