王曉偉

（恒天重工股份有限公司，河南 鄭州450001）

針刺法非織造布應(yīng)用領(lǐng)域多、產(chǎn)品涉及面廣、生產(chǎn)流程短，且其生產(chǎn)線設(shè)備具有開發(fā)生產(chǎn)周期短、組合多樣化等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)針刺法非織造工藝在我國(guó)得到了快速發(fā)展。針刺法非織造布生產(chǎn)線中最重要的針刺機(jī)性能也得到飛速提升［1］。雖然國(guó)內(nèi)箱體式針刺機(jī)生產(chǎn)依然是主流，但很多企業(yè)已開始研發(fā)無(wú)箱搖臂式針刺機(jī)，因?yàn)闊o(wú)箱搖臂式針刺機(jī)可以達(dá)到更高的針刺頻率，可靠性也較箱體式有很大提高。

恒天重工公司開發(fā)的無(wú)箱搖臂式針刺機(jī)設(shè)計(jì)頻率在1 600刺/分鐘以上，主傳動(dòng)采用定量給油潤(rùn)滑系統(tǒng)，可保證連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)半個(gè)月不停車。由于針刺頻率高，可靠性要求高，設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)整機(jī)的主傳動(dòng)、平衡、震動(dòng)、主傳動(dòng)潤(rùn)滑提出了更高的要求，本文就這些方面做一些分析：

1 主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

無(wú)箱搖臂式針刺機(jī)采用一種新型的雙曲軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，本公司研發(fā)的四板對(duì)刺針刺機(jī)是其中比較復(fù)雜的一款機(jī)型。該機(jī)型由1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)2個(gè)雙曲軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，上、下雙曲軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別位于上、下機(jī)架內(nèi)，相對(duì)機(jī)器進(jìn)布面上、下對(duì)稱分布，位于同一機(jī)架內(nèi)的雙曲軸機(jī)構(gòu)相對(duì)幅寬中心面對(duì)稱分布，這樣整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程，4個(gè)方向上曲軸傳動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力相互抵消，減小了整機(jī)的振動(dòng)以及整機(jī)對(duì)地面的沖擊力。圖1為無(wú)箱搖臂式針刺機(jī)主傳動(dòng)示意圖，其中1根曲軸、1根連桿、曲軸兩側(cè)軸承座及兩側(cè)配重輪為一個(gè)傳動(dòng)單元，根據(jù)所需針刺機(jī)幅寬不一樣，來(lái)增、減傳動(dòng)單元的個(gè)數(shù)。兩側(cè)曲軸相對(duì)幅寬中心面左、右對(duì)稱分布，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速相同、方向相反，有利于平衡兩側(cè)曲軸傳動(dòng)過(guò)程對(duì)機(jī)架產(chǎn)生的沖擊力，減小機(jī)架震動(dòng)；曲軸兩側(cè)軸承座及兩側(cè)配重輪相對(duì)連桿對(duì)稱分布，有利于平衡連桿兩端受力，減小連桿及連桿連接的針梁板、針梁等零件運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)軸承座產(chǎn)生的沖擊力。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只要想辦法平衡掉一個(gè)傳動(dòng)單元轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的沖擊力，然后將傳動(dòng)單元間的一致性做好，就能保證整機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的不平衡量，因此該主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)適用于高速針刺機(jī)。該機(jī)型主傳動(dòng)單元位于機(jī)架內(nèi)側(cè)，進(jìn)、出布及針刺區(qū)位于機(jī)架外側(cè)，通過(guò)密封系統(tǒng)保證兩者相互不干擾，以免曲軸傳動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的廢油污染布面，造成成本浪費(fèi)。但該主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)于主軸箱式結(jié)構(gòu)對(duì)單個(gè)零件的加工精度、零件一致性要求更高，除此外每個(gè)傳動(dòng)單元上零件的裝配精度要求也很高，整機(jī)成本也因此提高很多。

圖1 主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意

2 雙搖臂導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

圖2 雙搖桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

本機(jī)型的另一個(gè)重大設(shè)計(jì)改進(jìn)是采用了雙搖臂導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，雙搖臂導(dǎo)向機(jī)構(gòu)兩側(cè)采用齒弧、齒條傳動(dòng)副；相對(duì)于國(guó)內(nèi)大部分廠家開發(fā)的箱體式針刺機(jī)采用的導(dǎo)套式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，導(dǎo)套式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生的阻力更大，高速運(yùn)行更容易磨損，磨損后產(chǎn)生的漏油問(wèn)題需要拆開主軸箱才能解決，時(shí)間長(zhǎng)，浪費(fèi)大。如圖2所示，雙搖臂導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括連桿、針梁座、齒條座、搖桿、齒弧、齒條、橡膠套等零件。連桿、搖桿和針梁座等通過(guò)一根小軸連接，齒條座通過(guò)螺栓和機(jī)架連接，齒弧固定在搖桿末端，齒條固定在齒條座上，齒輪、齒弧組成齒輪副，齒條和齒弧通過(guò)橡膠套封閉起來(lái)，橡膠套內(nèi)定時(shí)添加足夠的潤(rùn)滑油，用來(lái)保證齒輪、齒弧的潤(rùn)滑，橡膠套還能阻止粉塵、纖維污染油脂。搖桿末端和齒條座末端還通過(guò)槽輪運(yùn)動(dòng)副連接，用來(lái)保證兩側(cè)齒輪間隙在理想范圍，防止雙搖臂機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程兩側(cè)齒條、齒弧間隙過(guò)大產(chǎn)生的沖擊、振動(dòng)。由于兩側(cè)齒條座固定，齒弧的圓心就能沿齒條平面做上、下運(yùn)動(dòng)，齒弧的圓心設(shè)計(jì)和連接針梁座、搖桿的小軸軸線重合，這樣就保證了兩側(cè)齒弧帶動(dòng)針梁座上、下運(yùn)動(dòng)，針梁座上安裝有針梁，也跟隨其一起上、下運(yùn)動(dòng)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)體系穩(wěn)定、可靠。雙搖臂導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中齒弧和齒條運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生磨損時(shí)，只需成組更換齒條座和搖桿即可，每組安裝幾小時(shí)即可完成，不影響非織造布廠家生產(chǎn)。

3 整機(jī)平衡

針刺機(jī)主傳動(dòng)多采用曲軸、連桿機(jī)構(gòu)，曲軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，除受刺針鉤拉纖維傳遞的作用力外還受曲軸上連接的其余構(gòu)件跟隨其一起運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性載荷，這些構(gòu)件包括：連桿、針梁、針板梁、針板、刺針等。因此，減輕這些構(gòu)件的重量就更有利于減少針刺機(jī)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性載荷，提高針刺頻率。其中針板梁、針板和連接架是最容易減輕重量的構(gòu)件，近年來(lái)，針板梁材料從鋼板焊接件改為普通鋁型材，然后改為航空用7系列鋁型材，國(guó)外更高檔次針刺機(jī)則已經(jīng)采用碳纖維材料；連接架出于強(qiáng)度方面考慮，多采用鑄鋼，國(guó)內(nèi)主要通過(guò)結(jié)構(gòu)改動(dòng)減輕重量，針板結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)新開發(fā)高速針刺機(jī)多采用鎂合金，達(dá)到國(guó)際同等先進(jìn)水平。

曲軸及其連接構(gòu)件產(chǎn)生的慣性載荷隨著曲軸轉(zhuǎn)速的提高而增大，在曲軸正常轉(zhuǎn)速達(dá)到500轉(zhuǎn)/分鐘以上，其產(chǎn)生的作用力已經(jīng)超過(guò)了刺針傳遞的外載荷，而國(guó)內(nèi)的高速針刺機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到1 600轉(zhuǎn)/分鐘，國(guó)際最先進(jìn)的針刺機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到3 800轉(zhuǎn)/分鐘。這種隨曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)而不斷變化的慣性載荷不僅會(huì)增大曲軸和連桿間、連桿和連接架、連桿和搖臂等機(jī)構(gòu)間的摩擦力，增大了各構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力，而且還是導(dǎo)致機(jī)器振動(dòng)、噪音、零件疲勞等現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因，最終會(huì)影響整機(jī)穩(wěn)定性及整機(jī)壽命。整機(jī)平衡的方法是設(shè)法改變安裝在曲軸上配重輪的不平衡量，將曲軸及其連接構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性載荷予以減小。

高頻轉(zhuǎn)動(dòng)件的動(dòng)平衡研究比較復(fù)雜，主要分為兩種：剛性機(jī)構(gòu)的動(dòng)平衡和彈性機(jī)構(gòu)的動(dòng)平衡。彈性機(jī)構(gòu)的動(dòng)平衡計(jì)算非常麻煩，本公司針刺機(jī)動(dòng)平衡采用理論實(shí)踐結(jié)合的方法。首先將曲軸連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為剛性機(jī)構(gòu)，計(jì)算出其動(dòng)平衡量，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果在曲軸兩側(cè)改變配重輪質(zhì)量，測(cè)出整機(jī)振動(dòng)數(shù)值，然后分別增大和減小平衡塊重量，從整機(jī)振動(dòng)數(shù)值中找到最優(yōu)的配重輪重量。對(duì)于不同動(dòng)程的針刺機(jī)，都需要計(jì)算后通過(guò)檢測(cè)得出不平衡量。同一動(dòng)程的針刺機(jī)，只要保證曲軸、連桿和平衡塊的加工精度和一致性，就能保證批量化生產(chǎn)出來(lái)的針刺機(jī)平衡達(dá)到理想數(shù)字。

4 隔振系統(tǒng)

針刺機(jī)頻率越高越容易產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)除了會(huì)造成整機(jī)的零件疲勞，加速零件磨損，還容易對(duì)地基產(chǎn)生破壞。橡膠墊和隔振器是比較常用的隔振設(shè)備。頻率在800刺/分鐘針刺機(jī)一般采取橡膠墊阻尼系統(tǒng)來(lái)緩沖整機(jī)振動(dòng)，頻率達(dá)到1 000刺/分鐘以上時(shí)候，橡膠墊就無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的阻尼要求，只能采取隔振器來(lái)緩沖整機(jī)振動(dòng)。針刺機(jī)工作中產(chǎn)生的振幅可用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

A—振幅計(jì)算公式；

M1—重物質(zhì)量；

M2—高速回轉(zhuǎn)體質(zhì)量；

o—曲軸偏心量；

fn—重物固有振動(dòng)頻率；

f—高速回轉(zhuǎn)體的頻率。

由上面公式可以得出如下結(jié)論：當(dāng)f→fn，振幅A→O，機(jī)器容易產(chǎn)生共振，所以為避免共振，就需要f和fn增大差值。本公司常用如下解決方案：

1.加大fn。重物固有振動(dòng)頻率fn和其自身質(zhì)量、結(jié)構(gòu)剛性有關(guān)，質(zhì)量越大、剛性越好fn越大，振幅A越?。粚?shí)際操作中最簡(jiǎn)單方法就是改變機(jī)架質(zhì)量和剛性來(lái)提高fn，使其fn大于正常工作頻率，避免設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生共振。

2.忽略fn。如果高速回轉(zhuǎn)體的正常工作頻率f大于fn，針刺機(jī)開車時(shí)，應(yīng)盡量使開機(jī)頻率迅速越過(guò)fn達(dá)到f，減少共振現(xiàn)象的出現(xiàn)。實(shí)際運(yùn)行中我公司設(shè)計(jì)的針刺機(jī)第一共振頻率在300轉(zhuǎn)/分鐘左右，所以針刺機(jī)開車時(shí)就要求開車人員快速啟動(dòng)至500轉(zhuǎn)/分鐘，此時(shí)整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠。

5 定量給油潤(rùn)滑

潤(rùn)滑系統(tǒng)是為主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)服務(wù)的。曲軸連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生摩擦力，轉(zhuǎn)速和摩擦成正比，轉(zhuǎn)速越高單位時(shí)間內(nèi)供給軸承的潤(rùn)滑脂的量需要越準(zhǔn)確。為此，先進(jìn)的針刺機(jī)也需要一個(gè)可靠的自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，負(fù)責(zé)定時(shí)定量給主軸多處軸承加油。定量給油系統(tǒng)一般通過(guò)PLC可編程控制器來(lái)控制加油時(shí)間和加油量，準(zhǔn)確可靠，油泵和分配器采用進(jìn)口元器件，可以做到安全、可靠。對(duì)于重要的軸承件安裝溫控元件，一旦出現(xiàn)加油不暢會(huì)及時(shí)反映到針刺機(jī)控制面板，防止由于加油不暢導(dǎo)致的主傳動(dòng)軸承受損［2］。

6 展望

恒天重工股份有限公司開發(fā)的無(wú)箱搖臂式針刺機(jī)走在國(guó)內(nèi)針刺廠家的前列，無(wú)箱搖臂式四板對(duì)針刺機(jī)設(shè)計(jì)車速可達(dá)到1 600刺/分鐘，用戶實(shí)際應(yīng)用可達(dá)到1 200刺/分鐘以上。最近幾年國(guó)內(nèi)汽車內(nèi)飾行業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)高速起絨的需求比較強(qiáng)烈，由于高針頻對(duì)起絨針刺機(jī)起絨效果影響很大，在這方面無(wú)箱搖臂式針刺機(jī)有很大優(yōu)勢(shì)，因此國(guó)內(nèi)開發(fā)高速起絨針刺機(jī)的廠家都率先開始研發(fā)無(wú)箱搖臂式結(jié)構(gòu)。該技術(shù)未來(lái)的另一個(gè)發(fā)展方向在于橢圓軌跡針刺機(jī)同樣需要無(wú)箱搖臂式針刺主傳動(dòng)及搖臂的方案，橢圓軌跡針刺機(jī)對(duì)于針刺頻率、針刺過(guò)程中的牽伸控制都有很好的效果，這是無(wú)箱搖臂式針刺機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展方向，國(guó)外dilo公司和autefa公司在橢圓軌跡的研發(fā)中已走在前列。希望通過(guò)國(guó)內(nèi)廠家的努力，針刺設(shè)備的轉(zhuǎn)型會(huì)得到更快的發(fā)展。

［1］郭秉臣.非織造布學(xué)［M］.北京：中國(guó)紡織出版社，2002.

［2］王延熹.非織造布生產(chǎn)技術(shù)［M］.上海：中國(guó)紡織大學(xué)出版社，1998.