針刺機(jī)針刺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 帆

（天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子學(xué)院，天津300160）

在固結(jié)非織造纖維網(wǎng)的諸多方法中，針刺法通常被認(rèn)為是一種較傳統(tǒng)且較簡(jiǎn)單的方法。隨著針刺法技術(shù)的發(fā)展和非織造布生產(chǎn)工藝的提高，針刺法非織造布的產(chǎn)量也有所增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年我國(guó)針刺法非織造布產(chǎn)量約 34.3萬(wàn) t，比2005年增長(zhǎng)24.7%，占非織造布總產(chǎn)量的24.6%。與其他種類非織造布產(chǎn)品相比，針刺法非織造布產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度模量可調(diào)范圍廣，機(jī)械性能穩(wěn)定，耐久性突出。隨著針刺法非織造布生產(chǎn)工藝對(duì)許多新原料的試驗(yàn)成功，給針刺法設(shè)備設(shè)計(jì)創(chuàng)造了新機(jī)會(huì)，增添了新亮點(diǎn)。

1 針刺技術(shù)概述

針刺技術(shù)源于l9世紀(jì)后半期，是非織造布纖維網(wǎng)的一種機(jī)械固結(jié)方法，其原理簡(jiǎn)單，工藝流程短，適用于生產(chǎn)中厚型產(chǎn)品。針刺非織造布廣泛用于工業(yè)造紙毛毯、高檔服裝襯、汽車內(nèi)襯、揩布、皮革基布、裝飾材料、過濾材料等產(chǎn)品。針刺技術(shù)可與多種生產(chǎn)工藝相結(jié)合，進(jìn)行深加工和精加工，使非織造布產(chǎn)品的技術(shù)性能和質(zhì)量檔次有所改善與提高。近年來(lái)，在新技術(shù)與新需求的帶動(dòng)下國(guó)內(nèi)外針刺非織造技術(shù)與設(shè)備水平在不斷提升。

針刺技術(shù)是第一代傳統(tǒng)的非織造布生產(chǎn)技術(shù)，現(xiàn)已發(fā)展得比較成熟，但在很多方面還有待于完善與提高。例如針刺機(jī)植針密度、針刺頻率、沖程、有效工作幅寬、刺針形狀和質(zhì)量、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和能耗、產(chǎn)品的針刺密度和厚度及均勻性、產(chǎn)品的表觀風(fēng)格與質(zhì)量等方面。

1.1 國(guó)外發(fā)展概況

國(guó)外先進(jìn)國(guó)家采用刺針橢圓形運(yùn)動(dòng)軌跡的高性能針刺機(jī)已相當(dāng)普遍。最高針刺頻率達(dá)到3 000次／r/min。德國(guó)迪羅（Dilo）公司的DI—LOURIVHSCL 25花紋絨面針刺機(jī)，幅寬6 m針刺頻率達(dá)2 400次/min。國(guó)外一些公司研制了增強(qiáng)型針刺非織布工藝與設(shè)備,如奧地利菲勒（Fehrer）公司的N2 21／SRV型絨面針刺機(jī)，法國(guó)NSC公司的A50一SSDB型針刺機(jī)，適合生產(chǎn)汽車內(nèi)飾用針刺毯，可取代成本較高的機(jī)織布。

（1）Dilo Hyperpunch橢圓形針刺技術(shù)。Dilo公司的橢圓形針刺機(jī)在ITMA 1995首度展出，這是最近十多年來(lái)針刺技術(shù)上的最大突破。其主要特征是針板橫梁由2個(gè)偏心機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，刺針不再單純垂直向運(yùn)動(dòng)在MD（縱）向的子午面內(nèi)作垂直和水平向二維運(yùn)動(dòng)，其軌跡由一條直線改變?yōu)榻朴跈E圓狀，其水平向的移距，適應(yīng)纖網(wǎng)步進(jìn)量在時(shí)空上與其很好配合，從而顯著減少纖網(wǎng)的拉伸，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。Hyperpunch技術(shù)的特點(diǎn)，是針板的專用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是Hyperpunch系統(tǒng)的基礎(chǔ)，確保刺針在針刺纖網(wǎng)過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓形。Dilo公司設(shè)計(jì)了在托網(wǎng)板和針刺機(jī)剝網(wǎng)板上的孔眼，并使其具有沿著被加工材料運(yùn)動(dòng)方向排列且呈長(zhǎng)腰形的特征。

（2）Fehrer公司的針刺機(jī)。該公司主要的針刺技術(shù)有Hl針刺技術(shù)、最大針刺頻率達(dá)到3 000次／min以上的高速針刺機(jī)，以及起毛針刺技術(shù)、地毯針刺機(jī)、造紙毛毯針刺技術(shù)等。Fehrer公司在造紙毛毯環(huán)形針刺機(jī)上，也已使用橢圓形針刺，說(shuō)明橢圓形針刺的使用在不斷擴(kuò)大。H1針刺技術(shù)的特點(diǎn)，是弧形針板+垂直刺針。其優(yōu)點(diǎn)是針刺深度增加，針板方向不斷改變，纖維進(jìn)行再排列，雜亂及纏結(jié)效果較傳統(tǒng)的平板針刺為優(yōu)。NL1 1/Twin—SE Carpet Star屬于提花針刺機(jī)，它通過兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的針刺區(qū)，生產(chǎn)出高質(zhì)量的羅紋及絲絨制品。根據(jù)對(duì)表面的質(zhì)量要求，使用Carpet Star來(lái)生產(chǎn)羅紋制品，產(chǎn)量可高達(dá)單板機(jī)的3倍，它更可在一道工序下，同時(shí)加工羅紋與絲絨組合圖案。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

近幾年，我國(guó)也涌現(xiàn)了一批有推廣前景的針刺新設(shè)備、新技術(shù)與新產(chǎn)品，如針刺頻率為l 000～l 200次／min的主刺機(jī)、6 m寬的土工布針刺生產(chǎn)線、8 m寬的造紙毛毯針刺機(jī)等。但是，與國(guó)際先進(jìn)水平比，我國(guó)在針刺工藝技術(shù)水平、產(chǎn)品種類及質(zhì)量、特別是技術(shù)開發(fā)創(chuàng)新能力等方面，還存在差距。在針刺設(shè)備成套性方面，我國(guó)開發(fā)了一批適用型技術(shù)裝備。鄭州紡織機(jī)械有限公司、青島紡織機(jī)械有限公司、江蘇海潤(rùn)紡織機(jī)械有限公司等，都已有比較完善配套的相應(yīng)設(shè)備提供。鄭州紡機(jī)開發(fā)和制造的成套高產(chǎn)高速針刺非織造布設(shè)備，包括從開松、梳理到針刺成卷整線工藝和設(shè)備，配套選用國(guó)外進(jìn)1:3的PCL、變頻器、伺服系統(tǒng)通用和專用配套件。設(shè)備主要零件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，精度高。該針刺生產(chǎn)線可以為用戶提供從工程設(shè)計(jì)、工藝組合、設(shè)備配置、安裝調(diào)試等的系統(tǒng)服務(wù)。

青島紡機(jī)的針刺生產(chǎn)線包括預(yù)針刺機(jī)、針刺機(jī)，以及可用于針刺非織造布生產(chǎn)線主針刺和修面針刺的異位對(duì)刺機(jī)等。其中預(yù)針刺機(jī)采用雙軸驅(qū)動(dòng)，刺針動(dòng)程可達(dá)到70 mm，針板上裝有限位自停裝置，并且觸摸屏顯示工藝參數(shù)，方便調(diào)整。異位對(duì)刺機(jī)具有占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，所采用的雙曲軸驅(qū)動(dòng)平衡油箱，可使每塊針板運(yùn)行更加平穩(wěn)。

而江蘇海潤(rùn)的針刺生產(chǎn)設(shè)備，目前共有48種型號(hào)近200種機(jī)型供用戶選用，包括條紋針刺機(jī)、絨面針刺機(jī)、提花針刺機(jī)、墊肩針刺機(jī)等多種專用針刺機(jī)。該公司最近試制成功一種適用于合成革基布過濾材料等針刺基布修面的針刺機(jī)——YBG3 19型雙針板上下對(duì)刺式主針刺機(jī)。該設(shè)備植針密度可達(dá)8 000～16 000針/m，針刺動(dòng)程60 mm，針刺頻率可達(dá)l 200次/min，機(jī)器門幅2.2～2.8 m。

2 針刺原理及設(shè)計(jì)改進(jìn)

針刺機(jī)構(gòu)是針刺機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，由主軸、偏心輪、針梁、針板、刺針、剝網(wǎng)板、托網(wǎng)板等組成。主軸上裝有偏心輪和平衡機(jī)構(gòu)，用來(lái)帶動(dòng)針梁，針板做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使針板上的刺針隨之反復(fù)穿刺纖網(wǎng)。剝網(wǎng)板和托網(wǎng)版是一對(duì)配合刺針對(duì)纖網(wǎng)進(jìn)行固結(jié)的組件，一般采用鋼板制成。兩板均有孔眼，與針板上的針眼完全對(duì)應(yīng)。針刺時(shí)，托網(wǎng)板起到刺針刺入纖網(wǎng)時(shí)的托持作用，剝網(wǎng)板起到刺針退出纖網(wǎng)時(shí)的阻擋作用。剝網(wǎng)板和拖網(wǎng)板的表面要平整光滑，以便纖網(wǎng)順利通過。利用成千上萬(wàn)枚帶有鉤刺的鋼制刺針，對(duì)蓬松的纖網(wǎng)進(jìn)行反復(fù)的穿刺，而使纖網(wǎng)得以固結(jié)。一般來(lái)說(shuō)，若單位時(shí)間內(nèi)針刺的次數(shù)越多(即針頻)或針刺密度(單位面積上的針刺數(shù))高，纖網(wǎng)的質(zhì)量越好，生產(chǎn)效率越高。所以說(shuō)，針刺頻率的高低，是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。

2.1 針刺機(jī)的機(jī)構(gòu)和工作原理

針刺機(jī)的結(jié)構(gòu)主要有：針刺機(jī)構(gòu)、送網(wǎng)機(jī)構(gòu)和輸出機(jī)構(gòu)。送網(wǎng)機(jī)構(gòu)的作用，是保證把具有一定厚度的蓬松的纖網(wǎng)順利地送入針刺區(qū)。輸出機(jī)構(gòu)是把刺好的具有一定強(qiáng)度的纖網(wǎng)牽拉出來(lái)。針刺機(jī)構(gòu)的作用，是利用刺針不斷地對(duì)蓬松纖網(wǎng)進(jìn)行穿刺，從而得到具有一定強(qiáng)度的纖網(wǎng)。上述3種機(jī)構(gòu)，應(yīng)保證一定的協(xié)調(diào)關(guān)系，才能順利工作。

2.2 針刺機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

針刺機(jī)主傳動(dòng)，通過曲柄—連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)針梁、針板和刺針一起，作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。蓬松的纖網(wǎng)在喂給簾夾持下送入針刺區(qū)。當(dāng)針板向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，刺針刺入纖網(wǎng)，纖網(wǎng)緊靠托網(wǎng)板。當(dāng)針板向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，纖網(wǎng)與刺針之間的摩擦，使纖網(wǎng)和刺針一起向上運(yùn)動(dòng)，纖網(wǎng)緊靠剝網(wǎng)板。喂入和輸出速度相配合，可以間歇步進(jìn)，也可連續(xù)運(yùn)動(dòng)。纖網(wǎng)通過針刺區(qū)后，具備一定的強(qiáng)力、密度和厚度，然后再送至主針刺或花紋針刺加工。

2.3 改進(jìn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

評(píng)價(jià)一臺(tái)針刺機(jī)的好壞，可以從針刺機(jī)的主要性能，即針刺頻率、針刺機(jī)適用性、可靠性以及針刺機(jī)維護(hù)保養(yǎng)方便性、快捷性等。近年來(lái)隨著針刺產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，對(duì)于針刺機(jī)針板的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因?yàn)獒槹迳厢樋椎呐判行问?，?duì)針刺產(chǎn)品的表面質(zhì)量、針刺產(chǎn)品的縱橫向條紋，有著直接的決定性的作用。前面說(shuō)過，針刺頻率對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有直接影響，所以提高針刺頻率是設(shè)計(jì)針刺機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵。

2.3.1 偏心機(jī)構(gòu)和平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

針刺機(jī)構(gòu)為曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)，曲柄長(zhǎng)度相當(dāng)于偏心輪的偏心距，刺針運(yùn)動(dòng)可看著滑塊移動(dòng)，動(dòng)程相當(dāng)于2倍的偏心距。將單軸驅(qū)動(dòng)偏心機(jī)構(gòu)，改成雙軸反向驅(qū)動(dòng)偏心輪機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)時(shí)兩個(gè)偏心機(jī)構(gòu)反向運(yùn)動(dòng)，兩曲柄的端部通過連桿剛性聯(lián)接，同步帶動(dòng)針板做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這樣的結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）平衡輪無(wú)偏心，僅起慣性輪作用，可減小能量消耗。

（2）因?yàn)槭莾蓚€(gè)偏心機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)針板運(yùn)動(dòng)，所以每個(gè)偏心機(jī)構(gòu)所受的力是原來(lái)的一半，其部件的尺寸和凈質(zhì)量都可相應(yīng)減小，有利于慣性力的下降和針板速度的提高(即針頻的提高）。

（3）當(dāng)兩偏心輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從理論上講，可以互相抵消在水平產(chǎn)方向上產(chǎn)生的不平衡力，大大降低了機(jī)器的振動(dòng)，而且從加工和安裝的角度來(lái)看，也比較容易實(shí)現(xiàn)。而單軸偏心機(jī)構(gòu)則不然。上面已提到，為了平衡，平衡機(jī)構(gòu)和偏心機(jī)構(gòu)的安裝方向須嚴(yán)格保證180°才行，這就為安裝帶來(lái)了難度。這種機(jī)構(gòu)的振動(dòng)比較大，而且工作速度越高振動(dòng)越大。

雙針板上下交替針刺，采用兩個(gè)滾筒代替常用的托網(wǎng)板和剝網(wǎng)板，滾筒間隔距可調(diào)節(jié)，兩個(gè)滾筒各鉆有數(shù)萬(wàn)只完全對(duì)應(yīng)的小孔，以便于刺針通過。上、下針梁和針板，裝在兩個(gè)滾筒內(nèi)。輸送簾和滾筒是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的。為保持纖網(wǎng)的連續(xù)輸送，刺針不僅通過滾筒上的小孔刺入纖網(wǎng)，而且在刺入纖網(wǎng)時(shí)，還必須有一個(gè)與滾筒表面回轉(zhuǎn)速度近似相等的前移運(yùn)動(dòng)。由此，刺針的運(yùn)動(dòng)方式是上下、前后結(jié)合的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡呈橢圓形。

2.3.2 減輕運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量

（1）減輕推桿和導(dǎo)向桿的質(zhì)量。在不降低推桿和導(dǎo)桿的強(qiáng)度和剛度的前提下，將中間部分節(jié)約成本和減輕負(fù)荷，做成筒狀。左右兩端堵頭先與軸焊接后，再安裝在輥上，由螺栓緊固連接。這樣可減小桿的凈質(zhì)量，減小慣性力。

（2）減輕針板和針梁的凈質(zhì)量。針板針梁通常采用鋼制的較多，這種結(jié)構(gòu)較重，造成工作時(shí)慣性力大，不利針頻的提高。而國(guó)外目前普遍采用輕質(zhì)材料，目的就是減小針板針梁的凈質(zhì)量，如采用鋁鎂合金，或鋁合金甚至碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料等。如德國(guó)Dilo公司的針梁采用的是碳纖維材料，其針頻可達(dá)到2 000次/min以上。所以，有可能的話，在保證針板針梁機(jī)械性能的前提下，盡量采用輕質(zhì)合金材料，以降低運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，這樣可以提高針頻。加工針梁的方法有多種，采用冷拔法是針梁加工方法之一，該法加工出的針梁機(jī)構(gòu)性能比較好，能滿足使用要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

針刺法非織造布，因其產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)蓬松，手感柔軟，伸長(zhǎng)率高，透氣性和彈性好等特點(diǎn)，目前采用該法生產(chǎn)的非織造布仍占世界非織造布產(chǎn)量的30%。針刺技術(shù)是第一代傳統(tǒng)的非織造布生產(chǎn)技術(shù)，現(xiàn)已發(fā)展得比較成熟，但在很多方面還有待于完善與提高。

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