淺談國產(chǎn)針刺機(jī)的開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

鞠永農(nóng)

(儀征市海潤紡織機(jī)械有限公司，儀征，211400)

淺談國產(chǎn)針刺機(jī)的開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

鞠永農(nóng)

(儀征市海潤紡織機(jī)械有限公司，儀征，211400)

闡述了國產(chǎn)針刺機(jī)的開發(fā)過程、技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢;介紹了新型中速針刺機(jī)和新型主軸箱式高速針刺機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其性能;指出單體小主軸箱是未來主軸箱式針刺機(jī)的發(fā)展方向，無箱齒輪搖桿式針刺機(jī)的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將會(huì)應(yīng)用到橢圓軌跡針刺機(jī)中。

非織造布，針刺機(jī)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢

由于針刺非織造布具有通透性好、過濾性能和機(jī)械性能優(yōu)良等特點(diǎn)，被廣泛用于制造土工材料、過濾材料、建筑防水材料、汽車內(nèi)飾材料、合成革基材、造紙毛毯等多種產(chǎn)業(yè)用及生活用材料，目前針刺非織造布的產(chǎn)量約占整個(gè)非織造布總產(chǎn)量的四分之一。又因針刺法具有加工工藝簡單、產(chǎn)品類型多且應(yīng)用領(lǐng)域廣、設(shè)備組合靈活方便、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，針刺工藝仍是現(xiàn)在和將來快速發(fā)展、久盛不衰的一種最主要的非織造生產(chǎn)工藝。

1 國產(chǎn)針刺機(jī)的開發(fā)和現(xiàn)狀

20世紀(jì)中葉針刺機(jī)誕生于英國，隨后德國、法國、奧地利等許多設(shè)備制造商開發(fā)出不同風(fēng)格的多種針刺機(jī)。20世紀(jì)80年代，儀征紡織機(jī)械廠研制成功我國第一臺(tái)高速針刺機(jī)，針刺頻率最高達(dá)1 200刺/min，隨后開發(fā)出多種型號(hào)和類型的針刺機(jī)，相繼推向市場，帶動(dòng)了國內(nèi)針刺設(shè)備的迅速發(fā)展。由于針刺設(shè)備的需求量和潛力較大，一批民營針刺設(shè)備制造企業(yè)也逐漸發(fā)展起來，從而進(jìn)一步推動(dòng)了國內(nèi)針刺機(jī)的快速發(fā)展。國內(nèi)一些非織造布廠在同一時(shí)期引進(jìn)了Dilo和Fehrer 公司的針刺設(shè)備，而國產(chǎn)的高速針刺機(jī)多數(shù)采用Fehrer公司的主軸箱式結(jié)構(gòu)。近年來國產(chǎn)針刺設(shè)備開始走出國門，同時(shí)國內(nèi)實(shí)力雄厚的非織造布生產(chǎn)商也引進(jìn)了一批國際先進(jìn)的針刺設(shè)備，用于提升針刺非織造布的品質(zhì)，以便占領(lǐng)國際針刺非織造布的高端市場。這種相互間技術(shù)的溝通和交流，打破了國產(chǎn)針刺設(shè)備從誕生到現(xiàn)在一直沒有突破性發(fā)展的局面。國內(nèi)主要的針刺設(shè)備制造商紛紛開始收集技術(shù)資料，進(jìn)行試驗(yàn)性的技術(shù)發(fā)展。鑒于Dilo公司的針刺設(shè)備技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，并占據(jù)國際高端市場，國內(nèi)企業(yè)也在幾年前開始仿制并將產(chǎn)品投放市場。

國產(chǎn)針刺機(jī)經(jīng)過20多年的發(fā)展，盡管主軸箱式的不同類型和不同用途的針刺機(jī)不斷完善和發(fā)展，但是這種機(jī)構(gòu)的針刺機(jī)的技術(shù)水平并沒有突破性提高。目前在實(shí)際運(yùn)行的生產(chǎn)線中，沒有針刺頻率高于1 500刺/min的國產(chǎn)針刺機(jī)，因主軸箱式的機(jī)構(gòu)受到結(jié)構(gòu)和國產(chǎn)材料等因素的限制，給針刺頻率的提高帶來一定的難度。近年來，國內(nèi)設(shè)備制造商的主要工作是優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、完善針刺設(shè)備的性能以及電氣控制的革新。另外，針刺機(jī)針布也引起各個(gè)公司的重視，不斷引進(jìn)吸收，出現(xiàn)了多種布針形式以滿足客戶的使用要求。國產(chǎn)針刺機(jī)的技術(shù)水平基本上處于同一檔次，可相比較的是設(shè)備制造品質(zhì)、方便使用程度及售后服務(wù)水平。

國產(chǎn)無箱齒輪搖桿式的針刺機(jī)，上個(gè)世紀(jì)只有少數(shù)針刺非織造布生產(chǎn)商在使用。設(shè)備制造商真正將其推向市場是在2000年之后，雖然此種針刺機(jī)的制造商在針板梁的定位機(jī)構(gòu)方面都有各自的特點(diǎn)，采用了不同的機(jī)構(gòu)形式，但是整條針刺非織造布生產(chǎn)線的針刺頻率超過1 500刺/min也同樣是困難的。

2 國產(chǎn)針刺機(jī)的技術(shù)發(fā)展

2.1 技術(shù)現(xiàn)狀

隨著新技術(shù)、新材料的不斷應(yīng)用，國產(chǎn)針刺機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)性能已有很大提高，但其基本原理都是相同的，即通過偏心輪連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)裝有刺針的針板作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，來達(dá)到刺針對(duì)被加工的纖維網(wǎng)實(shí)施加固的目的。不同之處是針板和針板梁往復(fù)運(yùn)動(dòng)的定位機(jī)構(gòu)上，在國內(nèi)的高頻針刺機(jī)的設(shè)計(jì)中主要有兩種機(jī)構(gòu)形式:一是采用主軸箱式(仿Fehrer產(chǎn)品)，即把凸輪、連桿、推桿等零件包容在一個(gè)密閉的箱體內(nèi);二是無箱齒輪搖桿式(仿Dilo產(chǎn)品)，即凸輪、連桿等零件暴露在機(jī)架內(nèi)，針板梁的往復(fù)定位機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條定位形式。兩種機(jī)構(gòu)各有優(yōu)點(diǎn)，平行發(fā)展，目前國內(nèi)針刺頻率在1 000刺/min以上的針刺機(jī)多數(shù)采用主軸箱式。

自國內(nèi)第一臺(tái)1 200刺/min的針刺機(jī)誕生以來，其主軸箱機(jī)構(gòu)并沒有多大改進(jìn)，開發(fā)的主軸箱主要有3種類型，但其內(nèi)部零件的尺寸卻基本一致。國產(chǎn)600刺/min以內(nèi)的低速針刺機(jī)技術(shù)相對(duì)成熟，設(shè)備運(yùn)行尚穩(wěn)定，可基本滿足部分非織造布生產(chǎn)商的需要。

目前各針刺設(shè)備制造商的主要任務(wù)是攻克2 000刺/min的針刺機(jī)技術(shù)以及在保證現(xiàn)有設(shè)備性能的前提下降低針刺機(jī)的成本。

2.2 零件材料的選用

國產(chǎn)針刺機(jī)的針刺頻率沒有大的提高，一個(gè)很重要的因素是受材料的制約。目前國產(chǎn)針刺機(jī)用的材料多數(shù)為常用材料，只有個(gè)別零件采用了優(yōu)質(zhì)材料，如主軸、推桿、導(dǎo)向套、針板等。近年針板梁開始采用鋁合金材料，因其壁厚和外形比原來的針板梁大，所以自重基本與原來相當(dāng)，僅僅是產(chǎn)品的整體感覺有所改觀，針刺頻率提升有限。

要想提升針刺機(jī)的針刺頻率，有關(guān)零件需采用強(qiáng)度高、性能好、密度小的材料制造是關(guān)鍵問題。相關(guān)零件主要是指完成針刺往復(fù)運(yùn)動(dòng)的有關(guān)零件，如連桿、推桿、針板梁等，主要目的是在保證性能穩(wěn)定可靠的前提下盡可能地減少其質(zhì)量。

2.3 機(jī)型發(fā)展

現(xiàn)在國產(chǎn)針刺機(jī)的類型和品種已經(jīng)相當(dāng)齊全，低速針刺機(jī)和高速針刺機(jī)的機(jī)型系列都可滿足市場需要。根據(jù)針刺運(yùn)動(dòng)的形式劃分，常用的機(jī)型有單板下刺、單板上刺、雙板下刺、雙板上刺、單板上下異位對(duì)刺、單板上下同位對(duì)刺、雙板上下同位對(duì)刺等。

專用針刺機(jī)也在迅速發(fā)展，因其只能生產(chǎn)某種特殊類型的針刺非織造布，市場需求量相對(duì)較少，但其類型繁多，已形成獨(dú)立的分支系統(tǒng)，其中相對(duì)要求較多的機(jī)型有條紋針刺機(jī)、起絨針刺機(jī)、提花針刺機(jī)和造紙毛毯針刺機(jī)等。

3 國際先進(jìn)針刺技術(shù)簡介

目前Dilo公司的針刺技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，其針刺機(jī)的針刺頻率已達(dá)到3 500刺/min，并成功推出頻率為2 000刺/min的橢圓軌跡針刺機(jī)。近年國內(nèi)引進(jìn)的先進(jìn)針刺設(shè)備主要以Dilo公司的產(chǎn)品為主。目前國內(nèi)針刺設(shè)備的代理商主要代理Dilo公司、NSC集團(tuán)和紐馬格集團(tuán)3家公司的產(chǎn)品，包括人們較為熟悉的Asselin和奧特發(fā)的鋪網(wǎng)機(jī)、Dilo和Fehrer的針刺機(jī)等。

Dilo公司生產(chǎn)的超高速針刺機(jī)，其針板梁采用了碳纖維復(fù)合材料。在針板方面，為了使纖維之間的纏結(jié)更有效，布面質(zhì)量更加完美，F(xiàn)ehrer公司設(shè)計(jì)出弧形的托、剝網(wǎng)板，效果良好。Dilo和Fehrer公司的針板針布都處于國際領(lǐng)先水平。為了改進(jìn)針刺機(jī)的性能和試驗(yàn)新產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，Dilo公司還建設(shè)了自己的試驗(yàn)工廠。

4 國產(chǎn)針刺機(jī)的發(fā)展趨勢

4.1 新材料的應(yīng)用

現(xiàn)在很容易找到強(qiáng)度高、性能好、密度小的材料，但是應(yīng)用在針刺機(jī)上很難找到合作的生產(chǎn)廠家，因?yàn)橐笈可a(chǎn)用在針刺機(jī)上的有關(guān)零件還有一定難度?，F(xiàn)在出現(xiàn)的如鋁基、鎂基、碳素纖維復(fù)合材料等新型復(fù)合材料的性能和強(qiáng)度都達(dá)到很高的水平，并已在汽車和飛機(jī)的相關(guān)零件上開始運(yùn)用，但尚未在其他領(lǐng)域廣泛使用，能生產(chǎn)的廠家有限。

針板梁原來是由16 Mn材料焊接而成，現(xiàn)在開始采用鋁合金材料拉制工藝制造，外形和強(qiáng)度比原來都有提高，但是質(zhì)量減少不多;連桿原來是鑄鋼鑄造而成，現(xiàn)在也開始采用鋁基復(fù)合材料;推桿原來的材料是38CrMoAl，因其承受的力比較復(fù)雜，強(qiáng)度要求高，尋找新材料要慎重。如果想提高針刺頻率，就必須尋找合適的輕質(zhì)材料。針板梁、連桿和推桿的強(qiáng)度和質(zhì)量直接影響主軸箱式針刺機(jī)的針刺頻率的提升。

4.2 各機(jī)型針刺機(jī)的發(fā)展

目前主軸箱式和無箱齒輪搖桿式兩種機(jī)構(gòu)的高速針刺機(jī)都已出現(xiàn)并各有亮點(diǎn)。筆者認(rèn)為主軸箱式針刺機(jī)比較適合國內(nèi)中小企業(yè)的使用、管理和維護(hù)。國產(chǎn)針刺機(jī)已經(jīng)開始采用鋁合金針板梁，并且配置有方便更換針板的氣囊加緊的定位機(jī)構(gòu)，但針刺頻率提高不大。各設(shè)備制造商的首要任務(wù)是在保證針刺設(shè)備性能逐漸提升的同時(shí)降低設(shè)備制造成本，其次才是開發(fā)更高頻率的針刺機(jī)。

4.2.1 主軸箱式針刺機(jī)

主軸箱式針刺機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是參加針刺往復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件密封在一個(gè)箱體內(nèi)，可以對(duì)相關(guān)軸承進(jìn)行不間斷的潤滑油潤滑和冷卻，最大的缺點(diǎn)便是推桿處存在漏油的可能。圖1為雙軸雙板式主軸箱的示意圖。

圖1 雙軸雙板式主軸箱

由于主軸箱機(jī)構(gòu)固定同一個(gè)針板梁的兩個(gè)推桿之間的距離是0.6 m，所以在設(shè)計(jì)針板的長度時(shí)都在1.2 m左右，于是主軸箱式針刺機(jī)的主傳動(dòng)和針板部分形成了分段式的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)形式存在以下問題:①主軸箱體積過大，加工、運(yùn)輸、裝配等均不方便;②兩個(gè)推桿間的距離固定，無法減少推桿的數(shù)量，同樣受主軸箱外形尺寸的限制，主軸箱的數(shù)量也無法減少，導(dǎo)致針刺機(jī)的成本無法降低;③主軸箱內(nèi)參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零件過多，提高了潤滑油的溫度，不利于推桿處潤滑油的密封;④主軸箱體的結(jié)構(gòu)存在不合理之處，不利于潤滑油的降溫;⑤支撐連桿的軸承支點(diǎn)平均數(shù)是1個(gè)，受力相對(duì)不均。

針對(duì)以上問題，儀征市海潤紡織機(jī)械有限公司進(jìn)行了改進(jìn)主軸箱結(jié)構(gòu)的研究，確定了符合自己生產(chǎn)特點(diǎn)的單體小主軸箱(已申請(qǐng)技術(shù)專利)。圖2是其中之一的單體雙軸雙板主軸箱示意圖，與原有圖1所示的主軸箱相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為:①體積小，便于安裝和維修;②改進(jìn)了原有主軸箱的不合理結(jié)構(gòu)，完善了主軸箱的功能;③模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)被針刺纖網(wǎng)的受力情況來確定主軸箱的配置數(shù)量，既能滿足高速針刺機(jī)的設(shè)計(jì)和使用要求，又能使針刺機(jī)的性價(jià)比更合理。

圖2 單體雙軸雙板主軸箱

單體主軸箱箱體的下部在兩導(dǎo)向套孔的中間留有空腔，其底面接近箱體的最低位，故該空腔能留出積蓄潤滑油的空間，目的是讓導(dǎo)向套內(nèi)的潤滑油能流回到這個(gè)空間，即起到降低推桿因摩擦而升溫的作用，也保證了箱體內(nèi)的油位低于油封的上平面。單體小主軸箱的低成本和高性能會(huì)給設(shè)備制造商和使用商帶來巨大的經(jīng)濟(jì)利益，所以單體小主軸箱是未來主軸箱式針刺機(jī)的發(fā)展趨勢。

4.2.2 無箱齒輪搖桿式針刺機(jī)

齒輪搖桿式針刺機(jī)典型的機(jī)構(gòu)形式是Dilo公司的產(chǎn)品，其最大的特點(diǎn)是針板梁的定位采用齒輪齒條方式。這種結(jié)構(gòu)減少了針板往復(fù)運(yùn)動(dòng)定位時(shí)的摩擦阻力，且其潤滑一般采用干油間歇壓力集中潤滑系統(tǒng)，即定時(shí)注入潤滑脂，基本杜絕了漏油的可能。為了排除主軸軸承的摩擦熱量，連桿大頭處配有風(fēng)冷裝置，相應(yīng)的軸承處配有溫度傳感器，以便檢測溫度及時(shí)觀測軸承的工作狀態(tài)，確保針刺機(jī)的潤滑系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

無箱齒輪搖桿式針刺機(jī)的針刺部件如圖3所示。機(jī)構(gòu)采用模塊化組合設(shè)計(jì)，便于設(shè)備的系列化設(shè)計(jì);完成刺針上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件包括連桿、橫梁、針板梁和搖臂等，外形結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，容易采用新型材料以減少相關(guān)零件的質(zhì)量，有利于針刺頻率的提高。該技術(shù)的潛在價(jià)值在于整個(gè)主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可應(yīng)用到橢圓軌跡針刺機(jī)的方案中，相信不久國產(chǎn)簡易的橢圓軌跡針刺機(jī)將會(huì)面世，這是無箱齒輪搖桿式針刺機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展方向。

圖3 無箱齒輪搖桿式針刺機(jī)構(gòu)示意

5 新型針刺機(jī)介紹

5.1 新型中速針刺機(jī)

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的操作經(jīng)驗(yàn)，性能穩(wěn)定、故障率低的中速針刺機(jī)能很好地滿足針刺土工布生產(chǎn)的工藝要求。如果一條幅寬6.8 m的土工布生產(chǎn)線配置3臺(tái)針刺頻率超過1 000刺/min的主軸箱式針刺機(jī)，其價(jià)格要超過200萬元人民幣，設(shè)備的投資成本很大。儀征市海潤紡織機(jī)械有限公司獨(dú)立開發(fā)了滿足土工布生產(chǎn)工藝的新型中速針刺機(jī)，設(shè)備成本比高速針刺機(jī)降低很多，但其機(jī)械性能沒有降低。

新型中速針刺機(jī)的針刺頻率能達(dá)到800刺/min，出布速度1～6 m/min，可變頻調(diào)速，無需地腳安裝，運(yùn)行平穩(wěn)。該機(jī)型采用特殊配重方式的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4所示。該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要點(diǎn)是:①主傳動(dòng)采用單軸單板式，外加副軸分擔(dān)平衡;②針板梁的提升和定位采用傳統(tǒng)的推桿滑套式結(jié)構(gòu);③潤滑部分采用儀征市海潤紡織機(jī)械有限公司成熟的間歇式集中供油系統(tǒng);④支撐連桿的機(jī)構(gòu)采用Dilo式的兩軸承對(duì)稱分布的形式，能加強(qiáng)連桿處受力的可靠性。

圖4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意

該新型中速針刺機(jī)應(yīng)用主、副軸對(duì)轉(zhuǎn)的平衡方法，平衡原理如圖5所示。用零件D來平衡零件C的一階力的大部分，用零件E來平衡零件D剩下的水平力和由其產(chǎn)生的垂直方向的力［1］。

圖5 平衡原理示意

國產(chǎn)低速針刺機(jī)的頻率不能提高的原因是其平衡方案一直采用單軸平衡法，沒有副軸及圖5所示的零件E，僅用零件D來平衡C等零件運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的力。一般有兩種解決方法:一是只用零件D來完全平衡零件C引起的一階力，這時(shí)由零件D引起的上下方向的力無法消除，機(jī)器往往會(huì)左右擺動(dòng);二是用零件D來平衡零件C引起的一階力的大部分，這時(shí)由零件D引起的水平方向的力無法消除，機(jī)器往往會(huì)上下劇烈振動(dòng)。為了機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，一般都采用加固的方法將機(jī)器固定在地基上，以保證機(jī)器的正常工作。但是寬幅針刺機(jī)的固定就比較困難，因?yàn)闊o論是采用以上兩種方法中的哪一種，產(chǎn)生的力都相當(dāng)大，所以寬幅針刺機(jī)的針刺頻率基本上都很低。而新型中速針刺機(jī)用增加副軸對(duì)轉(zhuǎn)的平衡方案解決了原有低速針刺機(jī)配重平衡的兩種弊端，雖然設(shè)備成本有所增加，但其運(yùn)行更加平穩(wěn)、受力更加合理，從而機(jī)械性能等得到大幅提升。

5.2 新型主軸箱式高速針刺機(jī)

為了將國產(chǎn)針刺機(jī)的針刺頻率提升至2 000刺/min，儀征市海潤紡織機(jī)械有限公司設(shè)計(jì)了一種能夠承受高載荷且受力分布更合理的單體小主軸箱，結(jié)構(gòu)如圖6。設(shè)計(jì)的高速針刺機(jī)選擇主軸箱機(jī)構(gòu)的原因是，高速齒輪搖桿式針刺機(jī)的主傳動(dòng)軸承的潤滑和測控難以把握和維護(hù)，而主軸箱式的針刺機(jī)潤滑系統(tǒng)能保障軸承的工作狀態(tài)，并便于使用者的維護(hù)和管理。

高速針刺機(jī)的主軸箱必須承擔(dān)起巨大的交變載荷，為了降低推桿處的摩擦熱量便于潤滑油的密封，主軸箱體設(shè)計(jì)有特殊的降溫結(jié)構(gòu)。高速單體小主軸箱的優(yōu)點(diǎn)還有:體積小，利于精密裝配;傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案成熟，配重合理;主軸箱的數(shù)量可根據(jù)刺針力的大小來增減，便于成本控制。

圖6 高速單體小主軸箱示意

高速單體小主軸箱內(nèi)參與針刺往復(fù)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)零件包括連桿、橫梁、推桿等，選用強(qiáng)度高、密度小的新型復(fù)合材料，目的是減小往復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件的總質(zhì)量和增強(qiáng)其對(duì)強(qiáng)大沖擊力的承受能力。

［1］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)聯(lián)合編寫組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1987:35.

Brief discussion on status and tendency of research and development on needle-punching machine in China

Ju Yongnong
(Yizheng Hairun Textile Machinery Co.，Ltd.)

The research process and development tendency as well as technique situation of home-made needlepunching machines were introduced.The transmission system and performance of new medium-speed needle-punching machine and new main axle box-type of high speed needle-punching machine were presented.It was pointed out that individual small main axle box-type of needle-punching machine would be development tendency of main axle box-type of needle-punching machine in the future，and the design on main axle transmission system of non-box gear rocking bar type of needle-punching machine would be applied to the elliptical path needle-punching machine.

nonwovens，needle-punching machine，mechanical design，development status，trend of development

TS173.44

A

1004－7093(2010)01－0019－05

2009－10－19

鞠永農(nóng)，男，1978年生，工程師。主要從事針刺機(jī)等非織造設(shè)備的研發(fā)工作。