雙搖桿導(dǎo)向型針刺機(jī)的性能特點(diǎn)

鞠永農(nóng) 柳紅春 (儀征市海潤紡織機(jī)械有限公司，儀征，211400)

針刺非織造技術(shù)具有加工工藝相對簡單、設(shè)備組合靈活、產(chǎn)品類型多等優(yōu)點(diǎn)，其產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在土工材料、汽車用紡織品、過濾材料、防護(hù)增強(qiáng)材料等領(lǐng)域。隨著針刺技術(shù)和工藝的不斷突破，針刺非織造產(chǎn)品將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣，促使國產(chǎn)針刺機(jī)向更高的技術(shù)層次發(fā)展。國產(chǎn)針刺機(jī)的技術(shù)借鑒了國外成熟機(jī)型的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過幾十年的改進(jìn)，國產(chǎn)機(jī)型的技術(shù)和制造都達(dá)到了一定的水平，但超高速針刺機(jī)的制造經(jīng)驗(yàn)有待積累。雙搖桿導(dǎo)向型針刺機(jī)具有獨(dú)特的定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和主傳動機(jī)構(gòu)，是國產(chǎn)超高速針刺機(jī)的發(fā)展機(jī)型之一。

1 針刺機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)狀

雙搖桿導(dǎo)向型針刺機(jī)于上世紀(jì)80年代開始引入國內(nèi)，多數(shù)為Dilo公司的針刺設(shè)備。雙搖桿導(dǎo)向型針刺機(jī)與主軸箱式針刺機(jī)的不同之處在于主傳動機(jī)構(gòu)和針梁往復(fù)運(yùn)動的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。國產(chǎn)針刺機(jī)針梁的上下運(yùn)動通常是采用推桿與導(dǎo)向套組合的滑套式結(jié)構(gòu)，而雙搖桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是采用雙扇形圓弧齒和齒條的組合來限位導(dǎo)向的。國內(nèi)設(shè)備制造商將這類機(jī)型推向市場是在2000年之后，盡管有的設(shè)備制造商將針梁的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)作了局部改變，但其原理仍然是雙搖桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)原理的衍生。目前動程大于30 mm的國產(chǎn)針刺機(jī)的最高針刺頻率普遍在1 500刺/min以下，在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行中高于1 000刺/min的生產(chǎn)線也極少。

由于雙搖桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，引起了國內(nèi)針刺機(jī)使用商的極大關(guān)注。近年來，資金雄厚的設(shè)備使用商引進(jìn)了不少更加先進(jìn)的高速針刺機(jī)，多數(shù)是Dilo公司的產(chǎn)品，包括四板同位對刺機(jī)型和橢圓形運(yùn)動針跡針刺機(jī)。目前國內(nèi)有幾家針刺機(jī)制造商也已陸續(xù)推出這類機(jī)型，以滿足市場的需求，但受到材料、加工精度和制造工藝等因素的影響，制造針刺頻率超過1 500刺/min的針刺機(jī)還需時(shí)日。

1.2 先進(jìn)技術(shù)

現(xiàn)代針刺機(jī)的針刺頻率不斷提高，尤其國外先進(jìn)針刺機(jī)的針刺頻率已經(jīng)超過3 000刺/min，其特點(diǎn)是參與針刺運(yùn)動的零件采用了高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，如碳素纖維復(fù)合材料［1］。另外，更加先進(jìn)的橢圓形運(yùn)動針跡針刺機(jī)得到迅速推廣，其針刺頻率超過2 000刺/min，近幾年國內(nèi)引進(jìn)了不少這類機(jī)型。該類機(jī)型的主要特點(diǎn)是針板、橫梁由另外一個(gè)偏心機(jī)構(gòu)驅(qū)動，刺針不再單純地作垂直方向運(yùn)動，而是在縱向的平面內(nèi)作垂直與水平方向的二維運(yùn)動，其軌跡由一條直線轉(zhuǎn)變成近似于橢圓形狀。水平向的移動距離是為了對應(yīng)纖網(wǎng)的步進(jìn)量，在時(shí)空上能與其很好地配合，從而顯著減少纖網(wǎng)的拉伸，實(shí)現(xiàn)針刺產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。該機(jī)型的針刺機(jī)構(gòu)必須采用Dilo公司的開放式主傳動機(jī)構(gòu)，不能使用主軸箱式針刺機(jī)構(gòu)，因?yàn)橹鬏S箱式針刺機(jī)的推桿受到銅套的制約，針板只能作垂直方向運(yùn)動。

2 雙搖桿導(dǎo)向型針刺機(jī)的特點(diǎn)

雙搖桿導(dǎo)向型針刺機(jī)的部件構(gòu)成與其他類型的針刺機(jī)相同，也包括主傳動、針刺、輸入輸出、托網(wǎng)、剝網(wǎng)、機(jī)架以及電氣控制等。主傳動機(jī)構(gòu)和針梁導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是設(shè)備的技術(shù)核心，雙搖桿導(dǎo)向型針刺機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)就在于這部分具有獨(dú)特的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

雙搖桿導(dǎo)向型針刺機(jī)的主傳動機(jī)構(gòu)由分動箱帶動兩根平行的主軸，兩根主軸的轉(zhuǎn)動方向相反，且相位差為180°。主軸上的偏心輪驅(qū)動連桿、針梁和針板，作上下往復(fù)運(yùn)動。獨(dú)特之處在于由雙曲柄、雙連桿、偏心輪軸、配重輪和軸承座等組成一個(gè)獨(dú)立的單元，整個(gè)機(jī)構(gòu)的零件采用對稱分布的結(jié)構(gòu)形式，滿足了力學(xué)要求和設(shè)備的需要。針梁導(dǎo)向機(jī)構(gòu)同樣采用了機(jī)構(gòu)對稱布置的雙搖桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，即當(dāng)針梁作高速往復(fù)運(yùn)動時(shí)，搖桿上的扇形圓弧齒與固定在機(jī)架上的齒條嚙合，完成定位導(dǎo)向。

雙搖桿導(dǎo)向型針刺機(jī)相對于傳統(tǒng)的推桿和滑動軸套機(jī)構(gòu)的機(jī)型，其優(yōu)點(diǎn)是傳動平穩(wěn)、振動較小、針刺頻率較高，有利于寬幅機(jī)型的發(fā)展。主軸箱式針刺機(jī)采用連桿與滑動軸套結(jié)構(gòu)，因滑動摩擦更容易出現(xiàn)磨損、發(fā)熱和易漏油等問題，不利于提升針刺頻率和提高生產(chǎn)率，且漏油會污染產(chǎn)品，影響針刺產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 雙搖桿導(dǎo)向型針刺機(jī)獨(dú)特的機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)

3.1 主傳動機(jī)構(gòu)

雙搖桿導(dǎo)向型針刺機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)是一種能夠承受高速針刺機(jī)載荷且受力分布合理的新型雙主軸傳動機(jī)構(gòu)，重新設(shè)計(jì)了軸承座、連桿、偏心輪和配重輪在主軸上的位置，通過分動箱將兩根完全相同的偏心輪軸組合為一個(gè)整體，目的是使兩個(gè)主軸以等速旋轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)向相反，以保持高速平衡。雙搖桿導(dǎo)向型針刺機(jī)的主傳動機(jī)構(gòu)不同于主軸箱式的形式。由圖1可以看出，由連桿、配重輪、軸承座和偏心輪軸構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的偏心單元，可以根據(jù)門幅要求來確定該單元的數(shù)量;連桿的兩側(cè)各有一個(gè)軸承座來支撐連桿，配重輪分布在軸承座的外側(cè)，通過受力分析不難發(fā)現(xiàn)，該零件組合更加合理，更利于連桿的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定。整個(gè)主傳動單元包裹在機(jī)架內(nèi)，并將針刺機(jī)的傳動區(qū)域與針刺區(qū)域隔離，兩者通過固定在機(jī)架上的薄膜密封，使纖網(wǎng)塵屑不能穿過，旋轉(zhuǎn)軸承上的潤滑油脂也不會泄漏到針刺區(qū)域。

圖1 主傳動機(jī)構(gòu)示意

機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中，除受外載荷的作用外，還受到其各構(gòu)件在運(yùn)動狀態(tài)下產(chǎn)生的慣性載荷。該慣性載荷隨著機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速的提高而迅速增加，在高速機(jī)構(gòu)中其作用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了外載荷。隨機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)而時(shí)刻變化的慣性載荷不僅會增大運(yùn)動副內(nèi)的摩擦，增加構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力和降低機(jī)構(gòu)生產(chǎn)效率，而且還是導(dǎo)致機(jī)器出現(xiàn)振動、疲勞等現(xiàn)象的主要因素，其結(jié)果就會惡化機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和動力性能。機(jī)構(gòu)平衡實(shí)際上就是設(shè)法平衡構(gòu)件的慣性載荷，以消除或降低慣性載荷造成的不利影響。新型雙軸傳動機(jī)構(gòu)的雙軸平行對轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)就是利用了對稱式的平衡原理，很好地解決了水平方向的慣性載荷。

新型雙軸傳動機(jī)構(gòu)的顯著優(yōu)點(diǎn)有:①模塊化設(shè)計(jì)，可以減少或增加連桿的配置數(shù)量;②增加了主軸軸承座的數(shù)量，可以使主軸能承受更大的交變載荷;③連桿大頭端的軸承采用承受力更大的滾柱軸承，有利于針刺頻率的提升;④重新設(shè)計(jì)軸承座、連桿和配重輪的位置，便于提高和保障加工與安裝的精度，也有利于針刺頻率的進(jìn)一步提升;⑤偏心單元小巧輕盈，經(jīng)過長期使用后若必須更換，所需時(shí)間很短。

3.2 雙搖桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

雙搖桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是本機(jī)型的技術(shù)特色，該機(jī)構(gòu)改變了原有導(dǎo)向套式的定位方法，用阻力較小的滾動摩擦副替代了滑動摩擦副，示于圖2。雙搖桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的顯著特點(diǎn)體現(xiàn)在一個(gè)“雙”字上，雙搖桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的組成必須是雙主軸、雙連桿、雙搖桿，而針梁(即針板數(shù))可雙可單?！半p零件”巧妙地運(yùn)用了對稱式的平衡原理，使針刺機(jī)水平方向的力互相抵消，減少了設(shè)備的左右晃動。雙主軸傳動機(jī)構(gòu)保證了下面的雙搖桿定位導(dǎo)向的可行性和科學(xué)性［2］。雙搖桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要零件包括連桿、齒條座、橡膠套、搖桿、針梁、針梁座、針板、齒輪塊和齒條塊等。連桿、搖桿和針梁座等通過連桿銷連接，齒輪塊固定在搖桿末端，齒條塊固定在齒條座上，齒條座固定在機(jī)架上，齒條塊和齒輪塊的潤滑脂用橡膠套封閉;搖桿末端帶有圓弧，且齒輪塊的節(jié)度圓與搖桿末端圓弧的半徑一致，都與連桿銷的中心重合，而齒條座固定齒條塊的兩側(cè)設(shè)計(jì)有平臺，平臺的高度與固定的齒條的節(jié)線重合，因而由齒輪塊和齒條塊，以及搖桿與齒條座組成了雙定位形式。由于齒條座固定，所以搖桿和齒輪塊就能沿齒條和齒條座平臺作上下運(yùn)動，保證了針板運(yùn)動的穩(wěn)定與可靠。圖3是圖2中A－A的剖視圖，可以看到正是搖桿末端和齒條座的獨(dú)特設(shè)計(jì)解決了機(jī)器軸向的定位問題。搖桿的左右兩側(cè)被齒條座的凹形結(jié)構(gòu)卡主，也就是把搖桿另一端同在一銷軸上的針梁座在軸向的位移限住，使固定針梁的針梁座只有上下的方向是自由的，這正是設(shè)備所需要的。

圖2 雙搖桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)示意

圖3 雙搖桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)A－A的剖視示意圖

雙搖桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的顯著優(yōu)點(diǎn)是:①橡膠套將扇形齒塊和齒條塊的潤滑脂密封起來，杜絕了漏油現(xiàn)象;②當(dāng)扇形齒塊和齒條處相關(guān)摩擦片有磨損時(shí)，只需調(diào)整齒條座位置就能滿足匹配要求;③兩側(cè)對稱的滾動導(dǎo)向方式，減少了摩擦因數(shù)，使針刺機(jī)有進(jìn)一步提升針刺頻率的空間;④扇形齒塊和齒條的連接為滾動接觸，接觸面積小，運(yùn)動產(chǎn)生的噪音小;⑤相關(guān)零件結(jié)構(gòu)簡單，有利于應(yīng)用新材料，以提高針刺頻率。

3.3 風(fēng)冷系統(tǒng)

由于主傳動機(jī)構(gòu)是開放式的，相關(guān)的軸承不能采用潤滑油來潤滑，否則會出現(xiàn)漏油問題，所以本機(jī)構(gòu)采用潤滑脂潤滑的方式。主軸軸承和連桿大頭的軸承轉(zhuǎn)速高、受力大，因摩擦產(chǎn)生的熱量也大，為了排除摩擦熱量，確保相關(guān)零件和軸承在較高甚至最高的沖程頻率下，溫度保持在最低水平，設(shè)備在連桿大頭水平方向的機(jī)架上配備了一對小風(fēng)機(jī)，利用流動的冷空氣帶走相關(guān)零件和軸承的熱量。

主傳動機(jī)構(gòu)的針刺機(jī)，當(dāng)針刺頻率小于1 000刺/min時(shí)，通常不需要配備風(fēng)冷系統(tǒng)。風(fēng)冷系統(tǒng)是為高速或超高速針刺機(jī)服務(wù)的，目的是保障相關(guān)軸承的正常工作狀態(tài)。

3.4 潤滑系統(tǒng)

潤滑系統(tǒng)也是為主傳動機(jī)構(gòu)服務(wù)的。主軸的轉(zhuǎn)速越高，軸承因摩擦產(chǎn)生的熱量越大，給軸承潤滑的潤滑脂的量必須相對準(zhǔn)確。為此，設(shè)備配置了一個(gè)中央自動潤滑系統(tǒng)，負(fù)責(zé)給主軸軸承和偏心輪軸承供油，來控制潤滑脂的加入量和相隔時(shí)間。該自動潤滑系統(tǒng)設(shè)有保險(xiǎn)備用供應(yīng)，潤滑周期和間隔時(shí)間都由一個(gè)可編程邏輯控制器控制，給油量和對個(gè)別軸承的分配及油箱的潤滑油供應(yīng)都以機(jī)電方式控制。

針刺機(jī)的其他軸承若非得到自動供油，就是受到終身潤滑，所以根本不需要人工經(jīng)常加油，只要不時(shí)檢查其狀況即可。

3.5 其他重要構(gòu)件

(1)機(jī)架，尤其是固定主傳動機(jī)構(gòu)的機(jī)架，其設(shè)計(jì)必須保證機(jī)加工的精度滿足設(shè)備的技術(shù)要求，這關(guān)系到雙搖桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在安裝時(shí)的基準(zhǔn)，直接影響到設(shè)備的運(yùn)行頻率。針刺機(jī)的機(jī)架一般由鋼板焊接而成，必須作去除焊接應(yīng)力的工藝處理。機(jī)架屬于大型焊接件，在機(jī)加工時(shí)需要摸索，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，將設(shè)計(jì)和機(jī)加工的需要統(tǒng)一起來，只有滿足設(shè)計(jì)要求才能使機(jī)架能夠達(dá)到其相應(yīng)的載荷要求。此外，針刺機(jī)構(gòu)是針刺機(jī)中慣性較大、耗能較多的部分，機(jī)構(gòu)運(yùn)動產(chǎn)生的周期性慣性力和慣性力矩通過軸承作用到機(jī)架上，會引起針刺機(jī)的振動。針刺機(jī)的機(jī)架體積相對較大，加工需要大型機(jī)床，精度不好控制，所以要求機(jī)架的設(shè)計(jì)在保障設(shè)備承載力的前提下，整體結(jié)構(gòu)要簡單，易于加工，便于零部件的安裝。

(2)針梁，通常由鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)件制成，質(zhì)量比較大，運(yùn)動時(shí)會產(chǎn)生很大的慣性，從而嚴(yán)重影響針刺機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性和高速性能。目前有些針梁已由高強(qiáng)度、抗彎和抗扭性能較好的輕合金材料制成，為了滿足針刺機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，有的甚至還選用高強(qiáng)度、輕質(zhì)的碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料來制作針梁。針梁的輕量化是其未來的發(fā)展方向。

4 結(jié)語

當(dāng)前我國針刺行業(yè)期望使用高效、操作連續(xù)性好的技術(shù)先進(jìn)的針刺機(jī)，也要求設(shè)備可靠耐用、操作和維護(hù)簡單方便。國產(chǎn)針刺機(jī)經(jīng)過近30年的發(fā)展，制造技術(shù)達(dá)到了一定的水平，但超高速機(jī)型的技術(shù)發(fā)展緩慢，其中主傳動軸承的質(zhì)量、關(guān)鍵零件的材料和加工精度、安裝工藝等都是制約針刺機(jī)性能和質(zhì)量的重要因素。隨著國產(chǎn)針刺機(jī)的出口和先進(jìn)針刺機(jī)的引進(jìn)，相互間的技術(shù)交流為國產(chǎn)超高速針刺機(jī)積累了技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。機(jī)型的發(fā)展可以引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)，如同位對刺機(jī)、橢圓軌跡針刺機(jī)等，雙搖桿導(dǎo)向型針刺機(jī)的主傳動機(jī)構(gòu)和針刺機(jī)構(gòu)正是橢圓軌跡針刺機(jī)所需要的機(jī)構(gòu)。因此，雙搖桿導(dǎo)向型針刺機(jī)會成為國產(chǎn)針刺設(shè)備發(fā)展和轉(zhuǎn)型的亮點(diǎn)。

［1］葉奕梁譯.針刺非織造生產(chǎn)東山再起［J］.非織造布，2011(6):39-40.

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