碳纖維復合材料起毛輥的結構與制備

徐 艷張偉明

（1.連云港鷹游紡機有限責任公司，江蘇連云港 222000；2武漢理工大學機電學院，湖北武漢 430000 ）

碳纖維復合材料起毛輥的結構與制備

徐 艷1張偉明2

（1.連云港鷹游紡機有限責任公司，江蘇連云港 222000；2武漢理工大學機電學院，湖北武漢 430000 ）

一種碳纖維復合材料起毛輥的結構與制備，包括起毛輥的輥體和裝在輥體兩端的軸頭。首先，在設計好的模具芯棒上纏繞碳纖維預浸布，做成碳纖維內(nèi)襯管備用；然后將軸頭的粘接段涂上粘合劑后插入碳纖維內(nèi)襯管內(nèi)進行膠接；最后以碳纖維內(nèi)襯管作為芯棒，再纏繞碳纖維預浸布，同時將軸頭的加強軸肩包裹在內(nèi)，以固化粗加工-精加工-涂裝，最后制成成品起毛輥。其質(zhì)量輕、直線度好、抗疲勞、剛性好，不僅碳纖維和樹脂結合更好，致密度更高，強度也大大超過了一步法，延長了起毛輥的壽命。而且碳纖維復合材料和金屬軸頭通過兩次包覆粘接，增大了碳纖維管壁與金屬軸頭的接觸面，粘接更牢，大大提高了碳纖維復合材料起毛輥的整體強度。

起毛機;碳纖維復合材料;起毛輥

0 前言

起毛就是利用起毛機械將纖維末端從紗線中拉出來，使織物表面均勻地覆蓋一層絨毛，比如毛巾、毛毯等，起毛機就是用于起毛的機械設備。

起毛輥是起毛機上最為重要的輥體，一部起毛機一般有24根或36根起毛輥。國內(nèi)紡織機械所產(chǎn)起毛機多為鋼絲起毛機，其起毛輥也是鋼制的，而鋼的比重大，從而限制了起毛輥的長度（一般為1.8-2.0m）,高速運轉(zhuǎn)的情況下，較長的起毛輥會發(fā)生扭曲變形，并影響起毛的質(zhì)量和效果。對于3.2m針輥，有測試表明固有頻率為42.7Hz[1]，起毛機針輥的自傳速度最高可達1200r/min，接近簡支針輥的一階臨界轉(zhuǎn)速，由于針輥的偏心，工作過程會產(chǎn)生較大的振動。起毛機針輥的大跨度結構，使得其剛度、強度及動力學特性成為影響起毛質(zhì)量的關鍵因素。在工作過程中，因為其剛度太差造成過大的彎曲扭轉(zhuǎn)變形和很低的臨界轉(zhuǎn)速，使得針輥之間出現(xiàn)“打架”以及針輥軸承圈脫落。為了提高輥體系統(tǒng)的抗彎剛度和固有頻率，通過增加支承造成的過約束，會使輥體薄弱部位產(chǎn)生疲勞而斷裂，以及軸承過載而提前破壞等情形。這些情形不僅嚴重影響起毛質(zhì)量，而且使得起毛機不能正常工作而降低生產(chǎn)效率等[2]。

采用碳纖維復合材料制備起毛輥將直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和風格。本文針對現(xiàn)有技術的不足，提出了一種質(zhì)量輕、直線度好、抗疲勞、剛性好的兩步法碳纖維復合材料卷制起毛輥。

1 碳纖維復合材料應用于起毛輥的背景技術

國外碳纖維復合材料應用于軸的技術已相當成熟，碳纖維復合材料在軸上的應用主要體現(xiàn)在汽車傳動軸、重型機床主軸、船舶驅(qū)動軸，Mercedes-Benz, BMW、Ferrari、Montero, Nissan, Mazda等車系的某些車型己經(jīng)開始使用碳纖維傳動軸，這些應用減少了傳動軸的重量，提高了起毛輥的臨界轉(zhuǎn)速，減少了啟動所用的時間，也極大的提高了安全性，并且明顯減少了耗能。國內(nèi)每年需要超過50000根起毛輥，若將碳纖維復合材料應用于起毛機的起毛輥上，將極大提高生產(chǎn)效率。

起毛機發(fā)展至今，起毛輥經(jīng)過不斷更新?lián)Q代，目前廣泛使用的起毛輥為鋼制起毛輥，其仍舊存在許多不足：一方面鋼制起毛輥自重大，從而導致設備耗能大，運輸成本高。在需要進一步提高起毛機轉(zhuǎn)速的時候，需要不斷提高鋼制起毛輥壁厚以滿足更高的剛性需求，因此，進一步增大了設備自重，能源損耗更加嚴重；另一方面鋼制起毛輥抗疲勞性不好，由于金屬的延展性，隨著起毛機高速運轉(zhuǎn)，鋼制起毛輥會逐漸累計形變直至完全變形無法使用。

中復神鷹碳纖維有限責任公司于2009年發(fā)明了一種碳纖維復合材料起毛輥的制備方法，將碳纖維復合材料實際應用于起毛輥的制備，該方法解決了鋼制起毛輥的不足，重量減輕4/5、運轉(zhuǎn)速度提高25%-30%、產(chǎn)量提高約60%、能耗減少1/3，促進了紡織機械設備向“高效率、高速度、節(jié)能型”的方向發(fā)展[3]，并由此拉開了國內(nèi)碳纖維起毛輥研究與應用的序幕。

2 碳纖維卷制起毛輥的結構及制備流程

2.1 碳纖維起毛輥結構發(fā)展

圖1所示為增強型碳纖維起毛輥結構，它在傳統(tǒng)鋼制起毛輥的外層卷制碳纖維增強復合材料，在性能上依賴于鋼，這種結構僅利用碳纖維的高模性能對起毛輥起到了加強的作用[4]。

圖2所示為一種碳纖維復合材料起毛輥，其特點是拉擠成型的碳纖維復合材料芯管，由于拉擠成型工藝模具內(nèi)壓力大，纖維充分滲透，軸向強度極高，但環(huán)向強度不足，而纏繞工藝線型設計靈活，環(huán)向強度高，軸向強度低 ，兩者優(yōu)劣互補，另外環(huán)形嵌入槽能有效保證直線度和加強整體強度[5]。

圖3所示為一種復合碳纖維纏繞輥，設有玻璃鋼內(nèi)襯，玻璃鋼外表面有碳纖維繞層，兩端設有軸頭安裝孔，孔的形狀為正多邊形，可以有效解決軸頭連接容易開裂、易松動的問題，可以開發(fā)出更長的輥面，該纏繞輥重量輕、跳動小、噪音低、強度高、耗能低[6]。

圖2所示結構明顯比圖1所示結構在改善起毛輥性能方面好很多，但由于環(huán)形槽加工精度難以保證，導致安裝不方便。圖3引入的膠接螺栓結構在抗疲勞性能方面不好，而且由于纖維層較薄，導致連接處接觸面積小，從而效果并不理想。

由此提出一種兩步法碳纖維起毛輥的結構設計。

圖1 增強型碳纖維起毛輥

圖2 一種碳纖維復合材料起毛輥

圖3 一種復合碳纖維纏繞輥

2.2 兩步法碳纖維卷制起毛輥的結構

在一步法碳纖維復合材料起毛輥制備的啟發(fā)下，本文設計出一種兩步法碳纖維卷制起毛輥的的制備方法，其質(zhì)量輕、直線度好、抗疲勞、剛性好，不僅碳纖維和樹脂結合更好，致密度更高，強度也大大超過了一步法，延長了起毛輥的壽命。

本文設計的兩步法碳纖維卷制起毛輥結構如圖4。

該結構的主要思路是根據(jù)設計需求，預先卷制特定尺寸的碳纖維復合材料管材4；通過車床對軸頭進行螺紋加工，得到螺紋狀溝槽3,增大碳纖維復合材料與金屬軸頭的接觸面，從而增大碳纖維復合材料與金屬材料的結合性能；軸頭1與內(nèi)襯碳纖維管間進行膠合，進一步保障結合強度；加強軸肩2保證了內(nèi)襯碳纖維管與外層卷制預浸布5的位置，從而提高了纏繞緊密度及整體性能。

圖4 兩步法碳纖維卷制起毛輥

2.3 兩步法碳纖維卷制起毛輥的制備

兩步法纖維卷制起毛輥的制備流程如圖5所示。

圖5 兩步法碳纖維卷制起毛輥的制備流程

其具體流程表述如下：

（1）根據(jù)起毛輥各方向強度要求，合理設計預浸布編織方式，使用預浸機制造所需預浸布；

（2）根據(jù)產(chǎn)品的性能和尺寸要求，進行鋪層設計；

（3）按照設計的鋪層，在芯棒上卷制內(nèi)襯碳纖維管材，固化成型后抽出芯棒；

（4）兩端軸頭在車床上進行螺紋加工；

（5）利用膠黏劑將軸頭與內(nèi)襯碳纖維管進行膠合；

（6）根據(jù)起毛輥設計需求，在內(nèi)套碳纖維管表面進行碳纖維預浸布卷制、鋪層；

（7）鋪層到達計劃層數(shù)后，利用OPP扎帶將起毛輥包扎起來，壓力適中，將起毛輥置于固化爐中固化成型；

（8）利用車床精加工起毛輥；

（9）產(chǎn)品涂裝，安裝。

3 結論

與現(xiàn)有技術相比，兩步法碳纖維卷制起毛輥具有巨大優(yōu)勢。首先，采用碳纖維預浸布卷制工藝，鋪層設計靈活，鋪層厚度容易控制；其次，設計了一種內(nèi)襯碳纖維管材的結構，加長了金屬軸頭在碳纖維復合材料管材內(nèi)壁的長度，同時增大了內(nèi)壁與金屬軸頭的接觸面積；再次，碳纖維復合材料卷制起毛輥較鋼制起毛輥輕，因此設備能耗大大降低，設備轉(zhuǎn)速則能夠進一步提高，從而提高生產(chǎn)效率，滿足客戶的迫切需求；最后，碳纖維復合材料抗疲勞性能好，且具有很高的剛性，因此碳纖維復合材料卷制起毛輥使用壽命更長，不易變形，節(jié)約設備維護費用。

兩步法碳纖維起毛輥即預先制作碳纖維內(nèi)襯管，再在內(nèi)襯管的基礎上纏繞碳纖維預浸布。在滿足紡機零部件設計技術要求的基礎上，兩步法碳纖維起毛輥較好地利用了碳纖維復合材料的剛度好、耐磨、比強度高、比模量高等特點，其質(zhì)量輕、直線度好、抗疲勞、剛性好，不僅使碳纖維和樹脂結合更好，致密度更高，強度也大大超過了一步法，延長了起毛輥的壽命，而且碳纖維復合材料和金屬軸頭通過兩次包覆粘接，增大了碳纖維管壁與金屬軸頭的接觸面，粘接更牢，大大提高了碳纖維復合材料起毛輥的整體強度。從而達到節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品性能及生產(chǎn)效率、降低成本的目的。

[1] Earl M.Halfen.Shop Balancing Tolerances Reader Service No.72.

[2] 劉高鋒 ，邱清盈 ，潘雙夏.起毛機針輥部件結構性能研究[D].浙江大學.2005.

[3] 張國良，李懷京，席玉松.一種碳纖維復合材料起毛輥的制備方法.101760930[P].2010(06):30.

[4] 徐 艷，許太尚，王宏亮.增強型碳纖維纏繞起毛輥.202017128[P].2011(10).26.

[5] 徐存新，張斯緯，徐 艷等.一種碳纖維復合材料起毛輥.中國,203080286[P].2013(7):24.

[6] 張斯緯，徐 艷，許太尚等.一種復合碳纖維纏繞輥.中國，ZL201220009813.3,2011(11):26.

Structure and Preparation of Carbon Fiber Composite Materials Fluff Rolls

Structure and preparation of a carbon fiber composite material pile roller, including a roller body and the pile roller mounted at both ends of the roller shaft head body. First, in the design of a mold mandrel wound carbon fiber prepreg, made of carbon fiber liner spare; then coated with adhesive segment axis head is inserted within the adhesive lined carbon fiber tube glued; Finally, carbon fiber lined pipe as a mandrel, and then wound carbon fiber prepreg, while the head of the shaft, including strengthening the shoulder wrap to cure roughing -finishing - painting, finally finished products pile roller. Its light weight, good straightness, anti-fatigue, rigid, carbon fiber and resin bonded not only better, higher density, strength greatly exceeds the one-step, extend the life of fluff roll. And carbon fiber composite materials and metal shaft head covered by two bonding, increases the contact surface of the carbon fiber wall with metal shaft head, bonding more firmly, greatly improving the overall strength of the carbon fiber composite material fluff roll.

raising machine; carbon fiber; composite pile roller

TB332

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投稿日期：2014-09-22