試論復(fù)合退繞架的設(shè)計若干關(guān)鍵問題分析

摘 要：復(fù)合材料和產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于很多方面，與國家建設(shè)和人們的生活有著密不可分的關(guān)系。品種日新月異，不斷深入發(fā)展，促進(jìn)了研究探索的開展，研究成果不斷涌現(xiàn)，使復(fù)合技術(shù)得到進(jìn)一步的提高。

綜合運(yùn)用非織造工藝、機(jī)械、控制等技術(shù)，研制出了一臺能滿足針刺復(fù)合工藝的退繞系統(tǒng)。并對針刺復(fù)合工藝進(jìn)行了簡單的探討。

關(guān)鍵詞：復(fù)合；退繞；針刺；非織造布

0 .引言

復(fù)合是近年來發(fā)展較為迅速的新技術(shù)之一，通過復(fù)合開拓了很多新領(lǐng)域，尤其在新材料的發(fā)展中更有其獨特的作用。應(yīng)用復(fù)合將兩種或兩種以上的材料或方法復(fù)合成新的材料或產(chǎn)品，該材料或產(chǎn)品較原組分或方法單一制造有較多的有點，賦予材料或產(chǎn)品很多新的特性和功能。

通過大量的生產(chǎn)調(diào)研及分析底布退繞產(chǎn)生褶皺的問題，設(shè)計出一種底布退繞架，通過對張力的控制最終解決問題。

1.復(fù)合退繞架設(shè)計的概述

1942年，美國一家公司生產(chǎn)了數(shù)千碼與傳統(tǒng)紡織原理和工藝截然不同的新型布品，它不經(jīng)過紡，也不進(jìn)過織，而是用化學(xué)復(fù)合法生產(chǎn)的。

2.影響針刺非織造復(fù)合的主要因素

在針刺非織造復(fù)合中所考慮的主要參數(shù)有：復(fù)合時間，基材的表面形象，產(chǎn)品克重等。在這里主要針對這三個參數(shù)進(jìn)行論述其對復(fù)合質(zhì)量的影響。復(fù)合速度對針刺非織造產(chǎn)品的影響非常大，在同種材料其他復(fù)合條件不變的情況下，隨著復(fù)合時間的增長伴隨著刺針穿刺的次數(shù)也就越多，當(dāng)達(dá)到一定次數(shù)時會造成纖維被刺段因而影響復(fù)合后的效果及其復(fù)合強(qiáng)度。表面形象對復(fù)合質(zhì)量有重要的影響，在相同的非織造復(fù)合條件下，使用表面粗糙的基材可以獲得比表面細(xì)膩的基材獲得更高的復(fù)合強(qiáng)度。產(chǎn)品克重對復(fù)合強(qiáng)度的影響也是非常巨大的，產(chǎn)品越重其復(fù)合強(qiáng)度越高，產(chǎn)品越輕其復(fù)合強(qiáng)度越輕。這是由于纖維的特性造成的。

3.針刺非織造用復(fù)合退繞系統(tǒng)總體機(jī)構(gòu)

在非織造布不斷發(fā)展的今天，各種非織造布產(chǎn)品和非織造加工設(shè)備層出不窮，非織造產(chǎn)品用途極為廣泛，產(chǎn)品涉及到建筑、水利、公路、鐵路運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、汽車、濾材、鞋革等等各個領(lǐng)域，尤其在產(chǎn)業(yè)用領(lǐng)域，其前景更為廣闊，主要是針對針刺非織造復(fù)合工藝設(shè)計的退繞系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對兩種基材的平整復(fù)合穿刺。

3.1研究的技術(shù)路線

針對非織造布和針刺復(fù)合的特點，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計方法，采用CAD、ADAMS、Pro/E等軟件，仿真模擬復(fù)合退繞系統(tǒng)的整機(jī)設(shè)計需要，在此基礎(chǔ)上制造出能完成針刺非織造布與其他基材復(fù)合的機(jī)器。然后通過實際應(yīng)用從而確定機(jī)器的可行性，實施工藝方面的研究形成工藝要求。

3.2針刺非織造復(fù)合的技術(shù)要求

機(jī)械部分的功能要求是：能夠通過設(shè)計的機(jī)器上實現(xiàn)非織造布與其他基材的復(fù)合功能，能依據(jù)實際需要調(diào)節(jié)直徑變化所引起的同步傳向問題；用設(shè)計的設(shè)備能夠滿足不同幅寬，不同厚度，和不同分子材料的非織造復(fù)合。

控制部分的要求是采用變頻器控制電機(jī)傳動，能夠?qū)崿F(xiàn)放卷恒定張力的控制。

3.3針刺非織造用復(fù)合退繞系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)針刺機(jī)運(yùn)行時，基材通過針刺羅拉的壓力與針刺布一同經(jīng)過多臺針刺機(jī)的穿刺，最終達(dá)到一定規(guī)格、具備一定物理性能的非織造復(fù)合布。

3.4針刺非織造用退卷機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

該退卷機(jī)主要包括兩個部分的設(shè)計，即機(jī)械傳動設(shè)計和控制部分。

總體要求是在復(fù)合過程中保證非織造布與基材的平整復(fù)合，能根據(jù)基材直徑的變化調(diào)整放卷的張力問題。

針刺非織造用退卷機(jī)的機(jī)械部分主要包括放卷機(jī)構(gòu)、張力輥機(jī)構(gòu)、摩擦機(jī)構(gòu)。

控制部分主要是控制器，通過變頻器調(diào)整放卷速度。

3.5退繞系統(tǒng)的特點

在針刺復(fù)合過程中，目前國內(nèi)還沒有一套的退繞系統(tǒng)，都是用簡單的架子固定基材，只能對一些普通的基材進(jìn)行加工，且換卷麻煩，基本上都要將生產(chǎn)線停下才能換基材，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。而本文所設(shè)計的退繞系統(tǒng)能夠滿足生產(chǎn)線的連續(xù)性生產(chǎn)，極大的提高生產(chǎn)效率。另外只要配備兩臺放卷機(jī)加一套張力輥就完全能滿足大多數(shù)針刺無紡布企業(yè)4.0m寬幅大線，能夠很好的進(jìn)行雙幅生產(chǎn)，同時保證品質(zhì)。

3.6退繞系統(tǒng)缺陷分析

在試驗生產(chǎn)過程中對目前針刺復(fù)合使用的絕大多數(shù)原材料（針刺非織造原料、基材）都進(jìn)行了測試，雖然絕大多數(shù)的參數(shù)狀態(tài)下都能達(dá)到工藝的最佳狀態(tài)，但是對于小部分特種纖維還是不是很理想。這個主要是由于以一些特種纖維的靜電大造成經(jīng)過張力輥時基材褶皺，因此后期可以對張力輥的材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整為碳素輥。

4.退卷系統(tǒng)的張力控制計算

復(fù)合革基布在連續(xù)生產(chǎn)過程中基材退卷后必須在張力之下運(yùn)行，張力的最基本作用是保證基材的正常運(yùn)行，使基材盡可能沿著生產(chǎn)線的中心線運(yùn)行而不致因走偏而造成邊部刮傷甚至基材斷裂；同時，糾偏輥也只有在張力足夠的條件下才能夠起到糾偏的作用?；膹埩χ档慕ⅲ且揽客司砑艿膹埩刂萍磸埩亴崿F(xiàn)的。

4.1退繞架退卷張力控制的建模

退卷過程是一個動態(tài)時變過程，建立張力數(shù)學(xué)模型

4.1.1恒速運(yùn)行時的張力建模

根據(jù)傳動結(jié)構(gòu)中的受力關(guān)系，建立動態(tài)平衡方程

為突出問題，先不考慮動態(tài)力矩，認(rèn)為恒速退卷時等式右邊的第三項即動態(tài)力矩為零。M機(jī)一般也不大，也暫時略去

可見，在穩(wěn)定運(yùn)行過程中，張力的控制可以使電機(jī)輸出相應(yīng)的制動電流來實現(xiàn)。

4.1.2動態(tài)補(bǔ)償

前面對退卷張力控制的討論只考慮在穩(wěn)速狀態(tài)下的情況，在實際運(yùn)行中常有加、減速的需要，如果單靠張力調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，可能會因調(diào)節(jié)不急而使基材斷裂。動態(tài)補(bǔ)償，通常就是在

前面我們分析間接張力控制，為了突出主要矛盾，我們忽略了右邊的第三部分，即動態(tài)力矩：

這樣就把加減速過程中需要補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)力矩計算出來了，并且把它轉(zhuǎn)變成實際應(yīng)給電機(jī)補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)電樞電流計算出來。在退卷輥的控制中，退卷輥電機(jī)會用到弱磁調(diào)速，即 值是個變值，相應(yīng)的動態(tài)補(bǔ)償電流也應(yīng)隨著變化

還應(yīng)注意，式（5）第二項為卷徑D的變化產(chǎn)生的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，這部分動態(tài)轉(zhuǎn)矩不但在減速過程中存在，而且在穩(wěn)定速度工作時也存在，在線速度一定的情況下，本項為在退卷過程中，卷徑D逐漸減小， 為負(fù)值，

所以整個這一項為正值，表明它要維持原來的轉(zhuǎn)速，使之不能立即變化，這就導(dǎo)致了張力的增大。補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ鞘闺姌须娏鳒p小些。這一項一般不大，為使控制系統(tǒng)不過于復(fù)雜，一般不給補(bǔ)償。

根據(jù)上式，加速過程中為了保持張力不變，電磁轉(zhuǎn)矩中應(yīng)該附加負(fù)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩M動態(tài)，以補(bǔ)償需要放出的能量；在減速時，為了保持張力不變，應(yīng)該附加正的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，以補(bǔ)償據(jù)繞機(jī)構(gòu)慣性所需要吸收的能量。

如系統(tǒng)配置了PLC，則動態(tài)補(bǔ)償就很容易實現(xiàn)，只需把動態(tài)補(bǔ)償曲線計算出來存入PLC，并判斷是否有升降速，是升速還是降速，然后給予相應(yīng)的補(bǔ)償即可。

4.1.3退卷張力控制的具體實現(xiàn)

不檢測退卷張力的大小，只對張力主要擾動量進(jìn)行補(bǔ)償，間接的達(dá)到退卷張力恒控制目的。

在退卷張力控制中，主要的擾動有兩個：退卷原直徑和退卷輥電機(jī)的勵磁磁通，這是因為在退卷過程中，退卷直徑的變化和弱磁點以后磁通的變化都會影響退卷張力，退卷電機(jī)的制動力矩則要根據(jù)這些擾動計算退卷制動轉(zhuǎn)矩，最終得出制動電樞電流。并利用裝置本身的組態(tài)控制退卷輥電機(jī)，使它輸出該轉(zhuǎn)矩以保證張力基布恒定。

這樣處理的好處有三個：

（1）基材退卷時有一定的張力；

（2）引好布后達(dá)到運(yùn)行位最初時，退卷輥有緩慢向方向運(yùn)行的趨勢，使得布幅在啟動時有個啟動張力，這樣不至于使基材承受沖擊張力而造成斷布。

（3）在正常運(yùn)行時，對退卷輥的電機(jī)轉(zhuǎn)速不進(jìn)行可以的控制，而只控制電機(jī)電樞電流，是的電機(jī)的制動轉(zhuǎn)矩達(dá)到保持張力給定值所需的值，實現(xiàn)對運(yùn)行時的張力控制。這樣做計算簡單而且控制較精確。

這種控制方法的特點是投資少，控制簡單且較易穩(wěn)定。

4.2張力輥的設(shè)計及其計算

張力輥是針刺復(fù)合過程中重要的設(shè)備組成單元。如何正確的獲得精確的張力值及張力變化規(guī)律，更好的控制張力，使整個機(jī)組的張力得到合理匹配，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低機(jī)組的能耗有著重要的意義。因此張力輥的設(shè)計對機(jī)組的連續(xù)運(yùn)行顯得尤為重要。

4.2.1張力輥幾何參數(shù)及材質(zhì)確定

張力輥幾何參數(shù)和材質(zhì)確定主要是輥徑和輥身長度的確定以及表面材質(zhì)的選定。為了防止基材產(chǎn)變形而造成復(fù)合質(zhì)量不合格，張力輥輥徑確定以基材包繞在張力輥上不產(chǎn)生塑性彎曲變形為原則，即是以基材繞過張力輥的彎矩小于等于基材彈性極限彎矩為準(zhǔn)則計算輥徑。由此，得出張力輥徑計算公式：

式中D為張力輥輥徑：m；E為基材彈性模量：MPa；hmax為基材最大厚度：m； s為基材屈服極限：MPa式（9）表明，張力輥輥徑取決與基材的彈性模量、屈服極限和最大厚度，但實際中并不是輥徑越大越好，設(shè)計時會綜合考慮各種因素選擇合適的輥徑。

輥身長度根據(jù)實際工作寬度確定，這里由于針刺機(jī)的工作寬度為4m，因此輥身長度也選擇為4m。

張力輥表面包覆材質(zhì)為聚氨酯橡膠，以增加棍子與基材之間的摩擦力，同時避免基材表面產(chǎn)生擦傷、印痕。

4.2.2張力放大系數(shù)計算

基材包繞在張力輥上，在包繞接觸產(chǎn)生摩擦力，使張力輥入口出口戰(zhàn)力按某種規(guī)律變化，以此改變機(jī)組張力值。當(dāng)張力輥處于“電動”狀態(tài)，即出口張力T出小于入口張力T入，如圖2-3所示，根據(jù)歐拉公式可得：

其中：μ為輥子與基材之間的摩擦系數(shù)，其隨輥面材質(zhì)的取值不同而不同，鋼棍取值0.15～0.18，包膠輥取值為0.18～0.28，α為基材在輥子上的包角，由于基材具有一定的剛性，張力輥出口和入口處的包角α，小于理論包角α，實際計算中一般α，取值0.8～0.9。在這里我們?nèi)ˇ虨?.18，α，為0.85α。則每經(jīng)過一根張力輥，張力放大系數(shù)可表示為：

k=eμα‘ （式11）

4.2.3張力輥輥數(shù)的確定

張力輥的輥數(shù)是根據(jù)出口張力和入口張力最大比值確定的，即根據(jù)張力遞增倍數(shù)的最大值kmax確定張力輥輥數(shù)

其中T出i和T入i表示第i種工況下的出口張力，m為總工況數(shù)。

若1

若k

若k2

以此類推，若kn-1

4.2.4張力輥功率分配及張力計算

在張力放大系數(shù)以及張力輥輥數(shù)已經(jīng)計算的前提下，如何合理分配張力輥組數(shù)內(nèi)各輥的功率十分重要。通常采用下面兩種分配方案：

（1）根據(jù)每根張力輥所能承載的最大張力遞增倍數(shù)進(jìn)行分配，即按照張力放大系數(shù)k進(jìn)行分配。

（2）根據(jù)最大張力遞增倍數(shù)kmax對每個張力輥進(jìn)行均分，即每個張力輥的放大倍數(shù) 均小于等于k。

方案（1）可以為系統(tǒng)提供較大的張力放大倍數(shù)，為生產(chǎn)操作提供便利，但由于每個張力輥所能承載的張力放大系數(shù)較大，會是系統(tǒng)較早出現(xiàn)打滑現(xiàn)象、提前進(jìn)行輥面重磨，縮短輥子壽命；方案（2）中每個張力輥所承載的張力放大寫書較小，可以減緩系統(tǒng)打滑的的時間，延長輥子壽命。因此，設(shè)計中我們一般采用第二種方案進(jìn)行張力輥功率分配。

確定了張力分配方案和每輥的張力放大系數(shù)后，可以逐次計算出每根輥之間的張力值。

4.2.5張力輥功率計算、力矩校核

張力輥所需的傳動功率主要由3個方面組成：（1）張力放大所需的功率w1，（2）軸承摩擦損耗功率w2，（3）基材彎曲變形損耗功率w3。

若張力輥出口和入口的張力差為 ，轉(zhuǎn)角速度為ω（rad/s），直徑為D（m），張力輥所受合力為T合（N），基材運(yùn)行速度為ν（m/s），基材厚度和寬度分別為b（m）和h（m），基材的屈服極限為σs（Mpa），張力輥軸承處的摩擦系數(shù)為f，傳動系統(tǒng)功率為η。計算推導(dǎo)所需額各功率可表達(dá)為：

則張力輥所需要的傳動功率W（w）為各功率損耗之和，即：

其中，張力輥所受合力T合為基材張力、張力輥自重的合力，在實際計算中，通常以張力輥出口張力和入口張力的數(shù)值和簡化代替。

所設(shè)計的兩根張力輥為例，分析張力輥功率計算。張力輥處于“電動”工作狀態(tài)，入口張力T3大于出口張力T1，1#輥和2#輥之間的張力為T2

根據(jù)張力輥功率分配方案（2），可得實際每根輥的張力放大系數(shù)為：

則有：

根據(jù)式13可得，1#張力輥的張力放大所需功率W11、軸承摩擦損耗功率W12、基材彎曲變形損耗功率W13分別為：

則1#張力輥所需的傳動功率為：

同理，2#張力輥的張力放大所需功率W21，軸承摩擦損耗功率W22、基材彎曲變形損耗功率W23分別為：

則2#張力輥所需的傳動功率為：

根據(jù)計算的傳動功率W1、W2選取合適的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)功率P1、P2，使其滿足P1>W1，P2>W2。

選定好張力輥電機(jī)功率后，需要進(jìn)行力矩校核。若電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速分別為n1，n2，傳動系統(tǒng)減速比為i，則可得電機(jī)所能為張力輥提供的正常工作力矩M1，M2分別為：

張力輥需要的工作力矩為克服出口、入口張力差需要的力矩MT、克服軸承摩擦需要的力矩Mf克服基材彎曲變形所需要的力矩MM之和，其分別刻有下式計算得出：

若M1>MT1+Mf1+MM1，M2>MT2+Mf2+MM2，則所選電機(jī)功率滿足要求，否則需要加大電機(jī)功率直至滿足要求為止。同理，可以計算出“發(fā)電”狀態(tài)下的張力輥功率。

5 結(jié)論

綜合運(yùn)用非織造工藝、機(jī)械、控制等技術(shù)，研制出了一臺能滿足針刺復(fù)合工藝的退繞系統(tǒng)。并對針刺復(fù)合工藝進(jìn)行了簡單的探討，主要完成的工作如下

（1）對針刺非織造的原理及發(fā)展現(xiàn)狀做出了粗略的介紹

（2）簡單介紹了影響針刺復(fù)合質(zhì)量的幾種因素，這些因素很大程度上都可以通過退繞系統(tǒng)調(diào)節(jié)

（3）建立退繞架張力控制模型，并進(jìn)行計算分析

（4）從張力輥幾何參數(shù)和材質(zhì)確定、張力計算、傳動功率計算、力矩校核等方面闡述了本設(shè)計方案張力輥的設(shè)計依據(jù)，對針刺復(fù)合過程中獲得精確的張力值以及張力變化規(guī)律，合理匹配張力值，合理提高質(zhì)量和技能降耗有重要意義

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作者簡介：

徐增勤（1964-）男，漢族，山東昌邑人，專業(yè)主任，中共黨員，工程師，主要從事機(jī)械工程及自動化方向的教學(xué)研究。