擺錘法鋪氈技術(shù)在巖棉行業(yè)中的發(fā)展

劉春，魯欣科

（南京玻璃纖維研究設(shè)計院,江蘇 南京 210012）

0 引言

鋪氈是現(xiàn)代化巖棉生產(chǎn)工藝中的重要環(huán)節(jié)，其作用是把前序工段由集棉裝置送來的單層棉氈收集并通過其主要鋪氈設(shè)備——擺錘在板線的幅寬方向往復擺動以實現(xiàn)棉層的多層鋪疊。 20 世紀80 年代初中國引進的巖棉生產(chǎn)技術(shù)較為原始，鋪氈工藝主要是通過噴吹的方式將纖維吹至空中，然后通過重力沉降的方式使纖維飄落在輸送機上形成棉氈，其鋪氈均勻性較差，從而直接影響到巖棉產(chǎn)品的密度均勻性。 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)在建材領(lǐng)域的普及以及對于工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)能效率及產(chǎn)品精細化要求的提高， 鋪氈設(shè)備作為巖棉生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)， 從20 世紀 90 年代末國家相關(guān)科研院所開始研究擺錘鋪氈法在巖棉生產(chǎn)中的應(yīng)用。歷時20多年的發(fā)展，擺錘經(jīng)過了多次的更新、升級、換代，其中具有里程碑意義的有三次： 第一次為1998～2000 年， 由弧擺擺錘替代傳統(tǒng)沉降室作為巖棉生產(chǎn)的鋪氈機構(gòu)，革命性地更改了鋪氈方式，提高了鋪氈的均勻性。 第二次為2009～2010 年，為克服弧擺擺錘天生的機械缺陷，科研人員在弧擺擺動的動作過程中添加了伺服補償控制，進一步提高了鋪氈均勻性。 第三次為2018～2019 年，隨著巖棉生產(chǎn)線單線產(chǎn)能的提高，板線的幅寬變得更寬，加上對產(chǎn)品質(zhì)量要求的日益嚴格，即使加入伺服補償?shù)幕[擺錘也難以滿足大產(chǎn)能寬幅生產(chǎn)線對鋪氈均勻性的要求， 因此對擺錘機械結(jié)構(gòu)進行了顛覆性設(shè)計，研制出的新型平擺擺錘在現(xiàn)代化大產(chǎn)能生產(chǎn)線中正在逐漸取代弧擺擺錘。

1 沉降室法鋪氈簡述

沉降室法是較為老舊的一種礦物棉生產(chǎn)工藝，其功能結(jié)合了現(xiàn)代巖棉工藝中的集棉+鋪氈工段。如圖 1 所示： 高低壓風把離心機甩出的高溫流股吹出， 其中較重的渣球部分因為重力落在了下方，由渣球輥配合送入渣坑，重量較輕的纖維則被吹送到輸送機上，輸送機的內(nèi)部有負壓風可以讓纖維富集在輸送機的網(wǎng)板上，然后送入下一個工藝單元。

圖1 沉降室集棉鋪氈示意

由于只靠重力和負壓風的方式抽吸棉氈，纖維在輸送機網(wǎng)板上的分布較為雜亂，經(jīng)常會出現(xiàn)厚薄不均勻的現(xiàn)象從而影響了產(chǎn)品的均勻性。

2 弧擺擺錘鋪氈

2.1 弧擺擺錘的設(shè)計初衷

由于傳統(tǒng)沉降室的不足，現(xiàn)代化生產(chǎn)將沉降室的功能更加詳細地劃分成了集棉+鋪氈， 集棉工段主要由負壓風收集由離心機甩出的纖維，這些纖維附著在集棉機網(wǎng)板上形成一層薄氈；鋪氈工段由擺錘負責接收由集棉機輸送來的薄氈然后經(jīng)過擺錘的往復擺動在下一個工藝單元上疊成多層的棉氈，相比沉降室鋪氈，這樣通過薄氈層層疊加的棉氈具有較好的均勻性以及彈性，為后期的加工工藝提供了良好的半成品基礎(chǔ)。

2.2 弧擺擺錘擺動鋪氈技術(shù)

擺錘機組由擺動帶、連桿、傳動裝置及機架等幾部分組成。擺動帶由兩條平行的輸送帶及擺動機架組成，如圖2，3 所示。 傳動裝置由電機減速機及偏心輪組成，連桿連接偏心輪及擺動帶，傳動裝置的動力經(jīng)連桿傳遞給擺動帶，使得擺動帶作周期性的往復擺動。從集棉機出來的一次棉氈經(jīng)過渡輸送機喂入擺動帶，同時擺動帶作往復擺動，將一次氈鋪設(shè)在下方的成型輸送機（下一工藝單元）上，形成多層折疊的二次棉氈， 此過程即稱為擺動鋪棉技術(shù)。

2.3 弧擺擺錘的鋪氈特征

圖2 弧擺擺錘示意

圖3 平面連桿機構(gòu)

擺動鋪氈可以分為3 個過程， 按次序分別為：一次棉氈通過皮帶輸送機以速度V1進行的勻速運行；勻速運行的一次棉氈到達擺動帶，擺動帶以速度VE作往復擺動； 一次棉氈經(jīng)擺帶擺動下落到以勻速V2運動的成型輸送機上形成二次棉氈。 在這3 個過程中，一次棉氈運行的速度V1為勻速，成型輸送機運行的速度V2也為勻速， 那么如果擺動帶擺動速度VE為變速， 則它們最后所合成的速度也為變速，則在鋪棉過程中存在著變速情況，這意味著擺錘鋪棉仍然將導致鋪棉的不均勻，最后直接影響到成品密度的均勻性。

3 帶速度補償?shù)幕[擺錘

3.1 弧擺擺錘的數(shù)學建模

根據(jù)擺錘機組的工作原理，由圖2 可知，以傳動裝置的偏心輪圓心為圓心作坐標軸x、y，擺動帶的擺動、 連桿的運動以及偏心輪的轉(zhuǎn)動均在同一個平面內(nèi)（圖3）。 所以，擺錘機組可以簡化為一個平面連桿機構(gòu)，且擺動帶、連桿以及偏心輪構(gòu)成了平面連桿機構(gòu)中最常用的平面四桿機構(gòu)。偏心輪上AB 作整周的回轉(zhuǎn)運動，為典型的曲柄且為原動件，擺動帶在角度w 范圍內(nèi)作搖擺運動為搖桿，且為從動桿，偏心輪、連桿、擺動帶以及機架就形成了一個曲柄搖桿機構(gòu)。 可以將圖3 再簡化成如圖4 所示的平面四桿機構(gòu)。 因此， 必須對如圖4 所示的曲柄搖桿機構(gòu)進行運動分析，即對C 點進行位置、速度和加速度的分析，才可推導出圖2 中VE的運動規(guī)律。

圖4 平面四連桿機構(gòu)

根據(jù)以往的弧擺擺錘結(jié)構(gòu)，可以將上述建立的數(shù)學模型賦予實際的數(shù)值，圖5 為依照某工程經(jīng)驗將實際數(shù)值賦予到數(shù)學模型中并通過矢量方程解析法得出 VE與θ1的關(guān)系。

圖 5 VE 與 θ1 的關(guān)系

3.2 補償方式的確定

假設(shè)擺錘擺動時在E 點擺動速度VE為勻速運動，則一次氈落下鋪氈的過程是勻速的，反之則為變速運動。 但曲柄AB 以等角速度運轉(zhuǎn)時，搖桿CD 做不等速往復運動，所以在實際工作中E 點的速度不是勻速的。圖6 為成型機接受擺錘堆疊的二次氈以V2速度向下一工藝單元運行時對二次氈的俯視圖。 A1B1 為落棉起始點通過擺錘擺動落至A2B2 再擺動至A3B3，以此類推，可以明顯看出，當VE速度降低時 （擺錘擺動到生產(chǎn)線寬度方向左右兩端時），棉氈在成型機兩側(cè)形成三角區(qū)，這樣的三角區(qū)造成產(chǎn)品寬度方向的密度兩端大中間小并且這種趨勢隨著V2的速度增大而增大。

結(jié)合圖5，6 顯示的VE在擺錘擺動時的運動狀態(tài)，可以看出這樣的運動變化是有規(guī)律可循的。 結(jié)合現(xiàn)有伺服控制編程技術(shù)，可以較為有效地減少擺錘運動到生產(chǎn)線寬度兩側(cè)時因速差而導致的鋪棉不均勻現(xiàn)象。

3.3 弧擺擺錘速度補償?shù)木窒扌?/h3>

圖6 棉氈在成型機上堆疊的俯視圖

雖然可以用伺服編程來控制其電機轉(zhuǎn)速從而減小VE的速差，但就電機的特性而言，短時間內(nèi)對原有速度進行將近3 倍的加減速不太現(xiàn)實，通過實際生產(chǎn)經(jīng)驗我們最多可以把這個系數(shù)設(shè)置為1.2～1.5 倍。事實證明，弧擺擺錘速度補償可以有效減少鋪棉不均勻的現(xiàn)象，但是這樣的效果有限，尤其是對于生產(chǎn)線較寬、 弧擺擺錘需要擺動更大幅度時，VE的水平、豎直分量變化增大，弧擺擺錘速度補償將不能滿足產(chǎn)品密度均勻性要求。

4 平擺擺錘的研發(fā)與應(yīng)用

4.1 平擺擺錘的設(shè)計理念

為克服傳統(tǒng)弧擺擺錘的缺點，必須改變擺錘的機械傳動形式，一次氈從弧擺擺錘輸送至成型輸送機上方其輸送軌跡是弧線形，在其轉(zhuǎn)向時運動的弧線線速度會變慢，且水平分速度和垂直分速度就會產(chǎn)生變化，這是造成鋪棉寬度方向不均勻的主要原因。 因此如果改變其運動的軌跡，由弧線形改為直線型將會克服上述兩種缺點：第一對于直線型的下落點，相對于成型輸送機的高度是一定的，所以垂直分速度可以保持不變；第二對于直線型平擺左右變向的動作依然存在變向時減速現(xiàn)象，但是由于運動軌跡由弧形變成了直線型，調(diào)整水平分速度的工作將變得容易一些， 可采用伺服電機控制換向，使得擺錘的運動在某一區(qū)域內(nèi)達到勻速的狀態(tài)，對于兩端轉(zhuǎn)向時造成的鋪棉不均勻可通過后續(xù)板線設(shè)備的切邊裝置進行切除，并通過碎邊機將邊料打碎后再次投入集棉工段進行廢物利用。

4.2 平擺擺錘的結(jié)構(gòu)

平擺擺錘的結(jié)構(gòu)如圖7 所示，一次薄氈由1 號輸送皮帶、2 號輸送皮帶輸送至平擺擺錘本體。 與弧擺擺錘不同的是：擺錘本體的下端固定在擺動機構(gòu)上并在擺動機構(gòu)上水平移動，移動的動作通過同步帶與導軌的配合來實現(xiàn)，由此只需通過帶動同步帶的伺服電機就可以實現(xiàn)擺錘在擺動機構(gòu)上有效區(qū)域內(nèi)的水平勻速運動，同時在2 號輸送皮帶下設(shè)置了空氣彈簧，空氣彈簧用來吸收平擺擺錘因左右水平移動而產(chǎn)生的高差。平擺擺錘通過其左右的往復移動進行對一次薄氈的層層堆疊，堆疊完成后的二次氈通過位于擺錘下方的成型輸送機送至下一個工藝單元。如此鋪氈的方式具有較高的鋪氈均勻性，可適應(yīng)現(xiàn)代化大產(chǎn)能寬幅巖棉生產(chǎn)線的規(guī)模。

5 總結(jié)

在巖礦棉行業(yè)中鋪氈工藝經(jīng)歷了 20 余年的發(fā)展改進，由最原始的沉降室到近期研發(fā)的平擺擺錘，在對鋪氈的工藝、鋪氈設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及鋪氈設(shè)備的控制方式上進行了較大改進與優(yōu)化，其效果主要體現(xiàn)在對于棉氈的精細化分布以及后期巖棉產(chǎn)品密度均勻性上的提高，表1 為各代鋪氈技術(shù)的特點的比較。

圖7 平擺擺錘側(cè)視

表1 各代鋪氈技術(shù)特點

為響應(yīng)巖棉行業(yè)對高產(chǎn)能、低能耗、排放集中處理、產(chǎn)品要求升級的號召，大產(chǎn)能巖棉生產(chǎn)線將成為主流，這也對鋪棉均勻性、生產(chǎn)線速度、幅寬以及產(chǎn)品纖維分布合理性提出了更高要求。