粘膠纖維牽伸機的設計與運行分析

鄭麗娜

(唐山三友集團興達化纖有限公司，河北 唐山 063305)

0 引言

牽伸機是化纖生產(chǎn)中的重要設備，在我國粘膠纖維生產(chǎn)中已有近60年的歷史，其制造工藝較為成熟，各種化纖產(chǎn)品的理化性能在現(xiàn)有的生產(chǎn)流程和設備布置、電氣控制中也較為理想[1-3]。筆者對粘膠短纖維牽伸機輥體設計、牽伸力、運行狀態(tài)等進行分析，以優(yōu)化牽伸機制造工藝、設備設計、電儀配合，滿足多品種粘膠纖維制造工藝需求。

1 牽伸機輥體設計

1.1 輥體繞絲機理分析

纖維卷繞在牽伸機輥體上是生產(chǎn)中的常見問題，簡稱輥體繞絲，在開車生頭時更易發(fā)生。輥體繞絲會導致纖維浪費，更嚴重的是，割絲操作不安全，會引發(fā)電氣跳停，甚至威脅操作工生產(chǎn)安全。所以，對輥體繞絲機理進行分析，對理解牽伸機輥體設計要求很有必要。

假設絲束在牽伸機拉伸過程中由于輥體刮傷、絲條有疵點等原因，有一微絲條斷裂，其瞬時狀態(tài)如圖1所示。

圖1 微絲條斷裂瞬時狀態(tài)示意

圖1中，假設：

Q——斷裂微絲條回彈力/N；

dF——輥面對微絲條的摩擦力/N；

dN——微絲條對輥面的反作用力/N；

dV——微絲條的長度/mm；

dW——微絲條對應中心角/rad。

在直角坐標系中，取x軸力的平衡式：

∑x=0

(1)

當dW很小時，二次微量可以略去，它的平衡方程為：

(2)

式中：

(3)

可得：

(4)

當被拉伸的纖維品種確定后，Q則為常量。

由圖1所示圖形的幾何關系可得：

dV=rdW

(5)

由于粘膠纖維的牽伸速度一般為40 m/min～70 m/min，選定后，dV則為常量。

由式(4)和式(5)可知，若r減小，則dW變大，同時dN變大。所以，在相同工藝條件下，牽伸輥直徑越小則產(chǎn)生繞輥的概率就越大，此結論和日常生產(chǎn)經(jīng)驗相符。

1.2 牽伸機輥體材料選擇

牽伸機輥體最重要的設計難點是材料選擇，要求材料耐硫酸腐蝕、抗刀具割傷，且刀具勾拉不產(chǎn)生火花等。

絲條拉伸張力的梯度變化和牽伸機輥體表面摩擦因數(shù)有關，而摩擦因數(shù)大小和輥體表面形狀有關，輥體表面形狀又與輥體材質以及表面處理方法密切相關。盡管60多年來，牽伸機在不斷進行改進，但仍存在一些問題。常用牽伸機輥體材料存在的問題有：①花崗巖石磨面輥，刀具勾拉易產(chǎn)生火花；②金屬骨架包硬膠輥，不抗刀具磨損，易勾傷；③ 環(huán)氧樹脂基體輥，會發(fā)生老化起層，使用壽命短；④ 碳鋼表面搪瓷輥，不抗敲打易掉瓷；⑤ 碳鋼表面鍍硬鉻，表面摩擦因數(shù)小，鍍層易剝落；⑥ 整體陶瓷輥，模具成型后加工困難，易破碎；⑦ 工程塑料(聚苯醚)注塑輥，不抗老化壽命短；⑧ 特種不銹鋼輥(904L)，目前許多廠家在使用，但造價高。

1.3 牽伸機輥體直徑確定

隨著粘膠短纖維單線產(chǎn)能的提高，其絲束總旦數(shù)成倍增加。早在20世紀70年代，邯鄲紡織機械廠制造的R382型集束機(牽伸機)單線年產(chǎn)5000 t，牽伸總旦數(shù)僅為200萬D；之后單線產(chǎn)逐漸增長至8萬t；發(fā)展至今，單線年產(chǎn)12萬t，牽伸總旦數(shù)已高達1400萬D，數(shù)值可觀。牽伸機輥體直徑也由集束機φ300 mm輥體直徑發(fā)展至20世紀90年代由奧地利蘭精集團(下文稱“蘭精”)引進的四輥牽伸機φ500 mm輥體直徑，再到年產(chǎn)8萬t的五輥體牽伸機φ600 mm輥體直徑。12萬t牽伸機輥體因電機座號增大，在保證絲束包角不小于180°的前提下，最終輥體直徑設計為φ650 mm，單輥裝機功率達到22 kW。

1.4 牽伸機輥體設計

在科技高速發(fā)展的今天，牽伸輥體直徑的設計首先要滿足生產(chǎn)用戶需求，牽伸機輥體直徑不宜過大，否則會給生產(chǎn)操作和檢修帶來諸多不便，增加使用成本。同時，當輥體材料選定后，要根據(jù)材料的性質設計合理的表面形狀。實踐經(jīng)驗表明，在輥體表面設計溝槽，不僅能增加輥體的摩擦因數(shù)，而且在發(fā)生繞輥時便于用勾刀割絲；但溝槽不宜設計太深，且不宜出現(xiàn)棱角銳口。

2 牽伸力和功率確定

2.1 絲束牽伸力的計算

牽伸機在化纖生產(chǎn)線上有2種作用，一是對分散的絲束進行整束，二是對絲束進行拉伸，使初生纖維截面具有一定張力，促使纖維分子整齊排列，從而使化纖產(chǎn)品具有適用的強力和平整度[4]。因此，必須對牽伸機輥體牽伸力進行理論分析和計算。

五輥牽伸機的絲束拉伸示意如圖2所示。

圖2 五輥牽伸機的絲束拉伸示意

2.1.1 理論計算

對牽伸機做出如下假設。

絲束包角α取整數(shù)，α=π/2，π，…(如：圖2所示五輥牽伸機，第一個輥體絲束包角α約為π/2，第二、三、四輥體絲束包角α約為π)。

絲束摩擦因數(shù)f相同，均為0.13(通常取0.12～0.15)。

絲束拉伸符合歐拉公式，F(xiàn)n+1=Fn/efα(e=2.718 28)。

按照普通粘膠短纖強度(約1克力/D，即0.01 N/D)，纖維拉伸系數(shù)為0.5，絲束總纖度按1000萬D計算，則F0=0.01 N/D×1000萬D×0.5=5萬N，則一道五輥牽引力計算如下：

F1-1=50 000/e0.13π/2=40 769 N

(6)

F1-2=40 769/e0.13π=27 105 N

(7)

F1-3=27 105/e0.13π=18 021 N

(8)

F1-4=18 021/e0.13π=11 981 N

(9)

輥體扭矩為：

M=F·R=9550·P/n

(10)

式中：

M——輥體扭矩/(N·m)；

F——輥體對絲束拉力/N；

R——輥體半徑/mm；

P——電機額定功率/W；

n——輥體轉速/(r·min-1)。

設紡速v為70 m/min，輥體轉速n為36 r/min，輥體直徑D為600 mm，則估算五輥牽伸機最大功率Pmax相關計算為：

(11)

得：

Pmax=15.45 kW

(12)

2.1.2 實際測試

生產(chǎn)車間實測牽伸機紡速為70 m/min時的功率見表1。

表1 生產(chǎn)車間實測牽伸機紡速為70 m/min時的功率

2.1.3 實際測試

通過上述歐拉公式逐個計算出牽伸輥對纖維拉伸力，是同絲束在輥體上成比例減小的，則功率也是逐漸減小的；而在生產(chǎn)車間通過變頻器實測出電機電流，據(jù)此計算出的功率卻是無序的。兩種結果完全不同，說明如下兩個問題。

a) 生產(chǎn)在用的牽伸機輥體對絲束的拉伸力從前至后是不均勻的，產(chǎn)生的原因同輥體表面、電機轉差率等因素有關。

b) 歐拉公式不適用絲束在牽伸輥上換位后，再進行拉伸張力的梯級聯(lián)算，分析認為絲束在牽伸輥面上換位，其內(nèi)外層絲束張力會發(fā)生彈性變化。

2.2 牽伸機傳動型式的發(fā)展

粘膠短纖維最早使用的牽伸機前后均是三輥式，隨著生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，逐步發(fā)展為四輥、五輥式牽伸機。早在20世紀六七十年代，由于電氣系統(tǒng)不發(fā)達，大都采用齒輪箱集中傳動，如R382型集束機電機功率為17 kW，采用齒鏈式無級變速器調(diào)速，三級齒輪搭配，模數(shù)達M10，箱體龐大。

1993年由瑞士毛雷爾公司(下文稱“毛雷爾”)和蘭精公司引進了年產(chǎn)2萬t生產(chǎn)線，牽伸機采用單輥液壓或變頻電機驅動，給生產(chǎn)控制和維修帶來便利，這是科技進步的結果。唐山三友集團從蘭精公司進口的牽伸機單輥變頻功率只有11 kW，后來由于紡絲加錠擴產(chǎn)，變?yōu)樗妮仩可鞕C，2組電機調(diào)整為13.5 kW，產(chǎn)能達到8萬t的新線五輥牽伸機(單輥電機為18.5 kW)。

2.3 牽伸機布局和輥體數(shù)設置

20世紀90年代之前，國內(nèi)粘膠短纖維廠采用的集束機輥體數(shù)均為3～4只，并在前后兩機間設置二浴槽，用于對初生纖維拉伸和回收溶劑CS2。隨著技術發(fā)展以及用戶對產(chǎn)品質量和性能要求不斷提高，因此，在粘膠短纖維生產(chǎn)中除了對牽伸機加大產(chǎn)能外，對前后牽伸機的設計以及牽伸輥的尺寸都進行了許多研究和改進。早在1993年～1995年，九江化 學纖維廠(現(xiàn)九江金源化纖有限公司)和唐山三友集團興達化纖有限公司(下文稱“唐山化纖”)先后引進了毛雷爾和蘭精兩條年產(chǎn)2萬t的粘膠生產(chǎn)線，為我國國產(chǎn)化和更高產(chǎn)能的研究提供了可靠依據(jù)，其具有如下2個顯著特點。

a) 蘭精粘膠生產(chǎn)線的牽伸機為四輥機，前后兩臺牽伸機的輥體尺寸同為φ500 mm×420 mm，由于在紡絲機內(nèi)設置了二浴槽，所以兩臺牽伸機緊密相連，中間輥體中心距只有0.8 m。

b) 毛雷爾粘膠生產(chǎn)線的牽伸機，前機為六輥，后機為四輥，輥體尺寸為φ600 mm×600 mm，紡絲機后設有10 m蒸汽浴，可生產(chǎn)高濕模量纖維；二浴槽設置在前后兩臺牽伸機中間，長度約15 m。

3 牽伸機運行狀態(tài)分析

3.1 產(chǎn)品性能要求

由于唐山化纖年產(chǎn)能只有2萬t，并且是普通粘膠短纖維，不要求生產(chǎn)高濕模量，只需要制造工藝設備能保證產(chǎn)品規(guī)格和質量要求即可，所以蘭精為唐山化纖提供了四輥牽伸機。開車實測前機對絲束拉伸率為60%～63%，緩沖-2%～4%，經(jīng)后牽伸機拉伸37%～43%，絲束經(jīng)三輥牽引機截面張力完全消除后才進入水流式切斷機。

3.2 牽伸機運行方式

蘭精四輥牽伸機，單輥變頻電機的驅動功率為11 kW，并且在每只輥端面設計有編碼器，形成閉環(huán)控制以保證每個輥體轉速恒定不變。當在輥體材質、尺寸、表面狀態(tài)相同的情況下，牽伸機使用情況較為理想。然而在實際操作中并非如此，當發(fā)生繞絲繞輥時，輥體繞絲直徑瞬間變大，對相鄰輥上的絲束拉力也隨之增大，如割絲操作不及時，繞絲輥電機則會跳停。處理后再重新啟動又會產(chǎn)生許多新問題。問題產(chǎn)生機理簡算見式(10)。

當紡速v為60 m/min，輥體轉速n為38 r/min，運行操作分析如下：當牽伸機輥體繞絲時，輥徑R增粗，輥體扭矩M增大(若F不變)，n會變小，電機功率增大(若v不變)，所以，當發(fā)生牽伸機輥體繞絲時，必須降速停機對繞絲問題進行處理。

4 結語

粘膠短纖維在中國雖已有近60年的生產(chǎn)歷史，但由于用戶對普通粘膠產(chǎn)品質量沒有特殊要求，所以對牽伸機生產(chǎn)設備及工藝細節(jié)有所忽略。通過對粘膠短纖維生產(chǎn)用牽伸機輥體設計、牽伸力、運行狀態(tài)等進行分析和計算，認為牽伸輥體不宜過大，否則會給生產(chǎn)操作和檢修帶來諸多不便。輥體材料選擇時要具備耐酸堿腐蝕、抗刀具割傷和鉤拉性能，并設計合理的表面形狀。牽伸機采用四輥、五輥式，配合單輥液壓或變頻電機驅動使用，有利于生產(chǎn)控制和維修。生產(chǎn)中，當發(fā)生輥體繞絲問題時，應及時降速停機，今后還需科研機構進一步深入研究。