针刺机针刺机构设计

2010-02-13王帆

装备制造技术 2010年4期

王帆

（天津工业大学机械电子学院，天津300160）

在固结非织造纤维网的诸多方法中，针刺法通常被认为是一种较传统且较简单的方法。随着针刺法技术的发展和非织造布生产工艺的提高，针刺法非织造布的产量也有所增加。据统计，2006年我国针刺法非织造布产量约 34.3万 t，比2005年增长24.7%，占非织造布总产量的24.6%。与其他种类非织造布产品相比，针刺法非织造布产品的拉伸强度和撕裂强度模量可调范围广，机械性能稳定，耐久性突出。随着针刺法非织造布生产工艺对许多新原料的试验成功，给针刺法设备设计创造了新机会，增添了新亮点。

1 针刺技术概述

针刺技术源于l9世纪后半期，是非织造布纤维网的一种机械固结方法，其原理简单，工艺流程短，适用于生产中厚型产品。针刺非织造布广泛用于工业造纸毛毯、高档服装衬、汽车内衬、揩布、皮革基布、装饰材料、过滤材料等产品。针刺技术可与多种生产工艺相结合，进行深加工和精加工，使非织造布产品的技术性能和质量档次有所改善与提高。近年来，在新技术与新需求的带动下国内外针刺非织造技术与设备水平在不断提升。

针刺技术是第一代传统的非织造布生产技术，现已发展得比较成熟，但在很多方面还有待于完善与提高。例如针刺机植针密度、针刺频率、冲程、有效工作幅宽、刺针形状和质量、机器运转的平稳性和能耗、产品的针刺密度和厚度及均匀性、产品的表观风格与质量等方面。

1.1 国外发展概况

国外先进国家采用刺针椭圆形运动轨迹的高性能针刺机已相当普遍。最高针刺频率达到3 000次／r/min。德国迪罗（Dilo）公司的DI—LOURIVHSCL 25花纹绒面针刺机，幅宽6 m针刺频率达2 400次/min。国外一些公司研制了增强型针刺非织布工艺与设备,如奥地利菲勒（Fehrer）公司的N2 21／SRV型绒面针刺机，法国NSC公司的A50一SSDB型针刺机，适合生产汽车内饰用针刺毯，可取代成本较高的机织布。

（1）Dilo Hyperpunch椭圆形针刺技术。Dilo公司的椭圆形针刺机在ITMA 1995首度展出，这是最近十多年来针刺技术上的最大突破。其主要特征是针板横梁由2个偏心机构驱动，刺针不再单纯垂直向运动在MD（纵）向的子午面内作垂直和水平向二维运动，其轨迹由一条直线改变为近似于椭圆状，其水平向的移距，适应纤网步进量在时空上与其很好配合，从而显著减少纤网的拉伸，实现优质高产。Hyperpunch技术的特点，是针板的专用传动机构是Hyperpunch系统的基础，确保刺针在针刺纤网过程中的运动轨迹为椭圆形。Dilo公司设计了在托网板和针刺机剥网板上的孔眼，并使其具有沿着被加工材料运动方向排列且呈长腰形的特征。

（2）Fehrer公司的针刺机。该公司主要的针刺技术有Hl针刺技术、最大针刺频率达到3 000次／min以上的高速针刺机，以及起毛针刺技术、地毯针刺机、造纸毛毯针刺技术等。Fehrer公司在造纸毛毯环形针刺机上，也已使用椭圆形针刺，说明椭圆形针刺的使用在不断扩大。H1针刺技术的特点，是弧形针板+垂直刺针。其优点是针刺深度增加，针板方向不断改变，纤维进行再排列，杂乱及缠结效果较传统的平板针刺为优。NL1 1/Twin—SE Carpet Star属于提花针刺机，它通过两个独立运行的针刺区，生产出高质量的罗纹及丝绒制品。根据对表面的质量要求，使用Carpet Star来生产罗纹制品，产量可高达单板机的3倍，它更可在一道工序下，同时加工罗纹与丝绒组合图案。

1.2 国内发展情况

近几年，我国也涌现了一批有推广前景的针刺新设备、新技术与新产品，如针刺频率为l 000～l 200次／min的主刺机、6 m宽的土工布针刺生产线、8 m宽的造纸毛毯针刺机等。但是，与国际先进水平比，我国在针刺工艺技术水平、产品种类及质量、特别是技术开发创新能力等方面，还存在差距。在针刺设备成套性方面，我国开发了一批适用型技术装备。郑州纺织机械有限公司、青岛纺织机械有限公司、江苏海润纺织机械有限公司等，都已有比较完善配套的相应设备提供。郑州纺机开发和制造的成套高产高速针刺非织造布设备，包括从开松、梳理到针刺成卷整线工艺和设备，配套选用国外进1:3的PCL、变频器、伺服系统通用和专用配套件。设备主要零件设计结构合理，精度高。该针刺生产线可以为用户提供从工程设计、工艺组合、设备配置、安装调试等的系统服务。

青岛纺机的针刺生产线包括预针刺机、针刺机，以及可用于针刺非织造布生产线主针刺和修面针刺的异位对刺机等。其中预针刺机采用双轴驱动，刺针动程可达到70 mm，针板上装有限位自停装置，并且触摸屏显示工艺参数，方便调整。异位对刺机具有占地面积小、结构紧凑的特点，所采用的双曲轴驱动平衡油箱，可使每块针板运行更加平稳。

而江苏海润的针刺生产设备，目前共有48种型号近200种机型供用户选用，包括条纹针刺机、绒面针刺机、提花针刺机、垫肩针刺机等多种专用针刺机。该公司最近试制成功一种适用于合成革基布过滤材料等针刺基布修面的针刺机——YBG3 19型双针板上下对刺式主针刺机。该设备植针密度可达8 000～16 000针/m，针刺动程60 mm，针刺频率可达l 200次/min，机器门幅2.2～2.8 m。

2 针刺原理及设计改进

针刺机构是针刺机的关键机构，由主轴、偏心轮、针梁、针板、刺针、剥网板、托网板等组成。主轴上装有偏心轮和平衡机构，用来带动针梁，针板做上下往复运动，使针板上的刺针随之反复穿刺纤网。剥网板和托网版是一对配合刺针对纤网进行固结的组件，一般采用钢板制成。两板均有孔眼，与针板上的针眼完全对应。针刺时，托网板起到刺针刺入纤网时的托持作用，剥网板起到刺针退出纤网时的阻挡作用。剥网板和拖网板的表面要平整光滑，以便纤网顺利通过。利用成千上万枚带有钩刺的钢制刺针，对蓬松的纤网进行反复的穿刺，而使纤网得以固结。一般来说，若单位时间内针刺的次数越多(即针频)或针刺密度(单位面积上的针刺数)高，纤网的质量越好，生产效率越高。所以说，针刺频率的高低，是影响产品质量的重要因素之一。

2.1 针刺机的机构和工作原理

针刺机的结构主要有：针刺机构、送网机构和输出机构。送网机构的作用，是保证把具有一定厚度的蓬松的纤网顺利地送入针刺区。输出机构是把刺好的具有一定强度的纤网牵拉出来。针刺机构的作用，是利用刺针不断地对蓬松纤网进行穿刺，从而得到具有一定强度的纤网。上述3种机构，应保证一定的协调关系，才能顺利工作。

2.2 针刺机构的设计

针刺机主传动，通过曲柄—连杆机构驱动针梁、针板和刺针一起，作上下往复运动。蓬松的纤网在喂给帘夹持下送入针刺区。当针板向下运动时，刺针刺入纤网，纤网紧靠托网板。当针板向上运动时，纤网与刺针之间的摩擦，使纤网和刺针一起向上运动，纤网紧靠剥网板。喂入和输出速度相配合，可以间歇步进，也可连续运动。纤网通过针刺区后，具备一定的强力、密度和厚度，然后再送至主针刺或花纹针刺加工。

2.3 改进机构的设计

评价一台针刺机的好坏，可以从针刺机的主要性能，即针刺频率、针刺机适用性、可靠性以及针刺机维护保养方便性、快捷性等。近年来随着针刺产品质量要求的提高，对于针刺机针板的设计提出了更高的要求。因为针板上针孔的排行形式，对针刺产品的表面质量、针刺产品的纵横向条纹，有着直接的决定性的作用。前面说过，针刺频率对产品质量和生产效率有直接影响，所以提高针刺频率是设计针刺机构的关键。

2.3.1 偏心机构和平衡机构的设计

针刺机构为曲柄连杆滑块机构，曲柄长度相当于偏心轮的偏心距，刺针运动可看着滑块移动，动程相当于2倍的偏心距。将单轴驱动偏心机构，改成双轴反向驱动偏心轮机构，运动时两个偏心机构反向运动，两曲柄的端部通过连杆刚性联接，同步带动针板做上下往复运动。这样的结构有以下优点：

（1）平衡轮无偏心，仅起惯性轮作用，可减小能量消耗。

（2）因为是两个偏心机构驱动针板运动，所以每个偏心机构所受的力是原来的一半，其部件的尺寸和净质量都可相应减小，有利于惯性力的下降和针板速度的提高(即针频的提高）。

（3）当两偏心轮反向转动时，从理论上讲，可以互相抵消在水平产方向上产生的不平衡力，大大降低了机器的振动，而且从加工和安装的角度来看，也比较容易实现。而单轴偏心机构则不然。上面已提到，为了平衡，平衡机构和偏心机构的安装方向须严格保证180°才行，这就为安装带来了难度。这种机构的振动比较大，而且工作速度越高振动越大。

双针板上下交替针刺，采用两个滚筒代替常用的托网板和剥网板，滚筒间隔距可调节，两个滚筒各钻有数万只完全对应的小孔，以便于刺针通过。上、下针梁和针板，装在两个滚筒内。输送帘和滚筒是连续运转的。为保持纤网的连续输送，刺针不仅通过滚筒上的小孔刺入纤网，而且在刺入纤网时，还必须有一个与滚筒表面回转速度近似相等的前移运动。由此，刺针的运动方式是上下、前后结合的复合运动，运动轨迹呈椭圆形。

2.3.2 减轻运动部件的质量

（1）减轻推杆和导向杆的质量。在不降低推杆和导杆的强度和刚度的前提下，将中间部分节约成本和减轻负荷，做成筒状。左右两端堵头先与轴焊接后，再安装在辊上，由螺栓紧固连接。这样可减小杆的净质量，减小惯性力。

（2）减轻针板和针梁的净质量。针板针梁通常采用钢制的较多，这种结构较重，造成工作时惯性力大，不利针频的提高。而国外目前普遍采用轻质材料，目的就是减小针板针梁的净质量，如采用铝镁合金，或铝合金甚至碳纤维复合增强材料等。如德国Dilo公司的针梁采用的是碳纤维材料，其针频可达到2 000次/min以上。所以，有可能的话，在保证针板针梁机械性能的前提下，尽量采用轻质合金材料，以降低运动部件的质量，这样可以提高针频。加工针梁的方法有多种，采用冷拔法是针梁加工方法之一，该法加工出的针梁机构性能比较好，能满足使用要求。