浅谈国产针刺机的开发现状及发展趋势

鞠永农

(仪征市海润纺织机械有限公司，仪征，211400)

浅谈国产针刺机的开发现状及发展趋势

鞠永农

(仪征市海润纺织机械有限公司，仪征，211400)

阐述了国产针刺机的开发过程、技术现状和发展趋势;介绍了新型中速针刺机和新型主轴箱式高速针刺机的传动机构及其性能;指出单体小主轴箱是未来主轴箱式针刺机的发展方向，无箱齿轮摇杆式针刺机的主轴传动系统的设计将会应用到椭圆轨迹针刺机中。

非织造布，针刺机，机构设计，开发现状，发展趋势

由于针刺非织造布具有通透性好、过滤性能和机械性能优良等特点，被广泛用于制造土工材料、过滤材料、建筑防水材料、汽车内饰材料、合成革基材、造纸毛毯等多种产业用及生活用材料，目前针刺非织造布的产量约占整个非织造布总产量的四分之一。又因针刺法具有加工工艺简单、产品类型多且应用领域广、设备组合灵活方便、建设周期短等优点，针刺工艺仍是现在和将来快速发展、久盛不衰的一种最主要的非织造生产工艺。

1 国产针刺机的开发和现状

20世纪中叶针刺机诞生于英国，随后德国、法国、奥地利等许多设备制造商开发出不同风格的多种针刺机。20世纪80年代，仪征纺织机械厂研制成功我国第一台高速针刺机，针刺频率最高达1 200刺/min，随后开发出多种型号和类型的针刺机，相继推向市场，带动了国内针刺设备的迅速发展。由于针刺设备的需求量和潜力较大，一批民营针刺设备制造企业也逐渐发展起来，从而进一步推动了国内针刺机的快速发展。国内一些非织造布厂在同一时期引进了Dilo和Fehrer 公司的针刺设备，而国产的高速针刺机多数采用Fehrer公司的主轴箱式结构。近年来国产针刺设备开始走出国门，同时国内实力雄厚的非织造布生产商也引进了一批国际先进的针刺设备，用于提升针刺非织造布的品质，以便占领国际针刺非织造布的高端市场。这种相互间技术的沟通和交流，打破了国产针刺设备从诞生到现在一直没有突破性发展的局面。国内主要的针刺设备制造商纷纷开始收集技术资料，进行试验性的技术发展。鉴于Dilo公司的针刺设备技术处于国际领先水平，并占据国际高端市场，国内企业也在几年前开始仿制并将产品投放市场。

国产针刺机经过20多年的发展，尽管主轴箱式的不同类型和不同用途的针刺机不断完善和发展，但是这种机构的针刺机的技术水平并没有突破性提高。目前在实际运行的生产线中，没有针刺频率高于1 500刺/min的国产针刺机，因主轴箱式的机构受到结构和国产材料等因素的限制，给针刺频率的提高带来一定的难度。近年来，国内设备制造商的主要工作是优化机构设计、完善针刺设备的性能以及电气控制的革新。另外，针刺机针布也引起各个公司的重视，不断引进吸收，出现了多种布针形式以满足客户的使用要求。国产针刺机的技术水平基本上处于同一档次，可相比较的是设备制造品质、方便使用程度及售后服务水平。

国产无箱齿轮摇杆式的针刺机，上个世纪只有少数针刺非织造布生产商在使用。设备制造商真正将其推向市场是在2000年之后，虽然此种针刺机的制造商在针板梁的定位机构方面都有各自的特点，采用了不同的机构形式，但是整条针刺非织造布生产线的针刺频率超过1 500刺/min也同样是困难的。

2 国产针刺机的技术发展

2.1 技术现状

随着新技术、新材料的不断应用，国产针刺机的各项技术性能已有很大提高，但其基本原理都是相同的，即通过偏心轮连杆机构带动装有刺针的针板作上下往复运动，来达到刺针对被加工的纤维网实施加固的目的。不同之处是针板和针板梁往复运动的定位机构上，在国内的高频针刺机的设计中主要有两种机构形式:一是采用主轴箱式(仿Fehrer产品)，即把凸轮、连杆、推杆等零件包容在一个密闭的箱体内;二是无箱齿轮摇杆式(仿Dilo产品)，即凸轮、连杆等零件暴露在机架内，针板梁的往复定位机构采用齿轮齿条定位形式。两种机构各有优点，平行发展，目前国内针刺频率在1 000刺/min以上的针刺机多数采用主轴箱式。

自国内第一台1 200刺/min的针刺机诞生以来，其主轴箱机构并没有多大改进，开发的主轴箱主要有3种类型，但其内部零件的尺寸却基本一致。国产600刺/min以内的低速针刺机技术相对成熟，设备运行尚稳定，可基本满足部分非织造布生产商的需要。

目前各针刺设备制造商的主要任务是攻克2 000刺/min的针刺机技术以及在保证现有设备性能的前提下降低针刺机的成本。

2.2 零件材料的选用

国产针刺机的针刺频率没有大的提高，一个很重要的因素是受材料的制约。目前国产针刺机用的材料多数为常用材料，只有个别零件采用了优质材料，如主轴、推杆、导向套、针板等。近年针板梁开始采用铝合金材料，因其壁厚和外形比原来的针板梁大，所以自重基本与原来相当，仅仅是产品的整体感觉有所改观，针刺频率提升有限。

要想提升针刺机的针刺频率，有关零件需采用强度高、性能好、密度小的材料制造是关键问题。相关零件主要是指完成针刺往复运动的有关零件，如连杆、推杆、针板梁等，主要目的是在保证性能稳定可靠的前提下尽可能地减少其质量。

2.3 机型发展

现在国产针刺机的类型和品种已经相当齐全，低速针刺机和高速针刺机的机型系列都可满足市场需要。根据针刺运动的形式划分，常用的机型有单板下刺、单板上刺、双板下刺、双板上刺、单板上下异位对刺、单板上下同位对刺、双板上下同位对刺等。

专用针刺机也在迅速发展，因其只能生产某种特殊类型的针刺非织造布，市场需求量相对较少，但其类型繁多，已形成独立的分支系统，其中相对要求较多的机型有条纹针刺机、起绒针刺机、提花针刺机和造纸毛毯针刺机等。

3 国际先进针刺技术简介

目前Dilo公司的针刺技术处于国际领先水平，其针刺机的针刺频率已达到3 500刺/min，并成功推出频率为2 000刺/min的椭圆轨迹针刺机。近年国内引进的先进针刺设备主要以Dilo公司的产品为主。目前国内针刺设备的代理商主要代理Dilo公司、NSC集团和纽马格集团3家公司的产品，包括人们较为熟悉的Asselin和奥特发的铺网机、Dilo和Fehrer的针刺机等。

Dilo公司生产的超高速针刺机，其针板梁采用了碳纤维复合材料。在针板方面，为了使纤维之间的缠结更有效，布面质量更加完美，Fehrer公司设计出弧形的托、剥网板，效果良好。Dilo和Fehrer公司的针板针布都处于国际领先水平。为了改进针刺机的性能和试验新产品的生产工艺，Dilo公司还建设了自己的试验工厂。

4 国产针刺机的发展趋势

4.1 新材料的应用

现在很容易找到强度高、性能好、密度小的材料，但是应用在针刺机上很难找到合作的生产厂家，因为要大批量生产用在针刺机上的有关零件还有一定难度。现在出现的如铝基、镁基、碳素纤维复合材料等新型复合材料的性能和强度都达到很高的水平，并已在汽车和飞机的相关零件上开始运用，但尚未在其他领域广泛使用，能生产的厂家有限。

针板梁原来是由16 Mn材料焊接而成，现在开始采用铝合金材料拉制工艺制造，外形和强度比原来都有提高，但是质量减少不多;连杆原来是铸钢铸造而成，现在也开始采用铝基复合材料;推杆原来的材料是38CrMoAl，因其承受的力比较复杂，强度要求高，寻找新材料要慎重。如果想提高针刺频率，就必须寻找合适的轻质材料。针板梁、连杆和推杆的强度和质量直接影响主轴箱式针刺机的针刺频率的提升。

4.2 各机型针刺机的发展

目前主轴箱式和无箱齿轮摇杆式两种机构的高速针刺机都已出现并各有亮点。笔者认为主轴箱式针刺机比较适合国内中小企业的使用、管理和维护。国产针刺机已经开始采用铝合金针板梁，并且配置有方便更换针板的气囊加紧的定位机构，但针刺频率提高不大。各设备制造商的首要任务是在保证针刺设备性能逐渐提升的同时降低设备制造成本，其次才是开发更高频率的针刺机。

4.2.1 主轴箱式针刺机

主轴箱式针刺机最大的优点是参加针刺往复运动的零件密封在一个箱体内，可以对相关轴承进行不间断的润滑油润滑和冷却，最大的缺点便是推杆处存在漏油的可能。图1为双轴双板式主轴箱的示意图。

图1 双轴双板式主轴箱

由于主轴箱机构固定同一个针板梁的两个推杆之间的距离是0.6 m，所以在设计针板的长度时都在1.2 m左右，于是主轴箱式针刺机的主传动和针板部分形成了分段式的设计。该设计形式存在以下问题:①主轴箱体积过大，加工、运输、装配等均不方便;②两个推杆间的距离固定，无法减少推杆的数量，同样受主轴箱外形尺寸的限制，主轴箱的数量也无法减少，导致针刺机的成本无法降低;③主轴箱内参与转动的零件过多，提高了润滑油的温度，不利于推杆处润滑油的密封;④主轴箱体的结构存在不合理之处，不利于润滑油的降温;⑤支撑连杆的轴承支点平均数是1个，受力相对不均。

针对以上问题，仪征市海润纺织机械有限公司进行了改进主轴箱结构的研究，确定了符合自己生产特点的单体小主轴箱(已申请技术专利)。图2是其中之一的单体双轴双板主轴箱示意图，与原有图1所示的主轴箱相比，其显著优点为:①体积小，便于安装和维修;②改进了原有主轴箱的不合理结构，完善了主轴箱的功能;③模块化设计，可以根据被针刺纤网的受力情况来确定主轴箱的配置数量，既能满足高速针刺机的设计和使用要求，又能使针刺机的性价比更合理。

图2 单体双轴双板主轴箱

单体主轴箱箱体的下部在两导向套孔的中间留有空腔，其底面接近箱体的最低位，故该空腔能留出积蓄润滑油的空间，目的是让导向套内的润滑油能流回到这个空间，即起到降低推杆因摩擦而升温的作用，也保证了箱体内的油位低于油封的上平面。单体小主轴箱的低成本和高性能会给设备制造商和使用商带来巨大的经济利益，所以单体小主轴箱是未来主轴箱式针刺机的发展趋势。

4.2.2 无箱齿轮摇杆式针刺机

齿轮摇杆式针刺机典型的机构形式是Dilo公司的产品，其最大的特点是针板梁的定位采用齿轮齿条方式。这种结构减少了针板往复运动定位时的摩擦阻力，且其润滑一般采用干油间歇压力集中润滑系统，即定时注入润滑脂，基本杜绝了漏油的可能。为了排除主轴轴承的摩擦热量，连杆大头处配有风冷装置，相应的轴承处配有温度传感器，以便检测温度及时观测轴承的工作状态，确保针刺机的润滑系统运行可靠。

无箱齿轮摇杆式针刺机的针刺部件如图3所示。机构采用模块化组合设计，便于设备的系列化设计;完成刺针上下往复运动的零件包括连杆、横梁、针板梁和摇臂等，外形结构不复杂，容易采用新型材料以减少相关零件的质量，有利于针刺频率的提高。该技术的潜在价值在于整个主轴传动系统的设计可应用到椭圆轨迹针刺机的方案中，相信不久国产简易的椭圆轨迹针刺机将会面世，这是无箱齿轮摇杆式针刺机的优点和发展方向。

图3 无箱齿轮摇杆式针刺机构示意

5 新型针刺机介绍

5.1 新型中速针刺机

根据实际生产的操作经验，性能稳定、故障率低的中速针刺机能很好地满足针刺土工布生产的工艺要求。如果一条幅宽6.8 m的土工布生产线配置3台针刺频率超过1 000刺/min的主轴箱式针刺机，其价格要超过200万元人民币，设备的投资成本很大。仪征市海润纺织机械有限公司独立开发了满足土工布生产工艺的新型中速针刺机，设备成本比高速针刺机降低很多，但其机械性能没有降低。

新型中速针刺机的针刺频率能达到800刺/min，出布速度1～6 m/min，可变频调速，无需地脚安装，运行平稳。该机型采用特殊配重方式的主传动机构如图4所示。该传动机构的要点是:①主传动采用单轴单板式，外加副轴分担平衡;②针板梁的提升和定位采用传统的推杆滑套式结构;③润滑部分采用仪征市海润纺织机械有限公司成熟的间歇式集中供油系统;④支撑连杆的机构采用Dilo式的两轴承对称分布的形式，能加强连杆处受力的可靠性。

图4 传动机构示意

该新型中速针刺机应用主、副轴对转的平衡方法，平衡原理如图5所示。用零件D来平衡零件C的一阶力的大部分，用零件E来平衡零件D剩下的水平力和由其产生的垂直方向的力［1］。

图5 平衡原理示意

国产低速针刺机的频率不能提高的原因是其平衡方案一直采用单轴平衡法，没有副轴及图5所示的零件E，仅用零件D来平衡C等零件运动时产生的力。一般有两种解决方法:一是只用零件D来完全平衡零件C引起的一阶力，这时由零件D引起的上下方向的力无法消除，机器往往会左右摆动;二是用零件D来平衡零件C引起的一阶力的大部分，这时由零件D引起的水平方向的力无法消除，机器往往会上下剧烈振动。为了机器的运转，一般都采用加固的方法将机器固定在地基上，以保证机器的正常工作。但是宽幅针刺机的固定就比较困难，因为无论是采用以上两种方法中的哪一种，产生的力都相当大，所以宽幅针刺机的针刺频率基本上都很低。而新型中速针刺机用增加副轴对转的平衡方案解决了原有低速针刺机配重平衡的两种弊端，虽然设备成本有所增加，但其运行更加平稳、受力更加合理，从而机械性能等得到大幅提升。

5.2 新型主轴箱式高速针刺机

为了将国产针刺机的针刺频率提升至2 000刺/min，仪征市海润纺织机械有限公司设计了一种能够承受高载荷且受力分布更合理的单体小主轴箱，结构如图6。设计的高速针刺机选择主轴箱机构的原因是，高速齿轮摇杆式针刺机的主传动轴承的润滑和测控难以把握和维护，而主轴箱式的针刺机润滑系统能保障轴承的工作状态，并便于使用者的维护和管理。

高速针刺机的主轴箱必须承担起巨大的交变载荷，为了降低推杆处的摩擦热量便于润滑油的密封，主轴箱体设计有特殊的降温结构。高速单体小主轴箱的优点还有:体积小，利于精密装配;传动机构方案成熟，配重合理;主轴箱的数量可根据刺针力的大小来增减，便于成本控制。

图6 高速单体小主轴箱示意

高速单体小主轴箱内参与针刺往复运动的相关零件包括连杆、横梁、推杆等，选用强度高、密度小的新型复合材料，目的是减小往复运动的零件的总质量和增强其对强大冲击力的承受能力。

［1］机械设计手册联合编写组.机械设计手册中册［M］.北京:化学工业出版社，1987:35.

Brief discussion on status and tendency of research and development on needle-punching machine in China

Ju Yongnong
(Yizheng Hairun Textile Machinery Co.，Ltd.)

The research process and development tendency as well as technique situation of home-made needlepunching machines were introduced.The transmission system and performance of new medium-speed needle-punching machine and new main axle box-type of high speed needle-punching machine were presented.It was pointed out that individual small main axle box-type of needle-punching machine would be development tendency of main axle box-type of needle-punching machine in the future，and the design on main axle transmission system of non-box gear rocking bar type of needle-punching machine would be applied to the elliptical path needle-punching machine.

nonwovens，needle-punching machine，mechanical design，development status，trend of development

TS173.44

A

1004－7093(2010)01－0019－05

2009－10－19

鞠永农，男，1978年生，工程师。主要从事针刺机等非织造设备的研发工作。