碳纤维复合材料起毛辊的结构与制备

徐 艳张伟明

（1.连云港鹰游纺机有限责任公司，江苏连云港 222000；2武汉理工大学机电学院，湖北武汉 430000 ）

碳纤维复合材料起毛辊的结构与制备

徐 艳1张伟明2

（1.连云港鹰游纺机有限责任公司，江苏连云港 222000；2武汉理工大学机电学院，湖北武汉 430000 ）

一种碳纤维复合材料起毛辊的结构与制备，包括起毛辊的辊体和装在辊体两端的轴头。首先，在设计好的模具芯棒上缠绕碳纤维预浸布，做成碳纤维内衬管备用；然后将轴头的粘接段涂上粘合剂后插入碳纤维内衬管内进行胶接；最后以碳纤维内衬管作为芯棒，再缠绕碳纤维预浸布，同时将轴头的加强轴肩包裹在内，以固化粗加工-精加工-涂装，最后制成成品起毛辊。其质量轻、直线度好、抗疲劳、刚性好，不仅碳纤维和树脂结合更好，致密度更高，强度也大大超过了一步法，延长了起毛辊的寿命。而且碳纤维复合材料和金属轴头通过两次包覆粘接，增大了碳纤维管壁与金属轴头的接触面，粘接更牢，大大提高了碳纤维复合材料起毛辊的整体强度。

起毛机;碳纤维复合材料;起毛辊

0 前言

起毛就是利用起毛机械将纤维末端从纱线中拉出来，使织物表面均匀地覆盖一层绒毛，比如毛巾、毛毯等，起毛机就是用于起毛的机械设备。

起毛辊是起毛机上最为重要的辊体，一部起毛机一般有24根或36根起毛辊。国内纺织机械所产起毛机多为钢丝起毛机，其起毛辊也是钢制的，而钢的比重大，从而限制了起毛辊的长度（一般为1.8-2.0m）,高速运转的情况下，较长的起毛辊会发生扭曲变形，并影响起毛的质量和效果。对于3.2m针辊，有测试表明固有频率为42.7Hz[1]，起毛机针辊的自传速度最高可达1200r/min，接近简支针辊的一阶临界转速，由于针辊的偏心，工作过程会产生较大的振动。起毛机针辊的大跨度结构，使得其刚度、强度及动力学特性成为影响起毛质量的关键因素。在工作过程中，因为其刚度太差造成过大的弯曲扭转变形和很低的临界转速，使得针辊之间出现“打架”以及针辊轴承圈脱落。为了提高辊体系统的抗弯刚度和固有频率，通过增加支承造成的过约束，会使辊体薄弱部位产生疲劳而断裂，以及轴承过载而提前破坏等情形。这些情形不仅严重影响起毛质量，而且使得起毛机不能正常工作而降低生产效率等[2]。

采用碳纤维复合材料制备起毛辊将直接影响到产品的质量和风格。本文针对现有技术的不足，提出了一种质量轻、直线度好、抗疲劳、刚性好的两步法碳纤维复合材料卷制起毛辊。

1 碳纤维复合材料应用于起毛辊的背景技术

国外碳纤维复合材料应用于轴的技术已相当成熟，碳纤维复合材料在轴上的应用主要体现在汽车传动轴、重型机床主轴、船舶驱动轴，Mercedes-Benz, BMW、Ferrari、Montero, Nissan, Mazda等车系的某些车型己经开始使用碳纤维传动轴，这些应用减少了传动轴的重量，提高了起毛辊的临界转速，减少了启动所用的时间，也极大的提高了安全性，并且明显减少了耗能。国内每年需要超过50000根起毛辊，若将碳纤维复合材料应用于起毛机的起毛辊上，将极大提高生产效率。

起毛机发展至今，起毛辊经过不断更新换代，目前广泛使用的起毛辊为钢制起毛辊，其仍旧存在许多不足：一方面钢制起毛辊自重大，从而导致设备耗能大，运输成本高。在需要进一步提高起毛机转速的时候，需要不断提高钢制起毛辊壁厚以满足更高的刚性需求，因此，进一步增大了设备自重，能源损耗更加严重；另一方面钢制起毛辊抗疲劳性不好，由于金属的延展性，随着起毛机高速运转，钢制起毛辊会逐渐累计形变直至完全变形无法使用。

中复神鹰碳纤维有限责任公司于2009年发明了一种碳纤维复合材料起毛辊的制备方法，将碳纤维复合材料实际应用于起毛辊的制备，该方法解决了钢制起毛辊的不足，重量减轻4/5、运转速度提高25%-30%、产量提高约60%、能耗减少1/3，促进了纺织机械设备向“高效率、高速度、节能型”的方向发展[3]，并由此拉开了国内碳纤维起毛辊研究与应用的序幕。

2 碳纤维卷制起毛辊的结构及制备流程

2.1 碳纤维起毛辊结构发展

图1所示为增强型碳纤维起毛辊结构，它在传统钢制起毛辊的外层卷制碳纤维增强复合材料，在性能上依赖于钢，这种结构仅利用碳纤维的高模性能对起毛辊起到了加强的作用[4]。

图2所示为一种碳纤维复合材料起毛辊，其特点是拉挤成型的碳纤维复合材料芯管，由于拉挤成型工艺模具内压力大，纤维充分渗透，轴向强度极高，但环向强度不足，而缠绕工艺线型设计灵活，环向强度高，轴向强度低 ，两者优劣互补，另外环形嵌入槽能有效保证直线度和加强整体强度[5]。

图3所示为一种复合碳纤维缠绕辊，设有玻璃钢内衬，玻璃钢外表面有碳纤维绕层，两端设有轴头安装孔，孔的形状为正多边形，可以有效解决轴头连接容易开裂、易松动的问题，可以开发出更长的辊面，该缠绕辊重量轻、跳动小、噪音低、强度高、耗能低[6]。

图2所示结构明显比图1所示结构在改善起毛辊性能方面好很多，但由于环形槽加工精度难以保证，导致安装不方便。图3引入的胶接螺栓结构在抗疲劳性能方面不好，而且由于纤维层较薄，导致连接处接触面积小，从而效果并不理想。

由此提出一种两步法碳纤维起毛辊的结构设计。

图1 增强型碳纤维起毛辊

图2 一种碳纤维复合材料起毛辊

图3 一种复合碳纤维缠绕辊

2.2 两步法碳纤维卷制起毛辊的结构

在一步法碳纤维复合材料起毛辊制备的启发下，本文设计出一种两步法碳纤维卷制起毛辊的的制备方法，其质量轻、直线度好、抗疲劳、刚性好，不仅碳纤维和树脂结合更好，致密度更高，强度也大大超过了一步法，延长了起毛辊的寿命。

本文设计的两步法碳纤维卷制起毛辊结构如图4。

该结构的主要思路是根据设计需求，预先卷制特定尺寸的碳纤维复合材料管材4；通过车床对轴头进行螺纹加工，得到螺纹状沟槽3,增大碳纤维复合材料与金属轴头的接触面，从而增大碳纤维复合材料与金属材料的结合性能；轴头1与内衬碳纤维管间进行胶合，进一步保障结合强度；加强轴肩2保证了内衬碳纤维管与外层卷制预浸布5的位置，从而提高了缠绕紧密度及整体性能。

图4 两步法碳纤维卷制起毛辊

2.3 两步法碳纤维卷制起毛辊的制备

两步法纤维卷制起毛辊的制备流程如图5所示。

图5 两步法碳纤维卷制起毛辊的制备流程

其具体流程表述如下：

（1）根据起毛辊各方向强度要求，合理设计预浸布编织方式，使用预浸机制造所需预浸布；

（2）根据产品的性能和尺寸要求，进行铺层设计；

（3）按照设计的铺层，在芯棒上卷制内衬碳纤维管材，固化成型后抽出芯棒；

（4）两端轴头在车床上进行螺纹加工；

（5）利用胶黏剂将轴头与内衬碳纤维管进行胶合；

（6）根据起毛辊设计需求，在内套碳纤维管表面进行碳纤维预浸布卷制、铺层；

（7）铺层到达计划层数后，利用OPP扎带将起毛辊包扎起来，压力适中，将起毛辊置于固化炉中固化成型；

（8）利用车床精加工起毛辊；

（9）产品涂装，安装。

3 结论

与现有技术相比，两步法碳纤维卷制起毛辊具有巨大优势。首先，采用碳纤维预浸布卷制工艺，铺层设计灵活，铺层厚度容易控制；其次，设计了一种内衬碳纤维管材的结构，加长了金属轴头在碳纤维复合材料管材内壁的长度，同时增大了内壁与金属轴头的接触面积；再次，碳纤维复合材料卷制起毛辊较钢制起毛辊轻，因此设备能耗大大降低，设备转速则能够进一步提高，从而提高生产效率，满足客户的迫切需求；最后，碳纤维复合材料抗疲劳性能好，且具有很高的刚性，因此碳纤维复合材料卷制起毛辊使用寿命更长，不易变形，节约设备维护费用。

两步法碳纤维起毛辊即预先制作碳纤维内衬管，再在内衬管的基础上缠绕碳纤维预浸布。在满足纺机零部件设计技术要求的基础上，两步法碳纤维起毛辊较好地利用了碳纤维复合材料的刚度好、耐磨、比强度高、比模量高等特点，其质量轻、直线度好、抗疲劳、刚性好，不仅使碳纤维和树脂结合更好，致密度更高，强度也大大超过了一步法，延长了起毛辊的寿命，而且碳纤维复合材料和金属轴头通过两次包覆粘接，增大了碳纤维管壁与金属轴头的接触面，粘接更牢，大大提高了碳纤维复合材料起毛辊的整体强度。从而达到节能降耗、提高产品性能及生产效率、降低成本的目的。

[1] Earl M.Halfen.Shop Balancing Tolerances Reader Service No.72.

[2] 刘高锋 ，邱清盈 ，潘双夏.起毛机针辊部件结构性能研究[D].浙江大学.2005.

[3] 张国良，李怀京，席玉松.一种碳纤维复合材料起毛辊的制备方法.101760930[P].2010(06):30.

[4] 徐 艳，许太尚，王宏亮.增强型碳纤维缠绕起毛辊.202017128[P].2011(10).26.

[5] 徐存新，张斯纬，徐 艳等.一种碳纤维复合材料起毛辊.中国,203080286[P].2013(7):24.

[6] 张斯纬，徐 艳，许太尚等.一种复合碳纤维缠绕辊.中国，ZL201220009813.3,2011(11):26.

Structure and Preparation of Carbon Fiber Composite Materials Fluff Rolls

Structure and preparation of a carbon fiber composite material pile roller, including a roller body and the pile roller mounted at both ends of the roller shaft head body. First, in the design of a mold mandrel wound carbon fiber prepreg, made of carbon fiber liner spare; then coated with adhesive segment axis head is inserted within the adhesive lined carbon fiber tube glued; Finally, carbon fiber lined pipe as a mandrel, and then wound carbon fiber prepreg, while the head of the shaft, including strengthening the shoulder wrap to cure roughing -finishing - painting, finally finished products pile roller. Its light weight, good straightness, anti-fatigue, rigid, carbon fiber and resin bonded not only better, higher density, strength greatly exceeds the one-step, extend the life of fluff roll. And carbon fiber composite materials and metal shaft head covered by two bonding, increases the contact surface of the carbon fiber wall with metal shaft head, bonding more firmly, greatly improving the overall strength of the carbon fiber composite material fluff roll.

raising machine; carbon fiber; composite pile roller

TB332

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投稿日期：2014-09-22