一种剑杆织机剑带冷却装置的设计

董 明

（广东丰凯机械股份有限公司，广东 佛山 528300）

剑带冷却装置是剑杆织机的一重要组成部分，剑带在使用过程中由于高速运行的剑带摩擦所产生的持续不断的摩擦力，造成了剑带及相关零部件的温升。剑带冷却装置主要作用就是降低摩擦所产生的温度以达到延长剑带及相关零部件使用寿命的目的。

目前剑杆织机在我国纺织业的应用越来越普遍，并且越高档的剑杆织机越趋向于高速化。然而，随着织造速度的不断提升，其织机的易损件的使用寿命也在大幅度降低，从而导致织造成本增加。传统的剑带冷却装置在剑带运行过程中都是直接接触高速运行的剑带，这就造成了剑带冷却装置的不断磨损，当持续一段时间后磨损部位会形成表面不平及产生尖点的状况，剑带运行过程中会出现滑擦及剥落情况，因此需要经常检查及更换此零件。

本文主要介绍了剑带冷却装置设计的几种新方案，以及对提高零件耐磨性、降低温升、提升易损件的使用寿命等几方面进行了分析探讨。

1 剑杆织机剑带运动

如图1所示，剑带包含剑头是由传剑轮7带动，在筘座上固定的导钩中往复运行，当去程时由剑头及剑带在导轨1中滑动向前推进，则剑带分别通过了剑库12，吹吸风部件11，冷却块8，剑带护圈6，冷却块5以及润滑蜡块4。当剑头回程时由剑带带着剑头反向重复以上步骤，剑带退回到剑库中，剑头退到导轨1内。

图1 剑带运动简图

2 剑杆织机的剑带及冷却块产生温升的原因

如图2所示，当去程时由剑头及剑带在导轨1中滑动向前推进，则剑带在导轨区近似呈自由状态受力较简单，这个过程剑带是在剑头和剑带轮齿支点之间悬空，基本不会在导轨内各个面摩擦。因此，不会有热量的产生。但剑带在传剑轮上呈弯曲状态时，剑带內侧和外侧会受到较大的弯曲应力，尤其是剑带在由冷却块4进入剑带护圈5的过程，剑带产生形变的最大处是在这两者之间，而在图2所示A点处剑带上表面就会接触到冷却块4下表面，由于此点上存在摩擦力，加上织机是高速运行，就会产生很高的温度，并将剑带的温度传导到冷却块4上面，由冷却块4进行散热。当剑带在剑带护圈5和冷却块6之间的时候，又是一个形变的过程，这时将会在C处产生一个接触点，与在A点相同产生大量的热；剑带继续运行，当剑带运行到剑库10时，因为剑带末端没有了支撑，形成了自由状态，受到了剑带本身重量以及部分张力的作用，使剑带和剑库10之间大面积摩擦，从而有大量的热产生。理想状态下，不可避免地产生摩擦的三个区域为A点、C点和D区域。但是，实际零件加工过程中，受机床精度、加工工艺以及材料本身性质的影响，会造成误差，这就有可能导致在B区域剑带护圈5上面造成剑带和护圈之间的摩擦，这也可能是造成温升的一个区域。

对于这几处的温升处理，设计之初考虑到剑带一般是由很好的材料制成 （一般都会选择碳纤维），其最大的特点是耐磨，包括较好的柔韧性和受热后较小的变形。而整个织造过程中，剑带是持续高速运动，虽然和几个点或者区域都存在摩擦，但是由于高速运动过程中带动的空气流动，而且一般织造环境都对湿度和环境温度有要求，所以剑带的温升完全可以通过风冷达到剑带本身降温的效果[1]。因此实际上需要考虑的是A、C两点和B、D两个区域的温度。

图2 剑带各发热点示意图

3 剑杆织机的剑带冷却装置

在整机设计完成后，试验及小批量生产过程中总是存在冷却块不断被磨损的情况，当机器运行了一个月甚至更短时间就出现冷却块磨损严重的情况。设计冷却块材料为45钢，表面镀Cr，由于机器速度很高故磨损严重。随后，又更改为材料45钢、表面镀Ni-P，发现情况明显好转，但是当运行了3个月以后，冷却快又出现了严重磨损的情况，由于冷却块必须整个零件表面都镀上Ni-P，而且镀层要达到一定的厚度，冷却块磨损后整个零件只能报废处理。同时冷却块的散热性不是很好，使用过程中其表面温度很高，所以既增加了成本又无从根本上解决问题。

基于以上存在的问题，经过查阅资料以及多次试验，我们做出了以下几种方案。

3.1 AZ31B镁合金镀Ni-P

首先选用了AZ31B镁合金为材料，进行了镀Ni-P，得到的零件表面致密、均匀、光亮、无缺陷，质量较轻并具有良好的散热性能[2]，在试验过程中，通过机器连续工作时跟踪记录结果 （见表1）所示最高温度不超过45℃，是比较理想的选用材料。虽然其使用寿命可以延续到4～6个月，但由于材料造价较高而且镀层较为昂贵，存在成本较高、需要不断更换的问题。

表1 AZ31B镁合金冷却块温升跟踪表

3.2 新结构的运用

经过不断的跟踪，设计成可拆卸结构的冷却块。

图3 可拆卸冷却块结构

如图3所示，该冷却块结构由冷却块基体3和冷却块压板2两部分组成，并由沉头螺钉1紧固。首先采用了市面上最常见的铝合金材料作为冷却块基体，达到快速散热的效果，其次冷却块压板2采用了45钢，表面镀Ni-P，由于零件面积减小了很多，所以镀层成本也大幅降低。织机工作过程中，在冷却块压板2上产生的热量可以快速地传导到冷却块基体3上，并通过铝合金材料的冷却块基体散热，而且当冷却块压板2磨损时，只需拆卸更换压板即可，不用报废整个基体，从而大幅度降低了易损件成本[3]。通过机器连续工作时跟踪记录结果（见表2）所示，其温升也不会超过45℃。

表2 可拆卸冷却块温升跟踪表

3.3 陶瓷涂层的运用

经过不断的查阅文献资料，发现现阶段比较新型的涂层技术是陶瓷涂层技术。试验依然选用了铝合金为材料，表面进行了镀陶瓷工艺，得到的零件表面致密、均匀而且质量较轻并具有良好的散热性能[4]。在试验过程中，通过机器连续工作时跟踪记录结果 （见表3）所示，其最高温度依然不超过45℃。该冷却块显著的优点是其使用寿命可延续到24～36个月，经过零件的对称设计，当下层有所磨损的时候可拆下，翻转上层涂层到下面，继续使用上表面未使用过的涂层，其使用寿命在原有基础上又翻一倍，达到4～6年。

表3 陶瓷涂层冷却块温升跟踪表

对比以上几种设计方案，从使用寿命及调试成本综合考虑，冷却装置以铝合金为材料，表面采用陶瓷涂层，设计成可拆卸结构，效果较佳，可极大地降低物料和人力成本，而且赢得了客户的良好赞誉。

4 新型纳米涂层在纺织机械上应用的展望

因为纳米材料本身具有许多独特的性质，近年来随着纳米材料的研究內涵不断扩大，应用前景十分广阔。纳米材料科学涉及面广，包括原子物理凝聚态物理，液态化学，化学反应动力学和表面、界面科学等众多学科。纳米技术在实际应用和理论研究方面都是有极大的价值，成为近年材料科学研究的热点，被认为是“21世纪最有前途的科学之一”[5]。制备纳米复合材料是获得高性能材料的有效方法之一，这也为热喷涂纳米涂层的发展提供了难得的契机。初步研究结果表明：纳米结构涂层具有取代现有涂层的潜力，在高性能应用方面，如高耐应，抗腐蚀，长寿命热障涂层等，它都有着令人难以想象的潜力。

随着纳米涂层研究开发与应用的不断深入，关于纳米涂层制备，表征反应应用的研究成为热喷涂技术重点的发展方向，研究内容涉及涂层的强度，韧性，抗腐蚀，耐磨，热障抗疲劳摩擦等各方面，初步结果表明，纳米涂层性能与常规微米涂层相比有了显著提高，这将有力地推动纳米涂层技术的发展。

纺织机械上存在着较多的需要有耐磨高强度的零件，如果纳米涂层技术成熟，那将伴随着纺织机械易损件成本下降，性能大幅度提升。

[1] 夏金国，李金海.织造机械 ［M].北京：中国纺织出版社，2001.

[2] 蔡永东.新型织机设备与工艺 ［M].上海：东华大学出版社，2003.

[3] 成大仙.机械设计手册 ［M].4版.北京：化学工业出版社，2004.

[4] 邓世均.高性能陶瓷涂层 ［M].北京：化学工业出版社，2004.

[5] 霍洪媛 .纳米材料 ［M].北京：中国水利水电出版社，2010.