双尘笼气流成网机的研究与设计

仪征市海润纺织机械有限公司 黄金涛 刘小明 钟刚/文



双尘笼气流成网机的研究与设计

仪征市海润纺织机械有限公司 黄金涛 刘小明 钟刚/文

摘要：本文在全面对比分析国内外单尘笼气流成网机技术性能和技术缺陷的基础上，从几个方面提出了独到的见解和创意，详细论述了该机主关键结构的设计思想及设计方法，并给出了必要的数理分析和公式推导。

关键词：气流成网机、双尘笼、伯努利方程

气流成网是非织造布生产工艺中一种不同于梳理成网或梳理——交叉折叠铺网的成网方法，因其独特的成网原理以及优越的呈三维分布的纤网结构，使其成为非织造布生产中独树一帜的成网工艺，并且不可替代地成为一些特定的诸如服装衬布、电池隔膜、水溶布等非织造布生产的必须成网方式。而气流成网机则是实现这种成网方法的基础装备。

根据成网的定重范围和适用原料范围，气流成网机分为两个类型：一种是适用于薄型成网，其成网定重通常≤300g/ m2，常用于生产100g/m2以下的薄型非织造布产品；另一种为适用于厚型成网，其成网定重可达2500 g/ m2以上，通过特殊设计，甚至可高达5000 ～6000 g/m2。

另外值得一提的是，相对于薄型气流成网机，这种厚型的气流成网机一个很重要的优点就是其原料适应性极广，特别是能够处理废旧回收纤维、矿物纤维、金属纤维及碳纤维等各种难以梳理的纤维，当然这两种气流成网机在结构上具有很大的区别。

对于薄型气流成网机，国内引进开发的较早，仪征海润纺机上世纪80年代就成功开发出该机型，现在技术已相对成熟，目前正向宽幅发展。

厚型气流成网机，国内在本世纪初也陆续有厂商推出自己的机型，但都是单尘笼形式。这种单尘笼气流成网机的成网定重一般在2500 g/m2以下。随着国内非织造布行业的飞速发展，非织造布的生产工艺不断向各个领域渗透，其应用范围日益宽广。同样，产品的日益拓宽，对生产设备的要求也不断提升。例如，家居行业中的床垫，沙发垫等现在基本都是用非织造布工艺生产，其纤维品种从椰壳纤维到化学纤维，从单一纤维到混合纤维。还有建材行业、军工行业等以金属纤维、碳纤维等特殊纤维通过尘笼成网方式制作的高定重、大厚度的毡状半成品，这些产品的定重往往高达4000～6000g/m2。这样高的定重，用现有的单尘笼成网机是无法满足的。

另一个不可忽视的问题也是长期以来备受困扰的问题，就是当二种以上物理性能差别较大的纤维原料进行成网时，将很难得到混和均匀的纤维网毡，造成纤维网毡的分层现象，严重时则不能生产。这种情况极大地制约了这类产品的应用和发展。此外一个比较重要的问题是成网的均匀性很难达到理想的要求，主要是指机器幅宽方向（即横向）的纤维网毡定重分布不均，离散性较大，其CV值通常在5%以上，有些甚至超过8%。这给最终产品的质量造成了严重影响，尤其对过滤材料类产品，这往往是致命的缺陷。事实上，前些年从国外引进的尘笼类气流成网机，在横向均匀度方面确实比国产机好，但同样存在不同性质纤维的分层问题。再者就是成网定重范围基本和国产机一样，一般不超过2500 g/m2。国外已有双尘笼的机型，但国内还鲜有见闻。

根据对国内外现有单尘笼气流成网机技术状态的分析比较，以及对市场和用户需求的充分调研，我们开发研制了双尘笼气流成网机。本文将详细介绍该设备的设计思想和相关分析研究及数理推演。

1 工作原理

前道工序输送来的纤维在本机的四罗拉喂入机构的夹持下缓缓推送至锡林，圆周表面包覆金属针布的高速旋转的锡林将其细致地撕扯梳拉成近乎单纤维状抓离喂入钳口区，然后在离心力和剥离气流的共同作用下飞离锡林进入文氏管式风道，在文氏管式风道内纤维随风道截面的扩大而逐渐减速且散开，并且在梳针转轮的作用下保持不同纤维良好的混合，继而凝聚在两只内腔呈负压的圆网收集区表面而形成具有所需定重的纤维层，并压实后由胶帘输出。

2 总体设计

双尘笼气流成网机在基本原理和基本结构上和单兰笼气流成网机是相似的。我们在对单尘笼气流成网机的技术结构、技术性能、技术缺陷充分全面分析研究的基础上，根据市场需求及发展趋势，首先制定了双尘笼气流成网机的设计指标。

我们的核心设计指标是：最高成网定重≥5000g/m2，成网横向均匀度CV值≤3%，。依据这些条件，我们提出了总体设计方案。整体上，该机主要分为输入喂棉部件、锡林部件、双尘笼及输出部件、负压抽吸部件、梳针转轮均散部件等。见图1。

3 结构设计

3.1 输入喂棉部件

考虑到尘笼式气流成网机大多是以废旧回收纤维为原料，其原料中的短纤维含量较多，为保证喂入的经初步开松的纤维团块得到锡林锯齿的充分撕拉梳扯，达到单纤维的状态，喂入机构必须对输送来的纤维团块实施有效地握持，而又不致使纤维特别是较长的纤维造成较多的损伤而影响产品的强力，为此，我们采用了异径四罗拉错位夹持递进喂入式给棉机构。

3.2 锡林部件

锡林是一圆周表面包覆有金属针布的高速旋转的机件。锡林工作时，被锡林针布锯齿抓取的纤维大部分都能在离心力和剥离气流的共同作用下飞离锡林，有少部分的纤维将会被锡林的锯齿带回。这种现象称之为返花，这将降低锡林的转移效率。

为尽量减少返花，提高纤维转移效率，我们在文氏管式风道上沿设计了一止回角挡。止回角挡与锡林下表面间形成一刀口关系，能有效铲除回返的纤维。另外，剥离气流是从四罗拉夹持喂入机构下方与导流轴之间进入，剥离气流的速度应大于锡林表面的线速度。剥离气流的角度影响纤维的剥离效果，同时对不同特性、不同比重的纤维在风道中的分离倾向具有一定的调节作用。导流轴正是为满足这一需求而设计的。我们在导流轴上对着锡林的一面设计有均匀分布的导风槽。导流轴可调整其转角，随着导流轴转角的变化，剥离气流的速度、角度都有一定变化，从而起到相应的调节作用。

3.3 双尘笼及输出部件

采用双尘笼设计是为了通过增加吸附凝聚面积来达到大幅度提高成网定重的目的。尘笼是纤维的接收体，尘笼的技术特性直接影响着纤维成网的横向均匀性，对于这点，我们在单尘笼成网机上有着深刻的体验。因此我们在尘笼的设计上进行了周密的研究。我们采用了国内独有的浮点定心支承，内齿轮驱动，下尘笼固定，上尘笼可升降的结构形式，尘笼内设置有高匀度的负压抽吸风道。关于负压抽吸风道的均匀性设计分析将在后面另行详述。

3.4 梳针转轮均散部件

前面的讨论中提及过当尘笼气流成网机处理二种以上物理特性差异较大的混合纤维时，由于不同的纤维在比重、细度、长度和卷曲度上可能存在较大的差别，所以它们在文氏管风道中的飞行姿态、飞行速度、飞行轨迹都各不相同，因此，就会造成不同种类的纤维趋向于相互分离，最终凝聚在尘笼收集区的不同区间，从而形成所谓的成网分层现象。这种现象在国外的机型中同样存在，这是一个困扰多年急待解决的问题。梳针转轮均散部件正是为了克服这一难题而专门研究设计的。

梳针转轮装在文氏管风道的中部，具有独立的驱动装置而顺时针转动，其结构如图2所示。这个梳针转轮旋转时能产生几个作用：

1）旋转的转轮周期性地改变着文氏管风道的通道截面形状，也就是周期性地改变着气流的速度和方向；

2）梳针转轮旋转时，在梳针叶片的内外表面会产生交变的复杂气流场，这种气流场周而复始地扰动和冲击主流场；

3）梳针转轮在作顺时针旋转过程中，当叶片处于第四和第一象限时，从右到左地截获在风道中飞行的纤维，而在第二和第三象限时，这些纤维又被抛离开叶轮。

由于梳针转轮的以上几种作用，使得不同比重和性质的纤维在多变的气流场中以复杂的姿态飞行运动，并不停地交混碰撞而始终保持相互混杂的状态，从而使得各种纤维均匀混杂地凝聚在尘笼的表面而形成厚重的纤维层。

梳针转轮实际上就是一特殊的与机器同等工作宽度的横向叶轮，与普通叶轮不同的是，其叶片具有梳齿状结构。梳针转轮之所以将叶片设计成梳针状，是为了减小转轮的叶片对主流场的过度干扰，避免因太强烈的涡流而造成纤维相互缠结成团。梳针式叶片既可有效地截获飞行中的纤维，又不阻碍气流的通过。

转轮的梳针叶片设计成前弯式更有利于截获抓取飞行运动中的纤维。

转轮的叶片与轮轴的连接独具匠心地设计成隔栅结构，这一结构使得转轮在发挥抓取作用的同时能让大部分气流沿原路径顺畅通过，从而保持了文氏管风道的特性和作用，并且很好地避免了转轮任何部位勾挂纤维的可能。这是两全齐美的设计。

3.5 负压抽吸风道的均匀性设计

负压抽吸风道套装于双圆网内，为进行流体力学的分析，这里将其等效为如图3所示的模型。

负压抽吸和正压喷风在流体力学上特性是对称的，分析方法是相同的。为方便起见，这里就按正压喷风来讨论。实际上均匀风道的设计早有现成的资料可参考，但问题是现有文献中的分析都是基于矩形截面风道来进行的，而我们这里只能采用圆形截面的风道，不能套用现成的计算公式，必须重新推导。

流体力学分析证明，等截面的风道是不能实现均匀喷风的，而要能够均匀喷风，必须采用变截面风道。

事实上，风道中某截面的气流速度只与该截面的静压有关，欲使喷风均匀，风道内各处静压必须相等，采用变截面风道就是为了使得风道内各处静压相等。

根据伯努利方程可写出如下关系式：

式中：

Px , Po—分别为X , X。截面的静压；

Vx,Vo分别为X , X。截面的气流速度；

ρ—为气流的重度 g—为重力加速度；

Σh—为管道内总阻力损失，即管道内摩擦阻力和局部阻力之和。式中：

λ—为管道摩擦阻力系数，其数值计算与雷诺数相关；

因为气流的动压不能全部转化为静压，其转化系数ηp=0.5～0.8。

λ'—为转化后的管道摩擦阻力系数；

τo —局部阻力系数，因其通常很小，所以可以忽略不计；

D—为风道直径 ；

于是式（1）可以写成

因是圆形变截面风道，故X截面处的风道直径可用Dx表示。

根据机器结构尺寸，先设定风道入口直径为Dn ,风道未端直径D0＝iDn ,风道长度为L，这样就有：

在实际设计计算时，可根据给定的入口风速Vn，风道入口直径Dn ，初定的风道末端直径与入口直径的比值i，风道长度L等条件,先计算出积分常数C，再核算风道左、中、右几个截面的风速是否满足设计的要求。

4 结语

我们在以上深入分析和理论研究的基础上，制定了详细的机器设计方案，继而完成了双尘笼气流成网机的全部设计工作。经过各方面的努力，我们成功研制出首台样机并推向市场。在生产线现场调试和带料试车表明，该机结构合理，性能优良，成网均匀，不同种类纤维混和充分，较之于单尘笼气流成网机，其定重范围倍增。经全面测试，该机的所以重要指标都达到了设计要求。

参考文献

「1」 《染整机械原理》 纺织工业出版社1984第一版