试论复合退绕架的设计若干关键问题分析

2019-10-21徐增勤

科学与财富 2019年23期

关键词：针刺

摘要：复合材料和产品已广泛应用于很多方面，与国家建设和人们的生活有着密不可分的关系。品种日新月异，不断深入发展，促进了研究探索的开展，研究成果不断涌现，使复合技术得到进一步的提高。

综合运用非织造工艺、机械、控制等技术，研制出了一台能满足针刺复合工艺的退绕系统。并对针刺复合工艺进行了简单的探讨。

关键词：复合；退绕；针刺；非织造布

0 .引言

复合是近年来发展较为迅速的新技术之一，通过复合开拓了很多新领域，尤其在新材料的发展中更有其独特的作用。应用复合将两种或两种以上的材料或方法复合成新的材料或产品，该材料或产品较原组分或方法单一制造有较多的有点，赋予材料或产品很多新的特性和功能。

通过大量的生产调研及分析底布退绕产生褶皱的问题，设计出一种底布退绕架，通过对张力的控制最终解决问题。

1.复合退绕架设计的概述

1942年，美国一家公司生产了数千码与传统纺织原理和工艺截然不同的新型布品，它不经过纺，也不进过织，而是用化学复合法生产的。

2.影响针刺非织造复合的主要因素

在针刺非织造复合中所考虑的主要参数有：复合时间，基材的表面形象，产品克重等。在这里主要针对这三个参数进行论述其对复合质量的影响。复合速度对针刺非织造产品的影响非常大，在同种材料其他复合条件不变的情况下，随着复合时间的增长伴随着刺针穿刺的次数也就越多，当达到一定次数时会造成纤维被刺段因而影响复合后的效果及其复合强度。表面形象对复合质量有重要的影响，在相同的非织造复合条件下，使用表面粗糙的基材可以获得比表面细腻的基材获得更高的复合强度。产品克重对复合强度的影响也是非常巨大的，产品越重其复合强度越高，产品越轻其复合强度越轻。这是由于纤维的特性造成的。

3.针刺非织造用复合退绕系统总体机构

在非织造布不断发展的今天，各种非织造布产品和非织造加工设备层出不穷，非织造产品用途极为广泛，产品涉及到建筑、水利、公路、铁路运输、农业、汽车、滤材、鞋革等等各个领域，尤其在产业用领域，其前景更为广阔，主要是针对针刺非织造复合工艺设计的退绕系统，能够实现对两种基材的平整复合穿刺。

3.1研究的技术路线

针对非织造布和针刺复合的特点，运用现代设计方法，采用CAD、ADAMS、Pro/E等软件，仿真模拟复合退绕系统的整机设计需要，在此基础上制造出能完成针刺非织造布与其他基材复合的机器。然后通过实际应用从而确定机器的可行性，实施工艺方面的研究形成工艺要求。

3.2针刺非织造复合的技术要求

机械部分的功能要求是：能够通过设计的机器上实现非织造布与其他基材的复合功能，能依据实际需要调节直径变化所引起的同步传向问题；用设计的设备能够满足不同幅宽，不同厚度，和不同分子材料的非织造复合。

控制部分的要求是采用变频器控制电机传动，能够实现放卷恒定张力的控制。

3.3针刺非织造用复合退绕系统的工作原理

当针刺机运行时，基材通过针刺罗拉的压力与针刺布一同经过多台针刺机的穿刺，最终达到一定规格、具备一定物理性能的非织造复合布。

3.4针刺非织造用退卷机的总体结构

该退卷机主要包括两个部分的设计，即机械传动设计和控制部分。

总体要求是在复合过程中保证非织造布与基材的平整复合，能根据基材直径的变化调整放卷的张力问题。

针刺非织造用退卷机的机械部分主要包括放卷机构、张力辊机构、摩擦机构。

控制部分主要是控制器，通过变频器调整放卷速度。

3.5退绕系统的特点

在针刺复合过程中，目前国内还没有一套的退绕系统，都是用简单的架子固定基材，只能对一些普通的基材进行加工，且换卷麻烦，基本上都要将生产线停下才能换基材，严重影响生产效率。而本文所设计的退绕系统能够满足生产线的连续性生产，极大的提高生产效率。另外只要配备两台放卷机加一套张力辊就完全能满足大多数针刺无纺布企业4.0m宽幅大线，能够很好的进行双幅生产，同时保证品质。

3.6退绕系统缺陷分析

在试验生产过程中对目前针刺复合使用的絕大多数原材料（针刺非织造原料、基材）都进行了测试，虽然绝大多数的参数状态下都能达到工艺的最佳状态，但是对于小部分特种纤维还是不是很理想。这个主要是由于以一些特种纤维的静电大造成经过张力辊时基材褶皱，因此后期可以对张力辊的材质进行调整，调整为碳素辊。

4.退卷系统的张力控制计算

复合革基布在连续生产过程中基材退卷后必须在张力之下运行，张力的最基本作用是保证基材的正常运行，使基材尽可能沿着生产线的中心线运行而不致因走偏而造成边部刮伤甚至基材断裂；同时，纠偏辊也只有在张力足够的条件下才能够起到纠偏的作用。基材张力值的建立，是依靠退卷架的张力控制即张力辊实现的。

4.1退绕架退卷张力控制的建模

退卷过程是一个动态时变过程，建立张力数学模型

4.1.1恒速运行时的张力建模

根据传动结构中的受力关系，建立动态平衡方程

为突出问题，先不考虑动态力矩，认为恒速退卷时等式右边的第三项即动态力矩为零。M机一般也不大，也暂时略去

可见，在稳定运行过程中，张力的控制可以使电机输出相应的制动电流来实现。

4.1.2动态补偿

前面对退卷张力控制的讨论只考虑在稳速状态下的情况，在实际运行中常有加、减速的需要，如果单靠张力调节器进行调节，可能会因调节不急而使基材断裂。动态补偿，通常就是在

前面我们分析间接张力控制，为了突出主要矛盾，我们忽略了右边的第三部分，即动态力矩：

这样就把加减速过程中需要补偿的动态力矩计算出来了，并且把它转变成实际应给电机补偿的动态电枢电流计算出来。在退卷辊的控制中，退卷辊电机会用到弱磁调速，即值是个变值，相应的动态补偿电流也应随着变化

还应注意，式（5）第二项为卷径D的变化产生的动态转矩，这部分动态转矩不但在减速过程中存在，而且在稳定速度工作时也存在，在线速度一定的情况下，本项为在退卷过程中，卷径D逐渐减小，为负值，

所以整个这一项为正值，表明它要维持原来的转速，使之不能立即变化，这就导致了张力的增大。补偿的方法是使电枢电流减小些。这一项一般不大，为使控制系统不过于复杂，一般不给补偿。

根据上式，加速过程中为了保持张力不变，电磁转矩中应该附加负的动态转矩M动态，以补偿需要放出的能量；在减速时，为了保持张力不变，应该附加正的动态转矩，以补偿据绕机构惯性所需要吸收的能量。

如系统配置了PLC，则动态补偿就很容易实现，只需把动态补偿曲线计算出来存入PLC，并判断是否有升降速，是升速还是降速，然后给予相应的补偿即可。

4.1.3退卷张力控制的具体实现

不检测退卷张力的大小，只对张力主要扰动量进行补偿，间接的达到退卷张力恒控制目的。

在退卷张力控制中，主要的扰动有两个：退卷原直径和退卷辊电机的励磁磁通，这是因为在退卷过程中，退卷直径的变化和弱磁点以后磁通的变化都会影响退卷张力，退卷电机的制动力矩则要根据这些扰动计算退卷制动转矩，最终得出制动电枢电流。并利用装置本身的组态控制退卷辊电机，使它输出该转矩以保证张力基布恒定。

这样处理的好处有三个：

（1）基材退卷时有一定的张力；

（2）引好布后达到运行位最初时，退卷辊有缓慢向方向运行的趋势，使得布幅在启动时有个启动张力，这样不至于使基材承受冲击张力而造成断布。

（3）在正常运行时，对退卷辊的电机转速不进行可以的控制，而只控制电机电枢电流，是的电机的制动转矩达到保持张力给定值所需的值，实现对运行时的张力控制。这样做计算简单而且控制较精确。

这种控制方法的特点是投资少，控制简单且较易稳定。

4.2张力辊的设计及其计算

张力辊是针刺复合过程中重要的设备组成单元。如何正确的获得精确的张力值及张力变化规律，更好的控制张力，使整个机组的张力得到合理匹配，对提高产品质量，降低机组的能耗有着重要的意义。因此张力辊的设计对机组的连续运行显得尤为重要。

4.2.1张力辊几何参数及材质确定

张力辊几何参数和材质确定主要是辊径和辊身长度的确定以及表面材质的选定。为了防止基材产变形而造成复合质量不合格，张力辊辊径确定以基材包绕在张力辊上不产生塑性弯曲变形为原则，即是以基材绕过张力辊的弯矩小于等于基材弹性极限弯矩为准则计算辊径。由此，得出张力辊径计算公式：

式中D为张力辊辊径：m；E为基材弹性模量：MPa；hmax为基材最大厚度：m； s为基材屈服极限：MPa式（9）表明，张力輥辊径取决与基材的弹性模量、屈服极限和最大厚度，但实际中并不是辊径越大越好，设计时会综合考虑各种因素选择合适的辊径。

辊身长度根据实际工作宽度确定，这里由于针刺机的工作宽度为4m，因此辊身长度也选择为4m。

张力辊表面包覆材质为聚氨酯橡胶，以增加棍子与基材之间的摩擦力，同时避免基材表面产生擦伤、印痕。

4.2.2张力放大系数计算

基材包绕在张力辊上，在包绕接触产生摩擦力，使张力辊入口出口战力按某种规律变化，以此改变机组张力值。当张力辊处于“电动”状态，即出口张力T出小于入口张力T入，如图2-3所示，根据欧拉公式可得：

其中：μ为辊子与基材之间的摩擦系数，其随辊面材质的取值不同而不同，钢棍取值0.15～0.18，包胶辊取值为0.18～0.28，α为基材在辊子上的包角，由于基材具有一定的刚性，张力辊出口和入口处的包角α，小于理论包角α，实际计算中一般α，取值0.8～0.9。在这里我们取μ为0.18，α，为0.85α。则每经过一根张力辊，张力放大系数可表示为：

k=eμα‘ （式11）

4.2.3张力辊辊数的确定

张力辊的辊数是根据出口张力和入口张力最大比值确定的，即根据张力递增倍数的最大值kmax确定张力辊辊数

其中T出i和T入i表示第i种工况下的出口张力，m为总工况数。

若1

若k

若k2

以此类推，若kn-1

4.2.4张力辊功率分配及张力计算

在张力放大系数以及张力辊辊数已经计算的前提下，如何合理分配张力辊组数内各辊的功率十分重要。通常采用下面两种分配方案：

（1）根据每根张力辊所能承载的最大张力递增倍数进行分配，即按照张力放大系数k进行分配。

（2）根据最大张力递增倍数kmax对每个张力辊进行均分，即每个张力辊的放大倍数均小于等于k。

方案（1）可以为系统提供较大的张力放大倍数，为生产操作提供便利，但由于每个张力辊所能承载的张力放大系数较大，会是系统较早出现打滑现象、提前进行辊面重磨，缩短辊子寿命；方案（2）中每个张力辊所承载的张力放大写书较小，可以减缓系统打滑的的时间，延长辊子寿命。因此，设计中我们一般采用第二种方案进行张力辊功率分配。

确定了张力分配方案和每辊的张力放大系数后，可以逐次计算出每根辊之间的张力值。

4.2.5张力辊功率计算、力矩校核

张力辊所需的传动功率主要由3个方面组成：（1）张力放大所需的功率w1，（2）轴承摩擦损耗功率w2，（3）基材弯曲变形损耗功率w3。

若张力辊出口和入口的张力差为，转角速度为ω（rad/s），直径为D（m），张力辊所受合力为T合（N），基材运行速度为ν（m/s），基材厚度和宽度分别为b（m）和h（m），基材的屈服极限为σs（Mpa），张力辊轴承处的摩擦系数为f，传动系统功率为η。计算推导所需额各功率可表达为：

则张力辊所需要的传动功率W（w）为各功率损耗之和，即：

其中，张力辊所受合力T合为基材张力、张力辊自重的合力，在实际计算中，通常以张力辊出口张力和入口张力的数值和简化代替。

所设计的两根张力辊为例，分析张力辊功率计算。张力辊处于“电动”工作状态，入口张力T3大于出口张力T1，1#辊和2#辊之间的张力为T2

根据张力辊功率分配方案（2），可得实际每根辊的张力放大系数为：

则有：

根据式13可得，1#张力辊的张力放大所需功率W11、轴承摩擦损耗功率W12、基材弯曲变形损耗功率W13分别为：

则1#张力辊所需的传动功率为：

同理，2#张力辊的张力放大所需功率W21，轴承摩擦损耗功率W22、基材弯曲变形损耗功率W23分别为：