粘胶纤维牵伸机的设计与运行分析

郑丽娜

(唐山三友集团兴达化纤有限公司，河北 唐山 063305)

0 引言

牵伸机是化纤生产中的重要设备，在我国粘胶纤维生产中已有近60年的历史，其制造工艺较为成熟，各种化纤产品的理化性能在现有的生产流程和设备布置、电气控制中也较为理想[1-3]。笔者对粘胶短纤维牵伸机辊体设计、牵伸力、运行状态等进行分析，以优化牵伸机制造工艺、设备设计、电仪配合，满足多品种粘胶纤维制造工艺需求。

1 牵伸机辊体设计

1.1 辊体绕丝机理分析

纤维卷绕在牵伸机辊体上是生产中的常见问题，简称辊体绕丝，在开车生头时更易发生。辊体绕丝会导致纤维浪费，更严重的是，割丝操作不安全，会引发电气跳停，甚至威胁操作工生产安全。所以，对辊体绕丝机理进行分析，对理解牵伸机辊体设计要求很有必要。

假设丝束在牵伸机拉伸过程中由于辊体刮伤、丝条有疵点等原因，有一微丝条断裂，其瞬时状态如图1所示。

图1 微丝条断裂瞬时状态示意

图1中，假设：

Q——断裂微丝条回弹力/N；

dF——辊面对微丝条的摩擦力/N；

dN——微丝条对辊面的反作用力/N；

dV——微丝条的长度/mm；

dW——微丝条对应中心角/rad。

在直角坐标系中，取x轴力的平衡式：

∑x=0

(1)

当dW很小时，二次微量可以略去，它的平衡方程为：

(2)

式中：

(3)

可得：

(4)

当被拉伸的纤维品种确定后，Q则为常量。

由图1所示图形的几何关系可得：

dV=rdW

(5)

由于粘胶纤维的牵伸速度一般为40 m/min～70 m/min，选定后，dV则为常量。

由式(4)和式(5)可知，若r减小，则dW变大，同时dN变大。所以，在相同工艺条件下，牵伸辊直径越小则产生绕辊的概率就越大，此结论和日常生产经验相符。

1.2 牵伸机辊体材料选择

牵伸机辊体最重要的设计难点是材料选择，要求材料耐硫酸腐蚀、抗刀具割伤，且刀具勾拉不产生火花等。

丝条拉伸张力的梯度变化和牵伸机辊体表面摩擦因数有关，而摩擦因数大小和辊体表面形状有关，辊体表面形状又与辊体材质以及表面处理方法密切相关。尽管60多年来，牵伸机在不断进行改进，但仍存在一些问题。常用牵伸机辊体材料存在的问题有：①花岗岩石磨面辊，刀具勾拉易产生火花；②金属骨架包硬胶辊，不抗刀具磨损，易勾伤；③ 环氧树脂基体辊，会发生老化起层，使用寿命短；④ 碳钢表面搪瓷辊，不抗敲打易掉瓷；⑤ 碳钢表面镀硬铬，表面摩擦因数小，镀层易剥落；⑥ 整体陶瓷辊，模具成型后加工困难，易破碎；⑦ 工程塑料(聚苯醚)注塑辊，不抗老化寿命短；⑧ 特种不锈钢辊(904L)，目前许多厂家在使用，但造价高。

1.3 牵伸机辊体直径确定

随着粘胶短纤维单线产能的提高，其丝束总旦数成倍增加。早在20世纪70年代，邯郸纺织机械厂制造的R382型集束机(牵伸机)单线年产5000 t，牵伸总旦数仅为200万D；之后单线产逐渐增长至8万t；发展至今，单线年产12万t，牵伸总旦数已高达1400万D，数值可观。牵伸机辊体直径也由集束机φ300 mm辊体直径发展至20世纪90年代由奥地利兰精集团(下文称“兰精”)引进的四辊牵伸机φ500 mm辊体直径，再到年产8万t的五辊体牵伸机φ600 mm辊体直径。12万t牵伸机辊体因电机座号增大，在保证丝束包角不小于180°的前提下，最终辊体直径设计为φ650 mm，单辊装机功率达到22 kW。

1.4 牵伸机辊体设计

在科技高速发展的今天，牵伸辊体直径的设计首先要满足生产用户需求，牵伸机辊体直径不宜过大，否则会给生产操作和检修带来诸多不便，增加使用成本。同时，当辊体材料选定后，要根据材料的性质设计合理的表面形状。实践经验表明，在辊体表面设计沟槽，不仅能增加辊体的摩擦因数，而且在发生绕辊时便于用勾刀割丝；但沟槽不宜设计太深，且不宜出现棱角锐口。

2 牵伸力和功率确定

2.1 丝束牵伸力的计算

牵伸机在化纤生产线上有2种作用，一是对分散的丝束进行整束，二是对丝束进行拉伸，使初生纤维截面具有一定张力，促使纤维分子整齐排列，从而使化纤产品具有适用的强力和平整度[4]。因此，必须对牵伸机辊体牵伸力进行理论分析和计算。

五辊牵伸机的丝束拉伸示意如图2所示。

图2 五辊牵伸机的丝束拉伸示意

2.1.1 理论计算

对牵伸机做出如下假设。

丝束包角α取整数，α=π/2，π，…(如：图2所示五辊牵伸机，第一个辊体丝束包角α约为π/2，第二、三、四辊体丝束包角α约为π)。

丝束摩擦因数f相同，均为0.13(通常取0.12～0.15)。

丝束拉伸符合欧拉公式，Fn+1=Fn/efα(e=2.718 28)。

按照普通粘胶短纤强度(约1克力/D，即0.01 N/D)，纤维拉伸系数为0.5，丝束总纤度按1000万D计算，则F0=0.01 N/D×1000万D×0.5=5万N，则一道五辊牵引力计算如下：

F1-1=50 000/e0.13π/2=40 769 N

(6)

F1-2=40 769/e0.13π=27 105 N

(7)

F1-3=27 105/e0.13π=18 021 N

(8)

F1-4=18 021/e0.13π=11 981 N

(9)

辊体扭矩为：

M=F·R=9550·P/n

(10)

式中：

M——辊体扭矩/(N·m)；

F——辊体对丝束拉力/N；

R——辊体半径/mm；

P——电机额定功率/W；

n——辊体转速/(r·min-1)。

设纺速v为70 m/min，辊体转速n为36 r/min，辊体直径D为600 mm，则估算五辊牵伸机最大功率Pmax相关计算为：

(11)

得：

Pmax=15.45 kW

(12)

2.1.2 实际测试

生产车间实测牵伸机纺速为70 m/min时的功率见表1。

表1 生产车间实测牵伸机纺速为70 m/min时的功率

2.1.3 实际测试

通过上述欧拉公式逐个计算出牵伸辊对纤维拉伸力，是同丝束在辊体上成比例减小的，则功率也是逐渐减小的；而在生产车间通过变频器实测出电机电流，据此计算出的功率却是无序的。两种结果完全不同，说明如下两个问题。

a) 生产在用的牵伸机辊体对丝束的拉伸力从前至后是不均匀的，产生的原因同辊体表面、电机转差率等因素有关。

b) 欧拉公式不适用丝束在牵伸辊上换位后，再进行拉伸张力的梯级联算，分析认为丝束在牵伸辊面上换位，其内外层丝束张力会发生弹性变化。

2.2 牵伸机传动型式的发展

粘胶短纤维最早使用的牵伸机前后均是三辊式，随着生产规模不断扩大，逐步发展为四辊、五辊式牵伸机。早在20世纪六七十年代，由于电气系统不发达，大都采用齿轮箱集中传动，如R382型集束机电机功率为17 kW，采用齿链式无级变速器调速，三级齿轮搭配，模数达M10，箱体庞大。

1993年由瑞士毛雷尔公司(下文称“毛雷尔”)和兰精公司引进了年产2万t生产线，牵伸机采用单辊液压或变频电机驱动，给生产控制和维修带来便利，这是科技进步的结果。唐山三友集团从兰精公司进口的牵伸机单辊变频功率只有11 kW，后来由于纺丝加锭扩产，变为四辊牵伸机，2组电机调整为13.5 kW，产能达到8万t的新线五辊牵伸机(单辊电机为18.5 kW)。

2.3 牵伸机布局和辊体数设置

20世纪90年代之前，国内粘胶短纤维厂采用的集束机辊体数均为3～4只，并在前后两机间设置二浴槽，用于对初生纤维拉伸和回收溶剂CS2。随着技术发展以及用户对产品质量和性能要求不断提高，因此，在粘胶短纤维生产中除了对牵伸机加大产能外，对前后牵伸机的设计以及牵伸辊的尺寸都进行了许多研究和改进。早在1993年～1995年，九江化 学纤维厂(现九江金源化纤有限公司)和唐山三友集团兴达化纤有限公司(下文称“唐山化纤”)先后引进了毛雷尔和兰精两条年产2万t的粘胶生产线，为我国国产化和更高产能的研究提供了可靠依据，其具有如下2个显著特点。

a) 兰精粘胶生产线的牵伸机为四辊机，前后两台牵伸机的辊体尺寸同为φ500 mm×420 mm，由于在纺丝机内设置了二浴槽，所以两台牵伸机紧密相连，中间辊体中心距只有0.8 m。

b) 毛雷尔粘胶生产线的牵伸机，前机为六辊，后机为四辊，辊体尺寸为φ600 mm×600 mm，纺丝机后设有10 m蒸汽浴，可生产高湿模量纤维；二浴槽设置在前后两台牵伸机中间，长度约15 m。

3 牵伸机运行状态分析

3.1 产品性能要求

由于唐山化纤年产能只有2万t，并且是普通粘胶短纤维，不要求生产高湿模量，只需要制造工艺设备能保证产品规格和质量要求即可，所以兰精为唐山化纤提供了四辊牵伸机。开车实测前机对丝束拉伸率为60%～63%，缓冲-2%～4%，经后牵伸机拉伸37%～43%，丝束经三辊牵引机截面张力完全消除后才进入水流式切断机。

3.2 牵伸机运行方式

兰精四辊牵伸机，单辊变频电机的驱动功率为11 kW，并且在每只辊端面设计有编码器，形成闭环控制以保证每个辊体转速恒定不变。当在辊体材质、尺寸、表面状态相同的情况下，牵伸机使用情况较为理想。然而在实际操作中并非如此，当发生绕丝绕辊时，辊体绕丝直径瞬间变大，对相邻辊上的丝束拉力也随之增大，如割丝操作不及时，绕丝辊电机则会跳停。处理后再重新启动又会产生许多新问题。问题产生机理简算见式(10)。

当纺速v为60 m/min，辊体转速n为38 r/min，运行操作分析如下：当牵伸机辊体绕丝时，辊径R增粗，辊体扭矩M增大(若F不变)，n会变小，电机功率增大(若v不变)，所以，当发生牵伸机辊体绕丝时，必须降速停机对绕丝问题进行处理。

4 结语

粘胶短纤维在中国虽已有近60年的生产历史，但由于用户对普通粘胶产品质量没有特殊要求，所以对牵伸机生产设备及工艺细节有所忽略。通过对粘胶短纤维生产用牵伸机辊体设计、牵伸力、运行状态等进行分析和计算，认为牵伸辊体不宜过大，否则会给生产操作和检修带来诸多不便。辊体材料选择时要具备耐酸碱腐蚀、抗刀具割伤和钩拉性能，并设计合理的表面形状。牵伸机采用四辊、五辊式，配合单辊液压或变频电机驱动使用，有利于生产控制和维修。生产中，当发生辊体绕丝问题时，应及时降速停机，今后还需科研机构进一步深入研究。