雙搖桿導向型針刺機的性能特點

鞠永農 柳紅春 (儀征市海潤紡織機械有限公司，儀征，211400)

針刺非織造技術具有加工工藝相對簡單、設備組合靈活、產品類型多等優點，其產品被廣泛應用在土工材料、汽車用紡織品、過濾材料、防護增強材料等領域。隨著針刺技術和工藝的不斷突破，針刺非織造產品將在更多領域得到應用和推廣，促使國產針刺機向更高的技術層次發展。國產針刺機的技術借鑒了國外成熟機型的技術和經驗，經過幾十年的改進，國產機型的技術和制造都達到了一定的水平，但超高速針刺機的制造經驗有待積累。雙搖桿導向型針刺機具有獨特的定位導向機構和主傳動機構，是國產超高速針刺機的發展機型之一。

1 針刺機技術現狀

1.1 國產設備現狀

雙搖桿導向型針刺機于上世紀80年代開始引入國內，多數為Dilo公司的針刺設備。雙搖桿導向型針刺機與主軸箱式針刺機的不同之處在于主傳動機構和針梁往復運動的導向機構。國產針刺機針梁的上下運動通常是采用推桿與導向套組合的滑套式結構，而雙搖桿導向機構是采用雙扇形圓弧齒和齒條的組合來限位導向的。國內設備制造商將這類機型推向市場是在2000年之后，盡管有的設備制造商將針梁的導向機構作了局部改變，但其原理仍然是雙搖桿導向機構原理的衍生。目前動程大于30 mm的國產針刺機的最高針刺頻率普遍在1 500刺/min以下，在實際的生產運行中高于1 000刺/min的生產線也極少。

由于雙搖桿導向機構具有獨特的技術優點，引起了國內針刺機使用商的極大關注。近年來，資金雄厚的設備使用商引進了不少更加先進的高速針刺機，多數是Dilo公司的產品，包括四板同位對刺機型和橢圓形運動針跡針刺機。目前國內有幾家針刺機制造商也已陸續推出這類機型，以滿足市場的需求，但受到材料、加工精度和制造工藝等因素的影響，制造針刺頻率超過1 500刺/min的針刺機還需時日。

1.2 先進技術

現代針刺機的針刺頻率不斷提高，尤其國外先進針刺機的針刺頻率已經超過3 000刺/min，其特點是參與針刺運動的零件采用了高強度的輕質材料，如碳素纖維復合材料［1］。另外，更加先進的橢圓形運動針跡針刺機得到迅速推廣，其針刺頻率超過2 000刺/min，近幾年國內引進了不少這類機型。該類機型的主要特點是針板、橫梁由另外一個偏心機構驅動，刺針不再單純地作垂直方向運動，而是在縱向的平面內作垂直與水平方向的二維運動，其軌跡由一條直線轉變成近似于橢圓形狀。水平向的移動距離是為了對應纖網的步進量，在時空上能與其很好地配合，從而顯著減少纖網的拉伸，實現針刺產品優質高產。該機型的針刺機構必須采用Dilo公司的開放式主傳動機構，不能使用主軸箱式針刺機構，因為主軸箱式針刺機的推桿受到銅套的制約，針板只能作垂直方向運動。

2 雙搖桿導向型針刺機的特點

雙搖桿導向型針刺機的部件構成與其他類型的針刺機相同，也包括主傳動、針刺、輸入輸出、托網、剝網、機架以及電氣控制等。主傳動機構和針梁導向機構是設備的技術核心，雙搖桿導向型針刺機的技術特點就在于這部分具有獨特的機構設計。

雙搖桿導向型針刺機的主傳動機構由分動箱帶動兩根平行的主軸，兩根主軸的轉動方向相反，且相位差為180°。主軸上的偏心輪驅動連桿、針梁和針板，作上下往復運動。獨特之處在于由雙曲柄、雙連桿、偏心輪軸、配重輪和軸承座等組成一個獨立的單元，整個機構的零件采用對稱分布的結構形式，滿足了力學要求和設備的需要。針梁導向機構同樣采用了機構對稱布置的雙搖桿導向機構，即當針梁作高速往復運動時，搖桿上的扇形圓弧齒與固定在機架上的齒條嚙合，完成定位導向。

雙搖桿導向型針刺機相對于傳統的推桿和滑動軸套機構的機型，其優點是傳動平穩、振動較小、針刺頻率較高，有利于寬幅機型的發展。主軸箱式針刺機采用連桿與滑動軸套結構，因滑動摩擦更容易出現磨損、發熱和易漏油等問題，不利于提升針刺頻率和提高生產率，且漏油會污染產品，影響針刺產品的質量。

3 雙搖桿導向型針刺機獨特的機構和系統

3.1 主傳動機構

雙搖桿導向型針刺機的傳動機構是一種能夠承受高速針刺機載荷且受力分布合理的新型雙主軸傳動機構，重新設計了軸承座、連桿、偏心輪和配重輪在主軸上的位置，通過分動箱將兩根完全相同的偏心輪軸組合為一個整體，目的是使兩個主軸以等速旋轉且轉向相反，以保持高速平衡。雙搖桿導向型針刺機的主傳動機構不同于主軸箱式的形式。由圖1可以看出，由連桿、配重輪、軸承座和偏心輪軸構成一個獨立的偏心單元，可以根據門幅要求來確定該單元的數量;連桿的兩側各有一個軸承座來支撐連桿，配重輪分布在軸承座的外側，通過受力分析不難發現，該零件組合更加合理，更利于連桿的旋轉穩定。整個主傳動單元包裹在機架內，并將針刺機的傳動區域與針刺區域隔離，兩者通過固定在機架上的薄膜密封，使纖網塵屑不能穿過，旋轉軸承上的潤滑油脂也不會泄漏到針刺區域。

圖1 主傳動機構示意

機構在運動過程中，除受外載荷的作用外，還受到其各構件在運動狀態下產生的慣性載荷。該慣性載荷隨著機構轉速的提高而迅速增加，在高速機構中其作用已經遠遠超過了外載荷。隨機構運轉而時刻變化的慣性載荷不僅會增大運動副內的摩擦，增加構件內應力和降低機構生產效率，而且還是導致機器出現振動、疲勞等現象的主要因素，其結果就會惡化機構的運動和動力性能。機構平衡實際上就是設法平衡構件的慣性載荷，以消除或降低慣性載荷造成的不利影響。新型雙軸傳動機構的雙軸平行對轉設計就是利用了對稱式的平衡原理，很好地解決了水平方向的慣性載荷。

新型雙軸傳動機構的顯著優點有:①模塊化設計，可以減少或增加連桿的配置數量;②增加了主軸軸承座的數量，可以使主軸能承受更大的交變載荷;③連桿大頭端的軸承采用承受力更大的滾柱軸承，有利于針刺頻率的提升;④重新設計軸承座、連桿和配重輪的位置，便于提高和保障加工與安裝的精度，也有利于針刺頻率的進一步提升;⑤偏心單元小巧輕盈，經過長期使用后若必須更換，所需時間很短。

3.2 雙搖桿導向機構

雙搖桿導向機構是本機型的技術特色，該機構改變了原有導向套式的定位方法，用阻力較小的滾動摩擦副替代了滑動摩擦副，示于圖2。雙搖桿導向機構的顯著特點體現在一個“雙”字上，雙搖桿導向機構的組成必須是雙主軸、雙連桿、雙搖桿，而針梁(即針板數)可雙可單?！半p零件”巧妙地運用了對稱式的平衡原理，使針刺機水平方向的力互相抵消，減少了設備的左右晃動。雙主軸傳動機構保證了下面的雙搖桿定位導向的可行性和科學性［2］。雙搖桿導向機構主要零件包括連桿、齒條座、橡膠套、搖桿、針梁、針梁座、針板、齒輪塊和齒條塊等。連桿、搖桿和針梁座等通過連桿銷連接，齒輪塊固定在搖桿末端，齒條塊固定在齒條座上，齒條座固定在機架上，齒條塊和齒輪塊的潤滑脂用橡膠套封閉;搖桿末端帶有圓弧，且齒輪塊的節度圓與搖桿末端圓弧的半徑一致，都與連桿銷的中心重合，而齒條座固定齒條塊的兩側設計有平臺，平臺的高度與固定的齒條的節線重合，因而由齒輪塊和齒條塊，以及搖桿與齒條座組成了雙定位形式。由于齒條座固定，所以搖桿和齒輪塊就能沿齒條和齒條座平臺作上下運動，保證了針板運動的穩定與可靠。圖3是圖2中A－A的剖視圖，可以看到正是搖桿末端和齒條座的獨特設計解決了機器軸向的定位問題。搖桿的左右兩側被齒條座的凹形結構卡主，也就是把搖桿另一端同在一銷軸上的針梁座在軸向的位移限住，使固定針梁的針梁座只有上下的方向是自由的，這正是設備所需要的。

圖2 雙搖桿導向機構示意

圖3 雙搖桿導向機構A－A的剖視示意圖

雙搖桿導向機構的顯著優點是:①橡膠套將扇形齒塊和齒條塊的潤滑脂密封起來，杜絕了漏油現象;②當扇形齒塊和齒條處相關摩擦片有磨損時，只需調整齒條座位置就能滿足匹配要求;③兩側對稱的滾動導向方式，減少了摩擦因數，使針刺機有進一步提升針刺頻率的空間;④扇形齒塊和齒條的連接為滾動接觸，接觸面積小，運動產生的噪音小;⑤相關零件結構簡單，有利于應用新材料，以提高針刺頻率。

3.3 風冷系統

由于主傳動機構是開放式的，相關的軸承不能采用潤滑油來潤滑，否則會出現漏油問題，所以本機構采用潤滑脂潤滑的方式。主軸軸承和連桿大頭的軸承轉速高、受力大，因摩擦產生的熱量也大，為了排除摩擦熱量，確保相關零件和軸承在較高甚至最高的沖程頻率下，溫度保持在最低水平，設備在連桿大頭水平方向的機架上配備了一對小風機，利用流動的冷空氣帶走相關零件和軸承的熱量。

主傳動機構的針刺機，當針刺頻率小于1 000刺/min時，通常不需要配備風冷系統。風冷系統是為高速或超高速針刺機服務的，目的是保障相關軸承的正常工作狀態。

3.4 潤滑系統

潤滑系統也是為主傳動機構服務的。主軸的轉速越高，軸承因摩擦產生的熱量越大，給軸承潤滑的潤滑脂的量必須相對準確。為此，設備配置了一個中央自動潤滑系統，負責給主軸軸承和偏心輪軸承供油，來控制潤滑脂的加入量和相隔時間。該自動潤滑系統設有保險備用供應，潤滑周期和間隔時間都由一個可編程邏輯控制器控制，給油量和對個別軸承的分配及油箱的潤滑油供應都以機電方式控制。

針刺機的其他軸承若非得到自動供油，就是受到終身潤滑，所以根本不需要人工經常加油，只要不時檢查其狀況即可。

3.5 其他重要構件

(1)機架，尤其是固定主傳動機構的機架，其設計必須保證機加工的精度滿足設備的技術要求，這關系到雙搖桿導向機構在安裝時的基準，直接影響到設備的運行頻率。針刺機的機架一般由鋼板焊接而成，必須作去除焊接應力的工藝處理。機架屬于大型焊接件，在機加工時需要摸索，不斷積累經驗，將設計和機加工的需要統一起來，只有滿足設計要求才能使機架能夠達到其相應的載荷要求。此外，針刺機構是針刺機中慣性較大、耗能較多的部分，機構運動產生的周期性慣性力和慣性力矩通過軸承作用到機架上，會引起針刺機的振動。針刺機的機架體積相對較大，加工需要大型機床，精度不好控制，所以要求機架的設計在保障設備承載力的前提下，整體結構要簡單，易于加工，便于零部件的安裝。

(2)針梁，通常由鋼質結構件制成，質量比較大，運動時會產生很大的慣性，從而嚴重影響針刺機構的平穩性和高速性能。目前有些針梁已由高強度、抗彎和抗扭性能較好的輕合金材料制成，為了滿足針刺機高速運轉的要求，有的甚至還選用高強度、輕質的碳纖維復合增強材料來制作針梁。針梁的輕量化是其未來的發展方向。

4 結語

當前我國針刺行業期望使用高效、操作連續性好的技術先進的針刺機，也要求設備可靠耐用、操作和維護簡單方便。國產針刺機經過近30年的發展，制造技術達到了一定的水平，但超高速機型的技術發展緩慢，其中主傳動軸承的質量、關鍵零件的材料和加工精度、安裝工藝等都是制約針刺機性能和質量的重要因素。隨著國產針刺機的出口和先進針刺機的引進，相互間的技術交流為國產超高速針刺機積累了技術和經驗。機型的發展可以引進國外的先進技術，如同位對刺機、橢圓軌跡針刺機等，雙搖桿導向型針刺機的主傳動機構和針刺機構正是橢圓軌跡針刺機所需要的機構。因此，雙搖桿導向型針刺機會成為國產針刺設備發展和轉型的亮點。

［1］葉奕梁譯.針刺非織造生產東山再起［J］.非織造布，2011(6):39-40.

［2］機械設計手冊聯合編寫組.機械設計手冊(中冊)［M］.北京:化學工業出版社，1987:35.