一種劍桿織機劍帶冷卻裝置的設計

董 明

（廣東豐凱機械股份有限公司，廣東 佛山 528300）

劍帶冷卻裝置是劍桿織機的一重要組成部分，劍帶在使用過程中由于高速運行的劍帶摩擦所產生的持續不斷的摩擦力，造成了劍帶及相關零部件的溫升。劍帶冷卻裝置主要作用就是降低摩擦所產生的溫度以達到延長劍帶及相關零部件使用壽命的目的。

目前劍桿織機在我國紡織業的應用越來越普遍，并且越高檔的劍桿織機越趨向于高速化。然而，隨著織造速度的不斷提升，其織機的易損件的使用壽命也在大幅度降低，從而導致織造成本增加。傳統的劍帶冷卻裝置在劍帶運行過程中都是直接接觸高速運行的劍帶，這就造成了劍帶冷卻裝置的不斷磨損，當持續一段時間后磨損部位會形成表面不平及產生尖點的狀況，劍帶運行過程中會出現滑擦及剝落情況，因此需要經常檢查及更換此零件。

本文主要介紹了劍帶冷卻裝置設計的幾種新方案，以及對提高零件耐磨性、降低溫升、提升易損件的使用壽命等幾方面進行了分析探討。

1 劍桿織機劍帶運動

如圖1所示，劍帶包含劍頭是由傳劍輪7帶動，在筘座上固定的導鉤中往復運行，當去程時由劍頭及劍帶在導軌1中滑動向前推進，則劍帶分別通過了劍庫12，吹吸風部件11，冷卻塊8，劍帶護圈6，冷卻塊5以及潤滑蠟塊4。當劍頭回程時由劍帶帶著劍頭反向重復以上步驟，劍帶退回到劍庫中，劍頭退到導軌1內。

圖1 劍帶運動簡圖

2 劍桿織機的劍帶及冷卻塊產生溫升的原因

如圖2所示，當去程時由劍頭及劍帶在導軌1中滑動向前推進，則劍帶在導軌區近似呈自由狀態受力較簡單，這個過程劍帶是在劍頭和劍帶輪齒支點之間懸空，基本不會在導軌內各個面摩擦。因此，不會有熱量的產生。但劍帶在傳劍輪上呈彎曲狀態時，劍帶內側和外側會受到較大的彎曲應力，尤其是劍帶在由冷卻塊4進入劍帶護圈5的過程，劍帶產生形變的最大處是在這兩者之間，而在圖2所示A點處劍帶上表面就會接觸到冷卻塊4下表面，由于此點上存在摩擦力，加上織機是高速運行，就會產生很高的溫度，并將劍帶的溫度傳導到冷卻塊4上面，由冷卻塊4進行散熱。當劍帶在劍帶護圈5和冷卻塊6之間的時候，又是一個形變的過程，這時將會在C處產生一個接觸點，與在A點相同產生大量的熱；劍帶繼續運行，當劍帶運行到劍庫10時，因為劍帶末端沒有了支撐，形成了自由狀態，受到了劍帶本身重量以及部分張力的作用，使劍帶和劍庫10之間大面積摩擦，從而有大量的熱產生。理想狀態下，不可避免地產生摩擦的三個區域為A點、C點和D區域。但是，實際零件加工過程中，受機床精度、加工工藝以及材料本身性質的影響，會造成誤差，這就有可能導致在B區域劍帶護圈5上面造成劍帶和護圈之間的摩擦，這也可能是造成溫升的一個區域。

對于這幾處的溫升處理，設計之初考慮到劍帶一般是由很好的材料制成 （一般都會選擇碳纖維），其最大的特點是耐磨，包括較好的柔韌性和受熱后較小的變形。而整個織造過程中，劍帶是持續高速運動，雖然和幾個點或者區域都存在摩擦，但是由于高速運動過程中帶動的空氣流動，而且一般織造環境都對濕度和環境溫度有要求，所以劍帶的溫升完全可以通過風冷達到劍帶本身降溫的效果[1]。因此實際上需要考慮的是A、C兩點和B、D兩個區域的溫度。

圖2 劍帶各發熱點示意圖

3 劍桿織機的劍帶冷卻裝置

在整機設計完成后，試驗及小批量生產過程中總是存在冷卻塊不斷被磨損的情況，當機器運行了一個月甚至更短時間就出現冷卻塊磨損嚴重的情況。設計冷卻塊材料為45鋼，表面鍍Cr，由于機器速度很高故磨損嚴重。隨后，又更改為材料45鋼、表面鍍Ni-P，發現情況明顯好轉，但是當運行了3個月以后，冷卻快又出現了嚴重磨損的情況，由于冷卻塊必須整個零件表面都鍍上Ni-P，而且鍍層要達到一定的厚度，冷卻塊磨損后整個零件只能報廢處理。同時冷卻塊的散熱性不是很好，使用過程中其表面溫度很高，所以既增加了成本又無從根本上解決問題。

基于以上存在的問題，經過查閱資料以及多次試驗，我們做出了以下幾種方案。

3.1 AZ31B鎂合金鍍Ni-P

首先選用了AZ31B鎂合金為材料，進行了鍍Ni-P，得到的零件表面致密、均勻、光亮、無缺陷，質量較輕并具有良好的散熱性能[2]，在試驗過程中，通過機器連續工作時跟蹤記錄結果 （見表1）所示最高溫度不超過45℃，是比較理想的選用材料。雖然其使用壽命可以延續到4～6個月，但由于材料造價較高而且鍍層較為昂貴，存在成本較高、需要不斷更換的問題。

表1 AZ31B鎂合金冷卻塊溫升跟蹤表

3.2 新結構的運用

經過不斷的跟蹤，設計成可拆卸結構的冷卻塊。

圖3 可拆卸冷卻塊結構

如圖3所示，該冷卻塊結構由冷卻塊基體3和冷卻塊壓板2兩部分組成，并由沉頭螺釘1緊固。首先采用了市面上最常見的鋁合金材料作為冷卻塊基體，達到快速散熱的效果，其次冷卻塊壓板2采用了45鋼，表面鍍Ni-P，由于零件面積減小了很多，所以鍍層成本也大幅降低。織機工作過程中，在冷卻塊壓板2上產生的熱量可以快速地傳導到冷卻塊基體3上，并通過鋁合金材料的冷卻塊基體散熱，而且當冷卻塊壓板2磨損時，只需拆卸更換壓板即可，不用報廢整個基體，從而大幅度降低了易損件成本[3]。通過機器連續工作時跟蹤記錄結果（見表2）所示，其溫升也不會超過45℃。

表2 可拆卸冷卻塊溫升跟蹤表

3.3 陶瓷涂層的運用

經過不斷的查閱文獻資料，發現現階段比較新型的涂層技術是陶瓷涂層技術。試驗依然選用了鋁合金為材料，表面進行了鍍陶瓷工藝，得到的零件表面致密、均勻而且質量較輕并具有良好的散熱性能[4]。在試驗過程中，通過機器連續工作時跟蹤記錄結果 （見表3）所示，其最高溫度依然不超過45℃。該冷卻塊顯著的優點是其使用壽命可延續到24～36個月，經過零件的對稱設計，當下層有所磨損的時候可拆下，翻轉上層涂層到下面，繼續使用上表面未使用過的涂層，其使用壽命在原有基礎上又翻一倍，達到4～6年。

表3 陶瓷涂層冷卻塊溫升跟蹤表

對比以上幾種設計方案，從使用壽命及調試成本綜合考慮，冷卻裝置以鋁合金為材料，表面采用陶瓷涂層，設計成可拆卸結構，效果較佳，可極大地降低物料和人力成本，而且贏得了客戶的良好贊譽。

4 新型納米涂層在紡織機械上應用的展望

因為納米材料本身具有許多獨特的性質，近年來隨著納米材料的研究內涵不斷擴大，應用前景十分廣闊。納米材料科學涉及面廣，包括原子物理凝聚態物理，液態化學，化學反應動力學和表面、界面科學等眾多學科。納米技術在實際應用和理論研究方面都是有極大的價值，成為近年材料科學研究的熱點，被認為是“21世紀最有前途的科學之一”[5]。制備納米復合材料是獲得高性能材料的有效方法之一，這也為熱噴涂納米涂層的發展提供了難得的契機。初步研究結果表明：納米結構涂層具有取代現有涂層的潛力，在高性能應用方面，如高耐應，抗腐蝕，長壽命熱障涂層等，它都有著令人難以想象的潛力。

隨著納米涂層研究開發與應用的不斷深入，關于納米涂層制備，表征反應應用的研究成為熱噴涂技術重點的發展方向，研究內容涉及涂層的強度，韌性，抗腐蝕，耐磨，熱障抗疲勞摩擦等各方面，初步結果表明，納米涂層性能與常規微米涂層相比有了顯著提高，這將有力地推動納米涂層技術的發展。

紡織機械上存在著較多的需要有耐磨高強度的零件，如果納米涂層技術成熟，那將伴隨著紡織機械易損件成本下降，性能大幅度提升。

[1] 夏金國，李金海.織造機械 ［M].北京：中國紡織出版社，2001.

[2] 蔡永東.新型織機設備與工藝 ［M].上海：東華大學出版社，2003.

[3] 成大仙.機械設計手冊 ［M].4版.北京：化學工業出版社，2004.

[4] 鄧世均.高性能陶瓷涂層 ［M].北京：化學工業出版社，2004.

[5] 霍洪媛 .納米材料 ［M].北京：中國水利水電出版社，2010.