碳纖維原絲牽伸機的研制

遲玉斌 于素梅 徐 艷 朱延松

（江蘇鷹游紡機有限公司，江蘇連云港 222062）

1 牽伸機概述

牽伸機是貫穿碳纖維原絲紡絲全過程的一種必不可缺少的設備，其主要作用是在一定的條件下，在絲束軸向施以外力，把絲束中的單纖維拉細，提高取向度，使單纖維由低強、高伸的塑性狀態變為高強、低伸的彈性狀態。一臺牽伸機通常由5-9個牽伸輥組成一組，同一牽伸機組上的牽伸輥直徑相同、轉速相同，不同機組牽伸輥速度不同。前后兩道牽伸機構之間的絲束，因牽伸輥表面速度的差異而被拉伸，通常，我們將后一組牽伸機構牽伸輥與前一組牽伸機構牽伸輥表面速度之比稱為牽伸倍數。在碳纖維原絲的干噴濕紡紡絲工藝過程中，由于經過干燥致密化處理后的絲束在進行第二次牽伸時，牽伸倍數大（約3-5倍）、速度高（達350m/min），所需的牽伸力也很大，故必須對牽伸輥進行結構和受力分析。

2 牽伸機組的設計

2.1 牽伸機組類型的確定

由于碳纖維原絲絲束的牽伸是利用各道牽伸機的輥筒表面的線速度的增加來實現的，而拉伸過程中存在著打滑現象，因此，為了防止打滑，保持拉伸倍數的穩定，必須提高牽伸輥對絲束的握持力。增加輥筒數目、增加絲束在輥筒上的包角及在牽伸輥的上方或下方增加壓輥都是增加握持力的途徑。目前，我們采用的是七輥牽伸機，包角為180°。為了方便繞絲，牽伸輥通常為密封型單端固定輥，即通常所說的懸臂輥式牽伸機（如圖1所示）。

2.2 設計參數的確定

2.2.1 干噴濕紡是生產高性能碳纖維T700的一種新型紡絲方法。其基本的工藝流程為（原液從聚合來）→干噴濕紡紡絲機→水洗機→熱水牽伸機→上油機→干燥機→送料牽伸機→蒸汽牽伸箱→出料牽伸機→原絲卷繞機。

2.2.2 設計基礎

年生產能力：Q=5000 t/a

每天工作時間：t=24 h

工藝速度：V=350m/min

出料牽伸機進絲束張力為：110N/ktex

出料牽伸機出絲張力為：35 N/ktex

總牽伸倍數：3倍

牽伸輥輥面寬度：1600mm

牽伸輥直徑：φ370 mm

牽伸輥排列：上三下四（共七輥）

2.2.3 確定牽伸旦數

依據年生產能力Q可計算出日生產能力q=Q/N

式中N—年開車天數，取N=330

q= Q/N=5000/330=15t/d

資料［1］計算日生產能力公式

式中V—工藝速度，V=350m/min

d—牽伸旦數

η1—機臺開車率，取η1=90%

η2—纖維收縮率，取η1=5%

T—每天工作時間，T=24h

2.3 主要零部件的設計

2.3.1 主機部件

包括傳動箱體、傳動軸、牽伸輥、齒輪等。

2.3.1.1 傳動箱體

根據輥筒寬度確定箱體寬度，根據纖維工藝要求和輥筒排列尺寸確定箱體長度，根據絲束進出高度確定箱體高度。

箱體材料采用鋼板焊接，設有油標、放油螺塞，箱體留有熱油循環的進出口，箱體后蓋板為有機玻璃板，便于觀察。

2.3.1.2 傳動軸：將動力傳遞至箱體內。傳動齒輪與牽伸輥軸上齒輪有固定的傳動比。

2.3.1.3 牽伸輥組件的設計和受力分析

2.3.1.3.1 牽伸輥組件結構：牽伸輥多為懸臂式，也有采用雙支承式的，由于絲束紡速高達350m/min，考慮到實際操作和使用方便，選用懸臂式，通過雙列向心球面滾子軸承固定在箱體上（如圖2所示）。

圖2 牽伸困部結構圖

2.3.1.3.2 牽伸機構受力分析

在碳纖維原絲干噴濕紡整個工藝過程中，從送料牽伸機到出料牽伸機之間的牽伸倍數最大、出料牽伸機速度最高，其所受負載也最大，故在對牽伸輥進行受力時，選擇出料牽伸機作為研究對象。圖3為出料七輥牽伸機構的受力圖，絲束繞經第一伸輥后，張力由T0逐漸減少到T1，繞經第二輥后，張力減少為T2…，繞經第七輥后，張力減少為T7，機構中前面兩個牽伸輥受力較大，絲束與輥筒間伴有相對運動。絲束的張力可用下列公式進行計算，

圖3 七輥牽伸機受力圖

由已知條件可知：

出料牽伸機的進絲張力T0，T0=35ktex×110N/ktex=3850 N

出料牽伸機的出絲張力T7，T7=35ktex×35N/ktex=1225N

由參考文獻［1］歐拉公式 T0=T7efα

式中T0—第一牽伸輥前的絲束張力

T7—第七牽伸輥后的絲束張力

e—自然對數的底（e=2.7818）

f—絲束與拉伸輥間的摩擦系數

α—包角

所 以 T0= T7ef6π， 即 3850=1225ef6π， 解 得f=0.06

2.3.1.3.3 牽伸輥的受力分析

牽伸輥筒可以看作懸臂梁，受到兩個張力和牽伸輥外伸部分的重量作用。

取牽伸輥筒外徑為φ370mm，內孔為φ 340 mm，長度為1600 mm，內輥外徑為φ268mm，內孔為φ189 mm，長度為1400 mm，內堵頭外徑為φ344mm，內孔為φ268 mm，長度為300 mm，則

牽伸輥外伸部分的重量G= G1+ G2+ G3=607.77（Kg）=5956 N

由以上各輥受力分析可知2#輥受力最大，合力P=G+ T1+ T2=12412 N

2.3.1.3.4 剛度樣核

牽伸輥的結構簡圖如圖4所示，忽略齒輪的受力的牽伸輥上的摩擦力，軸的結構可以簡化雙簡支的外伸梁，如圖5所示。根據參考文獻［3］材料力學關于簡單載荷作用下梁的變形得出牽伸軸外端面E點的撓度公式為：

式中P—牽伸輥所受合力，取P=12412N

a— 牽伸輥作用力距支點長度，a=956mm；

b— 兩軸支座之間的跨距，b=669 mm；

X—牽伸輥懸臂長度，X=1756 mm；

E—鋼的彈性，取E=210GPa;

圖4 牽伸輥結構簡圖

圖4 牽伸輥簡支圖

2.3.1.3.5 強度樣核

牽伸輥可看作受彎扭組合的變形軸，下面就根據以上數據對其危險截面B進行強度樣核：

B處的彎矩MB=Pa=12412×956=11865872 Nmm；

牽伸軸的材料為45#調質鋼，查文獻[2]表3.2-29，取 σb=590MPa，σs=345MPa，[σ] =180MPa。由以上計算所得的危險截面應力遠小于所用材料的許用應力，表明輥子的強度足夠。

2.3.1.3.6 功率估算

分析計算牽伸機的功率，首先必須知道絲束的運行速度，按下式求出所需的理論拉伸功率N0：

式中：T0，T7—進出機器的絲束張力（kg）,

V—絲束的輸送速度（m/min）, V=350 m/min

所以出料牽伸機的牽伸理論功率N0，

式中：η—機械效率（取η=0.9）

NS—空車運轉消耗的功率（根據經驗取NS=2.44kw）

設計時考慮絲束的張力、機械效率、空車運轉功率和起動轉矩、安全系數等，選取的電機功率22 kw。

2.3.2 潤滑部件與密封裝置

2.3.2.1 潤滑方式及潤滑裝置的選擇

牽伸輥軸承及齒輪高速運轉會產生大量熱量，采用集中油潤滑，將儲存在箱體內的潤滑油經過過濾后，通過油泵輸送到箱體側面的分配器，分配器通過油管將潤滑油均勻分配至各軸承和齒輪，供油量充分可靠且易于控制，可帶走摩擦熱起到冷卻作用。

2.3.2.2 密封裝置的選擇

在潤滑系統中，密封裝置是為了防止潤滑劑泄漏并可阻止外部雜質、灰塵和水分等侵入潤滑部位。故好的密封可節約大量潤滑劑，保證設備正常運行，提高機器使用壽命。設計中，在牽伸輥軸與箱體、軸承座相連處采用了“O”形密封圈、唇形密封、迷宮密封等多種密封方式。

2.4 電氣控制

本機控制電路采用目前化纖設備廣泛采用的變頻控制技術。根據多年實際使用，控制精度高，調速方便，適合各種纖維的不同工藝速度要求。

3 總結

碳纖維原絲牽伸機是在吸收國內外同類設備先進經驗基礎上，采用獨特的結構設計、高精密的加工手段研制開發出來的。將其用于干噴濕紡紡絲線，經有關碳纖維原絲生產廠家使用后表明，該設備性能達到了設計要求，為生產高性能T700級碳纖維提供了可靠保證。

參考文獻

[1] 劉裕暄，陳人哲主編.紡織機械設計原理.紡織工業出版社.1984.

[2] 徐灝主編.機械設計手冊·1.機械工業出版社. 2000.

[3] 單輝祖主編.材料力學教程.國防工業出版社. 1982.