雙塵籠氣流成網(wǎng)機的研究與設計

儀征市海潤紡織機械有限公司 黃金濤 劉小明 鐘剛/文

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雙塵籠氣流成網(wǎng)機的研究與設計

儀征市海潤紡織機械有限公司 黃金濤 劉小明 鐘剛/文

摘要：本文在全面對比分析國內外單塵籠氣流成網(wǎng)機技術性能和技術缺陷的基礎上，從幾個方面提出了獨到的見解和創(chuàng)意，詳細論述了該機主關鍵結構的設計思想及設計方法，并給出了必要的數(shù)理分析和公式推導。

關鍵詞：氣流成網(wǎng)機、雙塵籠、伯努利方程

氣流成網(wǎng)是非織造布生產工藝中一種不同于梳理成網(wǎng)或梳理——交叉折疊鋪網(wǎng)的成網(wǎng)方法，因其獨特的成網(wǎng)原理以及優(yōu)越的呈三維分布的纖網(wǎng)結構，使其成為非織造布生產中獨樹一幟的成網(wǎng)工藝，并且不可替代地成為一些特定的諸如服裝襯布、電池隔膜、水溶布等非織造布生產的必須成網(wǎng)方式。而氣流成網(wǎng)機則是實現(xiàn)這種成網(wǎng)方法的基礎裝備。

根據(jù)成網(wǎng)的定重范圍和適用原料范圍，氣流成網(wǎng)機分為兩個類型：一種是適用于薄型成網(wǎng)，其成網(wǎng)定重通常≤300g/ m2，常用于生產100g/m2以下的薄型非織造布產品；另一種為適用于厚型成網(wǎng)，其成網(wǎng)定重可達2500 g/ m2以上，通過特殊設計，甚至可高達5000 ～6000 g/m2。

另外值得一提的是，相對于薄型氣流成網(wǎng)機，這種厚型的氣流成網(wǎng)機一個很重要的優(yōu)點就是其原料適應性極廣，特別是能夠處理廢舊回收纖維、礦物纖維、金屬纖維及碳纖維等各種難以梳理的纖維，當然這兩種氣流成網(wǎng)機在結構上具有很大的區(qū)別。

對于薄型氣流成網(wǎng)機，國內引進開發(fā)的較早，儀征海潤紡機上世紀80年代就成功開發(fā)出該機型，現(xiàn)在技術已相對成熟，目前正向寬幅發(fā)展。

厚型氣流成網(wǎng)機，國內在本世紀初也陸續(xù)有廠商推出自己的機型，但都是單塵籠形式。這種單塵籠氣流成網(wǎng)機的成網(wǎng)定重一般在2500 g/m2以下。隨著國內非織造布行業(yè)的飛速發(fā)展，非織造布的生產工藝不斷向各個領域滲透，其應用范圍日益寬廣。同樣，產品的日益拓寬，對生產設備的要求也不斷提升。例如，家居行業(yè)中的床墊，沙發(fā)墊等現(xiàn)在基本都是用非織造布工藝生產，其纖維品種從椰殼纖維到化學纖維，從單一纖維到混合纖維。還有建材行業(yè)、軍工行業(yè)等以金屬纖維、碳纖維等特殊纖維通過塵籠成網(wǎng)方式制作的高定重、大厚度的氈狀半成品，這些產品的定重往往高達4000～6000g/m2。這樣高的定重，用現(xiàn)有的單塵籠成網(wǎng)機是無法滿足的。

另一個不可忽視的問題也是長期以來備受困擾的問題，就是當二種以上物理性能差別較大的纖維原料進行成網(wǎng)時，將很難得到混和均勻的纖維網(wǎng)氈，造成纖維網(wǎng)氈的分層現(xiàn)象，嚴重時則不能生產。這種情況極大地制約了這類產品的應用和發(fā)展。此外一個比較重要的問題是成網(wǎng)的均勻性很難達到理想的要求，主要是指機器幅寬方向（即橫向）的纖維網(wǎng)氈定重分布不均，離散性較大，其CV值通常在5%以上，有些甚至超過8%。這給最終產品的質量造成了嚴重影響，尤其對過濾材料類產品，這往往是致命的缺陷。事實上，前些年從國外引進的塵籠類氣流成網(wǎng)機，在橫向均勻度方面確實比國產機好，但同樣存在不同性質纖維的分層問題。再者就是成網(wǎng)定重范圍基本和國產機一樣，一般不超過2500 g/m2。國外已有雙塵籠的機型，但國內還鮮有見聞。

根據(jù)對國內外現(xiàn)有單塵籠氣流成網(wǎng)機技術狀態(tài)的分析比較，以及對市場和用戶需求的充分調研，我們開發(fā)研制了雙塵籠氣流成網(wǎng)機。本文將詳細介紹該設備的設計思想和相關分析研究及數(shù)理推演。

1 工作原理

前道工序輸送來的纖維在本機的四羅拉喂入機構的夾持下緩緩推送至錫林，圓周表面包覆金屬針布的高速旋轉的錫林將其細致地撕扯梳拉成近乎單纖維狀抓離喂入鉗口區(qū)，然后在離心力和剝離氣流的共同作用下飛離錫林進入文氏管式風道，在文氏管式風道內纖維隨風道截面的擴大而逐漸減速且散開，并且在梳針轉輪的作用下保持不同纖維良好的混合，繼而凝聚在兩只內腔呈負壓的圓網(wǎng)收集區(qū)表面而形成具有所需定重的纖維層，并壓實后由膠簾輸出。

2 總體設計

雙塵籠氣流成網(wǎng)機在基本原理和基本結構上和單蘭籠氣流成網(wǎng)機是相似的。我們在對單塵籠氣流成網(wǎng)機的技術結構、技術性能、技術缺陷充分全面分析研究的基礎上，根據(jù)市場需求及發(fā)展趨勢，首先制定了雙塵籠氣流成網(wǎng)機的設計指標。

我們的核心設計指標是：最高成網(wǎng)定重≥5000g/m2，成網(wǎng)橫向均勻度CV值≤3%，。依據(jù)這些條件，我們提出了總體設計方案。整體上，該機主要分為輸入喂棉部件、錫林部件、雙塵籠及輸出部件、負壓抽吸部件、梳針轉輪均散部件等。見圖1。

3 結構設計

3.1 輸入喂棉部件

考慮到塵籠式氣流成網(wǎng)機大多是以廢舊回收纖維為原料，其原料中的短纖維含量較多，為保證喂入的經(jīng)初步開松的纖維團塊得到錫林鋸齒的充分撕拉梳扯，達到單纖維的狀態(tài)，喂入機構必須對輸送來的纖維團塊實施有效地握持，而又不致使纖維特別是較長的纖維造成較多的損傷而影響產品的強力，為此，我們采用了異徑四羅拉錯位夾持遞進喂入式給棉機構。

3.2 錫林部件

錫林是一圓周表面包覆有金屬針布的高速旋轉的機件。錫林工作時，被錫林針布鋸齒抓取的纖維大部分都能在離心力和剝離氣流的共同作用下飛離錫林，有少部分的纖維將會被錫林的鋸齒帶回。這種現(xiàn)象稱之為返花，這將降低錫林的轉移效率。

為盡量減少返花，提高纖維轉移效率，我們在文氏管式風道上沿設計了一止回角擋。止回角擋與錫林下表面間形成一刀口關系，能有效鏟除回返的纖維。另外，剝離氣流是從四羅拉夾持喂入機構下方與導流軸之間進入，剝離氣流的速度應大于錫林表面的線速度。剝離氣流的角度影響纖維的剝離效果，同時對不同特性、不同比重的纖維在風道中的分離傾向具有一定的調節(jié)作用。導流軸正是為滿足這一需求而設計的。我們在導流軸上對著錫林的一面設計有均勻分布的導風槽。導流軸可調整其轉角，隨著導流軸轉角的變化，剝離氣流的速度、角度都有一定變化，從而起到相應的調節(jié)作用。

3.3 雙塵籠及輸出部件

采用雙塵籠設計是為了通過增加吸附凝聚面積來達到大幅度提高成網(wǎng)定重的目的。塵籠是纖維的接收體，塵籠的技術特性直接影響著纖維成網(wǎng)的橫向均勻性，對于這點，我們在單塵籠成網(wǎng)機上有著深刻的體驗。因此我們在塵籠的設計上進行了周密的研究。我們采用了國內獨有的浮點定心支承，內齒輪驅動，下塵籠固定，上塵籠可升降的結構形式，塵籠內設置有高勻度的負壓抽吸風道。關于負壓抽吸風道的均勻性設計分析將在后面另行詳述。

3.4 梳針轉輪均散部件

前面的討論中提及過當塵籠氣流成網(wǎng)機處理二種以上物理特性差異較大的混合纖維時，由于不同的纖維在比重、細度、長度和卷曲度上可能存在較大的差別，所以它們在文氏管風道中的飛行姿態(tài)、飛行速度、飛行軌跡都各不相同，因此，就會造成不同種類的纖維趨向于相互分離，最終凝聚在塵籠收集區(qū)的不同區(qū)間，從而形成所謂的成網(wǎng)分層現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在國外的機型中同樣存在，這是一個困擾多年急待解決的問題。梳針轉輪均散部件正是為了克服這一難題而專門研究設計的。

梳針轉輪裝在文氏管風道的中部，具有獨立的驅動裝置而順時針轉動，其結構如圖2所示。這個梳針轉輪旋轉時能產生幾個作用：

1）旋轉的轉輪周期性地改變著文氏管風道的通道截面形狀，也就是周期性地改變著氣流的速度和方向；

2）梳針轉輪旋轉時，在梳針葉片的內外表面會產生交變的復雜氣流場，這種氣流場周而復始地擾動和沖擊主流場；

3）梳針轉輪在作順時針旋轉過程中，當葉片處于第四和第一象限時，從右到左地截獲在風道中飛行的纖維，而在第二和第三象限時，這些纖維又被拋離開葉輪。

由于梳針轉輪的以上幾種作用，使得不同比重和性質的纖維在多變的氣流場中以復雜的姿態(tài)飛行運動，并不停地交混碰撞而始終保持相互混雜的狀態(tài)，從而使得各種纖維均勻混雜地凝聚在塵籠的表面而形成厚重的纖維層。

梳針轉輪實際上就是一特殊的與機器同等工作寬度的橫向葉輪，與普通葉輪不同的是，其葉片具有梳齒狀結構。梳針轉輪之所以將葉片設計成梳針狀，是為了減小轉輪的葉片對主流場的過度干擾，避免因太強烈的渦流而造成纖維相互纏結成團。梳針式葉片既可有效地截獲飛行中的纖維，又不阻礙氣流的通過。

轉輪的梳針葉片設計成前彎式更有利于截獲抓取飛行運動中的纖維。

轉輪的葉片與輪軸的連接獨具匠心地設計成隔柵結構，這一結構使得轉輪在發(fā)揮抓取作用的同時能讓大部分氣流沿原路徑順暢通過，從而保持了文氏管風道的特性和作用，并且很好地避免了轉輪任何部位勾掛纖維的可能。這是兩全齊美的設計。

3.5 負壓抽吸風道的均勻性設計

負壓抽吸風道套裝于雙圓網(wǎng)內，為進行流體力學的分析，這里將其等效為如圖3所示的模型。

負壓抽吸和正壓噴風在流體力學上特性是對稱的，分析方法是相同的。為方便起見，這里就按正壓噴風來討論。實際上均勻風道的設計早有現(xiàn)成的資料可參考，但問題是現(xiàn)有文獻中的分析都是基于矩形截面風道來進行的，而我們這里只能采用圓形截面的風道，不能套用現(xiàn)成的計算公式，必須重新推導。

流體力學分析證明，等截面的風道是不能實現(xiàn)均勻噴風的，而要能夠均勻噴風，必須采用變截面風道。

事實上，風道中某截面的氣流速度只與該截面的靜壓有關，欲使噴風均勻，風道內各處靜壓必須相等，采用變截面風道就是為了使得風道內各處靜壓相等。

根據(jù)伯努利方程可寫出如下關系式：

式中：

Px , Po—分別為X , X。截面的靜壓；

Vx,Vo分別為X , X。截面的氣流速度；

ρ—為氣流的重度 g—為重力加速度；

Σh—為管道內總阻力損失，即管道內摩擦阻力和局部阻力之和。式中：

λ—為管道摩擦阻力系數(shù)，其數(shù)值計算與雷諾數(shù)相關；

因為氣流的動壓不能全部轉化為靜壓，其轉化系數(shù)ηp=0.5～0.8。

λ'—為轉化后的管道摩擦阻力系數(shù)；

τo —局部阻力系數(shù)，因其通常很小，所以可以忽略不計；

D—為風道直徑 ；

于是式（1）可以寫成

因是圓形變截面風道，故X截面處的風道直徑可用Dx表示。

根據(jù)機器結構尺寸，先設定風道入口直徑為Dn ,風道未端直徑D0＝iDn ,風道長度為L，這樣就有：

在實際設計計算時，可根據(jù)給定的入口風速Vn，風道入口直徑Dn ，初定的風道末端直徑與入口直徑的比值i，風道長度L等條件,先計算出積分常數(shù)C，再核算風道左、中、右?guī)讉€截面的風速是否滿足設計的要求。

4 結語

我們在以上深入分析和理論研究的基礎上，制定了詳細的機器設計方案，繼而完成了雙塵籠氣流成網(wǎng)機的全部設計工作。經(jīng)過各方面的努力，我們成功研制出首臺樣機并推向市場。在生產線現(xiàn)場調試和帶料試車表明，該機結構合理，性能優(yōu)良，成網(wǎng)均勻，不同種類纖維混和充分，較之于單塵籠氣流成網(wǎng)機，其定重范圍倍增。經(jīng)全面測試，該機的所以重要指標都達到了設計要求。

參考文獻

「1」 《染整機械原理》 紡織工業(yè)出版社1984第一版