試論復合退繞架的設計若干關鍵問題分析

摘 要：復合材料和產品已廣泛應用于很多方面，與國家建設和人們的生活有著密不可分的關系。品種日新月異，不斷深入發展，促進了研究探索的開展，研究成果不斷涌現，使復合技術得到進一步的提高。

綜合運用非織造工藝、機械、控制等技術，研制出了一臺能滿足針刺復合工藝的退繞系統。并對針刺復合工藝進行了簡單的探討。

關鍵詞：復合；退繞；針刺；非織造布

0 .引言

復合是近年來發展較為迅速的新技術之一，通過復合開拓了很多新領域，尤其在新材料的發展中更有其獨特的作用。應用復合將兩種或兩種以上的材料或方法復合成新的材料或產品，該材料或產品較原組分或方法單一制造有較多的有點，賦予材料或產品很多新的特性和功能。

通過大量的生產調研及分析底布退繞產生褶皺的問題，設計出一種底布退繞架，通過對張力的控制最終解決問題。

1.復合退繞架設計的概述

1942年，美國一家公司生產了數千碼與傳統紡織原理和工藝截然不同的新型布品，它不經過紡，也不進過織，而是用化學復合法生產的。

2.影響針刺非織造復合的主要因素

在針刺非織造復合中所考慮的主要參數有：復合時間，基材的表面形象，產品克重等。在這里主要針對這三個參數進行論述其對復合質量的影響。復合速度對針刺非織造產品的影響非常大，在同種材料其他復合條件不變的情況下，隨著復合時間的增長伴隨著刺針穿刺的次數也就越多，當達到一定次數時會造成纖維被刺段因而影響復合后的效果及其復合強度。表面形象對復合質量有重要的影響，在相同的非織造復合條件下，使用表面粗糙的基材可以獲得比表面細膩的基材獲得更高的復合強度。產品克重對復合強度的影響也是非常巨大的，產品越重其復合強度越高，產品越輕其復合強度越輕。這是由于纖維的特性造成的。

3.針刺非織造用復合退繞系統總體機構

在非織造布不斷發展的今天，各種非織造布產品和非織造加工設備層出不窮，非織造產品用途極為廣泛，產品涉及到建筑、水利、公路、鐵路運輸、農業、汽車、濾材、鞋革等等各個領域，尤其在產業用領域，其前景更為廣闊，主要是針對針刺非織造復合工藝設計的退繞系統，能夠實現對兩種基材的平整復合穿刺。

3.1研究的技術路線

針對非織造布和針刺復合的特點，運用現代設計方法，采用CAD、ADAMS、Pro/E等軟件，仿真模擬復合退繞系統的整機設計需要，在此基礎上制造出能完成針刺非織造布與其他基材復合的機器。然后通過實際應用從而確定機器的可行性，實施工藝方面的研究形成工藝要求。

3.2針刺非織造復合的技術要求

機械部分的功能要求是：能夠通過設計的機器上實現非織造布與其他基材的復合功能，能依據實際需要調節直徑變化所引起的同步傳向問題；用設計的設備能夠滿足不同幅寬，不同厚度，和不同分子材料的非織造復合。

控制部分的要求是采用變頻器控制電機傳動，能夠實現放卷恒定張力的控制。

3.3針刺非織造用復合退繞系統的工作原理

當針刺機運行時，基材通過針刺羅拉的壓力與針刺布一同經過多臺針刺機的穿刺，最終達到一定規格、具備一定物理性能的非織造復合布。

3.4針刺非織造用退卷機的總體結構

該退卷機主要包括兩個部分的設計，即機械傳動設計和控制部分。

總體要求是在復合過程中保證非織造布與基材的平整復合，能根據基材直徑的變化調整放卷的張力問題。

針刺非織造用退卷機的機械部分主要包括放卷機構、張力輥機構、摩擦機構。

控制部分主要是控制器，通過變頻器調整放卷速度。

3.5退繞系統的特點

在針刺復合過程中，目前國內還沒有一套的退繞系統，都是用簡單的架子固定基材，只能對一些普通的基材進行加工，且換卷麻煩，基本上都要將生產線停下才能換基材，嚴重影響生產效率。而本文所設計的退繞系統能夠滿足生產線的連續性生產，極大的提高生產效率。另外只要配備兩臺放卷機加一套張力輥就完全能滿足大多數針刺無紡布企業4.0m寬幅大線，能夠很好的進行雙幅生產，同時保證品質。

3.6退繞系統缺陷分析

在試驗生產過程中對目前針刺復合使用的絕大多數原材料（針刺非織造原料、基材）都進行了測試，雖然絕大多數的參數狀態下都能達到工藝的最佳狀態，但是對于小部分特種纖維還是不是很理想。這個主要是由于以一些特種纖維的靜電大造成經過張力輥時基材褶皺，因此后期可以對張力輥的材質進行調整，調整為碳素輥。

4.退卷系統的張力控制計算

復合革基布在連續生產過程中基材退卷后必須在張力之下運行，張力的最基本作用是保證基材的正常運行，使基材盡可能沿著生產線的中心線運行而不致因走偏而造成邊部刮傷甚至基材斷裂；同時，糾偏輥也只有在張力足夠的條件下才能夠起到糾偏的作用。基材張力值的建立，是依靠退卷架的張力控制即張力輥實現的。

4.1退繞架退卷張力控制的建模

退卷過程是一個動態時變過程，建立張力數學模型

4.1.1恒速運行時的張力建模

根據傳動結構中的受力關系，建立動態平衡方程

為突出問題，先不考慮動態力矩，認為恒速退卷時等式右邊的第三項即動態力矩為零。M機一般也不大，也暫時略去

可見，在穩定運行過程中，張力的控制可以使電機輸出相應的制動電流來實現。

4.1.2動態補償

前面對退卷張力控制的討論只考慮在穩速狀態下的情況，在實際運行中常有加、減速的需要，如果單靠張力調節器進行調節，可能會因調節不急而使基材斷裂。動態補償，通常就是在

前面我們分析間接張力控制，為了突出主要矛盾，我們忽略了右邊的第三部分，即動態力矩：

這樣就把加減速過程中需要補償的動態力矩計算出來了，并且把它轉變成實際應給電機補償的動態電樞電流計算出來。在退卷輥的控制中，退卷輥電機會用到弱磁調速，即 值是個變值，相應的動態補償電流也應隨著變化

還應注意，式（5）第二項為卷徑D的變化產生的動態轉矩，這部分動態轉矩不但在減速過程中存在，而且在穩定速度工作時也存在，在線速度一定的情況下，本項為在退卷過程中，卷徑D逐漸減小， 為負值，

所以整個這一項為正值，表明它要維持原來的轉速，使之不能立即變化，這就導致了張力的增大。補償的方法是使電樞電流減小些。這一項一般不大，為使控制系統不過于復雜，一般不給補償。

根據上式，加速過程中為了保持張力不變，電磁轉矩中應該附加負的動態轉矩M動態，以補償需要放出的能量；在減速時，為了保持張力不變，應該附加正的動態轉矩，以補償據繞機構慣性所需要吸收的能量。

如系統配置了PLC，則動態補償就很容易實現，只需把動態補償曲線計算出來存入PLC，并判斷是否有升降速，是升速還是降速，然后給予相應的補償即可。

4.1.3退卷張力控制的具體實現

不檢測退卷張力的大小，只對張力主要擾動量進行補償，間接的達到退卷張力恒控制目的。

在退卷張力控制中，主要的擾動有兩個：退卷原直徑和退卷輥電機的勵磁磁通，這是因為在退卷過程中，退卷直徑的變化和弱磁點以后磁通的變化都會影響退卷張力，退卷電機的制動力矩則要根據這些擾動計算退卷制動轉矩，最終得出制動電樞電流。并利用裝置本身的組態控制退卷輥電機，使它輸出該轉矩以保證張力基布恒定。

這樣處理的好處有三個：

（1）基材退卷時有一定的張力；

（2）引好布后達到運行位最初時，退卷輥有緩慢向方向運行的趨勢，使得布幅在啟動時有個啟動張力，這樣不至于使基材承受沖擊張力而造成斷布。

（3）在正常運行時，對退卷輥的電機轉速不進行可以的控制，而只控制電機電樞電流，是的電機的制動轉矩達到保持張力給定值所需的值，實現對運行時的張力控制。這樣做計算簡單而且控制較精確。

這種控制方法的特點是投資少，控制簡單且較易穩定。

4.2張力輥的設計及其計算

張力輥是針刺復合過程中重要的設備組成單元。如何正確的獲得精確的張力值及張力變化規律，更好的控制張力，使整個機組的張力得到合理匹配，對提高產品質量，降低機組的能耗有著重要的意義。因此張力輥的設計對機組的連續運行顯得尤為重要。

4.2.1張力輥幾何參數及材質確定

張力輥幾何參數和材質確定主要是輥徑和輥身長度的確定以及表面材質的選定。為了防止基材產變形而造成復合質量不合格，張力輥輥徑確定以基材包繞在張力輥上不產生塑性彎曲變形為原則，即是以基材繞過張力輥的彎矩小于等于基材彈性極限彎矩為準則計算輥徑。由此，得出張力輥徑計算公式：

式中D為張力輥輥徑：m；E為基材彈性模量：MPa；hmax為基材最大厚度：m； s為基材屈服極限：MPa式（9）表明，張力輥輥徑取決與基材的彈性模量、屈服極限和最大厚度，但實際中并不是輥徑越大越好，設計時會綜合考慮各種因素選擇合適的輥徑。

輥身長度根據實際工作寬度確定，這里由于針刺機的工作寬度為4m，因此輥身長度也選擇為4m。

張力輥表面包覆材質為聚氨酯橡膠，以增加棍子與基材之間的摩擦力，同時避免基材表面產生擦傷、印痕。

4.2.2張力放大系數計算

基材包繞在張力輥上，在包繞接觸產生摩擦力，使張力輥入口出口戰力按某種規律變化，以此改變機組張力值。當張力輥處于“電動”狀態，即出口張力T出小于入口張力T入，如圖2-3所示，根據歐拉公式可得：

其中：μ為輥子與基材之間的摩擦系數，其隨輥面材質的取值不同而不同，鋼棍取值0.15～0.18，包膠輥取值為0.18～0.28，α為基材在輥子上的包角，由于基材具有一定的剛性，張力輥出口和入口處的包角α，小于理論包角α，實際計算中一般α，取值0.8～0.9。在這里我們取μ為0.18，α，為0.85α。則每經過一根張力輥，張力放大系數可表示為：

k=eμα‘ （式11）

4.2.3張力輥輥數的確定

張力輥的輥數是根據出口張力和入口張力最大比值確定的，即根據張力遞增倍數的最大值kmax確定張力輥輥數

其中T出i和T入i表示第i種工況下的出口張力，m為總工況數。

若1

若k

若k2

以此類推，若kn-1

4.2.4張力輥功率分配及張力計算

在張力放大系數以及張力輥輥數已經計算的前提下，如何合理分配張力輥組數內各輥的功率十分重要。通常采用下面兩種分配方案：

（1）根據每根張力輥所能承載的最大張力遞增倍數進行分配，即按照張力放大系數k進行分配。

（2）根據最大張力遞增倍數kmax對每個張力輥進行均分，即每個張力輥的放大倍數 均小于等于k。

方案（1）可以為系統提供較大的張力放大倍數，為生產操作提供便利，但由于每個張力輥所能承載的張力放大系數較大，會是系統較早出現打滑現象、提前進行輥面重磨，縮短輥子壽命；方案（2）中每個張力輥所承載的張力放大寫書較小，可以減緩系統打滑的的時間，延長輥子壽命。因此，設計中我們一般采用第二種方案進行張力輥功率分配。

確定了張力分配方案和每輥的張力放大系數后，可以逐次計算出每根輥之間的張力值。

4.2.5張力輥功率計算、力矩校核

張力輥所需的傳動功率主要由3個方面組成：（1）張力放大所需的功率w1，（2）軸承摩擦損耗功率w2，（3）基材彎曲變形損耗功率w3。

若張力輥出口和入口的張力差為 ，轉角速度為ω（rad/s），直徑為D（m），張力輥所受合力為T合（N），基材運行速度為ν（m/s），基材厚度和寬度分別為b（m）和h（m），基材的屈服極限為σs（Mpa），張力輥軸承處的摩擦系數為f，傳動系統功率為η。計算推導所需額各功率可表達為：

則張力輥所需要的傳動功率W（w）為各功率損耗之和，即：

其中，張力輥所受合力T合為基材張力、張力輥自重的合力，在實際計算中，通常以張力輥出口張力和入口張力的數值和簡化代替。

所設計的兩根張力輥為例，分析張力輥功率計算。張力輥處于“電動”工作狀態，入口張力T3大于出口張力T1，1#輥和2#輥之間的張力為T2

根據張力輥功率分配方案（2），可得實際每根輥的張力放大系數為：

則有：

根據式13可得，1#張力輥的張力放大所需功率W11、軸承摩擦損耗功率W12、基材彎曲變形損耗功率W13分別為：

則1#張力輥所需的傳動功率為：

同理，2#張力輥的張力放大所需功率W21，軸承摩擦損耗功率W22、基材彎曲變形損耗功率W23分別為：

則2#張力輥所需的傳動功率為：

根據計算的傳動功率W1、W2選取合適的標準電機功率P1、P2，使其滿足P1>W1，P2>W2。

選定好張力輥電機功率后，需要進行力矩校核。若電機輸出轉速分別為n1，n2，傳動系統減速比為i，則可得電機所能為張力輥提供的正常工作力矩M1，M2分別為：

張力輥需要的工作力矩為克服出口、入口張力差需要的力矩MT、克服軸承摩擦需要的力矩Mf克服基材彎曲變形所需要的力矩MM之和，其分別刻有下式計算得出：

若M1>MT1+Mf1+MM1，M2>MT2+Mf2+MM2，則所選電機功率滿足要求，否則需要加大電機功率直至滿足要求為止。同理，可以計算出“發電”狀態下的張力輥功率。

5 結論

綜合運用非織造工藝、機械、控制等技術，研制出了一臺能滿足針刺復合工藝的退繞系統。并對針刺復合工藝進行了簡單的探討，主要完成的工作如下

（1）對針刺非織造的原理及發展現狀做出了粗略的介紹

（2）簡單介紹了影響針刺復合質量的幾種因素，這些因素很大程度上都可以通過退繞系統調節

（3）建立退繞架張力控制模型，并進行計算分析

（4）從張力輥幾何參數和材質確定、張力計算、傳動功率計算、力矩校核等方面闡述了本設計方案張力輥的設計依據，對針刺復合過程中獲得精確的張力值以及張力變化規律，合理匹配張力值，合理提高質量和技能降耗有重要意義

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作者簡介：

徐增勤（1964-）男，漢族，山東昌邑人，專業主任，中共黨員，工程師，主要從事機械工程及自動化方向的教學研究。