紡織機械用碳纖維復(fù)合材料輥筒應(yīng)用與制造研究

Abstract：Carbon fibercompositerollrhas thecharacteristicsoflightweightand high strength.Whenappliedtotextileequipment，itcansignificantlyreducetheweight of therolerintheequipment.This canreduce laborintensityand improve operational eficiencyfortextileequipmentthatrequiresfrequentreplacementoradjustmentof therollr.Thestudyelaborates ontheaplicationofcarbonfibercompositematerialrolersintextilemachinery，aswellasthekeypointsofroller structure designand processdesign.Theaimis toexpandtheaplicationscenariosofcarbonfibercomposite materialrollers inthe textile industryandhavecertainresearch significance forthe engineeringapplicationofcarbon fibercomposite material rollers.

Keywords：carbon fiber；roller；structural design；process design

1引言

碳纖維復(fù)合材料輥筒是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的典型代表，在紡織、造紙、玻璃、印染、薄膜等行業(yè)中取得了規(guī)模化應(yīng)用，碳纖維復(fù)合材料輥筒具備質(zhì)量輕、剛度高、轉(zhuǎn)速高以及使用壽命長等優(yōu)勢。

（1）質(zhì)量輕

碳纖維復(fù)合材料比重為 1.6g/cm³ ，碳纖維復(fù)合材料低密度造就了輥筒的輕量化，比同等規(guī)格的鋁輥輕，不到同等規(guī)格鋼輥的 1/4 。由于碳纖維復(fù)合材料輥筒質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)動慣性低，減少了電機的動態(tài)載荷，提高伺服電機穩(wěn)定性，使設(shè)備啟動和暫停速度更快，能耗更低，提高了設(shè)備的響應(yīng)速度和靈活性。

（2）剛度高

碳纖維復(fù)合材料輥筒具有出色的剛性，能夠保持穩(wěn)定的形狀和尺寸，不易發(fā)生變形，特別是當(dāng)設(shè)備幅寬需要擴展時，碳纖維復(fù)合材料輥筒的優(yōu)勢更加明顯。

（3）轉(zhuǎn)速高

高模碳纖維復(fù)合材料輥轉(zhuǎn)速超過鋁輥、鋼輥2倍以上，轉(zhuǎn)速高達3000轉(zhuǎn)/分，大幅提高設(shè)備的生產(chǎn)效率。

2 碳纖維復(fù)合材料輥筒在紡織機械上的應(yīng)用

我國擁有完善的現(xiàn)代紡織制造產(chǎn)業(yè)體系和完整的產(chǎn)業(yè)鏈布局[1]。目前，中國在工業(yè)、工程上大量使用的熱軋布、SMS布和氣流成網(wǎng)布、過濾材料、絕緣布、土工布、無紡布和醫(yī)用布等市場規(guī)模將越來越大。尤其是一次性衛(wèi)生吸收材料和擦拭用品領(lǐng)域中，消費升級趨勢非常明顯，人們對于衛(wèi)生護理用品的功能性、舒適性、便捷性要求越來越高，具有特定屬性的無紡布越來越廣泛地使用在相關(guān)領(lǐng)域[2-5]

紡織行業(yè)的發(fā)展帶動了紡織機械行業(yè)的發(fā)展，紡織機械是紡織工業(yè)的生產(chǎn)手段和物質(zhì)基礎(chǔ)，其技術(shù)水平、質(zhì)量和制造成本直接關(guān)系到紡織工業(yè)的發(fā)展。我國紡織機械行業(yè)規(guī)模較大，已經(jīng)形成較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈布局[。全球范圍來看，全球紡織機械主要集中在歐洲和亞洲。歐洲作為動力紡織機械的發(fā)源地先發(fā)優(yōu)勢明顯，技術(shù)水平一直領(lǐng)先。其中以德國、瑞士、意大利、法國和比利時等國為主，英國、荷蘭和西班牙等國也占據(jù)一定市場份額。亞洲則主要是中國、印度、日本、韓國等[7]。根據(jù)QYR（恒州博智）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2022年全球無紡布設(shè)備市場銷售額達到17億美元，預(yù)計2029年將達到26億美元，年復(fù)合增長率為 6.1% 。全球主要的無紡布設(shè)備（Nonwoven Fabric Equipment）制造商包括Andritz、Truetzschler和Oerlikon，頭部企業(yè)市場占比超過 53% 。其中Andritz以約 25% 的市場份額領(lǐng)先。亞太地區(qū)是最大的市場，占比約 65% ；其次是北美和歐洲，分別約占比 17% 和 。無紡設(shè)備需求的持續(xù)增長促使碳纖維復(fù)合材料輥筒在梳理機、鋪網(wǎng)機[2]等無紡設(shè)備上的應(yīng)用將成為必需，具體產(chǎn)品如圖1和圖2所示。

圖1梳理機用高模碳纖維輥筒

圖2鋪網(wǎng)機用碳纖維輥筒

3碳纖維復(fù)合材料輥筒的制造技術(shù)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1均布載荷下梁彎曲的材料力學(xué)計算

根據(jù)材料力學(xué)中對彎曲梁的假設(shè)，一個圓環(huán)形截面梁，取其中一段微元，在其兩端對稱面施加一對轉(zhuǎn)向相反、力偶矩相等的外力偶M，使梁處于純彎曲狀態(tài)。此時梁的中性面上端承受壓應(yīng)力，下端承受拉應(yīng)力，受均布載荷的簡支梁，其最大彎矩出現(xiàn)在跨中，其值為 最大應(yīng)力大小為 σ_max 其中W=T（D2-d2） 是梁的抗彎截面系數(shù)，它反映了在一定彎矩作用下，截面的形狀和尺寸，對彎曲正應(yīng)力的直接影響，將決定于梁截面直徑和壁厚。

3.1.2 偏軸剛度矩陣的計算

圖3材料主方向與所取坐標(biāo)軸成定角度

3.1.4 有限元計算

由于碳纖維復(fù)合材料輥筒的截面形狀為圓環(huán)形狀，形式比較規(guī)則簡單，且整個輥體受力及變形過程處于同一個平面內(nèi)，出于簡化模型提高計算效率的目的，利用專業(yè)有限元軟件Ansys，選取二維梁單元，建立模型對其結(jié)構(gòu)進行分析，計算中適當(dāng)簡化了模型。計算過程包括單元選取、實參數(shù)設(shè)定、約束邊界條件、加載、求解以及后處理。

3.2 工藝設(shè)計

目前，國內(nèi)外輥筒類產(chǎn)品主要采用包膜真空成型工藝、卷管工藝以及纏繞工藝制造。其中，最重要的工藝當(dāng)屬纖維纏繞工藝。纖維纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維（或布帶、預(yù)浸紗）按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng)固化、脫模，獲得制品。使用纏繞成型工藝的碳纖維輥筒能夠按產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計纏繞規(guī)律，充分發(fā)揮出纖維的強度，在重量上與同體積、同壓力的金屬管材相比，重量可減輕 40%-60% 。目前，這種工藝已實現(xiàn)機械化和自動化生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，精確、勞動生產(chǎn)率高，可制作成不同長度、直徑和壁厚的碳纖維輥筒。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計給出的縱向?qū)雍铜h(huán)向?qū)雍穸龋侠淼倪M行纏繞工藝設(shè)計，達到最優(yōu)的鋪層設(shè)計。工藝設(shè)計中主要解決碳纖維復(fù)合材料直線度、同軸度以及表面微裂紋等問題，

3.2.1 直線度、同軸度工藝設(shè)計

根據(jù)工程經(jīng)驗，輥體發(fā)生變形通常分為2種類型。一是在脫模后輥體發(fā)生變形；二是在表面磨削加工過程中不斷發(fā)生的變形。第一種情況通過選用合理的固化方式予以解決；第二種情況可以通過對纖維鋪層結(jié)構(gòu)進行合理的調(diào)整予以解決。

對于鋪網(wǎng)機輥筒而言，基本采用內(nèi)孔安裝軸承，在磨削加工時需要工裝以內(nèi)孔定位加工外表面。在產(chǎn)品檢驗時經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)孔與外徑不同軸現(xiàn)象，即輥筒跳動超差。通過采用內(nèi)孔預(yù)留加工量的方法，在產(chǎn)品磨削后再次進行內(nèi)孔精加工的方式解決輥筒跳動超差問題，滿足輥筒同軸度要求。

3.2.2輥體表面微裂紋解決的工藝設(shè)計

碳纖維復(fù)合材料輥筒主要是承受經(jīng)向載荷，縱向纏繞選用小纏繞角以提高輥體的剛度。采用小角度纏繞時，施加在模具上的正壓力很小，固化后的產(chǎn)品在表面上有可能出現(xiàn)龜裂、氣泡、分層等微裂紋。通過對纏繞后的輥體表面加壓處理，增加了輥體密實度，解決磨削后輥體表面的微裂紋問題。

4結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料輥筒是紡織機械中標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度較高的結(jié)構(gòu)部件，通過輕量化、耐磨性強、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，為紡織行業(yè)的設(shè)備提供了更高的性能和更低的維護成，發(fā)揮了節(jié)能增效的作用，促進了紡織行業(yè)的發(fā)展。輥筒質(zhì)量直接決定了設(shè)備能否正常運行以及在生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟指標(biāo)等方面的表現(xiàn)。輥筒在使用過程中普遍存在著轉(zhuǎn)速快、負(fù)荷大的問題，這對輥筒材料的強度、耐疲勞性、剛性、耐磨性提出了更高的要求。通過材料選擇、結(jié)構(gòu)計算、工藝設(shè)計及加工解決國內(nèi)高速寬幅梳理機對復(fù)材輥筒的剛度、精度、重量等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求是未來碳纖維復(fù)合材料輥筒制造要解決的問題。

參考文獻

[1］歐懷林，肖建明，戴羨磊.全固定蓋板梳棉機的梳理原理與紡紗實踐［J/OL]．棉紡織技術(shù)，1-4[2025-05－23]．ht-tp：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1132.TS.20241227.1122.002. html.

［2］董關(guān)震，姜茜，錢曉明，等．基于有限元與實驗?zāi)M的紡織梳理設(shè)備優(yōu)化［J]．毛紡科技，2024，52（6）：105－115.

[3］張慶軍，劉錦萍，楊效青，等．精梳機工藝設(shè)計要點及紡紗實踐［J].紡織器材，2024，51（2）：33-37.

[4］陳玉峰，苗玉軍．梳棉機高效梳理技術(shù)特點探討［J]．棉紡織技術(shù)，2024，52（4）：75-77.

[5］近年來紡織器材及專配件專利簡介［J]．紡織器材，2020，47（1）：64.

[6]顧磊，趙奕，靳向煜，等.新型非織造高速交叉鋪網(wǎng)機及其性能特征［J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2019，37（11）：34-38.

[7］許濤．高速交叉鋪網(wǎng)機傳動工藝淺析［J]．紡織機械，2018（6）：97-102.

［8］姚東．“無紡”紡天下江蘇迎陽無紡機械生產(chǎn)讓用戶放心設(shè)備[J]．紡織服裝周刊，2013（14）：28.

[9］張?zhí)炝x，趙剛．非織造布交叉鋪網(wǎng)機的對比［J]．非織造布，2012（4）：51-54.

[10]張勝芝，鄔義杰，張雷．新型纖維梳理機的輥筒設(shè)計研究[J].輕工機械，2011，29（3）： 80-83+88

[11]閆志鵬．Dilo公司：新型交叉鋪網(wǎng)機［J]．國際紡織導(dǎo)報，2007 （5）： 68.

[12]閆新.碳纖維復(fù)合材料在非織造設(shè)備中的應(yīng)用［J]．產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008（8）：36-39.