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国产大动程针刺机的发展现状和技术特点
/文 2014/04/02

针刺法非织造材料的生产工艺已经非常成熟,随着新产品的开发,相关设备的性能也在不断改进和发展。近年来,由于针刺法非织造材料的复合技术发展迅速,所以对适合这种生产工艺要求的大动程针刺机的性能提出了更高的要求。陶瓷纤维针刺毯是一种技术成熟的轻质耐火材料,其生产工艺经过几十年的发展也相当成熟,它需要的针刺机动程在已有机型中是最大的,多数超过100mm。因此非织造复合技术的应用和推广,为国产大动程针刺机的发展带来了机遇。


1 国产大动程针刺机的现状

国产针刺机经过几十年的发展,不同频率的针刺技术已经比较成熟,能分别满足不同类型非织造材料的生产需要。大动程针刺机主要应用在高档厚克重的土工布或土工布复合,以及织物厚度较厚的陶瓷纤维毯等领域。
20世纪80年代,国内引进的高速针刺机主要是Dilo公司和Fehrer公司的针刺设备,但国产大动程高速针刺机主要采用的是Fehrer公司的双轴单推杆的主轴箱机构,目前动程一般在80mm之下,针刺频率能达到1000刺/min之上,这类设备主要应用在高档厚克重土工布和土工布复合等领域。低速针刺机在国内有几种机构类型,各有各的技术优点和弊端,针刺频率普遍在500刺/min之下。而加工陶瓷纤维毯的针刺机动程要超过100mm,不过针刺频率很低,一般实际应用频率在100刺/min左右;这类针刺机的机构相对简单,它的针板导向定位常见的主要有两类,一类是滑动导向套形式,另一类是少见的多摇杆机构。

2  国产大动程针刺机的技术发展

国产大动程高速针刺机普遍应用的是双轴单推杆的主轴箱机构,技术比较成熟,其机构动态平衡合理,能够满足机械设计中双轴动态平衡的条件,经过多年的实践检验,得到多数用户的认可。目前,这类针刺机的机型主要有双轴单板下刺和双轴单板上刺两种。不过,随着国产新型针刺机面世,其独特的针梁导向机构也能满足这个领域的工艺需求。
一种中速的大动程针刺机很早就进入市场,其机构是将上面高速机型的主轴箱去掉,仍然采用双轴单推杆机构,将连杆和主轴等放置在上机架内,使用润滑油润滑,尽管机构合理,但它的制造成本偏高、性价比低,订购的用户很少。
大动程的低速针刺机,多数采用单轴单推杆机构,尽管设备使用时有晃动,但能满足用户的生产需要。推杆导向套式的导向机构受到自身条件的制约,推杆处的导向铜套因极易磨损需要经常更换,这在一定程度上影响了非织造布的正常生产,所以在陶瓷纤维毯的生产线中,这类导向机构的针刺机陆续被客户淘汰。于是出现了一种适合低针刺密度的针刺机导向机构,它采用的是多摇杆机构,比较适合需要大动程针刺机的陶瓷纤维针刺毯的生产。通常,用于陶瓷纤维针刺毯的针刺机机型是上下两块针板对刺,而且剥网板随着上面针板也在做同步上下运动,目的是将蓬松的纤维进行拍压成型,让纤维网以一定的厚度通过针刺区。


3  两种非织造材料的生产工艺

3.1  多层土工布复合的针刺生产线
近年来,多层土工布复合针刺非织造材料不断发展,图1所示是典型的多层土工布复合针刺生产线设备配置方案,该生产线的工艺是将预刺成型的非织造材料分为三层放卷,使其再次经过刺针的穿刺后相互缠结为所需厚度的非织造针刺材料。其中,底层布料由主动放卷机放布,放卷速度与针刺机的喂入速度同步,上面两层布采用被动放卷,目的是让布料平整不重叠地进入针刺机的针刺区,三层布料经过针刺机刺针的穿刺后成为一体,从而达到一定厚度非织造材料的使用要求。当然,需要放卷的针刺布料是由另外的生产线提供的,这种分段式生产厚克重非织造材料的生产工艺近年来很流行,因为这样可以减少设备的投资,且能生产出一定厚度的非织造材料。该生产线配置的针刺机必须是大动程针刺机,其动程一般为60~80mm之间。如果动程继续加大,其针刺频率就降低很多,针刺布的出布速度就慢,直接影响产量。

3.2  陶瓷纤维针刺毯生产线
3.2.1  陶瓷纤维概述
陶瓷耐火纤维是一种纤维状轻质耐火环保材料,具有重量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械震动等优点,因而在机械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、电子等行业都得到了广泛的应用。近年来这种耐火纤维在高温窑炉方面的应用前景广阔,以这类耐火纤维制成的耐火毡、毯类制品,最高使用温度可达到1350℃。它以隔热效果好、使用简便、蓄热小等特征,普遍适用于各式窑炉中,表现出较高的节能性能。
3.2.2  陶瓷纤维针刺毯的生产工艺
目前,电阻法喷吹成纤或甩丝成纤、干法针刺制毯是国际上陶瓷纤维毯生产的典型工艺技术。通过改变部分装置和更换原材料及配方,便能生产出传统的耐火纤维,也可生产多种矿物无机耐火纤维,其生产工艺是以高岭土、工业铝粉、硅灰粉、石英粉等原料以及一些具有一定功效的辅料,按一定的配比均匀混合,送入电阻熔锅将其熔融,经引流、甩丝(或喷吹)成纤后,再经过除渣、集棉便成为陶瓷纤维;若铺网成形的陶瓷纤维继续经过针刺、固化、切边等工序,就形成各个规格的陶瓷纤维针刺毯,其典型的设备工艺流程如图2所示。
该陶瓷纤维针刺毯生产线一个典型的特征是用电量巨大,通常24h能耗电12000kW·h,其中,熔锅和固化炉耗电量最大。
在陶瓷纤维针刺毯的制备工艺中,熔锅是将高岭土、工业铝粉等原料采用电阻法加热熔化,使成为液浆状态的原料经钼流口垂直流下;甩丝机一般有2~3个甩丝辊头,甩丝头上方由熔锅流下的熔浆经过甩丝辊的高速旋转甩为纤维状,甩丝机喷吹嘴的高速吹风将纤维水平吹离甩丝辊,这时集棉箱的强大吸风形成的负压将纤维引入集棉箱内,集棉箱内杂乱无章的吸风将纤维均匀铺成纤维网,并吸附在集棉箱的水平输送帘上;厚度较厚的纤维网经过喂入机的压紧后,进入针刺机的针刺区,而针刺机的剥网板将纤维网在刺针穿刺的同时将其进一步拍压,使纤维网成为一定厚度的针刺毯;这种成型的毯再经过固化炉的加热,使纤维毯中的特殊成分进一步加热融化,让纤维间的缠着力更强,最后经过冷却、切边制成一定长度规格的陶瓷纤维针刺毯。
随着生产工艺的不断创新,设备的功能不断完善,机械结构也在不断改进,其中适合这种工艺的大动程针刺机出现了几种类型,各有各的优点。传统的铜套导向机构已经陆续淘汰,取而代之的是多摇杆导向机构。
4  多摇杆导向型针刺机技术

4.1  技术简介
多摇杆导向型针刺机如图3所示,目前主要应用在陶瓷纤维针刺毯生产线中,其整体构架较为简单,加工和装配较为容易,但它的功能齐全,其主要特点是:上下同位对刺;剥网板随上针板同步也作上下往复运动;剥网板与托网板之间的距离可电动调节;下针板的针刺深度可电动调节;上下针板往复运动的导向为双套多摇杆机构;针刺频率为150刺/min,植针密度为1500针/m,针板动程为120mm,剥网板动程为60mm;针板加紧采用气缸压紧机构,更换针板时操作方便;上下两块针板的对刺间距可以电动调整。
多摇杆导向机构在针刺机中的应用,打破了针刺机导向的常规设计,通常针刺机的刺针应该是垂直上下往复运动,但随着Dilo公司椭圆轨迹针刺机的出现,给针刺机的发展带来了新的启示。图4为多摇杆导向机构的结构简图,针板的上下运动仍由偏心轮带动,但针板的导向是由两套多摇杆机构组合完成的,其主要特点有:上下两套三摇杆机构的零件相互平行;摇杆的左右两端固定,中间摇杆上下运动;两套摇杆机构的中间处固定在同一块固定板上,固定板将针板梁连接在一起;分析机构的运行轨迹可知,针板在上下运动时会在水平方向有几毫米的偏移,这样刺针在上下穿刺的过程中,也在做一个类似椭圆轨迹的往复运动;各零部件的加工和安装精度要求不高。
图5所示为一个类似的多摇杆导向机构,它与图4导向机构的区别在于摇杆固定不动的位置不同,定位点是在中间的摇杆中心,两边摇杆的末端分别与方形框架相连接,针板梁也是固定在这个框架上,这样针板就随框架一起做上下运动了。它的机构原理与图4的相似,针板上的刺针也是在作类似椭圆轨迹的往复运动。
虽然这两种导向机构的原理类似,但具体的结构有所不同,其主要区别有:前者的摇杆固定点在两边有4个点,后者的在中间有2个支点,相比较而言,后者的加工误差比前者的更容易控制。连接针板梁和剥网板支架的方形框,前者的外形比后者的小,相比较而言,前者的重量比后者的轻一点;因为两者在机架上的固定点不同,针刺机相关机构的位置连接也是不同的。不过,两者控制各自水平方向偏移的方法是一样的,因此,这两种导向机构的使用效果类似,选择哪种机构完全取决于设备自身的结构和空间需要。

4.2  技术解析
这种导向机构的针刺机比较适合大动程、对针刺质量要求比较低的领域。不过,可以改变3个摇杆的长度来减少或增加针迹左右偏移的距离。如果适当增加两侧摇杆的长度,并尽可能减少中间摇杆的长度,针板在水平方向左右偏移的距离就很小,机构的这个特点可以应用在各种型号的预针刺机上。近年来刺针走椭圆轨迹的预针刺机受到很多用户的青睐,因为它能减少刺针在前进方向对布面的划痕,以降低预针刺机的针痕对针刺布品质的影响。一般情况,预针刺机留在布面上的明显针痕在后续的设备中难以完全覆盖掉。
无论是两端固定还是中间固定的三摇杆机构,在针刺机中应用的是它的上下导向作用,受制于机构自身的特点,它有水平方向很小的偏移。为了防止断针,这个机构最好用在植针密度不大的机型中。当然,对针迹要求不高的针刺非织造材料来说,也是适合的。从这种机构的示意图中可以看出,零件的数量多,相互关联的点也多,这给制造和安装带来很多积累误差,因此,如果本机构用在中高速针刺机中,每个零件的加工误差必须控制在精度要求之内,否则设备可能达不到预期的效果。


5  一种用于陶瓷纤维毯的新型针刺机

在陶瓷纤维针刺毯生产线中,只需要一台针刺机,但它对毯的形成起决定性作用。这类针刺机的发展也是由仿造开始的,刚开始的针刺机动程在100mm之内,随着针刺毯厚度的增厚,动程逐渐发展为现在的120mm。由于针刺机的频率很低,主轴的轴承用普通的立式带座滚珠轴承就能满足。改变最大的是上下往复运动的导向机构,普通的铜套推杆导向机构因铜套更换太频繁,逐渐被用户淘汰掉。目前多数用户开始使用多摇杆导向机构的针刺机,或拥有类似导向形式的针刺机。
随着设备制造商对陶瓷纤维生产工艺的深入探讨,相关设备的机构也在不断改进,针刺机便是改进的重点。这类针刺机与常用针刺机最大的不同是剥网板要随上针板同步作上下往复运动,目的是将蓬松的纤维网拍压为一定厚度的形状。现在针刺毯的针刺密度也要求不断增加,这就需要针板增加植针密度。为此,研究人员对针刺机的相关机构进行了改进,以满足市场需求。
图6为新型针刺机及其主要机构示意图,示意图中的指示数字3是由指示数字4、5、6、7相应的部件组成的。我们利用麻毡针刺生产线的成熟生产工艺中先上刺后下刺的经验,将这台针刺机改为同步错位对刺的形式,即针刺机的刺针先从下面对纤维网进行穿刺,然后上面的刺针对其进一步穿刺,这样纤维之间的相互缠绕得到加强。这种机构组合的特点是:利用了原有的多摇杆导向机构;同位对刺改为错位同步对刺,即上下两块针板同时向中间相向运动;托网板升降由手动调节改为涡轮升降的电动控制;改变了剥网板到托网板的间距调整结构,剥网板的上下运动导向也改为多摇杆导向机构;主轴支撑轴承由2个增加为4个,改善了主轴的承受能力;植针密度增加1/3,以增大针刺密度。


6  结语

目前,大动程高速针刺机的发展受到材料、导向机构等因素的制约,提升针刺频率的难度较大。但是,近年来陶瓷纤维相关产业发展迅速,尤其是针刺毯的应用领域得到拓展,加快了针刺毯品质的提升,也推动了大动程针刺机的发展。虽然这个领域使用的针刺机为低速机型,但成熟的导向机构会被中速大动程针刺机利用。因此,大动程针刺机具有广阔的发展空间,将会在国产针刺机的类型中成为一个独立的新分支。


参考文献
[1]机械设计手册联合编写组.机械设计手册中册[M].北京:化学工业出版社,1987.
[2]王延熹.非织造布生产技术[M].上海:中国纺织大学,1998.

 

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