鞠永農(nóng) 柳紅春 (儀征市海潤紡織機械有限公司，儀征，211400)

針刺非織造技術(shù)具有加工工藝相對簡單、設(shè)備組合靈活、產(chǎn)品類型多等優(yōu)點，其產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在土工材料、汽車用紡織品、過濾材料、防護增強材料等領(lǐng)域。隨著針刺技術(shù)和工藝的不斷突破，針刺非織造產(chǎn)品將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣，促使國產(chǎn)針刺機向更高的技術(shù)層次發(fā)展。國產(chǎn)針刺機的技術(shù)借鑒了國外成熟機型的技術(shù)和經(jīng)驗，經(jīng)過幾十年的改進，國產(chǎn)機型的技術(shù)和制造都達到了一定的水平，但超高速針刺機的制造經(jīng)驗有待積累。雙搖桿導(dǎo)向型針刺機具有獨特的定位導(dǎo)向機構(gòu)和主傳動機構(gòu)，是國產(chǎn)超高速針刺機的發(fā)展機型之一。

1 針刺機技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)狀

雙搖桿導(dǎo)向型針刺機于上世紀(jì)80年代開始引入國內(nèi)，多數(shù)為Dilo公司的針刺設(shè)備。雙搖桿導(dǎo)向型針刺機與主軸箱式針刺機的不同之處在于主傳動機構(gòu)和針梁往復(fù)運動的導(dǎo)向機構(gòu)。國產(chǎn)針刺機針梁的上下運動通常是采用推桿與導(dǎo)向套組合的滑套式結(jié)構(gòu)，而雙搖桿導(dǎo)向機構(gòu)是采用雙扇形圓弧齒和齒條的組合來限位導(dǎo)向的。國內(nèi)設(shè)備制造商將這類機型推向市場是在2000年之后，盡管有的設(shè)備制造商將針梁的導(dǎo)向機構(gòu)作了局部改變，但其原理仍然是雙搖桿導(dǎo)向機構(gòu)原理的衍生。目前動程大于30 mm的國產(chǎn)針刺機的最高針刺頻率普遍在1 500刺/min以下，在實際的生產(chǎn)運行中高于1 000刺/min的生產(chǎn)線也極少。

由于雙搖桿導(dǎo)向機構(gòu)具有獨特的技術(shù)優(yōu)點，引起了國內(nèi)針刺機使用商的極大關(guān)注。近年來，資金雄厚的設(shè)備使用商引進了不少更加先進的高速針刺機，多數(shù)是Dilo公司的產(chǎn)品，包括四板同位對刺機型和橢圓形運動針跡針刺機。目前國內(nèi)有幾家針刺機制造商也已陸續(xù)推出這類機型，以滿足市場的需求，但受到材料、加工精度和制造工藝等因素的影響，制造針刺頻率超過1 500刺/min的針刺機還需時日。

1.2 先進技術(shù)

現(xiàn)代針刺機的針刺頻率不斷提高，尤其國外先進針刺機的針刺頻率已經(jīng)超過3 000刺/min，其特點是參與針刺運動的零件采用了高強度的輕質(zhì)材料，如碳素纖維復(fù)合材料［1］。另外，更加先進的橢圓形運動針跡針刺機得到迅速推廣，其針刺頻率超過2 000刺/min，近幾年國內(nèi)引進了不少這類機型。該類機型的主要特點是針板、橫梁由另外一個偏心機構(gòu)驅(qū)動，刺針不再單純地作垂直方向運動，而是在縱向的平面內(nèi)作垂直與水平方向的二維運動，其軌跡由一條直線轉(zhuǎn)變成近似于橢圓形狀。水平向的移動距離是為了對應(yīng)纖網(wǎng)的步進量，在時空上能與其很好地配合，從而顯著減少纖網(wǎng)的拉伸，實現(xiàn)針刺產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。該機型的針刺機構(gòu)必須采用Dilo公司的開放式主傳動機構(gòu)，不能使用主軸箱式針刺機構(gòu)，因為主軸箱式針刺機的推桿受到銅套的制約，針板只能作垂直方向運動。

2 雙搖桿導(dǎo)向型針刺機的特點

雙搖桿導(dǎo)向型針刺機的部件構(gòu)成與其他類型的針刺機相同，也包括主傳動、針刺、輸入輸出、托網(wǎng)、剝網(wǎng)、機架以及電氣控制等。主傳動機構(gòu)和針梁導(dǎo)向機構(gòu)是設(shè)備的技術(shù)核心，雙搖桿導(dǎo)向型針刺機的技術(shù)特點就在于這部分具有獨特的機構(gòu)設(shè)計。

雙搖桿導(dǎo)向型針刺機的主傳動機構(gòu)由分動箱帶動兩根平行的主軸，兩根主軸的轉(zhuǎn)動方向相反，且相位差為180°。主軸上的偏心輪驅(qū)動連桿、針梁和針板，作上下往復(fù)運動。獨特之處在于由雙曲柄、雙連桿、偏心輪軸、配重輪和軸承座等組成一個獨立的單元，整個機構(gòu)的零件采用對稱分布的結(jié)構(gòu)形式，滿足了力學(xué)要求和設(shè)備的需要。針梁導(dǎo)向機構(gòu)同樣采用了機構(gòu)對稱布置的雙搖桿導(dǎo)向機構(gòu)，即當(dāng)針梁作高速往復(fù)運動時，搖桿上的扇形圓弧齒與固定在機架上的齒條嚙合，完成定位導(dǎo)向。

雙搖桿導(dǎo)向型針刺機相對于傳統(tǒng)的推桿和滑動軸套機構(gòu)的機型，其優(yōu)點是傳動平穩(wěn)、振動較小、針刺頻率較高，有利于寬幅機型的發(fā)展。主軸箱式針刺機采用連桿與滑動軸套結(jié)構(gòu)，因滑動摩擦更容易出現(xiàn)磨損、發(fā)熱和易漏油等問題，不利于提升針刺頻率和提高生產(chǎn)率，且漏油會污染產(chǎn)品，影響針刺產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 雙搖桿導(dǎo)向型針刺機獨特的機構(gòu)和系統(tǒng)

3.1 主傳動機構(gòu)

雙搖桿導(dǎo)向型針刺機的傳動機構(gòu)是一種能夠承受高速針刺機載荷且受力分布合理的新型雙主軸傳動機構(gòu)，重新設(shè)計了軸承座、連桿、偏心輪和配重輪在主軸上的位置，通過分動箱將兩根完全相同的偏心輪軸組合為一個整體，目的是使兩個主軸以等速旋轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)向相反，以保持高速平衡。雙搖桿導(dǎo)向型針刺機的主傳動機構(gòu)不同于主軸箱式的形式。由圖1可以看出，由連桿、配重輪、軸承座和偏心輪軸構(gòu)成一個獨立的偏心單元，可以根據(jù)門幅要求來確定該單元的數(shù)量;連桿的兩側(cè)各有一個軸承座來支撐連桿，配重輪分布在軸承座的外側(cè)，通過受力分析不難發(fā)現(xiàn)，該零件組合更加合理，更利于連桿的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定。整個主傳動單元包裹在機架內(nèi)，并將針刺機的傳動區(qū)域與針刺區(qū)域隔離，兩者通過固定在機架上的薄膜密封，使纖網(wǎng)塵屑不能穿過，旋轉(zhuǎn)軸承上的潤滑油脂也不會泄漏到針刺區(qū)域。

圖1 主傳動機構(gòu)示意

機構(gòu)在運動過程中，除受外載荷的作用外，還受到其各構(gòu)件在運動狀態(tài)下產(chǎn)生的慣性載荷。該慣性載荷隨著機構(gòu)轉(zhuǎn)速的提高而迅速增加，在高速機構(gòu)中其作用已經(jīng)遠遠超過了外載荷。隨機構(gòu)運轉(zhuǎn)而時刻變化的慣性載荷不僅會增大運動副內(nèi)的摩擦，增加構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力和降低機構(gòu)生產(chǎn)效率，而且還是導(dǎo)致機器出現(xiàn)振動、疲勞等現(xiàn)象的主要因素，其結(jié)果就會惡化機構(gòu)的運動和動力性能。機構(gòu)平衡實際上就是設(shè)法平衡構(gòu)件的慣性載荷，以消除或降低慣性載荷造成的不利影響。新型雙軸傳動機構(gòu)的雙軸平行對轉(zhuǎn)設(shè)計就是利用了對稱式的平衡原理，很好地解決了水平方向的慣性載荷。

新型雙軸傳動機構(gòu)的顯著優(yōu)點有:①模塊化設(shè)計，可以減少或增加連桿的配置數(shù)量;②增加了主軸軸承座的數(shù)量，可以使主軸能承受更大的交變載荷;③連桿大頭端的軸承采用承受力更大的滾柱軸承，有利于針刺頻率的提升;④重新設(shè)計軸承座、連桿和配重輪的位置，便于提高和保障加工與安裝的精度，也有利于針刺頻率的進一步提升;⑤偏心單元小巧輕盈，經(jīng)過長期使用后若必須更換，所需時間很短。

3.2 雙搖桿導(dǎo)向機構(gòu)

雙搖桿導(dǎo)向機構(gòu)是本機型的技術(shù)特色，該機構(gòu)改變了原有導(dǎo)向套式的定位方法，用阻力較小的滾動摩擦副替代了滑動摩擦副，示于圖2。雙搖桿導(dǎo)向機構(gòu)的顯著特點體現(xiàn)在一個“雙”字上，雙搖桿導(dǎo)向機構(gòu)的組成必須是雙主軸、雙連桿、雙搖桿，而針梁(即針板數(shù))可雙可單?！半p零件”巧妙地運用了對稱式的平衡原理，使針刺機水平方向的力互相抵消，減少了設(shè)備的左右晃動。雙主軸傳動機構(gòu)保證了下面的雙搖桿定位導(dǎo)向的可行性和科學(xué)性［2］。雙搖桿導(dǎo)向機構(gòu)主要零件包括連桿、齒條座、橡膠套、搖桿、針梁、針梁座、針板、齒輪塊和齒條塊等。連桿、搖桿和針梁座等通過連桿銷連接，齒輪塊固定在搖桿末端，齒條塊固定在齒條座上，齒條座固定在機架上，齒條塊和齒輪塊的潤滑脂用橡膠套封閉;搖桿末端帶有圓弧，且齒輪塊的節(jié)度圓與搖桿末端圓弧的半徑一致，都與連桿銷的中心重合，而齒條座固定齒條塊的兩側(cè)設(shè)計有平臺，平臺的高度與固定的齒條的節(jié)線重合，因而由齒輪塊和齒條塊，以及搖桿與齒條座組成了雙定位形式。由于齒條座固定，所以搖桿和齒輪塊就能沿齒條和齒條座平臺作上下運動，保證了針板運動的穩(wěn)定與可靠。圖3是圖2中A－A的剖視圖，可以看到正是搖桿末端和齒條座的獨特設(shè)計解決了機器軸向的定位問題。搖桿的左右兩側(cè)被齒條座的凹形結(jié)構(gòu)卡主，也就是把搖桿另一端同在一銷軸上的針梁座在軸向的位移限住，使固定針梁的針梁座只有上下的方向是自由的，這正是設(shè)備所需要的。

圖2 雙搖桿導(dǎo)向機構(gòu)示意

圖3 雙搖桿導(dǎo)向機構(gòu)A－A的剖視示意圖

雙搖桿導(dǎo)向機構(gòu)的顯著優(yōu)點是:①橡膠套將扇形齒塊和齒條塊的潤滑脂密封起來，杜絕了漏油現(xiàn)象;②當(dāng)扇形齒塊和齒條處相關(guān)摩擦片有磨損時，只需調(diào)整齒條座位置就能滿足匹配要求;③兩側(cè)對稱的滾動導(dǎo)向方式，減少了摩擦因數(shù)，使針刺機有進一步提升針刺頻率的空間;④扇形齒塊和齒條的連接為滾動接觸，接觸面積小，運動產(chǎn)生的噪音小;⑤相關(guān)零件結(jié)構(gòu)簡單，有利于應(yīng)用新材料，以提高針刺頻率。

3.3 風(fēng)冷系統(tǒng)

由于主傳動機構(gòu)是開放式的，相關(guān)的軸承不能采用潤滑油來潤滑，否則會出現(xiàn)漏油問題，所以本機構(gòu)采用潤滑脂潤滑的方式。主軸軸承和連桿大頭的軸承轉(zhuǎn)速高、受力大，因摩擦產(chǎn)生的熱量也大，為了排除摩擦熱量，確保相關(guān)零件和軸承在較高甚至最高的沖程頻率下，溫度保持在最低水平，設(shè)備在連桿大頭水平方向的機架上配備了一對小風(fēng)機，利用流動的冷空氣帶走相關(guān)零件和軸承的熱量。

主傳動機構(gòu)的針刺機，當(dāng)針刺頻率小于1 000刺/min時，通常不需要配備風(fēng)冷系統(tǒng)。風(fēng)冷系統(tǒng)是為高速或超高速針刺機服務(wù)的，目的是保障相關(guān)軸承的正常工作狀態(tài)。

3.4 潤滑系統(tǒng)

潤滑系統(tǒng)也是為主傳動機構(gòu)服務(wù)的。主軸的轉(zhuǎn)速越高，軸承因摩擦產(chǎn)生的熱量越大，給軸承潤滑的潤滑脂的量必須相對準(zhǔn)確。為此，設(shè)備配置了一個中央自動潤滑系統(tǒng)，負責(zé)給主軸軸承和偏心輪軸承供油，來控制潤滑脂的加入量和相隔時間。該自動潤滑系統(tǒng)設(shè)有保險備用供應(yīng)，潤滑周期和間隔時間都由一個可編程邏輯控制器控制，給油量和對個別軸承的分配及油箱的潤滑油供應(yīng)都以機電方式控制。

針刺機的其他軸承若非得到自動供油，就是受到終身潤滑，所以根本不需要人工經(jīng)常加油，只要不時檢查其狀況即可。

3.5 其他重要構(gòu)件

(1)機架，尤其是固定主傳動機構(gòu)的機架，其設(shè)計必須保證機加工的精度滿足設(shè)備的技術(shù)要求，這關(guān)系到雙搖桿導(dǎo)向機構(gòu)在安裝時的基準(zhǔn)，直接影響到設(shè)備的運行頻率。針刺機的機架一般由鋼板焊接而成，必須作去除焊接應(yīng)力的工藝處理。機架屬于大型焊接件，在機加工時需要摸索，不斷積累經(jīng)驗，將設(shè)計和機加工的需要統(tǒng)一起來，只有滿足設(shè)計要求才能使機架能夠達到其相應(yīng)的載荷要求。此外，針刺機構(gòu)是針刺機中慣性較大、耗能較多的部分，機構(gòu)運動產(chǎn)生的周期性慣性力和慣性力矩通過軸承作用到機架上，會引起針刺機的振動。針刺機的機架體積相對較大，加工需要大型機床，精度不好控制，所以要求機架的設(shè)計在保障設(shè)備承載力的前提下，整體結(jié)構(gòu)要簡單，易于加工，便于零部件的安裝。

(2)針梁，通常由鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)件制成，質(zhì)量比較大，運動時會產(chǎn)生很大的慣性，從而嚴(yán)重影響針刺機構(gòu)的平穩(wěn)性和高速性能。目前有些針梁已由高強度、抗彎和抗扭性能較好的輕合金材料制成，為了滿足針刺機高速運轉(zhuǎn)的要求，有的甚至還選用高強度、輕質(zhì)的碳纖維復(fù)合增強材料來制作針梁。針梁的輕量化是其未來的發(fā)展方向。

4 結(jié)語

當(dāng)前我國針刺行業(yè)期望使用高效、操作連續(xù)性好的技術(shù)先進的針刺機，也要求設(shè)備可靠耐用、操作和維護簡單方便。國產(chǎn)針刺機經(jīng)過近30年的發(fā)展，制造技術(shù)達到了一定的水平，但超高速機型的技術(shù)發(fā)展緩慢，其中主傳動軸承的質(zhì)量、關(guān)鍵零件的材料和加工精度、安裝工藝等都是制約針刺機性能和質(zhì)量的重要因素。隨著國產(chǎn)針刺機的出口和先進針刺機的引進，相互間的技術(shù)交流為國產(chǎn)超高速針刺機積累了技術(shù)和經(jīng)驗。機型的發(fā)展可以引進國外的先進技術(shù)，如同位對刺機、橢圓軌跡針刺機等，雙搖桿導(dǎo)向型針刺機的主傳動機構(gòu)和針刺機構(gòu)正是橢圓軌跡針刺機所需要的機構(gòu)。因此，雙搖桿導(dǎo)向型針刺機會成為國產(chǎn)針刺設(shè)備發(fā)展和轉(zhuǎn)型的亮點。

［1］葉奕梁譯.針刺非織造生產(chǎn)東山再起［J］.非織造布，2011(6):39-40.

［2］機械設(shè)計手冊聯(lián)合編寫組.機械設(shè)計手冊(中冊)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1987:35.