董 明

（廣東豐凱機(jī)械股份有限公司，廣東 佛山 528300）

劍帶冷卻裝置是劍桿織機(jī)的一重要組成部分，劍帶在使用過(guò)程中由于高速運(yùn)行的劍帶摩擦所產(chǎn)生的持續(xù)不斷的摩擦力，造成了劍帶及相關(guān)零部件的溫升。劍帶冷卻裝置主要作用就是降低摩擦所產(chǎn)生的溫度以達(dá)到延長(zhǎng)劍帶及相關(guān)零部件使用壽命的目的。

目前劍桿織機(jī)在我國(guó)紡織業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，并且越高檔的劍桿織機(jī)越趨向于高速化。然而，隨著織造速度的不斷提升，其織機(jī)的易損件的使用壽命也在大幅度降低，從而導(dǎo)致織造成本增加。傳統(tǒng)的劍帶冷卻裝置在劍帶運(yùn)行過(guò)程中都是直接接觸高速運(yùn)行的劍帶，這就造成了劍帶冷卻裝置的不斷磨損，當(dāng)持續(xù)一段時(shí)間后磨損部位會(huì)形成表面不平及產(chǎn)生尖點(diǎn)的狀況，劍帶運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)滑擦及剝落情況，因此需要經(jīng)常檢查及更換此零件。

本文主要介紹了劍帶冷卻裝置設(shè)計(jì)的幾種新方案，以及對(duì)提高零件耐磨性、降低溫升、提升易損件的使用壽命等幾方面進(jìn)行了分析探討。

1 劍桿織機(jī)劍帶運(yùn)動(dòng)

如圖1所示，劍帶包含劍頭是由傳劍輪7帶動(dòng)，在筘座上固定的導(dǎo)鉤中往復(fù)運(yùn)行，當(dāng)去程時(shí)由劍頭及劍帶在導(dǎo)軌1中滑動(dòng)向前推進(jìn)，則劍帶分別通過(guò)了劍庫(kù)12，吹吸風(fēng)部件11，冷卻塊8，劍帶護(hù)圈6，冷卻塊5以及潤(rùn)滑蠟塊4。當(dāng)劍頭回程時(shí)由劍帶帶著劍頭反向重復(fù)以上步驟，劍帶退回到劍庫(kù)中，劍頭退到導(dǎo)軌1內(nèi)。

圖1 劍帶運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2 劍桿織機(jī)的劍帶及冷卻塊產(chǎn)生溫升的原因

如圖2所示，當(dāng)去程時(shí)由劍頭及劍帶在導(dǎo)軌1中滑動(dòng)向前推進(jìn)，則劍帶在導(dǎo)軌區(qū)近似呈自由狀態(tài)受力較簡(jiǎn)單，這個(gè)過(guò)程劍帶是在劍頭和劍帶輪齒支點(diǎn)之間懸空，基本不會(huì)在導(dǎo)軌內(nèi)各個(gè)面摩擦。因此，不會(huì)有熱量的產(chǎn)生。但劍帶在傳劍輪上呈彎曲狀態(tài)時(shí)，劍帶內(nèi)側(cè)和外側(cè)會(huì)受到較大的彎曲應(yīng)力，尤其是劍帶在由冷卻塊4進(jìn)入劍帶護(hù)圈5的過(guò)程，劍帶產(chǎn)生形變的最大處是在這兩者之間，而在圖2所示A點(diǎn)處劍帶上表面就會(huì)接觸到冷卻塊4下表面，由于此點(diǎn)上存在摩擦力，加上織機(jī)是高速運(yùn)行，就會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，并將劍帶的溫度傳導(dǎo)到冷卻塊4上面，由冷卻塊4進(jìn)行散熱。當(dāng)劍帶在劍帶護(hù)圈5和冷卻塊6之間的時(shí)候，又是一個(gè)形變的過(guò)程，這時(shí)將會(huì)在C處產(chǎn)生一個(gè)接觸點(diǎn)，與在A點(diǎn)相同產(chǎn)生大量的熱；劍帶繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)劍帶運(yùn)行到劍庫(kù)10時(shí)，因?yàn)閯┒藳](méi)有了支撐，形成了自由狀態(tài)，受到了劍帶本身重量以及部分張力的作用，使劍帶和劍庫(kù)10之間大面積摩擦，從而有大量的熱產(chǎn)生。理想狀態(tài)下，不可避免地產(chǎn)生摩擦的三個(gè)區(qū)域?yàn)锳點(diǎn)、C點(diǎn)和D區(qū)域。但是，實(shí)際零件加工過(guò)程中，受機(jī)床精度、加工工藝以及材料本身性質(zhì)的影響，會(huì)造成誤差，這就有可能導(dǎo)致在B區(qū)域劍帶護(hù)圈5上面造成劍帶和護(hù)圈之間的摩擦，這也可能是造成溫升的一個(gè)區(qū)域。

對(duì)于這幾處的溫升處理，設(shè)計(jì)之初考慮到劍帶一般是由很好的材料制成 （一般都會(huì)選擇碳纖維），其最大的特點(diǎn)是耐磨，包括較好的柔韌性和受熱后較小的變形。而整個(gè)織造過(guò)程中，劍帶是持續(xù)高速運(yùn)動(dòng)，雖然和幾個(gè)點(diǎn)或者區(qū)域都存在摩擦，但是由于高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中帶動(dòng)的空氣流動(dòng)，而且一般織造環(huán)境都對(duì)濕度和環(huán)境溫度有要求，所以劍帶的溫升完全可以通過(guò)風(fēng)冷達(dá)到劍帶本身降溫的效果[1]。因此實(shí)際上需要考慮的是A、C兩點(diǎn)和B、D兩個(gè)區(qū)域的溫度。

圖2 劍帶各發(fā)熱點(diǎn)示意圖

3 劍桿織機(jī)的劍帶冷卻裝置

在整機(jī)設(shè)計(jì)完成后，試驗(yàn)及小批量生產(chǎn)過(guò)程中總是存在冷卻塊不斷被磨損的情況，當(dāng)機(jī)器運(yùn)行了一個(gè)月甚至更短時(shí)間就出現(xiàn)冷卻塊磨損嚴(yán)重的情況。設(shè)計(jì)冷卻塊材料為45鋼，表面鍍Cr，由于機(jī)器速度很高故磨損嚴(yán)重。隨后，又更改為材料45鋼、表面鍍Ni-P，發(fā)現(xiàn)情況明顯好轉(zhuǎn)，但是當(dāng)運(yùn)行了3個(gè)月以后，冷卻快又出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損的情況，由于冷卻塊必須整個(gè)零件表面都鍍上Ni-P，而且鍍層要達(dá)到一定的厚度，冷卻塊磨損后整個(gè)零件只能報(bào)廢處理。同時(shí)冷卻塊的散熱性不是很好，使用過(guò)程中其表面溫度很高，所以既增加了成本又無(wú)從根本上解決問(wèn)題。

基于以上存在的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)查閱資料以及多次試驗(yàn)，我們做出了以下幾種方案。

3.1 AZ31B鎂合金鍍Ni-P

首先選用了AZ31B鎂合金為材料，進(jìn)行了鍍Ni-P，得到的零件表面致密、均勻、光亮、無(wú)缺陷，質(zhì)量較輕并具有良好的散熱性能[2]，在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)機(jī)器連續(xù)工作時(shí)跟蹤記錄結(jié)果 （見(jiàn)表1）所示最高溫度不超過(guò)45℃，是比較理想的選用材料。雖然其使用壽命可以延續(xù)到4～6個(gè)月，但由于材料造價(jià)較高而且鍍層較為昂貴，存在成本較高、需要不斷更換的問(wèn)題。

表1 AZ31B鎂合金冷卻塊溫升跟蹤表

3.2 新結(jié)構(gòu)的運(yùn)用

經(jīng)過(guò)不斷的跟蹤，設(shè)計(jì)成可拆卸結(jié)構(gòu)的冷卻塊。

圖3 可拆卸冷卻塊結(jié)構(gòu)

如圖3所示，該冷卻塊結(jié)構(gòu)由冷卻塊基體3和冷卻塊壓板2兩部分組成，并由沉頭螺釘1緊固。首先采用了市面上最常見(jiàn)的鋁合金材料作為冷卻塊基體，達(dá)到快速散熱的效果，其次冷卻塊壓板2采用了45鋼，表面鍍Ni-P，由于零件面積減小了很多，所以鍍層成本也大幅降低。織機(jī)工作過(guò)程中，在冷卻塊壓板2上產(chǎn)生的熱量可以快速地傳導(dǎo)到冷卻塊基體3上，并通過(guò)鋁合金材料的冷卻塊基體散熱，而且當(dāng)冷卻塊壓板2磨損時(shí)，只需拆卸更換壓板即可，不用報(bào)廢整個(gè)基體，從而大幅度降低了易損件成本[3]。通過(guò)機(jī)器連續(xù)工作時(shí)跟蹤記錄結(jié)果（見(jiàn)表2）所示，其溫升也不會(huì)超過(guò)45℃。

表2 可拆卸冷卻塊溫升跟蹤表

3.3 陶瓷涂層的運(yùn)用

經(jīng)過(guò)不斷的查閱文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段比較新型的涂層技術(shù)是陶瓷涂層技術(shù)。試驗(yàn)依然選用了鋁合金為材料，表面進(jìn)行了鍍陶瓷工藝，得到的零件表面致密、均勻而且質(zhì)量較輕并具有良好的散熱性能[4]。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)機(jī)器連續(xù)工作時(shí)跟蹤記錄結(jié)果 （見(jiàn)表3）所示，其最高溫度依然不超過(guò)45℃。該冷卻塊顯著的優(yōu)點(diǎn)是其使用壽命可延續(xù)到24～36個(gè)月，經(jīng)過(guò)零件的對(duì)稱設(shè)計(jì)，當(dāng)下層有所磨損的時(shí)候可拆下，翻轉(zhuǎn)上層涂層到下面，繼續(xù)使用上表面未使用過(guò)的涂層，其使用壽命在原有基礎(chǔ)上又翻一倍，達(dá)到4～6年。

表3 陶瓷涂層冷卻塊溫升跟蹤表

對(duì)比以上幾種設(shè)計(jì)方案，從使用壽命及調(diào)試成本綜合考慮，冷卻裝置以鋁合金為材料，表面采用陶瓷涂層，設(shè)計(jì)成可拆卸結(jié)構(gòu)，效果較佳，可極大地降低物料和人力成本，而且贏得了客戶的良好贊譽(yù)。

4 新型納米涂層在紡織機(jī)械上應(yīng)用的展望

因?yàn)榧{米材料本身具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，近年來(lái)隨著納米材料的研究?jī)?nèi)涵不斷擴(kuò)大，應(yīng)用前景十分廣闊。納米材料科學(xué)涉及面廣，包括原子物理凝聚態(tài)物理，液態(tài)化學(xué)，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和表面、界面科學(xué)等眾多學(xué)科。納米技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用和理論研究方面都是有極大的價(jià)值，成為近年材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)，被認(rèn)為是“21世紀(jì)最有前途的科學(xué)之一”[5]。制備納米復(fù)合材料是獲得高性能材料的有效方法之一，這也為熱噴涂納米涂層的發(fā)展提供了難得的契機(jī)。初步研究結(jié)果表明：納米結(jié)構(gòu)涂層具有取代現(xiàn)有涂層的潛力，在高性能應(yīng)用方面，如高耐應(yīng)，抗腐蝕，長(zhǎng)壽命熱障涂層等，它都有著令人難以想象的潛力。

隨著納米涂層研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的不斷深入，關(guān)于納米涂層制備，表征反應(yīng)應(yīng)用的研究成為熱噴涂技術(shù)重點(diǎn)的發(fā)展方向，研究?jī)?nèi)容涉及涂層的強(qiáng)度，韌性，抗腐蝕，耐磨，熱障抗疲勞摩擦等各方面，初步結(jié)果表明，納米涂層性能與常規(guī)微米涂層相比有了顯著提高，這將有力地推動(dòng)納米涂層技術(shù)的發(fā)展。

紡織機(jī)械上存在著較多的需要有耐磨高強(qiáng)度的零件，如果納米涂層技術(shù)成熟，那將伴隨著紡織機(jī)械易損件成本下降，性能大幅度提升。

[1] 夏金國(guó)，李金海.織造機(jī)械 ［M].北京：中國(guó)紡織出版社，2001.

[2] 蔡永東.新型織機(jī)設(shè)備與工藝 ［M].上海：東華大學(xué)出版社，2003.

[3] 成大仙.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) ［M].4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[4] 鄧世均.高性能陶瓷涂層 ［M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[5] 霍洪媛 .納米材料 ［M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.