牛建峰

（中國(guó)石化洛陽(yáng)分公司，河南洛陽(yáng) 471012）

應(yīng)用技術(shù)

滌綸短纖維切斷刀失效原因分析及對(duì)策

牛建峰

（中國(guó)石化洛陽(yáng)分公司，河南洛陽(yáng) 471012）

重點(diǎn)分析聚酯滌綸短纖維切斷刀在使用過(guò)程中的主要失效表現(xiàn)形式以及正常生產(chǎn)時(shí)切斷刀的受力情況，并以此為依據(jù)制定相應(yīng)的解決對(duì)策。

短纖維 切斷刀 失效形式 對(duì)策

切斷工序是聚酯滌綸短纖維生產(chǎn)過(guò)程中的重要工序之一。在切斷工序，纖維經(jīng)過(guò)切斷機(jī)切斷加工達(dá)到特定的長(zhǎng)度，以滿足在進(jìn)一步加工中實(shí)現(xiàn)與棉、毛等天然纖維進(jìn)行混紡的要求。切斷刀是切斷機(jī)上的關(guān)鍵零件，它直接影響著纖維的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，因此，分析研究切斷刀失效原因以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率影響，對(duì)于指導(dǎo)滌綸短纖維的生產(chǎn)有著重要的意義。

1 切斷機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 切斷機(jī)的結(jié)構(gòu)

為適應(yīng)大容量、高速度、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的需要，中石化洛陽(yáng)分公司采用大型壓輪式切斷機(jī)，如圖1所示，其主要由張力裝置1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)4、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)5、切斷刀盤(pán)2、壓輥3等構(gòu)成。

圖1 切斷機(jī)構(gòu)成示意

1.2 切斷機(jī)工作原理

切斷機(jī)工作時(shí)，將一組切斷刀片的刃口向外、呈輻射狀安裝在切斷機(jī)的刀盤(pán)2上，刀片與刀片之間的距離即為切斷短纖維的長(zhǎng)度。開(kāi)機(jī)前，調(diào)節(jié)壓輥3與切斷刀盤(pán)2之間的距離至合適位置；開(kāi)機(jī)后，絲束通過(guò)張力裝置1產(chǎn)生一定的預(yù)張力，連續(xù)地纏繞在切斷刀的刃口上，使絲束越纏越厚。當(dāng)厚度大于刀盤(pán)和壓輪之間的間隙時(shí)，壓輪把絲束壓向刀刃，繞在刀盤(pán)上的內(nèi)層絲束被刀刃割斷，切斷后的短纖從刀盤(pán)內(nèi)側(cè)被拋下，送至排出槽得到成品纖維。

2 常見(jiàn)失效形式及原因分析

切斷刀采用長(zhǎng)形片狀刀具，工作時(shí)一般安裝固定在切斷刀盤(pán)的刀庫(kù)里，靠刀庫(kù)給切斷刀一定的支撐力。目前短纖維裝置普遍運(yùn)用的切斷刀的厚度為0.9 mm，高度為19 mm，長(zhǎng)度從30到190 mm均有。切斷刀的材料為YS2，其各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1所示，切斷刀盤(pán)實(shí)物圖如圖2所示。

表1 切斷刀各項(xiàng)指標(biāo)

2.1 切斷刀常見(jiàn)失效形式

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，切斷刀在使用過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)的失效形式主要分為切割刃鋒利性下降（鈍刀）和切斷刀脆性斷裂兩種。根據(jù)切斷刀失效時(shí)間的先后順序可以分為切斷機(jī)啟動(dòng)初期切斷刀斷裂、運(yùn)行中切斷刀斷裂及鈍刀等情況。

2.1.1 切斷機(jī)啟動(dòng)初期切斷刀斷裂

切斷機(jī)啟動(dòng)初期切斷刀斷裂：是指在切斷升頭后啟動(dòng)切斷機(jī)到切斷張力趨于正常設(shè)定值的一段時(shí)期內(nèi)發(fā)生的切斷刀的斷裂。發(fā)生上述情況往往致使生產(chǎn)線降速運(yùn)行，有時(shí)還會(huì)引起生產(chǎn)線被迫停運(yùn)。

2.1.2 運(yùn)行中切斷刀斷裂

運(yùn)行中切斷刀斷裂：是指切斷機(jī)以正常的張力及正常速度運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的切斷刀斷裂現(xiàn)象，上述情況往往致使切斷刀盤(pán)的刀庫(kù)受到損傷從而致使生產(chǎn)線停運(yùn)，造成較大的生產(chǎn)損失。

圖2 切斷刀盤(pán)實(shí)物

2.1.3 鈍刀

鈍刀：是指切斷刀在正常生產(chǎn)數(shù)批絲束后，利用生產(chǎn)間歇，操作工人主動(dòng)停止切斷機(jī)運(yùn)行，檢查切斷刀的刀刃磨損程度，刀刃磨損較大的刀稱之為鈍刀。

2.2 切斷刀失效原因分析

2.2.1 切斷機(jī)啟動(dòng)初期切斷刀斷裂原因分析

切斷機(jī)啟動(dòng)初期切斷刀斷裂失效形式較為常見(jiàn)，尤其在牽伸線纏輥頻繁停車(chē)而又頻繁開(kāi)車(chē)的情況下，絲束在松弛烘干機(jī)鏈板上堆積不規(guī)則，絲束潮濕；切斷頻繁升頭，有時(shí)會(huì)有絲結(jié)進(jìn)入刀盤(pán)導(dǎo)致切斷刀受到的力突然增大數(shù)倍；升頭慢時(shí)，操作人員為了不導(dǎo)致?tīng)可炀€再次停運(yùn)，會(huì)快速提高切斷機(jī)速度，這時(shí)切斷張力變化較大，張力調(diào)節(jié)的過(guò)程中，實(shí)際的張力超出設(shè)定張力幅度較大，導(dǎo)致刀受力大而斷裂。因此啟動(dòng)初期切斷刀斷裂原因主要為：絲束潮濕、絲結(jié)進(jìn)入刀盤(pán)、絲束張力大。

2.2.2 運(yùn)行中切斷刀斷裂原因分析

滌綸短纖維絲束在切斷過(guò)程中，刀片既是絲束的切割點(diǎn)，又是內(nèi)層絲束的支持點(diǎn)，切斷刀刀刃切割方向沿刀盤(pán)徑向均勻分布。

以均勻分布在刀盤(pán)上正在切絲時(shí)的切斷刀刀尖為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行受力分析，如圖3所示。該點(diǎn)受到兩個(gè)方向的外力的作用，一個(gè)是包圍在其上的絲束的拉力f，另一個(gè)是由壓輥壓持絲束傳遞到刀刃的力N，f和N的合力為F。絲束對(duì)刀的作用力為與F大小相等方向相反的F′，顯然F′與切斷刀的安裝方向并不重合或平行。

圖3 切斷刀受力分析

由切斷刀安裝的形式可以看出，切斷刀所受壓力N的方向與刀體的寬度方向重合，而拉力f與刀體寬度方向垂直，簡(jiǎn)化為圖4簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)件。每次切斷時(shí)，絲束作用于刀的壓力N由刀庫(kù)施加于刀的反作用力平衡，拉力f由刀自身的抗彎能力來(lái)平衡。由于拉力f是變化的，交變載荷拉力f引起刀片承受交變應(yīng)力，最終引起構(gòu)件的疲勞失效，是導(dǎo)致切斷刀疲勞斷裂的主要原因。

圖4 切斷刀刀體受力簡(jiǎn)化圖

2.2.3 鈍刀原因分析

切割刃鋒利性下降，也就是通常所說(shuō)的鈍刀，其在顯微鏡下顯示為刀刃部的微小缺損，這個(gè)缺損還沒(méi)有影響到刀的切斷性能。如果刀刃部的缺損尺寸等于或大于絲束直徑，造成局部單絲無(wú)法切斷時(shí)，切斷絲束中會(huì)出現(xiàn)倍長(zhǎng)的單絲，影響產(chǎn)品質(zhì)量。纖維中起消光作用的TiO2粒子的硬度為HV1000，小于切斷刀刃口的硬度HV1500。按照金屬的磨損理論，金屬的磨粒磨損取決于磨粒的硬度Ha和金屬材料的硬度Hm之比。當(dāng)Ha＜Hm（一般為Hm＞（1.2～1.3）Ha）時(shí)，磨粒對(duì)金屬的磨損很輕微。但是由于刀刃部趨于無(wú)限的薄，每次切斷時(shí)刀尖都要受到力的作用，刀尖金屬材料會(huì)被絲束微量帶走，由于整個(gè)長(zhǎng)度的刀刃材料致密度不一樣，使用一段時(shí)間后，刀刃部的角度逐漸變大，同時(shí)刃部出現(xiàn)高低不平。因此鈍刀是隨著使用時(shí)間及材料的致密度等影響而不可避免的結(jié)果。

3 對(duì)策制定

3.1 切斷機(jī)啟動(dòng)初期切斷刀斷裂的應(yīng)對(duì)措施

絲束潮濕、絲結(jié)進(jìn)入刀盤(pán)、絲束張力大是切斷刀初期斷裂的主要原因，因此防止絲結(jié)和過(guò)于潮濕的絲進(jìn)入刀盤(pán)，升頭時(shí)不快速提升運(yùn)行速度就可很大程度上防止切斷刀的初期斷裂，同時(shí)還需要優(yōu)化切斷張力調(diào)節(jié)回路的PID參數(shù)及變頻器的啟動(dòng)參數(shù)，來(lái)避免實(shí)際張力大幅大于設(shè)定張力。

3.2 運(yùn)行中切斷刀斷裂的應(yīng)對(duì)措施

由于刀切斷絲束時(shí)受力最大，以刀盤(pán)正在切斷絲束切斷刀的刀刃為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行受力分析，如圖5所示。刀刃受到兩個(gè)力的作用，來(lái)自絲束的壓力Fn（其大小等同于壓輥對(duì)刀盤(pán)的壓力Fn′）和絲束在刀盤(pán)切向?qū)Φ度械睦。

圖5 刀刃受力分析示意

a）壓輥壓力的計(jì)算：F′n

b）絲束拉力：f

由前所述切斷機(jī)的工作原理可知，經(jīng)過(guò)卷曲的絲束在進(jìn)入切斷機(jī)前，會(huì)由張力機(jī)提供給絲束一定的預(yù)緊力F1，絲束在此預(yù)緊力的作用下會(huì)有一定程度的“拉長(zhǎng)”。一般地，纖維在牽伸卷曲工序中，直線狀的原絲會(huì)被加工為具有一定卷曲度的卷曲絲，故纖維在預(yù)緊力F1的作用下可能發(fā)生“伸展”（纖維的彎曲重新被拉開(kāi)）或者“拉伸”（纖維的內(nèi)部大分子被拉長(zhǎng)）兩種形態(tài)的變化，如圖6所示。

查詢系統(tǒng)參數(shù)知，預(yù)緊力F1＝1.3 kN，以用2400噴絲板生產(chǎn)1.56 dtex半消光為例進(jìn)行分析，可得單根纖維受力F12為：

其中p為噴絲板孔數(shù)，p＝2 400；s為紡絲位數(shù)，s＝80；j為集束桶數(shù)，j＝23。

圖6 絲束受力卷曲示意圖

在做檢測(cè)卷曲度的實(shí)驗(yàn)中對(duì)單根纖維加0.117 cN的力絲束仍然處于“伸展”狀態(tài)。顯然，0.029 4 cN＜0.117 cN，在預(yù)緊力F1的作用下絲束內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化，故可以將此變化看作是符合胡克定律的彈性形變過(guò)程。

由卷曲度試驗(yàn)，一定長(zhǎng)度的單根纖維分別在0.002 81 cN與0.117 cN的作用下長(zhǎng)度分別為28 mm與32 mm，故由ΔF＝k×Δx可算得：

絲束進(jìn)入切斷機(jī)后，帶有預(yù)緊力F1的絲束繞在切斷刀盤(pán)上，直至絲束厚度達(dá)到足以填滿壓輥和刀盤(pán)之間的間隙，最里側(cè)的絲束開(kāi)始被切斷。由于絲束在被切斷的過(guò)程中是由最外層逐步向最里層移動(dòng)的，因此在絲束移動(dòng)到最里層的時(shí)候相當(dāng)于原本拉伸的絲被一定程度的放松。故最里層絲束的張力F2為預(yù)緊力F1減去ΔF以及絲束在由外向內(nèi)移動(dòng)過(guò)程中克服絲束之間摩擦能量損失的力（可以忽略不計(jì)）。而絲束在切斷之后一端被完全放松，對(duì)切斷刀已經(jīng)沒(méi)有作用力，故F2＝f。

切斷刀盤(pán)刀刃的外徑為853 mm，壓輥與刀刃之間的距離為8 mm，絲束到達(dá)最里層時(shí)張力為F2，以任意兩個(gè)相鄰的切斷刀之間的絲束為研究對(duì)象，則：F2＝F1-ΔF。

求得F2≈457 N。上式中，2 400為噴絲板孔數(shù)，80為紡絲位數(shù)，23為集束桶數(shù)，d為沒(méi)有繞絲束時(shí)的刀盤(pán)直徑，d＝853 mm，D為纏繞絲束后刀盤(pán)直徑，D＝869 mm，由上分析可知F2＝f＝457 N。

由γ＝arctan（f／F′），求得γ≈5.5°，即切斷刀刀刃所受力f和F′的合力與刀盤(pán)徑向呈5.5°夾角，以此為依據(jù)，將原刀盤(pán)徑向刀庫(kù)的刀槽改為與徑向呈5°夾角的刀槽，并對(duì)改進(jìn)后的刀盤(pán)運(yùn)行情況進(jìn)行了跟蹤。跟蹤5°角刀盤(pán)使用前后切斷刀脆性斷裂情況，統(tǒng)計(jì)如表2、3所示。

表2 5°角刀盤(pán)使用前一線斷刀情況（2012年1月～10月）

表3 5°角刀盤(pán)使用后一線斷刀情況（2013年1月至10月）

由此可以看出，改造后刀盤(pán)使得斷刀情況明顯減少。

4 結(jié) 論

a）切斷刀初期斷裂通過(guò)操作改善可以預(yù)防；

b）壓輪式切斷機(jī)在工作過(guò)程中切斷刀的受力方向與刀盤(pán)徑向呈一定（洛陽(yáng)石化5.5°）夾角，這是造成切斷刀脆性斷裂的主要原因；

c）切斷刀受力方向與刀盤(pán)徑向的夾角γ隨壓輥與刀盤(pán)間隙、噴絲板孔數(shù)p、紡絲實(shí)際生產(chǎn)位數(shù)s的變化而變化，不同生產(chǎn)工況下夾角γ不同；

d）采用與刀盤(pán)徑向呈一定夾角刀槽的刀盤(pán)，在運(yùn)行中能有效減少切斷機(jī)的斷刀幾率，可提高纖維的切斷質(zhì)量，在化纖行業(yè)具有推廣價(jià)值。

［1］銳鈦型TiO2性能研究［J］.化學(xué)通報(bào)，1999.

［2］硬質(zhì)合金化纖切斷刀失效原因的試驗(yàn)分析［J］.紡織學(xué)報(bào)，2005.

［3］滌綸短纖維切斷刀的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.合成纖維工業(yè)，2006.

Analysis and counterm easures of the failure of Polyester stap le fiber cutting off cutter

Niu Jianfeng
（China Petroleum＆Chemical Corporation LuoYang company，Luoyang Henan 471012，China）

This article highlights the major failure form of Polyester staple fiber cutting off cutter during the normal course and the forces of production，and as a basis to develop countermeasures that can reduce cutting off cutter fail，improve cutting machine running smoothly rate and ensure product quality.

polyester staple fiber；cutting off cutter；failure form；countermeasures

TQ340.5

B

1006-334X（2014）03-0039-04

2014-05-07

牛建峰（1974—），男，河南尉氏人，工程師，主要從事短纖維裝置設(shè)備管理工作。