儀征市海潤(rùn)紡織機(jī)械有限公司 黃金濤 劉小明 鐘剛/文

?

雙塵籠氣流成網(wǎng)機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

儀征市海潤(rùn)紡織機(jī)械有限公司 黃金濤 劉小明 鐘剛/文

摘要：本文在全面對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外單塵籠氣流成網(wǎng)機(jī)技術(shù)性能和技術(shù)缺陷的基礎(chǔ)上，從幾個(gè)方面提出了獨(dú)到的見(jiàn)解和創(chuàng)意，詳細(xì)論述了該機(jī)主關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)方法，并給出了必要的數(shù)理分析和公式推導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：氣流成網(wǎng)機(jī)、雙塵籠、伯努利方程

氣流成網(wǎng)是非織造布生產(chǎn)工藝中一種不同于梳理成網(wǎng)或梳理——交叉折疊鋪網(wǎng)的成網(wǎng)方法，因其獨(dú)特的成網(wǎng)原理以及優(yōu)越的呈三維分布的纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使其成為非織造布生產(chǎn)中獨(dú)樹(shù)一幟的成網(wǎng)工藝，并且不可替代地成為一些特定的諸如服裝襯布、電池隔膜、水溶布等非織造布生產(chǎn)的必須成網(wǎng)方式。而氣流成網(wǎng)機(jī)則是實(shí)現(xiàn)這種成網(wǎng)方法的基礎(chǔ)裝備。

根據(jù)成網(wǎng)的定重范圍和適用原料范圍，氣流成網(wǎng)機(jī)分為兩個(gè)類(lèi)型：一種是適用于薄型成網(wǎng)，其成網(wǎng)定重通?！?00g/ m2，常用于生產(chǎn)100g/m2以下的薄型非織造布產(chǎn)品；另一種為適用于厚型成網(wǎng)，其成網(wǎng)定重可達(dá)2500 g/ m2以上，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)，甚至可高達(dá)5000 ～6000 g/m2。

另外值得一提的是，相對(duì)于薄型氣流成網(wǎng)機(jī)，這種厚型的氣流成網(wǎng)機(jī)一個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)就是其原料適應(yīng)性極廣，特別是能夠處理廢舊回收纖維、礦物纖維、金屬纖維及碳纖維等各種難以梳理的纖維，當(dāng)然這兩種氣流成網(wǎng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上具有很大的區(qū)別。

對(duì)于薄型氣流成網(wǎng)機(jī)，國(guó)內(nèi)引進(jìn)開(kāi)發(fā)的較早，儀征海潤(rùn)紡機(jī)上世紀(jì)80年代就成功開(kāi)發(fā)出該機(jī)型，現(xiàn)在技術(shù)已相對(duì)成熟，目前正向?qū)挿l(fā)展。

厚型氣流成網(wǎng)機(jī)，國(guó)內(nèi)在本世紀(jì)初也陸續(xù)有廠(chǎng)商推出自己的機(jī)型，但都是單塵籠形式。這種單塵籠氣流成網(wǎng)機(jī)的成網(wǎng)定重一般在2500 g/m2以下。隨著國(guó)內(nèi)非織造布行業(yè)的飛速發(fā)展，非織造布的生產(chǎn)工藝不斷向各個(gè)領(lǐng)域滲透，其應(yīng)用范圍日益寬廣。同樣，產(chǎn)品的日益拓寬，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求也不斷提升。例如，家居行業(yè)中的床墊，沙發(fā)墊等現(xiàn)在基本都是用非織造布工藝生產(chǎn)，其纖維品種從椰殼纖維到化學(xué)纖維，從單一纖維到混合纖維。還有建材行業(yè)、軍工行業(yè)等以金屬纖維、碳纖維等特殊纖維通過(guò)塵籠成網(wǎng)方式制作的高定重、大厚度的氈狀半成品，這些產(chǎn)品的定重往往高達(dá)4000～6000g/m2。這樣高的定重，用現(xiàn)有的單塵籠成網(wǎng)機(jī)是無(wú)法滿(mǎn)足的。

另一個(gè)不可忽視的問(wèn)題也是長(zhǎng)期以來(lái)備受困擾的問(wèn)題，就是當(dāng)二種以上物理性能差別較大的纖維原料進(jìn)行成網(wǎng)時(shí)，將很難得到混和均勻的纖維網(wǎng)氈，造成纖維網(wǎng)氈的分層現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)則不能生產(chǎn)。這種情況極大地制約了這類(lèi)產(chǎn)品的應(yīng)用和發(fā)展。此外一個(gè)比較重要的問(wèn)題是成網(wǎng)的均勻性很難達(dá)到理想的要求，主要是指機(jī)器幅寬方向（即橫向）的纖維網(wǎng)氈定重分布不均，離散性較大，其CV值通常在5%以上，有些甚至超過(guò)8%。這給最終產(chǎn)品的質(zhì)量造成了嚴(yán)重影響，尤其對(duì)過(guò)濾材料類(lèi)產(chǎn)品，這往往是致命的缺陷。事實(shí)上，前些年從國(guó)外引進(jìn)的塵籠類(lèi)氣流成網(wǎng)機(jī)，在橫向均勻度方面確實(shí)比國(guó)產(chǎn)機(jī)好，但同樣存在不同性質(zhì)纖維的分層問(wèn)題。再者就是成網(wǎng)定重范圍基本和國(guó)產(chǎn)機(jī)一樣，一般不超過(guò)2500 g/m2。國(guó)外已有雙塵籠的機(jī)型，但國(guó)內(nèi)還鮮有見(jiàn)聞。

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有單塵籠氣流成網(wǎng)機(jī)技術(shù)狀態(tài)的分析比較，以及對(duì)市場(chǎng)和用戶(hù)需求的充分調(diào)研，我們開(kāi)發(fā)研制了雙塵籠氣流成網(wǎng)機(jī)。本文將詳細(xì)介紹該設(shè)備的設(shè)計(jì)思想和相關(guān)分析研究及數(shù)理推演。

1 工作原理

前道工序輸送來(lái)的纖維在本機(jī)的四羅拉喂入機(jī)構(gòu)的夾持下緩緩?fù)扑椭铃a林，圓周表面包覆金屬針布的高速旋轉(zhuǎn)的錫林將其細(xì)致地撕扯梳拉成近乎單纖維狀抓離喂入鉗口區(qū)，然后在離心力和剝離氣流的共同作用下飛離錫林進(jìn)入文氏管式風(fēng)道，在文氏管式風(fēng)道內(nèi)纖維隨風(fēng)道截面的擴(kuò)大而逐漸減速且散開(kāi)，并且在梳針轉(zhuǎn)輪的作用下保持不同纖維良好的混合，繼而凝聚在兩只內(nèi)腔呈負(fù)壓的圓網(wǎng)收集區(qū)表面而形成具有所需定重的纖維層，并壓實(shí)后由膠簾輸出。

2 總體設(shè)計(jì)

雙塵籠氣流成網(wǎng)機(jī)在基本原理和基本結(jié)構(gòu)上和單蘭籠氣流成網(wǎng)機(jī)是相似的。我們?cè)趯?duì)單塵籠氣流成網(wǎng)機(jī)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能、技術(shù)缺陷充分全面分析研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)市場(chǎng)需求及發(fā)展趨勢(shì)，首先制定了雙塵籠氣流成網(wǎng)機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

我們的核心設(shè)計(jì)指標(biāo)是：最高成網(wǎng)定重≥5000g/m2，成網(wǎng)橫向均勻度CV值≤3%，。依據(jù)這些條件，我們提出了總體設(shè)計(jì)方案。整體上，該機(jī)主要分為輸入喂棉部件、錫林部件、雙塵籠及輸出部件、負(fù)壓抽吸部件、梳針轉(zhuǎn)輪均散部件等。見(jiàn)圖1。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 輸入喂棉部件

考慮到塵籠式氣流成網(wǎng)機(jī)大多是以廢舊回收纖維為原料，其原料中的短纖維含量較多，為保證喂入的經(jīng)初步開(kāi)松的纖維團(tuán)塊得到錫林鋸齒的充分撕拉梳扯，達(dá)到單纖維的狀態(tài)，喂入機(jī)構(gòu)必須對(duì)輸送來(lái)的纖維團(tuán)塊實(shí)施有效地握持，而又不致使纖維特別是較長(zhǎng)的纖維造成較多的損傷而影響產(chǎn)品的強(qiáng)力，為此，我們采用了異徑四羅拉錯(cuò)位夾持遞進(jìn)喂入式給棉機(jī)構(gòu)。

3.2 錫林部件

錫林是一圓周表面包覆有金屬針布的高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)件。錫林工作時(shí)，被錫林針布鋸齒抓取的纖維大部分都能在離心力和剝離氣流的共同作用下飛離錫林，有少部分的纖維將會(huì)被錫林的鋸齒帶回。這種現(xiàn)象稱(chēng)之為返花，這將降低錫林的轉(zhuǎn)移效率。

為盡量減少返花，提高纖維轉(zhuǎn)移效率，我們?cè)谖氖瞎苁斤L(fēng)道上沿設(shè)計(jì)了一止回角擋。止回角擋與錫林下表面間形成一刀口關(guān)系，能有效鏟除回返的纖維。另外，剝離氣流是從四羅拉夾持喂入機(jī)構(gòu)下方與導(dǎo)流軸之間進(jìn)入，剝離氣流的速度應(yīng)大于錫林表面的線(xiàn)速度。剝離氣流的角度影響纖維的剝離效果，同時(shí)對(duì)不同特性、不同比重的纖維在風(fēng)道中的分離傾向具有一定的調(diào)節(jié)作用。導(dǎo)流軸正是為滿(mǎn)足這一需求而設(shè)計(jì)的。我們?cè)趯?dǎo)流軸上對(duì)著錫林的一面設(shè)計(jì)有均勻分布的導(dǎo)風(fēng)槽。導(dǎo)流軸可調(diào)整其轉(zhuǎn)角，隨著導(dǎo)流軸轉(zhuǎn)角的變化，剝離氣流的速度、角度都有一定變化，從而起到相應(yīng)的調(diào)節(jié)作用。

3.3 雙塵籠及輸出部件

采用雙塵籠設(shè)計(jì)是為了通過(guò)增加吸附凝聚面積來(lái)達(dá)到大幅度提高成網(wǎng)定重的目的。塵籠是纖維的接收體，塵籠的技術(shù)特性直接影響著纖維成網(wǎng)的橫向均勻性，對(duì)于這點(diǎn)，我們?cè)趩螇m籠成網(wǎng)機(jī)上有著深刻的體驗(yàn)。因此我們?cè)趬m籠的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了周密的研究。我們采用了國(guó)內(nèi)獨(dú)有的浮點(diǎn)定心支承，內(nèi)齒輪驅(qū)動(dòng)，下塵籠固定，上塵籠可升降的結(jié)構(gòu)形式，塵籠內(nèi)設(shè)置有高勻度的負(fù)壓抽吸風(fēng)道。關(guān)于負(fù)壓抽吸風(fēng)道的均勻性設(shè)計(jì)分析將在后面另行詳述。

3.4 梳針轉(zhuǎn)輪均散部件

前面的討論中提及過(guò)當(dāng)塵籠氣流成網(wǎng)機(jī)處理二種以上物理特性差異較大的混合纖維時(shí)，由于不同的纖維在比重、細(xì)度、長(zhǎng)度和卷曲度上可能存在較大的差別，所以它們?cè)谖氖瞎茱L(fēng)道中的飛行姿態(tài)、飛行速度、飛行軌跡都各不相同，因此，就會(huì)造成不同種類(lèi)的纖維趨向于相互分離，最終凝聚在塵籠收集區(qū)的不同區(qū)間，從而形成所謂的成網(wǎng)分層現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在國(guó)外的機(jī)型中同樣存在，這是一個(gè)困擾多年急待解決的問(wèn)題。梳針轉(zhuǎn)輪均散部件正是為了克服這一難題而專(zhuān)門(mén)研究設(shè)計(jì)的。

梳針轉(zhuǎn)輪裝在文氏管風(fēng)道的中部，具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置而順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。這個(gè)梳針轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)能產(chǎn)生幾個(gè)作用：

1）旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪周期性地改變著文氏管風(fēng)道的通道截面形狀，也就是周期性地改變著氣流的速度和方向；

2）梳針轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，在梳針葉片的內(nèi)外表面會(huì)產(chǎn)生交變的復(fù)雜氣流場(chǎng)，這種氣流場(chǎng)周而復(fù)始地?cái)_動(dòng)和沖擊主流場(chǎng)；

3）梳針轉(zhuǎn)輪在作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)葉片處于第四和第一象限時(shí)，從右到左地截獲在風(fēng)道中飛行的纖維，而在第二和第三象限時(shí)，這些纖維又被拋離開(kāi)葉輪。

由于梳針轉(zhuǎn)輪的以上幾種作用，使得不同比重和性質(zhì)的纖維在多變的氣流場(chǎng)中以復(fù)雜的姿態(tài)飛行運(yùn)動(dòng)，并不停地交混碰撞而始終保持相互混雜的狀態(tài)，從而使得各種纖維均勻混雜地凝聚在塵籠的表面而形成厚重的纖維層。

梳針轉(zhuǎn)輪實(shí)際上就是一特殊的與機(jī)器同等工作寬度的橫向葉輪，與普通葉輪不同的是，其葉片具有梳齒狀結(jié)構(gòu)。梳針轉(zhuǎn)輪之所以將葉片設(shè)計(jì)成梳針狀，是為了減小轉(zhuǎn)輪的葉片對(duì)主流場(chǎng)的過(guò)度干擾，避免因太強(qiáng)烈的渦流而造成纖維相互纏結(jié)成團(tuán)。梳針式葉片既可有效地截獲飛行中的纖維，又不阻礙氣流的通過(guò)。

轉(zhuǎn)輪的梳針葉片設(shè)計(jì)成前彎式更有利于截獲抓取飛行運(yùn)動(dòng)中的纖維。

轉(zhuǎn)輪的葉片與輪軸的連接獨(dú)具匠心地設(shè)計(jì)成隔柵結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)使得轉(zhuǎn)輪在發(fā)揮抓取作用的同時(shí)能讓大部分氣流沿原路徑順暢通過(guò)，從而保持了文氏管風(fēng)道的特性和作用，并且很好地避免了轉(zhuǎn)輪任何部位勾掛纖維的可能。這是兩全齊美的設(shè)計(jì)。

3.5 負(fù)壓抽吸風(fēng)道的均勻性設(shè)計(jì)

負(fù)壓抽吸風(fēng)道套裝于雙圓網(wǎng)內(nèi)，為進(jìn)行流體力學(xué)的分析，這里將其等效為如圖3所示的模型。

負(fù)壓抽吸和正壓噴風(fēng)在流體力學(xué)上特性是對(duì)稱(chēng)的，分析方法是相同的。為方便起見(jiàn)，這里就按正壓噴風(fēng)來(lái)討論。實(shí)際上均勻風(fēng)道的設(shè)計(jì)早有現(xiàn)成的資料可參考，但問(wèn)題是現(xiàn)有文獻(xiàn)中的分析都是基于矩形截面風(fēng)道來(lái)進(jìn)行的，而我們這里只能采用圓形截面的風(fēng)道，不能套用現(xiàn)成的計(jì)算公式，必須重新推導(dǎo)。

流體力學(xué)分析證明，等截面的風(fēng)道是不能實(shí)現(xiàn)均勻噴風(fēng)的，而要能夠均勻噴風(fēng)，必須采用變截面風(fēng)道。

事實(shí)上，風(fēng)道中某截面的氣流速度只與該截面的靜壓有關(guān)，欲使噴風(fēng)均勻，風(fēng)道內(nèi)各處?kù)o壓必須相等，采用變截面風(fēng)道就是為了使得風(fēng)道內(nèi)各處?kù)o壓相等。

根據(jù)伯努利方程可寫(xiě)出如下關(guān)系式：

式中：

Px , Po—分別為X , X。截面的靜壓；

Vx,Vo分別為X , X。截面的氣流速度；

ρ—為氣流的重度 g—為重力加速度；

Σh—為管道內(nèi)總阻力損失，即管道內(nèi)摩擦阻力和局部阻力之和。式中：

λ—為管道摩擦阻力系數(shù)，其數(shù)值計(jì)算與雷諾數(shù)相關(guān)；

因?yàn)闅饬鞯膭?dòng)壓不能全部轉(zhuǎn)化為靜壓，其轉(zhuǎn)化系數(shù)ηp=0.5～0.8。

λ'—為轉(zhuǎn)化后的管道摩擦阻力系數(shù)；

τo —局部阻力系數(shù)，因其通常很小，所以可以忽略不計(jì)；

D—為風(fēng)道直徑 ；

于是式（1）可以寫(xiě)成

因是圓形變截面風(fēng)道，故X截面處的風(fēng)道直徑可用Dx表示。

根據(jù)機(jī)器結(jié)構(gòu)尺寸，先設(shè)定風(fēng)道入口直徑為Dn ,風(fēng)道未端直徑D0＝iDn ,風(fēng)道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，這樣就有：

在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可根據(jù)給定的入口風(fēng)速Vn，風(fēng)道入口直徑Dn ，初定的風(fēng)道末端直徑與入口直徑的比值i，風(fēng)道長(zhǎng)度L等條件,先計(jì)算出積分常數(shù)C，再核算風(fēng)道左、中、右?guī)讉€(gè)截面的風(fēng)速是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

我們?cè)谝陨仙钊敕治龊屠碚撗芯康幕A(chǔ)上，制定了詳細(xì)的機(jī)器設(shè)計(jì)方案，繼而完成了雙塵籠氣流成網(wǎng)機(jī)的全部設(shè)計(jì)工作。經(jīng)過(guò)各方面的努力，我們成功研制出首臺(tái)樣機(jī)并推向市場(chǎng)。在生產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和帶料試車(chē)表明，該機(jī)結(jié)構(gòu)合理，性能優(yōu)良，成網(wǎng)均勻，不同種類(lèi)纖維混和充分，較之于單塵籠氣流成網(wǎng)機(jī)，其定重范圍倍增。經(jīng)全面測(cè)試，該機(jī)的所以重要指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

「1」 《染整機(jī)械原理》 紡織工業(yè)出版社1984第一版