劉小明 王明霞 鐘 剛 (儀征市海潤(rùn)紡織機(jī)械有限公司,儀征,211400)

多功能高端軋燙機(jī)組的設(shè)計(jì)

劉小明 王明霞 鐘 剛 (儀征市海潤(rùn)紡織機(jī)械有限公司,儀征,211400)

介紹了適合于多品種小批量及高質(zhì)量要求的針剌非織造過濾材料生產(chǎn)的多功能高端軋燙機(jī)組的設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)方法,給出了重要技術(shù)參數(shù)的理論分析與計(jì)算公式,敘述了機(jī)組各主要部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

針剌過濾材料,多品種小批量,多功能,軋燙機(jī),非織造布機(jī)械,設(shè)計(jì)

0 前言

針刺非織造過濾材料由于具備諸多優(yōu)良特性已發(fā)展成為過濾材料中的主力軍,其應(yīng)用幾乎覆蓋所有的工業(yè)三廢治理等過濾領(lǐng)域。

針剌非織造過濾材料都有密度、厚度、表面光整度的要求,而這些性能必須通過熱軋燙光的工藝來(lái)賦予。

過濾材料的生產(chǎn)還有一個(gè)特點(diǎn),即多品種小批量。因?yàn)檫^濾材料應(yīng)用于眾多的行業(yè)和領(lǐng)域,類型、品種、要求千差萬(wàn)別,這就決定了過濾材料生產(chǎn)過程中要經(jīng)常地變換品種和工藝參數(shù)。對(duì)于軋燙工藝來(lái)說(shuō),軋輥表面溫度、軋輥線壓力和輥間隔距至關(guān)重要。鑒于生產(chǎn)品種經(jīng)常變換的特性,這些參數(shù)設(shè)定調(diào)整的重現(xiàn)性、準(zhǔn)確性及方便性無(wú)疑是生產(chǎn)者所期望的。而且,有些過濾材料在軋燙工藝中要求軋前超喂、軋后冷卻,甚至還有的要求熱軋后適當(dāng)冷軋,所有這些功能在現(xiàn)有的軋燙機(jī)中是不能全部實(shí)現(xiàn)的。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的軋燙機(jī)大多數(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,技術(shù)檔次不高,僅起表面燙光或輕微軋燙的作用,因而只能用于低檔過濾材料的生產(chǎn)。也有一些軋燙機(jī)雖采用合金鋼鍛打輥,導(dǎo)熱油循環(huán)供熱和液力加壓,但功能不全面,線壓力不夠高,機(jī)電一體化程度較低,屬于中檔機(jī)型,仍然不能滿足高檔過濾材料的生產(chǎn)。

1 多功能高端軋燙機(jī)組的設(shè)計(jì)目標(biāo)

上海某英國(guó)獨(dú)資企業(yè)主要生產(chǎn)各種針剌非織造過濾材料,生產(chǎn)工藝全面,擁有多條生產(chǎn)線,設(shè)備精良,且多為西歐進(jìn)口,其中亦有軋燙生產(chǎn)線,但由于軋燙機(jī)性能和功能有所欠缺,難以滿足所有產(chǎn)品的工藝要求。為此,該公司提出了一個(gè)更新?lián)Q代的方案,本公司承接了包括檢針驗(yàn)布和卷繞在內(nèi)的整個(gè)軋燙機(jī)組的訂貨合同。這條軋燙機(jī)組的設(shè)計(jì),在結(jié)構(gòu)上基于滿足多品種小批量,在技術(shù)上基于功能全、性能優(yōu)、水準(zhǔn)高?？傮w來(lái)說(shuō),該機(jī)組要求:軋輥?zhàn)罡呔€壓力達(dá)到 1 000 N/cm;軋輥表面最高溫度達(dá)到 250℃;輥面溫差≤±1℃;產(chǎn)品幅寬方向厚度均勻性偏差≤0.1 mm;軋燙機(jī)結(jié)構(gòu)上要求有氣動(dòng)壓布進(jìn)料,雙輥氣動(dòng)水冷,軋輥隔距微調(diào)顯示,壓力流量比例調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng);直徑 1900 mm的大卷裝壓布卷繞;控制上要求 PLC及觸摸屏控制,所有速度、溫度、線壓力等均可在線設(shè)定調(diào)整。

下面重點(diǎn)介紹該軋燙機(jī)組主要技術(shù)要點(diǎn)和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2 軋輥剛度的設(shè)計(jì)

軋輥是軋燙機(jī)的核心及關(guān)鍵機(jī)件。軋輥剛度是軋燙機(jī)最重要的技術(shù)指標(biāo)之一,其設(shè)計(jì)依據(jù)是最大工作線壓力和過濾材料幅寬方向厚度均勻性允許偏差。

過濾材料經(jīng)過軋燙幅寬上產(chǎn)生的厚度偏差主要是由軋輥的彎曲變形造成的,要將這種彎曲變形完全限制在產(chǎn)品的厚度允許偏差內(nèi),則軋輥的直徑需相對(duì)比較大,顯然這是不經(jīng)濟(jì)的。實(shí)際上,軋輥在工作載荷下產(chǎn)生的撓度可以采用鼓型輥和兩輥軸線交叉的方法予以補(bǔ)償,但鼓型輥的中高量和軸線交叉量要選取適當(dāng)。軸線交叉量過大對(duì)坯布運(yùn)行有不利影響;鼓型輥中高量的確定一定要以最常用的線壓力為設(shè)計(jì)依據(jù),防止在較小線壓力下產(chǎn)生兩端壓不實(shí)的現(xiàn)象。因軋輥成對(duì)使用,彎曲變形方向相反,所以,鼓型輥的中高量 +軸線交叉量 +產(chǎn)品厚度允許偏差應(yīng)兩倍于單根軋輥的彎曲撓度。

在本例中,用戶從機(jī)器最佳工作狀態(tài)出發(fā),明確規(guī)定下軋輥為平輥,上軋輥單面中高值為0.04 mm,且一般情況下不采用軸線交叉,盡管仍須設(shè)計(jì)有軸線交叉結(jié)構(gòu),所以,單根軋輥的最大撓度 (fmax)為

上式中的 0.10 mm為產(chǎn)品幅寬方向厚度的允許偏差值。

軋輥的力學(xué)模型如圖 1所示。

圖1 軋輥受力圖

根據(jù)軋燙機(jī)的工作寬度、線壓力以及給定的剛度指標(biāo),可以理論計(jì)算出軋輥的直徑。

設(shè):L為軋輥的支承擋距 (m),I為均布載荷長(zhǎng)度 (m),q為均布載荷 (N/cm),fmax為給定最大撓度(m),E為輥材的彈性模量 (N/m2),J為輥體慣性矩 (m4),D為軋輥直徑 (m),則軋輥撓度 fmax為

推得輥體慣性矩J為

式中:D1——軋輥中心油孔直徑(m)。

因?yàn)榭紤]到制造上的便利和成本,周邊鉆孔結(jié)構(gòu)的軋輥國(guó)內(nèi)都是采用整體鍛坯加工而成,因此,軋輥除了直徑 100 mm左右的中心油孔和周邊分布油孔外,幾乎是實(shí)心的。由于中心油孔直徑不足軋輥外徑的五分之一,所以在計(jì)算軋輥直徑的公式中可以忽略不計(jì),于是軋輥直徑的計(jì)算公式可以簡(jiǎn)化為

再將計(jì)算的結(jié)果圓整即得軋輥的實(shí)際直徑。

本例實(shí)際計(jì)算如下:

已知:L=3.2 m,I=2.4 m,q=1 000 N/cm= 105N/m,E=2×1011N/m2,fmax=0.07 mm=7× 10-5m,則

圓整后軋輥直徑取 600 mm。

3 軋輥溫度均勻性設(shè)計(jì)

軋輥表面溫度的分布由兩個(gè)因素決定,一取決于軋輥內(nèi)部熱油回路的設(shè)計(jì),二取決于軋輥熱油進(jìn)出口的溫差。根據(jù)國(guó)內(nèi)外成熟的經(jīng)驗(yàn),采用了軋輥周邊鉆孔、兩端法蘭配油的結(jié)構(gòu),使得導(dǎo)熱油在軋輥周邊油孔內(nèi)巡回流通,不僅提高了導(dǎo)熱油的換熱效果,而且可以在相同的輥面溫差下減小熱油流量。軋輥結(jié)構(gòu)參見圖2。

圖2 軋輥結(jié)構(gòu)圖

熱傳導(dǎo)過程是比較復(fù)雜的現(xiàn)象,為便于分析作如下簡(jiǎn)化:因?yàn)檐堓佒苓呌涂拙鶆蛎芗植?而且給定的兩端溫差很小,可假設(shè)熱量的傳導(dǎo)是均勻的,且巡回油孔每段的溫降是相同的,這樣的處理經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證所產(chǎn)生的誤差可忽略不計(jì)。下面取其中兩組熱油巡回油孔來(lái)作簡(jiǎn)單分析,見圖 3。

圖3 軋輥巡回油孔示意圖

通常以三個(gè)周邊孔為一組,進(jìn)油溫度為 T,熱油從軋輥一端流到另一端將降溫Δt,所以熱油經(jīng)兩次轉(zhuǎn)折流過三個(gè)單程到達(dá)出端時(shí)將降溫 3Δt。顯然,進(jìn)油端每?jī)煽字g的平均溫度應(yīng)為

而出油端每?jī)煽字g的平均溫度為

可見軋輥巡回油孔進(jìn)、出端每?jī)煽字g平均溫度的差異為Δt,而熱油進(jìn)口與出口的溫差為 3Δt。顯而易見,采用這種熱油巡回流通換熱方式,可以較大的熱油進(jìn)出口溫差達(dá)到較小的輥面溫差,從而可以提高熱油循環(huán)系統(tǒng)的效率,減小循環(huán)泵的功率。

這里的Δt實(shí)際上可以近似認(rèn)為就是軋輥表面寬度方向上的溫度差,是設(shè)計(jì)前已經(jīng)給定的指標(biāo)。設(shè)計(jì)中需通過熱油進(jìn)出口溫差的控制使軋輥輥面溫差達(dá)到規(guī)定指標(biāo)。

從傳熱學(xué)角度看,軋輥輥面溫度的分布是導(dǎo)熱油的熱能在軋輥中交換傳遞平衡的結(jié)果。軋燙機(jī)工作時(shí),其軋輥存在三種熱能消耗,即輻射耗熱、對(duì)流耗熱和被軋燙材料吸收的熱量。

式中:C0——黑體的全輻射系數(shù)[W/(m2·K4)];

ε——輥材的輻射系數(shù);

F——軋輥表面積 (m2);

K——表面對(duì)流傳熱經(jīng)驗(yàn)系數(shù) (W/m2);

T1——軋輥表面溫度 (K);

T2——環(huán)境溫度 (K);

T3——物料軋后平均溫度 (K);

C——被軋材料的質(zhì)量熱容[J/(kg·K)];

m——被軋材料的產(chǎn)量 (kg/h)。

于是,單根軋輥總熱耗

這也是熱油系統(tǒng)必須提供給每根軋輥的有效熱功率。

由前面的分折可知,若軋輥兩端溫差為Δt,則導(dǎo)熱油流經(jīng)軋輥內(nèi)部的巡回通道與軋輥進(jìn)行熱交換后溫度降低了 3Δt,根據(jù)傳熱學(xué)原理,有:

式中:Cp——導(dǎo)熱油工作溫度下的質(zhì)量熱容[J/(kg·K)];

ρ——導(dǎo)熱油工作溫度下的密度(kg/m3);

q——導(dǎo)熱油流量 (m3/h)。

由此推得單輥導(dǎo)熱油流量

q就是滿足軋輥兩端溫差在規(guī)定指標(biāo)下的導(dǎo)熱油理論流量,據(jù)此可選定熱油站導(dǎo)熱油的流量。

本例熱傳導(dǎo)計(jì)算如下:

給定C0=5.68W/(m2·K),ε=0.6,F=5.65 m2, T1=523 K,T2=293 K,T3=493 K,K=2.56W/m2, C=1 674 J/(kg·K),m =690 kg/h,Cp= 3 012 J/(kg·K),ρ=750 kg/m3,Δt=1 K,則算得Q1≈13 kW,Q2≈13 kW,Q3≈64 kW,單根軋輥總熱耗為單輥導(dǎo)熱油理論流量為

查熱油泵樣本,可確定熱油站中導(dǎo)熱油循環(huán)泵的流量為 40 m3/h,揚(yáng)程為 32 m。

4 機(jī)組設(shè)計(jì)

軋燙機(jī)組流程如圖 4所示。

圖4 軋燙機(jī)組流程圖

4.1 總體設(shè)計(jì)方案

軋燙機(jī)組的設(shè)計(jì)原則就是要在滿足多品種小批量的同時(shí),自始至終把先進(jìn)性、維護(hù)性、操作性、人機(jī)工程及機(jī)電一體化貫穿于設(shè)計(jì)全過程。整體布局上,本設(shè)計(jì)采用 1 900 mm大卷裝“A”字架放卷——高靈敏度區(qū)位顯示檢針驗(yàn)布——多功能軋燙機(jī)——單臂氣動(dòng) 1 900 mm大卷裝卷繞。實(shí)踐證明這種大卷裝的生產(chǎn)方式對(duì)于多品種小批量的各種針剌非織造過濾材料生產(chǎn)是既適用又方便。

4.2 軋燙機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軋輥:軋輥是軋燙機(jī)的關(guān)鍵部件,軋輥的精度、剛度、表面硬度、表面溫度均勻度以及熱穩(wěn)定性都是關(guān)系到過濾材料生產(chǎn)質(zhì)量的重要參數(shù),是軋燙機(jī)設(shè)計(jì)和制造過程中始終受到嚴(yán)密關(guān)注和監(jiān)控的重點(diǎn)。

依據(jù)機(jī)組對(duì)軋輥剛度和表面溫度均勻度的極高的要求,經(jīng)過前述嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)密的理論計(jì)算,本設(shè)計(jì)采用了直徑 600 mm的優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼整體鍛打,周邊分布巡回油孔的軋輥結(jié)構(gòu)(見圖 2),并且制定了詳細(xì)嚴(yán)格的金加工及熱處理工藝。

緊布裝置:為了在放卷和軋燙之間建立一定的引布張力,避免進(jìn)布松弛而起皺,設(shè)計(jì)了雙輥轉(zhuǎn)角緊布裝置,可根據(jù)不同品種和不同穿布方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。

壓布裝置:過濾材料經(jīng)此裝置以一定的張力或以一定的壓力進(jìn)入軋燙區(qū),還有些過濾材料具有較大的熱收縮特性,這就要求在進(jìn)行軋燙處理時(shí),須要給予一定的超喂。針對(duì)這些要求設(shè)計(jì)了具有獨(dú)立傳動(dòng)、氣動(dòng)加壓功能的壓布輥裝置。

間隙微調(diào)裝置:過濾材料往往都有厚度的要求,有些品種對(duì)厚度及厚度均勻度的要求還比較高。在多品種小批量的情況下,將頻繁地變換品種,如果有一個(gè)方便直觀的軋輥間隙調(diào)整機(jī)構(gòu),對(duì)于操作和工藝重現(xiàn)性控制是很有益處的。為此,本設(shè)計(jì)在上下軋輥兩端軸承座之間設(shè)置了蝸輪蝸桿螺旋間隙微調(diào)裝置,手輪每轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)量?jī)H為 0.2 mm,而且在 10 mm的實(shí)用范圍內(nèi)可由百分表精確指示軋輥間的隔距。

液壓系統(tǒng):線壓力是過濾材料軋燙處理中的一個(gè)非常重要的工藝參數(shù),國(guó)內(nèi)以往所有的軋燙機(jī)以及一些進(jìn)口的機(jī)型均沒有直接的線壓力指示和控制,其線壓力都是根據(jù)系統(tǒng)壓力和油缸直徑等間接地?fù)Q算而來(lái)。實(shí)際上,在生產(chǎn)過程中操作者大多數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通過手摸眼看來(lái)判斷壓力是否合適,而根本沒有線壓力這一概念。為了實(shí)現(xiàn)工藝過程參數(shù)化,消除經(jīng)驗(yàn)化帶來(lái)的模糊、誤差,使生產(chǎn)過程受控于嚴(yán)格的工藝管理,采用了壓力流量比例控制液壓系統(tǒng),可以通過 PLC在觸摸屏上在線進(jìn)行線壓力的設(shè)定調(diào)整,并且通過壓力變送器將系統(tǒng)壓力經(jīng)PLC運(yùn)算處理后轉(zhuǎn)換成線壓力在觸摸屏上顯示,以便與設(shè)定值比較。

溫控:導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)國(guó)內(nèi)有成熟的技術(shù)和裝置,本設(shè)計(jì)采用了雙循環(huán)電熱油站。軋燙機(jī)溫度的控制借助 PLC的溫控模塊按常規(guī)通過控制熱油站的油溫來(lái)間接實(shí)現(xiàn)。上下輥油溫均可在觸摸屏上在線設(shè)定和修改。為了彌補(bǔ)軋輥表面溫度與控制油溫間的差距而使工藝溫度不易準(zhǔn)確掌握的缺陷,特地進(jìn)口了專用的表面溫度傳感器,分別用于在線測(cè)量上下軋輥的表面溫度,如此可以很方便地指導(dǎo)油溫的設(shè)定及隨時(shí)調(diào)節(jié)。

冷卻輥裝置:針剌坯布經(jīng)軋燙后往往需要較快地冷卻或者冷軋以起到表層組織定型或光整作用,也是減少靜電、防止溫度積累和便于卷繞之需要,為此設(shè)計(jì)了雙輥氣動(dòng)壓合獨(dú)立傳動(dòng)冷卻裝置。該裝置用冷凍水進(jìn)行循環(huán)冷卻,工藝效果很好,當(dāng)然亦可以視工藝要求不通水而自然冷卻。

主傳動(dòng):因?yàn)橄萝堓伿怯捎透淄苿?dòng)而可垂直升降的,而且軋輥的軸線是可以交叉的,為了具有高的傳動(dòng)質(zhì)量,本設(shè)計(jì)采用了分動(dòng)箱萬(wàn)向聯(lián)軸器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

安全措施:因?yàn)檐垹C機(jī)組的用戶對(duì)安全極其重視,我們按照歐美的習(xí)慣及安全標(biāo)準(zhǔn),在機(jī)械、電氣系統(tǒng)上均設(shè)計(jì)了多項(xiàng)安全防護(hù)措施,如進(jìn)出布處的拉繩急停開關(guān),卷繞處的防軋防纏開關(guān),門鎖安全開關(guān),以及超溫、超壓、超速、液位等聲光報(bào)警和故障診斷。

電氣控制:如前所述,軋燙機(jī)組具有較高的機(jī)電一體化程度,具有壓力流量比例控制、溫度自動(dòng)控制、速度同步控制、編碼器定長(zhǎng)控制、液位自動(dòng)控制、高靈敏檢針區(qū)位顯示等多種控制功能、安全保障功能和自診斷功能,所有這些功能都通過高性能的 PLC和大屏幕的觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)。先進(jìn)的控制系統(tǒng)給操作帶來(lái)了極大的便利,為工藝的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性提供了可靠的保證,從而使得軋燙機(jī)組可以生產(chǎn)出高品質(zhì)、高性能的針剌過濾材料。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的多功能高端軋燙機(jī)組已交付用戶使用,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

生產(chǎn)高檔的產(chǎn)品首先要有高性能的裝備。我國(guó)的環(huán)保產(chǎn)業(yè)正處在飛速發(fā)展的階段,針剌過濾材料作為最重要的環(huán)保耗材,其市場(chǎng)前景極其廣闊,對(duì)它的性能要求、質(zhì)量要求將越來(lái)越高,高端過濾材料的需求也會(huì)越來(lái)越多,多功能高端軋燙機(jī)組對(duì)于多品種少批量的過濾材料生產(chǎn)是非常適用的,是針剌過濾材料生產(chǎn)裝備的首選更新?lián)Q代設(shè)備。

[1] 盛惠英.染整機(jī)械設(shè)計(jì)原理[M].北京:紡織工業(yè)出版社,1984:70-72.

The device ofmulti function hot-rolling set

L iu Xiaom ing,W ang M ingxia and Zhong Gang
(Yizheng Hairun TextileMachinery Co.,Ltd.)

The design process and design approach ofmulti function hot-rolling set that suit to production of variety and s mall-batch and top quality needle nonwoven filter materials were introduced.The theoretical analysis and formulas ofmain technique parameters of the setwere gave,the main structure features of the setwere related.

needle nonwoven filtermaterial,variety and s mall-batch,multifunction,hot-rolling machine,nonwoven machinary,design

TS173

A

1004-7093(2010)06-0026-05

2009-10-16

劉小明,男,1965年生,工程師。主要從事非織造布機(jī)械的開發(fā)研制。