劉春，魯欣科

（南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院,江蘇 南京 210012）

0 引言

鋪氈是現(xiàn)代化巖棉生產(chǎn)工藝中的重要環(huán)節(jié)，其作用是把前序工段由集棉裝置送來的單層棉氈收集并通過其主要鋪氈設(shè)備——擺錘在板線的幅寬方向往復(fù)擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)棉層的多層鋪疊。 20 世紀(jì)80 年代初中國引進(jìn)的巖棉生產(chǎn)技術(shù)較為原始，鋪氈工藝主要是通過噴吹的方式將纖維吹至空中，然后通過重力沉降的方式使纖維飄落在輸送機(jī)上形成棉氈，其鋪氈均勻性較差，從而直接影響到巖棉產(chǎn)品的密度均勻性。 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)在建材領(lǐng)域的普及以及對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)能效率及產(chǎn)品精細(xì)化要求的提高， 鋪氈設(shè)備作為巖棉生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)， 從20 世紀(jì) 90 年代末國家相關(guān)科研院所開始研究擺錘鋪氈法在巖棉生產(chǎn)中的應(yīng)用。歷時(shí)20多年的發(fā)展，擺錘經(jīng)過了多次的更新、升級(jí)、換代，其中具有里程碑意義的有三次： 第一次為1998～2000 年， 由弧擺擺錘替代傳統(tǒng)沉降室作為巖棉生產(chǎn)的鋪氈機(jī)構(gòu)，革命性地更改了鋪氈方式，提高了鋪氈的均勻性。 第二次為2009～2010 年，為克服弧擺擺錘天生的機(jī)械缺陷，科研人員在弧擺擺動(dòng)的動(dòng)作過程中添加了伺服補(bǔ)償控制，進(jìn)一步提高了鋪氈均勻性。 第三次為2018～2019 年，隨著巖棉生產(chǎn)線單線產(chǎn)能的提高，板線的幅寬變得更寬，加上對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的日益嚴(yán)格，即使加入伺服補(bǔ)償?shù)幕[擺錘也難以滿足大產(chǎn)能寬幅生產(chǎn)線對(duì)鋪氈均勻性的要求， 因此對(duì)擺錘機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了顛覆性設(shè)計(jì)，研制出的新型平擺擺錘在現(xiàn)代化大產(chǎn)能生產(chǎn)線中正在逐漸取代弧擺擺錘。

1 沉降室法鋪氈簡(jiǎn)述

沉降室法是較為老舊的一種礦物棉生產(chǎn)工藝，其功能結(jié)合了現(xiàn)代巖棉工藝中的集棉+鋪氈工段。如圖 1 所示： 高低壓風(fēng)把離心機(jī)甩出的高溫流股吹出， 其中較重的渣球部分因?yàn)橹亓β湓诹讼路剑稍蜉伵浜纤腿朐?，重量較輕的纖維則被吹送到輸送機(jī)上，輸送機(jī)的內(nèi)部有負(fù)壓風(fēng)可以讓纖維富集在輸送機(jī)的網(wǎng)板上，然后送入下一個(gè)工藝單元。

圖1 沉降室集棉鋪氈示意

由于只靠重力和負(fù)壓風(fēng)的方式抽吸棉氈，纖維在輸送機(jī)網(wǎng)板上的分布較為雜亂，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)厚薄不均勻的現(xiàn)象從而影響了產(chǎn)品的均勻性。

2 弧擺擺錘鋪氈

2.1 弧擺擺錘的設(shè)計(jì)初衷

由于傳統(tǒng)沉降室的不足，現(xiàn)代化生產(chǎn)將沉降室的功能更加詳細(xì)地劃分成了集棉+鋪氈， 集棉工段主要由負(fù)壓風(fēng)收集由離心機(jī)甩出的纖維，這些纖維附著在集棉機(jī)網(wǎng)板上形成一層薄氈；鋪氈工段由擺錘負(fù)責(zé)接收由集棉機(jī)輸送來的薄氈然后經(jīng)過擺錘的往復(fù)擺動(dòng)在下一個(gè)工藝單元上疊成多層的棉氈，相比沉降室鋪氈，這樣通過薄氈層層疊加的棉氈具有較好的均勻性以及彈性，為后期的加工工藝提供了良好的半成品基礎(chǔ)。

2.2 弧擺擺錘擺動(dòng)鋪氈技術(shù)

擺錘機(jī)組由擺動(dòng)帶、連桿、傳動(dòng)裝置及機(jī)架等幾部分組成。擺動(dòng)帶由兩條平行的輸送帶及擺動(dòng)機(jī)架組成，如圖2，3 所示。 傳動(dòng)裝置由電機(jī)減速機(jī)及偏心輪組成，連桿連接偏心輪及擺動(dòng)帶，傳動(dòng)裝置的動(dòng)力經(jīng)連桿傳遞給擺動(dòng)帶，使得擺動(dòng)帶作周期性的往復(fù)擺動(dòng)。從集棉機(jī)出來的一次棉氈經(jīng)過渡輸送機(jī)喂入擺動(dòng)帶，同時(shí)擺動(dòng)帶作往復(fù)擺動(dòng)，將一次氈鋪設(shè)在下方的成型輸送機(jī)（下一工藝單元）上，形成多層折疊的二次棉氈， 此過程即稱為擺動(dòng)鋪棉技術(shù)。

2.3 弧擺擺錘的鋪氈特征

圖2 弧擺擺錘示意

圖3 平面連桿機(jī)構(gòu)

擺動(dòng)鋪氈可以分為3 個(gè)過程， 按次序分別為：一次棉氈通過皮帶輸送機(jī)以速度V1進(jìn)行的勻速運(yùn)行；勻速運(yùn)行的一次棉氈到達(dá)擺動(dòng)帶，擺動(dòng)帶以速度VE作往復(fù)擺動(dòng)； 一次棉氈經(jīng)擺帶擺動(dòng)下落到以勻速V2運(yùn)動(dòng)的成型輸送機(jī)上形成二次棉氈。 在這3 個(gè)過程中，一次棉氈運(yùn)行的速度V1為勻速，成型輸送機(jī)運(yùn)行的速度V2也為勻速， 那么如果擺動(dòng)帶擺動(dòng)速度VE為變速， 則它們最后所合成的速度也為變速，則在鋪棉過程中存在著變速情況，這意味著擺錘鋪棉仍然將導(dǎo)致鋪棉的不均勻，最后直接影響到成品密度的均勻性。

3 帶速度補(bǔ)償?shù)幕[擺錘

3.1 弧擺擺錘的數(shù)學(xué)建模

根據(jù)擺錘機(jī)組的工作原理，由圖2 可知，以傳動(dòng)裝置的偏心輪圓心為圓心作坐標(biāo)軸x、y，擺動(dòng)帶的擺動(dòng)、 連桿的運(yùn)動(dòng)以及偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)均在同一個(gè)平面內(nèi)（圖3）。 所以，擺錘機(jī)組可以簡(jiǎn)化為一個(gè)平面連桿機(jī)構(gòu)，且擺動(dòng)帶、連桿以及偏心輪構(gòu)成了平面連桿機(jī)構(gòu)中最常用的平面四桿機(jī)構(gòu)。偏心輪上AB 作整周的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為典型的曲柄且為原動(dòng)件，擺動(dòng)帶在角度w 范圍內(nèi)作搖擺運(yùn)動(dòng)為搖桿，且為從動(dòng)桿，偏心輪、連桿、擺動(dòng)帶以及機(jī)架就形成了一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。 可以將圖3 再簡(jiǎn)化成如圖4 所示的平面四桿機(jī)構(gòu)。 因此， 必須對(duì)如圖4 所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，即對(duì)C 點(diǎn)進(jìn)行位置、速度和加速度的分析，才可推導(dǎo)出圖2 中VE的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖4 平面四連桿機(jī)構(gòu)

根據(jù)以往的弧擺擺錘結(jié)構(gòu)，可以將上述建立的數(shù)學(xué)模型賦予實(shí)際的數(shù)值，圖5 為依照某工程經(jīng)驗(yàn)將實(shí)際數(shù)值賦予到數(shù)學(xué)模型中并通過矢量方程解析法得出 VE與θ1的關(guān)系。

圖 5 VE 與 θ1 的關(guān)系

3.2 補(bǔ)償方式的確定

假設(shè)擺錘擺動(dòng)時(shí)在E 點(diǎn)擺動(dòng)速度VE為勻速運(yùn)動(dòng)，則一次氈落下鋪氈的過程是勻速的，反之則為變速運(yùn)動(dòng)。 但曲柄AB 以等角速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，搖桿CD 做不等速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以在實(shí)際工作中E 點(diǎn)的速度不是勻速的。圖6 為成型機(jī)接受擺錘堆疊的二次氈以V2速度向下一工藝單元運(yùn)行時(shí)對(duì)二次氈的俯視圖。 A1B1 為落棉起始點(diǎn)通過擺錘擺動(dòng)落至A2B2 再擺動(dòng)至A3B3，以此類推，可以明顯看出，當(dāng)VE速度降低時(shí) （擺錘擺動(dòng)到生產(chǎn)線寬度方向左右兩端時(shí)），棉氈在成型機(jī)兩側(cè)形成三角區(qū)，這樣的三角區(qū)造成產(chǎn)品寬度方向的密度兩端大中間小并且這種趨勢(shì)隨著V2的速度增大而增大。

結(jié)合圖5，6 顯示的VE在擺錘擺動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以看出這樣的運(yùn)動(dòng)變化是有規(guī)律可循的。 結(jié)合現(xiàn)有伺服控制編程技術(shù)，可以較為有效地減少擺錘運(yùn)動(dòng)到生產(chǎn)線寬度兩側(cè)時(shí)因速差而導(dǎo)致的鋪棉不均勻現(xiàn)象。

3.3 弧擺擺錘速度補(bǔ)償?shù)木窒扌?/h3>

圖6 棉氈在成型機(jī)上堆疊的俯視圖

雖然可以用伺服編程來控制其電機(jī)轉(zhuǎn)速從而減小VE的速差，但就電機(jī)的特性而言，短時(shí)間內(nèi)對(duì)原有速度進(jìn)行將近3 倍的加減速不太現(xiàn)實(shí)，通過實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)我們最多可以把這個(gè)系數(shù)設(shè)置為1.2～1.5 倍。事實(shí)證明，弧擺擺錘速度補(bǔ)償可以有效減少鋪棉不均勻的現(xiàn)象，但是這樣的效果有限，尤其是對(duì)于生產(chǎn)線較寬、 弧擺擺錘需要擺動(dòng)更大幅度時(shí)，VE的水平、豎直分量變化增大，弧擺擺錘速度補(bǔ)償將不能滿足產(chǎn)品密度均勻性要求。

4 平擺擺錘的研發(fā)與應(yīng)用

4.1 平擺擺錘的設(shè)計(jì)理念

為克服傳統(tǒng)弧擺擺錘的缺點(diǎn)，必須改變擺錘的機(jī)械傳動(dòng)形式，一次氈從弧擺擺錘輸送至成型輸送機(jī)上方其輸送軌跡是弧線形，在其轉(zhuǎn)向時(shí)運(yùn)動(dòng)的弧線線速度會(huì)變慢，且水平分速度和垂直分速度就會(huì)產(chǎn)生變化，這是造成鋪棉寬度方向不均勻的主要原因。 因此如果改變其運(yùn)動(dòng)的軌跡，由弧線形改為直線型將會(huì)克服上述兩種缺點(diǎn)：第一對(duì)于直線型的下落點(diǎn)，相對(duì)于成型輸送機(jī)的高度是一定的，所以垂直分速度可以保持不變；第二對(duì)于直線型平擺左右變向的動(dòng)作依然存在變向時(shí)減速現(xiàn)象，但是由于運(yùn)動(dòng)軌跡由弧形變成了直線型，調(diào)整水平分速度的工作將變得容易一些， 可采用伺服電機(jī)控制換向，使得擺錘的運(yùn)動(dòng)在某一區(qū)域內(nèi)達(dá)到勻速的狀態(tài)，對(duì)于兩端轉(zhuǎn)向時(shí)造成的鋪棉不均勻可通過后續(xù)板線設(shè)備的切邊裝置進(jìn)行切除，并通過碎邊機(jī)將邊料打碎后再次投入集棉工段進(jìn)行廢物利用。

4.2 平擺擺錘的結(jié)構(gòu)

平擺擺錘的結(jié)構(gòu)如圖7 所示，一次薄氈由1 號(hào)輸送皮帶、2 號(hào)輸送皮帶輸送至平擺擺錘本體。 與弧擺擺錘不同的是：擺錘本體的下端固定在擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上并在擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上水平移動(dòng)，移動(dòng)的動(dòng)作通過同步帶與導(dǎo)軌的配合來實(shí)現(xiàn)，由此只需通過帶動(dòng)同步帶的伺服電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)擺錘在擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上有效區(qū)域內(nèi)的水平勻速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在2 號(hào)輸送皮帶下設(shè)置了空氣彈簧，空氣彈簧用來吸收平擺擺錘因左右水平移動(dòng)而產(chǎn)生的高差。平擺擺錘通過其左右的往復(fù)移動(dòng)進(jìn)行對(duì)一次薄氈的層層堆疊，堆疊完成后的二次氈通過位于擺錘下方的成型輸送機(jī)送至下一個(gè)工藝單元。如此鋪氈的方式具有較高的鋪氈均勻性，可適應(yīng)現(xiàn)代化大產(chǎn)能寬幅巖棉生產(chǎn)線的規(guī)模。

5 總結(jié)

在巖礦棉行業(yè)中鋪氈工藝經(jīng)歷了 20 余年的發(fā)展改進(jìn)，由最原始的沉降室到近期研發(fā)的平擺擺錘，在對(duì)鋪氈的工藝、鋪氈設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及鋪氈設(shè)備的控制方式上進(jìn)行了較大改進(jìn)與優(yōu)化，其效果主要體現(xiàn)在對(duì)于棉氈的精細(xì)化分布以及后期巖棉產(chǎn)品密度均勻性上的提高，表1 為各代鋪氈技術(shù)的特點(diǎn)的比較。

圖7 平擺擺錘側(cè)視

表1 各代鋪氈技術(shù)特點(diǎn)

為響應(yīng)巖棉行業(yè)對(duì)高產(chǎn)能、低能耗、排放集中處理、產(chǎn)品要求升級(jí)的號(hào)召，大產(chǎn)能巖棉生產(chǎn)線將成為主流，這也對(duì)鋪棉均勻性、生產(chǎn)線速度、幅寬以及產(chǎn)品纖維分布合理性提出了更高要求。