鄭麗娜

(唐山三友集團(tuán)興達(dá)化纖有限公司，河北 唐山 063305)

0 引言

牽伸機(jī)是化纖生產(chǎn)中的重要設(shè)備，在我國(guó)粘膠纖維生產(chǎn)中已有近60年的歷史，其制造工藝較為成熟，各種化纖產(chǎn)品的理化性能在現(xiàn)有的生產(chǎn)流程和設(shè)備布置、電氣控制中也較為理想[1-3]。筆者對(duì)粘膠短纖維牽伸機(jī)輥體設(shè)計(jì)、牽伸力、運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行分析，以優(yōu)化牽伸機(jī)制造工藝、設(shè)備設(shè)計(jì)、電儀配合，滿足多品種粘膠纖維制造工藝需求。

1 牽伸機(jī)輥體設(shè)計(jì)

1.1 輥體繞絲機(jī)理分析

纖維卷繞在牽伸機(jī)輥體上是生產(chǎn)中的常見(jiàn)問(wèn)題，簡(jiǎn)稱輥體繞絲，在開(kāi)車生頭時(shí)更易發(fā)生。輥體繞絲會(huì)導(dǎo)致纖維浪費(fèi)，更嚴(yán)重的是，割絲操作不安全，會(huì)引發(fā)電氣跳停，甚至威脅操作工生產(chǎn)安全。所以，對(duì)輥體繞絲機(jī)理進(jìn)行分析，對(duì)理解牽伸機(jī)輥體設(shè)計(jì)要求很有必要。

假設(shè)絲束在牽伸機(jī)拉伸過(guò)程中由于輥體刮傷、絲條有疵點(diǎn)等原因，有一微絲條斷裂，其瞬時(shí)狀態(tài)如圖1所示。

圖1 微絲條斷裂瞬時(shí)狀態(tài)示意

圖1中，假設(shè)：

Q——斷裂微絲條回彈力/N；

dF——輥面對(duì)微絲條的摩擦力/N；

dN——微絲條對(duì)輥面的反作用力/N；

dV——微絲條的長(zhǎng)度/mm；

dW——微絲條對(duì)應(yīng)中心角/rad。

在直角坐標(biāo)系中，取x軸力的平衡式：

∑x=0

(1)

當(dāng)dW很小時(shí)，二次微量可以略去，它的平衡方程為：

(2)

式中：

(3)

可得：

(4)

當(dāng)被拉伸的纖維品種確定后，Q則為常量。

由圖1所示圖形的幾何關(guān)系可得：

dV=rdW

(5)

由于粘膠纖維的牽伸速度一般為40 m/min～70 m/min，選定后，dV則為常量。

由式(4)和式(5)可知，若r減小，則dW變大，同時(shí)dN變大。所以，在相同工藝條件下，牽伸輥直徑越小則產(chǎn)生繞輥的概率就越大，此結(jié)論和日常生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)相符。

1.2 牽伸機(jī)輥體材料選擇

牽伸機(jī)輥體最重要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是材料選擇，要求材料耐硫酸腐蝕、抗刀具割傷，且刀具勾拉不產(chǎn)生火花等。

絲條拉伸張力的梯度變化和牽伸機(jī)輥體表面摩擦因數(shù)有關(guān)，而摩擦因數(shù)大小和輥體表面形狀有關(guān)，輥體表面形狀又與輥體材質(zhì)以及表面處理方法密切相關(guān)。盡管60多年來(lái)，牽伸機(jī)在不斷進(jìn)行改進(jìn)，但仍存在一些問(wèn)題。常用牽伸機(jī)輥體材料存在的問(wèn)題有：①花崗巖石磨面輥，刀具勾拉易產(chǎn)生火花；②金屬骨架包硬膠輥，不抗刀具磨損，易勾傷；③ 環(huán)氧樹(shù)脂基體輥，會(huì)發(fā)生老化起層，使用壽命短；④ 碳鋼表面搪瓷輥，不抗敲打易掉瓷；⑤ 碳鋼表面鍍硬鉻，表面摩擦因數(shù)小，鍍層易剝落；⑥ 整體陶瓷輥，模具成型后加工困難，易破碎；⑦ 工程塑料(聚苯醚)注塑輥，不抗老化壽命短；⑧ 特種不銹鋼輥(904L)，目前許多廠家在使用，但造價(jià)高。

1.3 牽伸機(jī)輥體直徑確定

隨著粘膠短纖維單線產(chǎn)能的提高，其絲束總旦數(shù)成倍增加。早在20世紀(jì)70年代，邯鄲紡織機(jī)械廠制造的R382型集束機(jī)(牽伸機(jī))單線年產(chǎn)5000 t，牽伸總旦數(shù)僅為200萬(wàn)D；之后單線產(chǎn)逐漸增長(zhǎng)至8萬(wàn)t；發(fā)展至今，單線年產(chǎn)12萬(wàn)t，牽伸總旦數(shù)已高達(dá)1400萬(wàn)D，數(shù)值可觀。牽伸機(jī)輥體直徑也由集束機(jī)φ300 mm輥體直徑發(fā)展至20世紀(jì)90年代由奧地利蘭精集團(tuán)(下文稱“蘭精”)引進(jìn)的四輥牽伸機(jī)φ500 mm輥體直徑，再到年產(chǎn)8萬(wàn)t的五輥體牽伸機(jī)φ600 mm輥體直徑。12萬(wàn)t牽伸機(jī)輥體因電機(jī)座號(hào)增大，在保證絲束包角不小于180°的前提下，最終輥體直徑設(shè)計(jì)為φ650 mm，單輥裝機(jī)功率達(dá)到22 kW。

1.4 牽伸機(jī)輥體設(shè)計(jì)

在科技高速發(fā)展的今天，牽伸輥體直徑的設(shè)計(jì)首先要滿足生產(chǎn)用戶需求，牽伸機(jī)輥體直徑不宜過(guò)大，否則會(huì)給生產(chǎn)操作和檢修帶來(lái)諸多不便，增加使用成本。同時(shí)，當(dāng)輥體材料選定后，要根據(jù)材料的性質(zhì)設(shè)計(jì)合理的表面形狀。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在輥體表面設(shè)計(jì)溝槽，不僅能增加輥體的摩擦因數(shù)，而且在發(fā)生繞輥時(shí)便于用勾刀割絲；但溝槽不宜設(shè)計(jì)太深，且不宜出現(xiàn)棱角銳口。

2 牽伸力和功率確定

2.1 絲束牽伸力的計(jì)算

牽伸機(jī)在化纖生產(chǎn)線上有2種作用，一是對(duì)分散的絲束進(jìn)行整束，二是對(duì)絲束進(jìn)行拉伸，使初生纖維截面具有一定張力，促使纖維分子整齊排列，從而使化纖產(chǎn)品具有適用的強(qiáng)力和平整度[4]。因此，必須對(duì)牽伸機(jī)輥體牽伸力進(jìn)行理論分析和計(jì)算。

五輥牽伸機(jī)的絲束拉伸示意如圖2所示。

圖2 五輥牽伸機(jī)的絲束拉伸示意

2.1.1 理論計(jì)算

對(duì)牽伸機(jī)做出如下假設(shè)。

絲束包角α取整數(shù)，α=π/2，π，…(如：圖2所示五輥牽伸機(jī)，第一個(gè)輥體絲束包角α約為π/2，第二、三、四輥體絲束包角α約為π)。

絲束摩擦因數(shù)f相同，均為0.13(通常取0.12～0.15)。

絲束拉伸符合歐拉公式，F(xiàn)n+1=Fn/efα(e=2.718 28)。

按照普通粘膠短纖強(qiáng)度(約1克力/D，即0.01 N/D)，纖維拉伸系數(shù)為0.5，絲束總纖度按1000萬(wàn)D計(jì)算，則F0=0.01 N/D×1000萬(wàn)D×0.5=5萬(wàn)N，則一道五輥牽引力計(jì)算如下：

F1-1=50 000/e0.13π/2=40 769 N

(6)

F1-2=40 769/e0.13π=27 105 N

(7)

F1-3=27 105/e0.13π=18 021 N

(8)

F1-4=18 021/e0.13π=11 981 N

(9)

輥體扭矩為：

M=F·R=9550·P/n

(10)

式中：

M——輥體扭矩/(N·m)；

F——輥體對(duì)絲束拉力/N；

R——輥體半徑/mm；

P——電機(jī)額定功率/W；

n——輥體轉(zhuǎn)速/(r·min-1)。

設(shè)紡速v為70 m/min，輥體轉(zhuǎn)速n為36 r/min，輥體直徑D為600 mm，則估算五輥牽伸機(jī)最大功率Pmax相關(guān)計(jì)算為：

(11)

得：

Pmax=15.45 kW

(12)

2.1.2 實(shí)際測(cè)試

生產(chǎn)車間實(shí)測(cè)牽伸機(jī)紡速為70 m/min時(shí)的功率見(jiàn)表1。

表1 生產(chǎn)車間實(shí)測(cè)牽伸機(jī)紡速為70 m/min時(shí)的功率

2.1.3 實(shí)際測(cè)試

通過(guò)上述歐拉公式逐個(gè)計(jì)算出牽伸輥對(duì)纖維拉伸力，是同絲束在輥體上成比例減小的，則功率也是逐漸減小的；而在生產(chǎn)車間通過(guò)變頻器實(shí)測(cè)出電機(jī)電流，據(jù)此計(jì)算出的功率卻是無(wú)序的。兩種結(jié)果完全不同，說(shuō)明如下兩個(gè)問(wèn)題。

a) 生產(chǎn)在用的牽伸機(jī)輥體對(duì)絲束的拉伸力從前至后是不均勻的，產(chǎn)生的原因同輥體表面、電機(jī)轉(zhuǎn)差率等因素有關(guān)。

b) 歐拉公式不適用絲束在牽伸輥上換位后，再進(jìn)行拉伸張力的梯級(jí)聯(lián)算，分析認(rèn)為絲束在牽伸輥面上換位，其內(nèi)外層絲束張力會(huì)發(fā)生彈性變化。

2.2 牽伸機(jī)傳動(dòng)型式的發(fā)展

粘膠短纖維最早使用的牽伸機(jī)前后均是三輥式，隨著生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，逐步發(fā)展為四輥、五輥式牽伸機(jī)。早在20世紀(jì)六七十年代，由于電氣系統(tǒng)不發(fā)達(dá)，大都采用齒輪箱集中傳動(dòng)，如R382型集束機(jī)電機(jī)功率為17 kW，采用齒鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器調(diào)速，三級(jí)齒輪搭配，模數(shù)達(dá)M10，箱體龐大。

1993年由瑞士毛雷爾公司(下文稱“毛雷爾”)和蘭精公司引進(jìn)了年產(chǎn)2萬(wàn)t生產(chǎn)線，牽伸機(jī)采用單輥液壓或變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，給生產(chǎn)控制和維修帶來(lái)便利，這是科技進(jìn)步的結(jié)果。唐山三友集團(tuán)從蘭精公司進(jìn)口的牽伸機(jī)單輥?zhàn)冾l功率只有11 kW，后來(lái)由于紡絲加錠擴(kuò)產(chǎn)，變?yōu)樗妮仩可鞕C(jī)，2組電機(jī)調(diào)整為13.5 kW，產(chǎn)能達(dá)到8萬(wàn)t的新線五輥牽伸機(jī)(單輥電機(jī)為18.5 kW)。

2.3 牽伸機(jī)布局和輥體數(shù)設(shè)置

20世紀(jì)90年代之前，國(guó)內(nèi)粘膠短纖維廠采用的集束機(jī)輥體數(shù)均為3～4只，并在前后兩機(jī)間設(shè)置二浴槽，用于對(duì)初生纖維拉伸和回收溶劑CS2。隨著技術(shù)發(fā)展以及用戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和性能要求不斷提高，因此，在粘膠短纖維生產(chǎn)中除了對(duì)牽伸機(jī)加大產(chǎn)能外，對(duì)前后牽伸機(jī)的設(shè)計(jì)以及牽伸輥的尺寸都進(jìn)行了許多研究和改進(jìn)。早在1993年～1995年，九江化 學(xué)纖維廠(現(xiàn)九江金源化纖有限公司)和唐山三友集團(tuán)興達(dá)化纖有限公司(下文稱“唐山化纖”)先后引進(jìn)了毛雷爾和蘭精兩條年產(chǎn)2萬(wàn)t的粘膠生產(chǎn)線，為我國(guó)國(guó)產(chǎn)化和更高產(chǎn)能的研究提供了可靠依據(jù)，其具有如下2個(gè)顯著特點(diǎn)。

a) 蘭精粘膠生產(chǎn)線的牽伸機(jī)為四輥機(jī)，前后兩臺(tái)牽伸機(jī)的輥體尺寸同為φ500 mm×420 mm，由于在紡絲機(jī)內(nèi)設(shè)置了二浴槽，所以兩臺(tái)牽伸機(jī)緊密相連，中間輥體中心距只有0.8 m。

b) 毛雷爾粘膠生產(chǎn)線的牽伸機(jī)，前機(jī)為六輥，后機(jī)為四輥，輥體尺寸為φ600 mm×600 mm，紡絲機(jī)后設(shè)有10 m蒸汽浴，可生產(chǎn)高濕模量纖維；二浴槽設(shè)置在前后兩臺(tái)牽伸機(jī)中間，長(zhǎng)度約15 m。

3 牽伸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分析

3.1 產(chǎn)品性能要求

由于唐山化纖年產(chǎn)能只有2萬(wàn)t，并且是普通粘膠短纖維，不要求生產(chǎn)高濕模量，只需要制造工藝設(shè)備能保證產(chǎn)品規(guī)格和質(zhì)量要求即可，所以蘭精為唐山化纖提供了四輥牽伸機(jī)。開(kāi)車實(shí)測(cè)前機(jī)對(duì)絲束拉伸率為60%～63%，緩沖-2%～4%，經(jīng)后牽伸機(jī)拉伸37%～43%，絲束經(jīng)三輥牽引機(jī)截面張力完全消除后才進(jìn)入水流式切斷機(jī)。

3.2 牽伸機(jī)運(yùn)行方式

蘭精四輥牽伸機(jī)，單輥?zhàn)冾l電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率為11 kW，并且在每只輥端面設(shè)計(jì)有編碼器，形成閉環(huán)控制以保證每個(gè)輥體轉(zhuǎn)速恒定不變。當(dāng)在輥體材質(zhì)、尺寸、表面狀態(tài)相同的情況下，牽伸機(jī)使用情況較為理想。然而在實(shí)際操作中并非如此，當(dāng)發(fā)生繞絲繞輥時(shí)，輥體繞絲直徑瞬間變大，對(duì)相鄰輥上的絲束拉力也隨之增大，如割絲操作不及時(shí)，繞絲輥電機(jī)則會(huì)跳停。處理后再重新啟動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生許多新問(wèn)題。問(wèn)題產(chǎn)生機(jī)理簡(jiǎn)算見(jiàn)式(10)。

當(dāng)紡速v為60 m/min，輥體轉(zhuǎn)速n為38 r/min，運(yùn)行操作分析如下：當(dāng)牽伸機(jī)輥體繞絲時(shí)，輥徑R增粗，輥體扭矩M增大(若F不變)，n會(huì)變小，電機(jī)功率增大(若v不變)，所以，當(dāng)發(fā)生牽伸機(jī)輥體繞絲時(shí)，必須降速停機(jī)對(duì)繞絲問(wèn)題進(jìn)行處理。

4 結(jié)語(yǔ)

粘膠短纖維在中國(guó)雖已有近60年的生產(chǎn)歷史，但由于用戶對(duì)普通粘膠產(chǎn)品質(zhì)量沒(méi)有特殊要求，所以對(duì)牽伸機(jī)生產(chǎn)設(shè)備及工藝細(xì)節(jié)有所忽略。通過(guò)對(duì)粘膠短纖維生產(chǎn)用牽伸機(jī)輥體設(shè)計(jì)、牽伸力、運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行分析和計(jì)算，認(rèn)為牽伸輥體不宜過(guò)大，否則會(huì)給生產(chǎn)操作和檢修帶來(lái)諸多不便。輥體材料選擇時(shí)要具備耐酸堿腐蝕、抗刀具割傷和鉤拉性能，并設(shè)計(jì)合理的表面形狀。牽伸機(jī)采用四輥、五輥式，配合單輥液壓或變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用，有利于生產(chǎn)控制和維修。生產(chǎn)中，當(dāng)發(fā)生輥體繞絲問(wèn)題時(shí)，應(yīng)及時(shí)降速停機(jī)，今后還需科研機(jī)構(gòu)進(jìn)一步深入研究。