高速非织造杂乱梳理机的基本结构与特性

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无纺布厂15838056980高速非织造杂乱梳理机的基本结构与特性

周骞、靳向煜  

（东华大学非织造研究发展中心）

0     前言

在非织造的生产过程中，梳理机扮演着承前启后的重要角色，一方面对开清工序的纤维进行进一步开松混合，同时将块状的纤维梳理成由单纤维组成的薄纤网，供铺叠成网，或直接进行纤网加固，梳理质量的好坏将直接影响最终产品的品质［1］。

在非织造产业发展初期，梳理机采用的是由原先棉纺和毛纺行业改进的梳理机。但初期的非织造梳理机产量低、幅宽窄、成网质量差。后来，随着非织造产业的快速发展，非织造布的梳理成网设备已经实现了专业设计与制造。罗拉式梳理机属于间歇式的梳理，对长纤维损伤少，而且可梳理纤维的长度范围广，无纺布厂15838056980非常适合非织造用纤维的梳理［2］，因此当前非织造专用的梳理机普遍采用罗拉式梳理机。为了配合生产线的高产高速的生产要求，非织造梳理机目前最大幅宽可达6 m，最高出网速度可达200 m/min，产量可达到400 kg/h以上。因此，高产高速是未来非织造梳理机的主要发展方向。

1     高速杂乱梳理机的基本结构

早期的非织造梳理机，由于无统一的行业标准，型号规格种类繁多，有单锡林、双锡林、单道夫、双道夫，带或不带杂乱辊、凝聚罗拉的多种非织造梳理机。随着科技的进步，以及对梳理工艺深入的研究，高速杂乱式的非织造梳理机的机型越来越趋于标准化、模块化。图1所示的是目前一种典型的高速杂乱式的非织造梳理机。该梳理机为双锡林，双道夫罗拉式梳理机，其由喂入部分、预梳、主梳、杂乱、凝聚、成网等部分组成。双锡林的使用使梳理工作区面积扩大了一倍，无纺布厂15838056980即在锡林表面单位面积纤维负荷量不变情况下，增加面积来提高产量，同时梳理质量更容易控制。双道夫的配置便于锡林上纤维及时地剥取转移，两层网同时输出，保证了高产。为了提高纤维在纤网中的杂乱程度，非织造梳理机配置高速杂乱辊和凝聚罗拉，使纤网中的纤维由纵向排列趋向于杂乱排列，来改善纤网的横向强力。

图1    高速杂乱梳理机基本结构

1-喂入罗拉；2-刺辊；3-工作辊； 4-剥取辊；5-胸锡林；6-转移辊；7-主锡林；8-杂乱辊；9-道夫；10-凝聚罗拉1；11-凝聚罗拉；12-剥棉罗拉；13-毛刷辊；14-平整辊

2      高速非织造梳理机关键部件及特征

2.1    喂入部分

传统的喂棉方式如图2所示。

图2    逆向“Λ”型喂棉示意

喂棉罗拉在喂棉板之上，给棉板鼻尖处圆弧的切线与垂直方向间夹角θ＝arcsin［（R－D）/ R］。一般在逆向喂棉中θ=20°~30°，γ=8°~15°，所以纤维的转向α=180°－θ－γ=135°~152°。纤维喂入方向与刺辊抓取方向相反，筵棉的走向呈“Λ”型，尽管有无纺布厂15838056980利于筵棉的握持，但纤维运动存在换向，易造成纤维扭结与断裂，从而形成棉结与短绒, 影响产品的品质。非织造梳理机通常将喂棉板上置，形成顺向的喂棉，如图3所示。

图3    顺向“～”型喂棉示意

给棉板圆弧在鼻尖处的切线与刺辊抓取方向间的夹角β＝ arcsin（H/R）（纤维层厚度相对喂入罗拉直径可以忽略不计），H=50~80 mm，R=207 mm，所以β=14°~23°。在喂入区只存在14°~23°的转向，在喂入区段较为平坦，筵棉层与刺辊的运动方向基本保持一致，呈“～”，纤维在握持状态下的分梳作用流畅、柔和，能有效减少纤维的损伤与牵伸。此外，上喂棉板的手轮调节结构结合螺杆顶升系统，可以精确调节上喂棉板与喂棉罗拉的隔距，生产过程中可根据需要，精确地调整喂棉板处所需的分梳工艺长度。该结构可以适合非织造工艺中不同的原料变化［3］。

2.2    梳理部分

非织造梳理机梳理区域分预梳和主梳两部分，预梳通常配置3~4无纺布厂15838056980组梳理单元，使纤维束获得初步分解，并起到排杂的效果。主梳配置4~5组梳理单元，对纤维进行分梳、混合、剥取等作用，逐步将纤维束分解为单纤维。要实现非织造的高产梳理，必需要提高锡林的有效梳理面积，可以从纵向、横向、以及旋转速度等三个方面扩展锡林有效梳理面积。在纵向，高产非织造梳理机增加了锡林直径。目前，主锡林直径达到了1500 mm。传统梳理机锡林与转移辊的中心轴几乎在同一水平线，高产梳理机相对抬高了锡林中心，以便配置更多的梳理单元，实现对纤维的有效梳理。以配置5组梳理单元的主锡林为例，如图4所示。主锡林的的名义工作区定义为转移辊、杂乱辊与主锡林的隔距点之间所对应的区域。该区域梳理的弧长为L=αR=2.355 m。整台梳理机包括胸锡林和主锡林的总无纺布厂15838056980名义梳理面积达到了19.24 m2，相比常规的梳理机如表1所示，总的名义梳理面积提高了206.4%。在横向，主流的高速杂乱式梳理机幅宽达到了3.8 m。此外，锡林的最高线速度可达到1500 m/min。

图4    主锡林梳理单元示意

幅宽增加后, 传统的钢铁材料已满足不了生产要求。碳纤维复合材料、高强度铝合金在梳理机中的工作辊、剥取辊大量运用。由于幅宽、转速明显的提高，对锡林辊体也提出了新的设计要求，大锡林辊体采用钢板卷制，取代了原先的铸铁，减轻了重量，降低了功率消耗，便于迅速启动和停止。此外，对宽幅锡林的辊体设计了加筋技术，如图5所示，以满足非织造梳理机高速旋转的强度要求。

图5     锡林加筋

2.3    杂乱部分

由于经过非织造梳理机各级梳理单元的梳理作用，大多数纤维处于伸直平行的单纤维状态，这将造成纤网纵横向性能差异较大，而大多数非织造材料要求纤维在纤网中呈随机排列，形成杂乱的状态［4］。为了使无纺布厂15838056980高速梳理机梳理的纤网达到相应的要求，为此设计了杂乱和凝聚装置，如图6所示，使得纤维在气流的作用下趋向一种杂乱的状态。

图6    杂乱凝聚部分

这类梳理机主要在主锡林与道夫之间配置了高速旋转的杂乱辊，在道夫之后再安装一对凝聚罗拉，将两种杂乱效应有效的结合起来，进一步提高纤维的杂乱程度［5］。

杂乱辊上的针齿与锡林针齿呈平行配置，且二者同向旋转，杂乱辊的线速度大于锡林线速度，且远大于道夫的线速度。对于高无纺布厂15838056980速旋转的回转圆柱体会带动四周的气流高速地旋转，而相邻流体间由于粘性会产生一定的速差，对于外部没有能量补给的流体而言，旋涡运动基本方程如式（1）所示［6］：

Ln(Vr)＝常数，即Vr＝C（常数）      （1）                                  

式中：V为气流线速度；r为气流半径。

即锡林与杂乱辊四周的气流随半径的增大，气流的线速度呈双曲线下降，如图7所示。由于高速旋转的回转圆柱体的气流具有流速分布，因而纤维在这样的气流中有沿气流切线方向运动的倾向，如图7所示。在气流中有一根纤维其速度为Vf，取纤维的dl段分析，该处的气流速度为V=C/r，C为常数。则气流对dl段在气流切线方向的作用力为［7］：

式中df为纤维直径，Cg为与气流相关的常数。

由上式可知，纤维各点的F切不同，如果Vf与纤维上某段气流速度相等，那么气流作用于该段上下部位的作用力不同，形成转动的力矩，使纤维向着流体切线方向转动。

而锡林，杂乱辊，与高精度圆弧板三者之间形成相对封闭的三角区为杂乱三角区，如图8所示。

图7 旋转体气流速度分布  图8 杂乱三角区气流

由于锡林、杂乱辊都包覆金属针布，针隙容量小，锡林高速旋转产生的气流在锡林、杂乱辊隔距点未能完全通过，部分气流受阻而折返，与杂乱辊的高速气流汇合，部分气流变向，如图9所示，在CD方向（cross direction）无纺布厂15838056980产生气流分布。当锡林的气流与杂乱辊的气流相遇时，产生涡旋气流。当锡林运转至杂乱区时，一部分纤维未受杂乱区的气流作用直接被杂乱辊的针布所抓取，另一部分锡林表面的纤维当其转至杂乱三角区附近时，由于受气流作用，纤维的一端勾住锡林针布，另一端被气流吹起，被吹起纤维的自由端受到涡旋气流和CD方向气流的作用，使得纤维的自由端发生向CD方向的位移，从而达到良好的混合杂乱效果［8］。 

图9    杂乱三角区气流分布（CD crossdirection）

除了配置杂乱辊外，结合凝聚罗拉可以进一步提高随机排列的效果。第一凝聚罗拉和道夫，第二和第一凝聚罗拉之间的针齿为交叉配置，故均为剥取关系。由于道夫与第一凝聚罗拉的线速度比为2∶1~1.75∶1，第一个凝聚罗拉与第二个凝聚罗拉的线速度比为1.5∶1，即V道夫＞V凝聚1＞V凝聚2。纤维在上述转移无纺布厂15838056980过程中存在负牵伸，凝聚罗拉剥取纤网时，纤网中的纤维处于短暂的松弛状态，纤维在由道夫向凝聚罗拉转移的过程中被压缩。由于纤维属柔性材料，从而纤网中纵向排列纤维由于挤压力会发生向横向的转移，从而使得横向排列的纤维比例增加，纤维排列改变方向，纤网的取向度降低。最终形成一种纤维呈杂乱排列的纤网。

2.4   剥取成网机构

高速杂乱式梳理机采用三辊剥棉装置设计，可以实现纤网的连续高速剥取，同时剥取的纤网均匀平整。传统的机械式斩刀剥取装置，纤网在微观上形成波浪式的痕迹，影响纤网的美观和均匀性。目前有些高速的梳理机引入了电磁斩刀，提升了斩刀摆动频率，实现快速的剥棉。

此外，此梳理机还应用抽吸剥棉和负压凝网系统进行高速剥棉转移。抽吸剥棉系统是在抽吸风机作用下，抽吸箱内产生负压，无纺布厂15838056980剥棉辊上的纤网在负压作用下转移到输网帘上（如图10所示）。

图10    抽吸剥棉系统

负压凝网系统在抽吸风机作用下在凝棉尘笼内部产生负压，两层纤网在负压的作用下紧贴尘笼旋转［9］，转过负压区后，纤网从尘笼上脱离（如图11所示）。采用该抽吸剥棉和负压凝网的组合系统，可减少纤网转移过程中产生的意外牵伸，保持纤维杂乱的效果，更有利于实现低强力纤网的高速剥取转移，适应梳理机高速高产的要求。

图11    负压凝网系统

2.5    梳理针布

针布被誉为梳理机的心脏，其选配以及本身的品质将直接影响梳理的效果。非织造梳理机对特殊的材质，不同齿形的针布进行了合理地配置，能有效地提高梳理的质量，满足高产高速的生产要求。

由于经过开松混合的纤维大多还是处于块状，刚进入梳理机必然会受到针布强烈的梳理作用，非织造梳无纺布厂15838056980理机的喂棉罗拉，刺辊等喂入、预梳部件的针布都采用V型基部自锁针布，基部自锁针布如图 12 所示，包覆后各圈之间相互咬合锁紧，使相邻并列的针布互相锁住，即使针布被拉断也不会松散；而且自锁针布比普通针布基部厚得多，抗拉、抗轧、承受载荷的能力很强，而且金属自锁针布表面光滑、平整度好，有利于均匀的出网［10］。

图12    基部自锁针布

为满足非织造梳理机高速高产的要求，锡林针布也向矮、浅、密的趋势发展。随着产量的提高，针面负荷增加，梳理度下降，齿深变浅可降低针面负荷，保持梳理度不变；锡林转速相应提高，纤维的离心力随之增加，纤维易从针齿上滑脱，造成浮游纤维增加，为保持针齿抓取握持纤维的能力，前角必须减小，齿密相应增加。同时，矮密的针布可以使锡林的抗轧能力提高，在齿形的选择上，锡林针布通常采用变前角齿形，如图13所示，无纺布厂15838056980从齿顶到齿根，前角由小逐渐变大，齿顶处前角小，有利于纤维的抓取，但随齿深增加，前角不断扩大，可防止纤维沉入齿隙，减小针面负荷，提高转移率，齿底形状设计有过渡圆弧，防止纤维下沉［11］。总之，锡林针布矮、浅、密与变前角的齿形的设计是与梳理机高速、高产的发展特点相适应的。 

图13    变前角针布

为了加强工作辊对纤维的控制，适合高速高产的需要，常选用带横纹设计的针布，如图14所示。即在工作辊针齿斜侧面上增加2～4根横纹。工作辊增加横纹设计后，能有效地增加纤维与针布的静摩擦因数，从而提高工作辊针布对纤维的控制能力，提高梳理能力，提高纤网的均匀度。目前，金轮公司研发的双面横纹针布，能进一步增强针布对纤维抓取控制能力，提高针布的梳理效果［12］。

此外，Bekaert公司成功地引入了SiroLock针布应用于工作辊，这种针布无纺布厂15838056980的特点是在针齿前部有一个独立的平台，能够几乎独立于辊的速度而实现纤维的“锁定”(如图15所示) ，从而加强纤维的被携带和握持能力，提高梳理能力［13］。

图14    横纹针布

图15    SiroLock针布

非织造生产线对产量有较高的要求，因此对道夫的转移能力要求较高,道夫通常选用鹰嘴形齿形,并采用横纹设计，来提高其转移能力。

目前非织造用梳理机的产量和所加工原料的品种都在不断增加，致使梳理机元件受到的磨损也越来越严重，针对该问题， TCC研发了NovoStar+高性能针布，其材质使用高耐磨合金钢，提高了钢中合金的比例并优化元素配比，形成高碳耐磨合金钢，可进一步提高针布的耐蚀和耐磨性能，其使用寿命延长了15%~35%。梳理寿命可达1000 t以上，即使在非常高的产量下加工粗糙的原料，该针布也可保证优异的加工品质和超长使用寿命。

3     电气控制系统

目前新型的高速非织造杂乱梳理机的电气控制系统充分利用了先进的自动化控制技术，采用PLC、伺服驱动等技术对梳理机进行智能化控制，克服了传统控制系统接线复杂、高故障率等缺点，使非织造梳理机智能化水平大幅提高［14］。

高速非织造梳理机通常采用西门子S7 300的PLC，能在0.1~0.6 s内快速的处理指令，系统内集成操作，方便的人机界面服务，智能化的CPU诊断系统，可以连续监控系统的功能是否正常。

整台梳理机的电机采用变频电机与伺服电机相结合的方式，对转体部件进行有效驱动。其中主锡林与胸锡林采用西门子的低压交流电机，配合变频器，从而达到变速、节能的目的。

其余部件均采用伺服电机驱动，伺服系统具有稳定、快速、准确等特点，可以实现跟踪指令的快速响应，对外界的干扰，经过短暂的调节即可恢复原先状态，从而实现精确的控制。

此外，梳无纺布厂15838056980理机工作辊与剥取辊的传动均为同步带传动，提高了传动精度并降低噪声；并采用了电磁刹车，可实现急停，以保障设备和人身安全。

4     结语

综上所述，非织造专用梳理机为了适应高产高速的生产要求：

（1）采用顺向“～”型喂棉方式，形成均匀的筵棉；（2）采用双锡林双道夫系统，多组梳理单元逐级梳理的方式，减少针布对纤维的损伤，实现良好的梳理效果；（3）引入高速旋转的杂乱辊与二级凝聚罗拉进行杂乱，实现纤维在纤网中杂乱排列，有效地提升非织造布的横向强力；（4）抽吸剥棉和负压凝网系统配合使用，进行高速剥取成网；（5）使用多种变化齿形和特殊材质的针布，提升梳理效果及使用寿命；（6）运用先进的自动化电控系统，对梳理机进行精确控制。最终实现良好的梳理效果及高产高速的生产要求。

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《梳理技术》于2017年更名为《纺织技术》，杂志创刊于2000年，由金轮针布公司和原上海纺科院部分老专家，在梅自强院士（已故）的指导下联合创办。黄锡畴（已故）、许鑑良、孙鹏子（已故）、周建平先后任主编。并拥有一支国内外学界权威、行业技术专家组成的编委队伍。《纺织技术》每期发行一万多份，读者覆盖高校、科研机构、纺织企业各层面。成为纺织行业梳理领域内公认的具有极高专业性、权威性的技术刊物。《纺织技术》的宗旨是助力纺织行业进步，致力于行业技术的突破与提升，积极倡导学术争鸣，为技术交流提供平台，坚持免费提供给读者的原则，愿与广大客户和各界朋友携手共创梳理技术美好未来！

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