無箱搖臂式針刺機設計分析

王曉偉

（恒天重工股份有限公司，河南 鄭州450001）

針刺法非織造布應用領域多、產品涉及面廣、生產流程短，且其生產線設備具有開發生產周期短、組合多樣化等優點，近年來針刺法非織造工藝在我國得到了快速發展。針刺法非織造布生產線中最重要的針刺機性能也得到飛速提升［1］。雖然國內箱體式針刺機生產依然是主流，但很多企業已開始研發無箱搖臂式針刺機，因為無箱搖臂式針刺機可以達到更高的針刺頻率，可靠性也較箱體式有很大提高。

恒天重工公司開發的無箱搖臂式針刺機設計頻率在1 600刺/分鐘以上，主傳動采用定量給油潤滑系統，可保證連續運轉半個月不停車。由于針刺頻率高，可靠性要求高，設計過程對整機的主傳動、平衡、震動、主傳動潤滑提出了更高的要求，本文就這些方面做一些分析：

1 主傳動機構

無箱搖臂式針刺機采用一種新型的雙曲軸傳動機構，本公司研發的四板對刺針刺機是其中比較復雜的一款機型。該機型由1個電機驅動2個雙曲軸傳動機構轉動，上、下雙曲軸傳動機構分別位于上、下機架內，相對機器進布面上、下對稱分布，位于同一機架內的雙曲軸機構相對幅寬中心面對稱分布，這樣整機運轉過程，4個方向上曲軸傳動產生的沖擊力相互抵消，減小了整機的振動以及整機對地面的沖擊力。圖1為無箱搖臂式針刺機主傳動示意圖，其中1根曲軸、1根連桿、曲軸兩側軸承座及兩側配重輪為一個傳動單元，根據所需針刺機幅寬不一樣，來增、減傳動單元的個數。兩側曲軸相對幅寬中心面左、右對稱分布，轉動時轉速相同、方向相反，有利于平衡兩側曲軸傳動過程對機架產生的沖擊力，減小機架震動；曲軸兩側軸承座及兩側配重輪相對連桿對稱分布，有利于平衡連桿兩端受力，減小連桿及連桿連接的針梁板、針梁等零件運動過程對軸承座產生的沖擊力。這樣的結構設計，只要想辦法平衡掉一個傳動單元轉動過程產生的沖擊力，然后將傳動單元間的一致性做好，就能保證整機轉動過程產生的不平衡量，因此該主傳動結構適用于高速針刺機。該機型主傳動單元位于機架內側，進、出布及針刺區位于機架外側，通過密封系統保證兩者相互不干擾，以免曲軸傳動過程產生的廢油污染布面，造成成本浪費。但該主傳動機構相對于主軸箱式結構對單個零件的加工精度、零件一致性要求更高，除此外每個傳動單元上零件的裝配精度要求也很高，整機成本也因此提高很多。

圖1 主傳動機構示意

2 雙搖臂導向機構

圖2 雙搖桿導向機構簡圖

本機型的另一個重大設計改進是采用了雙搖臂導向機構，雙搖臂導向機構兩側采用齒弧、齒條傳動副；相對于國內大部分廠家開發的箱體式針刺機采用的導套式傳動機構，導套式傳動機構運行過程產生的阻力更大，高速運行更容易磨損，磨損后產生的漏油問題需要拆開主軸箱才能解決，時間長，浪費大。如圖2所示，雙搖臂導向機構包括連桿、針梁座、齒條座、搖桿、齒弧、齒條、橡膠套等零件。連桿、搖桿和針梁座等通過一根小軸連接，齒條座通過螺栓和機架連接，齒弧固定在搖桿末端，齒條固定在齒條座上，齒輪、齒弧組成齒輪副，齒條和齒弧通過橡膠套封閉起來，橡膠套內定時添加足夠的潤滑油，用來保證齒輪、齒弧的潤滑，橡膠套還能阻止粉塵、纖維污染油脂。搖桿末端和齒條座末端還通過槽輪運動副連接，用來保證兩側齒輪間隙在理想范圍，防止雙搖臂機構運行過程兩側齒條、齒弧間隙過大產生的沖擊、振動。由于兩側齒條座固定，齒弧的圓心就能沿齒條平面做上、下運動，齒弧的圓心設計和連接針梁座、搖桿的小軸軸線重合，這樣就保證了兩側齒弧帶動針梁座上、下運動，針梁座上安裝有針梁，也跟隨其一起上、下運動，整個運動體系穩定、可靠。雙搖臂導向機構中齒弧和齒條運轉產生磨損時，只需成組更換齒條座和搖桿即可，每組安裝幾小時即可完成，不影響非織造布廠家生產。

3 整機平衡

針刺機主傳動多采用曲軸、連桿機構，曲軸在轉動過程中，除受刺針鉤拉纖維傳遞的作用力外還受曲軸上連接的其余構件跟隨其一起運動時產生的慣性載荷，這些構件包括：連桿、針梁、針板梁、針板、刺針等。因此，減輕這些構件的重量就更有利于減少針刺機高速運動時產生的慣性載荷，提高針刺頻率。其中針板梁、針板和連接架是最容易減輕重量的構件，近年來，針板梁材料從鋼板焊接件改為普通鋁型材，然后改為航空用7系列鋁型材，國外更高檔次針刺機則已經采用碳纖維材料；連接架出于強度方面考慮，多采用鑄鋼，國內主要通過結構改動減輕重量，針板結構國內新開發高速針刺機多采用鎂合金，達到國際同等先進水平。

曲軸及其連接構件產生的慣性載荷隨著曲軸轉速的提高而增大，在曲軸正常轉速達到500轉/分鐘以上，其產生的作用力已經超過了刺針傳遞的外載荷，而國內的高速針刺機設計轉速已經達到1 600轉/分鐘，國際最先進的針刺機轉速可達到3 800轉/分鐘。這種隨曲軸轉動而不斷變化的慣性載荷不僅會增大曲軸和連桿間、連桿和連接架、連桿和搖臂等機構間的摩擦力，增大了各構件的內應力，而且還是導致機器振動、噪音、零件疲勞等現象出現的主要原因，最終會影響整機穩定性及整機壽命。整機平衡的方法是設法改變安裝在曲軸上配重輪的不平衡量，將曲軸及其連接構件轉動產生的慣性載荷予以減小。

高頻轉動件的動平衡研究比較復雜，主要分為兩種：剛性機構的動平衡和彈性機構的動平衡。彈性機構的動平衡計算非常麻煩，本公司針刺機動平衡采用理論實踐結合的方法。首先將曲軸連桿機構簡化為剛性機構，計算出其動平衡量，然后根據計算結果在曲軸兩側改變配重輪質量，測出整機振動數值，然后分別增大和減小平衡塊重量，從整機振動數值中找到最優的配重輪重量。對于不同動程的針刺機，都需要計算后通過檢測得出不平衡量。同一動程的針刺機，只要保證曲軸、連桿和平衡塊的加工精度和一致性，就能保證批量化生產出來的針刺機平衡達到理想數字。

4 隔振系統

針刺機頻率越高越容易產生振動，振動除了會造成整機的零件疲勞，加速零件磨損，還容易對地基產生破壞。橡膠墊和隔振器是比較常用的隔振設備。頻率在800刺/分鐘針刺機一般采取橡膠墊阻尼系統來緩沖整機振動，頻率達到1 000刺/分鐘以上時候，橡膠墊就無法達到設計的阻尼要求，只能采取隔振器來緩沖整機振動。針刺機工作中產生的振幅可用下式進行計算：

式中：

A—振幅計算公式；

M1—重物質量；

M2—高速回轉體質量；

o—曲軸偏心量；

fn—重物固有振動頻率；

f—高速回轉體的頻率。

由上面公式可以得出如下結論：當f→fn，振幅A→O，機器容易產生共振，所以為避免共振，就需要f和fn增大差值。本公司常用如下解決方案：

1.加大fn。重物固有振動頻率fn和其自身質量、結構剛性有關，質量越大、剛性越好fn越大，振幅A越小；實際操作中最簡單方法就是改變機架質量和剛性來提高fn，使其fn大于正常工作頻率，避免設備運行時產生共振。

2.忽略fn。如果高速回轉體的正常工作頻率f大于fn，針刺機開車時，應盡量使開機頻率迅速越過fn達到f，減少共振現象的出現。實際運行中我公司設計的針刺機第一共振頻率在300轉/分鐘左右，所以針刺機開車時就要求開車人員快速啟動至500轉/分鐘，此時整機運行平穩、可靠。

5 定量給油潤滑

潤滑系統是為主傳動機構服務的。曲軸連桿機構轉動過程會產生摩擦力，轉速和摩擦成正比，轉速越高單位時間內供給軸承的潤滑脂的量需要越準確。為此，先進的針刺機也需要一個可靠的自動潤滑系統，負責定時定量給主軸多處軸承加油。定量給油系統一般通過PLC可編程控制器來控制加油時間和加油量，準確可靠，油泵和分配器采用進口元器件，可以做到安全、可靠。對于重要的軸承件安裝溫控元件，一旦出現加油不暢會及時反映到針刺機控制面板，防止由于加油不暢導致的主傳動軸承受損［2］。

6 展望

恒天重工股份有限公司開發的無箱搖臂式針刺機走在國內針刺廠家的前列，無箱搖臂式四板對針刺機設計車速可達到1 600刺/分鐘，用戶實際應用可達到1 200刺/分鐘以上。最近幾年國內汽車內飾行業發展迅速，對高速起絨的需求比較強烈，由于高針頻對起絨針刺機起絨效果影響很大，在這方面無箱搖臂式針刺機有很大優勢，因此國內開發高速起絨針刺機的廠家都率先開始研發無箱搖臂式結構。該技術未來的另一個發展方向在于橢圓軌跡針刺機同樣需要無箱搖臂式針刺主傳動及搖臂的方案，橢圓軌跡針刺機對于針刺頻率、針刺過程中的牽伸控制都有很好的效果，這是無箱搖臂式針刺機的優點和發展方向，國外dilo公司和autefa公司在橢圓軌跡的研發中已走在前列。希望通過國內廠家的努力，針刺設備的轉型會得到更快的發展。

［1］郭秉臣.非織造布學［M］.北京：中國紡織出版社，2002.

［2］王延熹.非織造布生產技術［M］.上海：中國紡織大學出版社，1998.