Lyocell纖維水流式切斷機(jī)的研究開發(fā)

高占勇

邯鄲宏大化纖機(jī)械有限公司(中國)

Lyocell纖維被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色纖維，其是以N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)為溶劑紡制的再生纖維素纖維。NMMO的毒性極低，且不會污染環(huán)境。Lyocell纖維可純紡，也可與棉、麻、絲、毛及合成纖維與黏膠纖維混紡。由Lyocell紗線制備的織物柔軟光滑、富有光澤，并具有良好的懸垂性、透氣性及穿著舒適性。Lyocell纖維還可采用針刺法、水刺法、濕鋪、干鋪和熱黏法等工藝制成各種性能的非織造布。目前，市場上占主流的Lyocell纖維品牌有英國阿考迪司公司生產(chǎn)的 TENCEL、奧地利蘭精公司生產(chǎn)的LENZING LYOCELL，以及中國保定恒天天鵝股份有限公司生產(chǎn)的萊賽爾。

在Lyocell短纖維生產(chǎn)線上，通常采用水流式切斷機(jī)將Lyocell纖維長絲束切斷成短纖維。Lyocell纖維水流式切斷機(jī)具有以下特點(diǎn):生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生有毒有害氣體，切斷機(jī)不需配備防護(hù)窗和排風(fēng)裝置;自動化程度高，纖維切斷長度的可調(diào)整范圍大，調(diào)整操作方便靈活;維修維護(hù)方便，便于操作人員隨時(shí)查刀、換刀;落料斗進(jìn)水口設(shè)在機(jī)器的中間位置，形成噴泉式下進(jìn)水方式，出料口設(shè)在外邊，有利于纖維團(tuán)的分散輸出。

隨著中國國內(nèi)Lyocell纖維產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，水流式切斷機(jī)必將迎來更廣闊的發(fā)展空間。目前，中國產(chǎn)的水流式切斷機(jī)雖已在國內(nèi)一些Lyocell短纖維生產(chǎn)線上有所應(yīng)用，但應(yīng)用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)各類故障，如動刀質(zhì)量差、超倍長纖維超標(biāo)等，與國外同類設(shè)備相比，還存在一定的差距。因此，國產(chǎn)Lyocell纖維水流式切斷機(jī)的研制水平還有待進(jìn)一步提升。

1 水流式切斷機(jī)工作原理

從水洗機(jī)引出的絲束經(jīng)牽伸機(jī)被引入切斷機(jī)，切斷機(jī)上的3個牽引輥將絲束喂入噴射裝置，通過噴射水將絲束拉直。噴射裝置通過噴射水的噴射作用將絲束連續(xù)地輸送到定刀的下端。緊貼磨環(huán)下平面，在切斷刀盤帶動下高速旋轉(zhuǎn)的動刀刀片與定刀產(chǎn)生剪切作用將絲束切斷。切絲后的動刀刀片在磨環(huán)上自動磨刀。切斷后的短纖維進(jìn)入落料斗，并在沖洗水的作用下由出料口進(jìn)入下道工序［1－2］。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Lyocell纖維水流式切斷機(jī)由兩組牽引切斷單元和一套U形導(dǎo)絲器組成。水流式切斷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其中一組牽引切斷單元工作，另一組備用。每組牽引切斷單元都由牽引裝置、傳動裝置、提升裝置、噴射裝置、磨環(huán)裝置、切斷裝置、落料斗、機(jī)架及機(jī)上電氣元件等組成，如圖1所示。由于生產(chǎn)Lyocell纖維所采用的溶劑NMMO及其他流體介質(zhì)幾乎都無腐蝕性，因此在進(jìn)行水流式切斷機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，無需選擇特殊的鋼結(jié)構(gòu)，選用普通不銹鋼即可。

圖1 Lyocell纖維水流式切斷機(jī)整機(jī)示意圖

3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

Lyocell纖維水流式切斷機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下所述。

——機(jī)型:水流式切斷機(jī)，每臺車設(shè)有兩套牽引切斷裝置，工作時(shí)一組運(yùn)轉(zhuǎn)、另一組備用。

——車別:分為傳動部分在左側(cè)的左手車和傳動部分在右側(cè)的右手車。

——纖維處理能力:300～400 ktex。

——絲速:30～50 m/min。

——牽引輥:直徑為300 mm、長300 mm。

——絲束喂入口內(nèi)直徑:146 mm。

——常用切斷纖維長度:38、51、60、65、70、75、110和115 mm。

——切斷刀:定刀內(nèi)孔直徑為50 mm;動刀刀片長160 mm，寬48 mm，厚1.6 mm。

——切斷刀盤:直徑為546 mm，可安裝2、3或6把動刀。

——公用工程技術(shù)參數(shù):噴射水為軟化水，流量≤7 m3/h(一般為4 m3/h)，噴射水壓強(qiáng)為0.3～0.5 MPa，過濾精度為100 μm，最高溫度為50°C;落料斗沖洗水為軟化水，流量≤25 m3/h(一般為20 m3/h)，最高溫度為50°C;壓縮空氣需經(jīng)過濾和潤滑，氣壓為0.4～0.5 MPa，過濾精度為50 μm。

——驅(qū)動電機(jī):切斷刀盤驅(qū)動電機(jī)功率為5.5 kW，2臺;牽引輥驅(qū)動電機(jī)功率為1.5 kW，6臺。

——調(diào)速方式:單軸變頻電機(jī)變頻調(diào)速。

——外形尺寸:3 180 mm ×1 250 mm × 2 100 mm。

——機(jī)器質(zhì)量:約4 t。

——設(shè)計(jì)產(chǎn)能:5 000 t/a。

4 組成部件設(shè)計(jì)

4.1 牽引裝置

牽引裝置主要由3個直徑相同、材質(zhì)均為0Cr18Ni9不銹鋼的牽引輥組成。正常生產(chǎn)情況下，絲束在3個牽引輥上的纏繞長度約為1.78 m，纏繞絲束的目的是消除絲束張力，使絲束在無張力狀態(tài)下垂直進(jìn)入噴射裝置入口。

4.2 傳動裝置

3個牽引輥分別由1臺功率為1.5 kW的變頻減速電機(jī)驅(qū)動。切斷刀盤由1臺功率為5.5 kW的變頻減速電機(jī)驅(qū)動。變頻減速電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速由變頻器控制。此外，傳動裝置還包括軸、鍵、軸承、軸承端蓋及密封圈等零部件。

4.3 提升裝置

提升裝置由切斷頭、氣缸及自鎖系統(tǒng)等組成。正常工作時(shí)，切斷頭水平放置于下機(jī)架上。檢查維修時(shí)，可通過氣缸將切斷頭及安裝在切斷頭上的切斷刀盤等提起，并繞著機(jī)架上的切斷頭支座張開一定角度(可達(dá)21°)。提起切斷頭和切斷刀盤是為了完成如下工作:裝卸動刀刀片、調(diào)整動刀刀片與磨石表面的壓力，以及檢查磨石與動刀刀片的磨損狀態(tài)等。

當(dāng)切斷頭和切斷刀盤被提起時(shí)，應(yīng)將固定在機(jī)架上的保護(hù)鏈與切斷頭上的耳座聯(lián)接，以防因氣缸意外失效導(dǎo)致切斷頭和切斷刀盤下落，確保人員和設(shè)備的安全。

4.4 噴射裝置

噴射裝置安裝在切斷頭上，主要由喂入口、喂入口定位環(huán)、噴嘴、噴嘴定位環(huán)、外套、外套定位環(huán)、支座、環(huán)形斜墊鐵、定刀、橡膠管、鍵及O型圈等組成，如圖2所示。定刀刀體材質(zhì)為0Cr18Ni9不銹鋼，定刀刀口材質(zhì)為耐磨性能優(yōu)良的鈷鉻鎢硬質(zhì)合金，O型圈的材質(zhì)為耐酸堿橡膠或丁腈橡膠，其他金屬零部件的材質(zhì)均選用0Cr18Ni9不銹鋼。噴射裝置內(nèi)的過絲表面必須光滑。

橡膠管與外套上的噴射水進(jìn)口相聯(lián)。為了使噴射水進(jìn)入定刀中心，在外套與噴嘴間設(shè)有一個空穴和一個環(huán)行縫隙，同時(shí)在噴嘴最下端沿圓周方向均勻排布了38個噴水孔。可確保水流流經(jīng)空穴、環(huán)行縫隙及38個噴水孔，均勻地進(jìn)入定刀中心。利用文丘里原理將進(jìn)入喂入口的絲束拉直，并在定刀末端利用動刀刀片與定刀的剪切作用將絲束切斷。

圖2 噴射裝置示意圖

定刀安裝于噴射裝置出口處。噴射裝置與切斷頭之間裝有環(huán)形斜墊鐵，可調(diào)整定刀與磨石平面的偏角，保證定刀和動刀刀片充分接觸。

定刀使用一段時(shí)間后需在磨刀機(jī)上進(jìn)行修磨。當(dāng)圖3所示的b≥3.0 mm時(shí)，必須修磨定刀底面，適宜的b應(yīng)為1.5～2.0 mm。另外，應(yīng)確保內(nèi)孔邊緣的磨邊尖銳。當(dāng)圖3所示的a≤66 mm時(shí)，必須更換定刀。

圖3 定刀示意圖

4.5 磨環(huán)裝置

磨環(huán)裝置安裝在切斷頭上，由12塊Al2O3陶瓷磨石(定刀穿過的那塊磨石上開有同心孔)和1件材質(zhì)為0Cr18Ni9不銹鋼的磨環(huán)座組成。動刀刀片工作時(shí)始終貼在磨石表面，同步實(shí)現(xiàn)切絲和刃磨。安裝在噴絲裝置底部的定刀需凹進(jìn)磨石表面 0.01～ 0.02 mm。

磨環(huán)因需不斷磨礪動刀刀片而會產(chǎn)生磨損，因此必須定期檢查磨環(huán)。必要情況下，如磨環(huán)的實(shí)測平面度≥0.3 mm，需重新磨礪或更換磨環(huán)。

4.6 切斷裝置

切斷裝置由動刀(包括刀片、刀柄和銅鉚釘)、刀座、動刀傳動軸、扭簧及切斷刀盤等組成。

動刀通過刀座與動刀傳動軸固定在切斷刀盤上，動刀傳動軸上裝有扭簧，始終有力作用在動刀刀柄上，使安裝在動刀刀柄上的刀片在旋轉(zhuǎn)過程中始終貼在磨環(huán)的磨石表面。通過調(diào)整扭簧的扭矩(約12 N·m)，可改變刀片與磨環(huán)磨石表面的接觸壓力，使刀片在旋轉(zhuǎn)切絲的同時(shí)，在磨石上自動刃磨，從而使刀刃保持鋒利。在使用過程中，若刀片的刃部與刀柄間的距離X≤21 mm(圖4)，應(yīng)及時(shí)更換刀片。

圖4 動刀示意圖

根據(jù)所需纖維的長度規(guī)格，切斷刀盤上可安裝2、3或6把動刀。并可根據(jù)實(shí)際需要，隨時(shí)改變動刀的數(shù)量。安裝動刀時(shí)，需使各動刀相對于切斷刀盤中心對稱。切中長型短纖維時(shí)，一般安裝3把動刀;切毛型短纖維時(shí)，一般安裝2把動刀。除鈷鉻鎢硬質(zhì)合金動刀刀片及銅鉚釘外，切斷裝置中其他零部件的材質(zhì)一般為0Cr18Ni9不銹鋼。

4.7 落料斗

落料斗固定在切斷頭正下方，落料斗上設(shè)有水槽式密封結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)呈環(huán)形。落料斗上端設(shè)有氣體排放管和觀察口，便于隨時(shí)檢查落料斗內(nèi)的落料狀況。落料斗下端設(shè)有沖洗水進(jìn)口，沖洗水可在落料斗內(nèi)形成環(huán)形水流，將切斷后的短纖維沖至出料口。落料斗由0Cr18Ni9不銹鋼板焊接而成，其過絲表面必須光滑。

4.8 機(jī)架

機(jī)架用于支撐和固定切斷機(jī)的各基本部件，為由0Cr18Ni9不銹鋼型材焊接成的框架結(jié)構(gòu)。在機(jī)架的兩側(cè)及操作側(cè)，需安裝用0Cr18Ni9不銹鋼板制成的防護(hù)面板。為方便檢修減速電機(jī)、軸承及氣缸等配套件，在機(jī)架的后方需安裝與防護(hù)面板同材質(zhì)的防護(hù)門。

4.9 U形導(dǎo)絲器

U形導(dǎo)絲器由0Cr18Ni9不銹鋼或陶瓷制成，安裝在切斷機(jī)的進(jìn)絲側(cè)，U形導(dǎo)絲器可使絲束沿著合適的方向進(jìn)入切斷機(jī)。U形導(dǎo)絲器的過絲表面必須光滑不掛絲。

4.10 機(jī)上電氣元件

機(jī)上電氣元件主要由按鈕盒、接線盒及限位開關(guān)等組成。按鈕盒用于切斷機(jī)本機(jī)控制及狀態(tài)顯示。接線盒上設(shè)有兩個開關(guān)，一個用于控制牽引輥減速電機(jī)和刀盤減速電機(jī)的通斷;另一個用于控制切斷頭升降氣缸的通斷。此外，水流式切斷機(jī)還與整條Lyocell纖維生產(chǎn)線上的其他設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動控制。

5 常見生產(chǎn)故障

Lyocell纖維水流式切斷機(jī)在使用過程往往會出現(xiàn)一些生產(chǎn)故障，這些生產(chǎn)故障需不斷反饋到Lyocell纖維水流式切斷機(jī)的研制過程中，以便對機(jī)器進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)與完善。水流式Lyocell纖維水流式切斷機(jī)在使用過程中易出現(xiàn)的故障如下所述。

——絲束在進(jìn)入噴射裝置前堆積。產(chǎn)生這種故障的原因主要是定刀位置不佳或噴射水的壓力不符合要求。檢查定刀接觸狀態(tài)及噴射水的供應(yīng)情況可排除這類故障。

——切斷后的短纖維長度不合要求。產(chǎn)生這種故障的原因很多，除了工藝因素和人為因素外，相關(guān)設(shè)備因素主要有定刀缺陷、磨環(huán)磨損、磨環(huán)的平整度差、動刀刀片有缺口、動刀刀片平整度差及扭簧的扭力不均等。可通過更換定刀、更換磨環(huán)、選用優(yōu)質(zhì)動刀刀片及調(diào)整扭簧的扭力［2］等排除這類故障。

——動刀刀片斷裂。產(chǎn)生這種故障的原因主要有磨環(huán)缺陷、切斷區(qū)混入異物、動刀刀片材料不良及動刀刀片韌性不夠等。可通過更換磨環(huán)、清除異物及選用優(yōu)質(zhì)動刀刀片排除這類故障。

——阻塞的纖維弄歪動刀。產(chǎn)生這種故障的原因主要有定刀缺陷、動刀傳動軸故障及動刀刀片不鋒利等。可通過重磨或更換定刀、修理動刀傳動軸及選用優(yōu)質(zhì)動刀刀片排除這類故障。

——磨環(huán)損壞。產(chǎn)生這種故障的原因主要有切斷區(qū)混入異物、磨環(huán)磨損及磨石材料缺陷。可通過清除異物與更換磨環(huán)排除這類故障。

——落料斗絲束排出管堵塞。產(chǎn)生這種故障的原因主要是切斷后的短纖維相互黏附或沖洗水太少。可通過清理落料斗與管道或增加沖洗水排除這類故障。

6 結(jié)語

目前，中國國內(nèi)已投產(chǎn)的Lyocell短纖維生產(chǎn)廠家有保定恒天天鵝股份有限公司和山東英利實(shí)業(yè)有限公司。其中保定恒天天鵝股份有限公司的Lyocell短纖維生產(chǎn)線工藝較成熟，短纖維成品的各項(xiàng)物理指標(biāo)均可達(dá)到國際先進(jìn)水平。籌建中的Lyocell短纖維生產(chǎn)廠家有中紡院綠色纖維股份公司。這些Lyocell短纖維生產(chǎn)廠家全部采用了中國產(chǎn)的Lyocell纖維水流式切斷機(jī)。從已經(jīng)開車的切斷機(jī)的使用狀況分析，其生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)動刀刀片使用壽命短、刀片易磨損失效，用于切普通黏膠纖維絲束的刀片在切Lyocell纖維絲束時(shí)容易斷裂等問題，因此，還需要進(jìn)一步提高國產(chǎn)動刀刀片的性能與質(zhì)量。目前，國產(chǎn)Lyocell纖維水流式切斷機(jī)的主要生產(chǎn)廠家有遼寧多綸機(jī)械有限公司和邯鄲宏大化纖機(jī)械有限公司，其中邯鄲宏大化纖機(jī)械有限公司研制的Lyocell纖維水流式切斷機(jī)還可用于海藻酸鈣纖維生產(chǎn)線，且應(yīng)用效果良好。

［1］ 刁敏銳.產(chǎn)生超倍長纖維的因素及解決辦法［J］.人造纖維，2006，36(3):11-13.

［2］ 玄兆生.水流式切斷機(jī)切斷刀片的國產(chǎn)化試驗(yàn)［J］.人造纖維，2008，38(2):2-3.