高速交叉鋪網機傳動工藝淺析

鄭州紡機工程技術有限公司 許濤/文

1 前言

高速交叉鋪網機是針刺、水刺等非織造布生產線的關鍵設備，在非織造布生產線中占有舉足輕重的地位，它直接影響整條生產線的生產效率和產品質量。

早期的交叉鋪網機存在速度低、纖網層對接效果差，鋪網時兩頭厚等弊端，主要原因是對傳動工藝的理解不透，從而使得系統控制程序達不到合理、準確的狀態。隨著各企業對交叉鋪網機的機械性能和生產能力等提出越來越高的要求，交叉鋪網機的傳動工藝，程序控制也越發重要。由于鋪網機運行速度高、運動部件質量大、慣性大，同時要保證鋪網小車兩端換向時的纖網喂出量與中間位置喂出量一致，即高速多出，低速少出，終點停止時不出，才能保證鋪網厚度一致。

在往復鋪網過程中，小車和碳簾驅動電機頻繁起停，各傳動之間銜接與配合要求精密、準確，很難直觀看出其相互關系，設備傳動工藝較難掌握。傳動工藝是電器編程的基本依據，傳動工藝的復雜性也給高速交叉鋪網機電器程序編制造成了一些難度。下面就工作過程中對該設備在傳動工藝方面的一些認識和見解作簡單分析。

2 機器用途

高速交叉鋪網機在非織造設備中主要作用是將前道梳理機梳理出的薄型纖網由縱向變橫向，鋪疊多層，根據工藝要求生產出一定寬度、克重的厚型纖網，然后輸出給下道工序使用。

3 機器結構

主要由機架部件、鋪網輸送帶部件、前碳簾、后碳簾、小車拖動部件、鋪網小車部件、儲網小車部件、后補償小車部件、前補償小車部件、出網簾部件、進網簾部件，氣路部件等組成。

4 涉及的勻變速直線運動物理公式及數學解方程公式

4.1 勻變速直線運動物理公式

平均速度▽V＝s/t

末速度Vt＝V0+at

4.2 數學公式：

一元二次方程式：ax2+bx+c=0

5 交叉鋪網機傳動部件運行模式和速度關系

5.1 主要傳動部件示意圖

圖1 傳動示意圖

5.2 交叉鋪網機正常運行的幾個速度關聯、推斷依據

5.2.1 梳理機的出網速度與交叉鋪網機入網速度

梳理機的出網速度即為交叉鋪網機的入網速度，這個速度在整個交叉鋪網機運行期間是穩定的，纖網以恒定的速度源源不斷地喂入到前碳簾上，前碳簾入網部分速度Vo要保持勻速，否則跟梳理機之間纖網會產生意外牽伸。

5.2.2 交叉鋪網機碳簾的運動形式

交叉鋪網機在運行過程中，碳簾運轉是分段式運轉，一掛簾子中可能部分靜止，部分運動，有時靠小車拉動，有時靠小車拉動與電機驅動二者同時作用。前碳簾是在B小車作用或M3與B小車同時作用，兩種形式下分階段逆時針運轉；后碳簾是在A小車作用或M4與A小車同時作用，兩種形式下分階段順時針運轉。

5.2.3 交叉鋪網機兩個碳簾夾持纖網部分的速度要求

不論A小車和B小車向哪個方向移動，兩個碳簾在A小車和B小車之間夾持纖網部分線速度應該始終相同，根據整機入網，出網運行要求，可能兩者都靜止，也可能兩者同時按相同速度運行，但不能有速差，產生錯位，否則纖網質量或鋪網效果會受影響。

5.2.4 交叉鋪網機兩個小車對兩個碳簾速度的影響

小車對碳簾無拉伸作用時，小車運動時對碳簾速度沒有影響。也就是說：A小車在運動過程中對前碳簾速度沒有影響，對后碳簾速度有影響，如果后碳簾驅動M4靜止，A小車向右速度為V，加速度為a，則A小車作用于后碳簾運動部分的碳簾速度為2V,加速度為2a；B小車在運動過程中對后碳簾速度沒有影響，對前碳簾速度有影響，如果前碳簾驅動M3靜止，B小車向左速度為V/2,加速度為a，則B小車作用于前碳簾運動部分的碳簾速度為V,加速度為2a。在下面對傳動工藝推論、分析時這種速度、加速度關系非常重要。

5.2.5 A小車鋪網過程中兩個碳簾靜止部分區間范圍

A小車向左鋪網過程中，前碳簾在A小車—M3傳動—D小車區間部分相對于地面靜止。A小車向右鋪網過程中，后碳簾在A小車—M4傳動—C小車區間部分相對于地面靜止。如果該靜止部分碳簾產生轉動，鋪出纖網會產生意外牽伸，纖網層會發生拉伸或折皺，影響均勻度。

5.2.6 B小車運行至左、右兩端位置時換向時間、加速度與前碳簾啟動時間、加速度的關系

B小車到達左端終點換向時，狀態由Vo/2→減速→0過程中，M3傳動要由靜止加速，狀態由0→加速→Vo，同時二者加速度方向相同，M3傳動的加速度是B小車加速度的2倍（由5.2.4得知），以保證交叉鋪網機入網速度Vo不變。通過此位置速度關系，可推算出B小車與A小車速度關系，后面速度、加速度推算過程中會用到。

以此類推，B小車到達右端終點換向時，狀態由0→加速→Vo/2過程中，M3傳動要減速，同時二者加速度方向相同，狀態由Vo→減速→0，M3傳動的加速度是B小車加速度的2倍。

5.2.7 A小車換向時間、速度、加速度與碳簾啟動時間、速度、加速度的關系

A小車到達左端終點時換向減速→0→加速過程中，M4傳動要由減速→0，其后，M3傳動要由0→加速，兩者銜接交替動作，M3傳動速度和加速度是鋪網小車2倍（V=at,相同時間內，速度與加速度比例關系相同）；

A小車到達右端終點時換向減速→0→加速過程中，M3傳動要由減速→0，其后，M4傳動也要由0→加速，兩者銜接交替動作，M4傳動速度和加速度是鋪網小車2倍。

5.2.8 兩個補償小車作用

D小車（前補償小車）與B小車是同一個同步帶傳動，速度大小相同，方向相反。由5.2.4得知，B小車往復運動僅對前碳簾速度有影響，D小車主要作用就是配合B小車對前碳簾進行收放，使前碳簾始終處于漲緊狀態，由于是同一個電機驅動，D小車傳動工藝不再討論分析。

同理，C小車（后補償小車）與A小車是同一個同步帶傳動，速度大小相同，方向相反。由5.2.4得知，A小車往復運動僅對后碳簾速度有影響，C小車主要作用就是配合A小車對后碳簾進行收放，使后碳簾始終處于漲緊狀態，由于是同一個電機驅動，C小車傳動工藝不再討論分析。

6 小車及碳簾瞬時運動速度、加速度與入網速度之間函數關系推算

A小車平均速度與交叉鋪網機入網速度的關系

清楚了交叉鋪網機保證正常鋪網時關鍵部件速度要求，終點換向時速度轉換關系，就可以分析推算其速度之間的函數關系。由于A小車一個鋪網幅寬行程時間內，進入交叉鋪網機纖網長度與A小車出網長度應相等，否則會產生意外牽伸，所以A小車平均速度與入網速度Vo應相等。下面以A小車按啟動→加速→勻速→減速→0模式和啟動→勻加速→勻減速→0模式兩種情況分析討論。

6.1當A小車加速度設定為已知固定參數，A小車按啟動→加速→勻速→減速→0模式運行時，A小車加速度、速度推算

6.1.1 列出已知量與未知量

已知量：

入網速度：Vo（等于A小車平均速度）

A小車鋪網幅寬：S

A小車加速度（減速時為負值）：a（6.1.2分析其由來）

A小車走完一個幅寬行程的時間：S/Vo

未知量：

假設：A小車中間勻速時的速度：VA

A小車加速（或減速）時的時間為：t1

6.1.2 列方程計算

兩個未知量，兩個方程，解此方程可得出：

鋪網小車到勻速時的速度

由上式可以看出，此種運行模式下，只有A小車加速度a預先給定，入網速度Vo與鋪網小車勻速時的速度VA之間的函數關系才能確立，否則VA不確定，無法進行電器程序設計。通過開車運行試驗得出a經驗值：5.5-8，低于最小值5.5時，整機運行速度偏低，產量低；高于最大值8時，電機驅動故障，超載。

A小車加速或減速時間

A小車中間段勻速時間

入網速度與中間勻速時間的關系

分析：從上面入網速度與中間勻速時間關系式可以看出，在交叉鋪網機幅寬S以及A小車加速度a一定的情況下，A小車勻速時的時間t2越小，入網速度Vo越大，當t2=0時，入網速度Vo達到最大值。也就是說：A小車按啟動→勻加速→勻減速→0模式運行，不僅最大限度實現高產，鋪網小車運行軌跡線型關系更為簡單，纖網層對接更易控制，鋪網均勻度更好。

6.2由于以鋪網小車加速度為參數關系式較復雜，不便于圖示表達，也可以把鋪網小車加速度a作為一個變量，鋪網小車勻速時速度VA與入網速度Vo的比值n（VA=nV0）作為固定參數來推算小車及碳簾的速度、加速度關系。

6.2.1 B小車與A小車瞬時運動速度、加速度關系推算

B小車向右運動

B小車向右運動時，A小車同時也向右運動，A小車瞬時速度為VA,由于M4停止，則后碳簾夾持纖網部分速度為2VA，因為夾持纖網部分的兩個碳簾速度應相等，前碳簾夾持纖網部分速度也為2VA，由此推斷M3此時速度VM3為2VA，所以，設B小車瞬時速度為VB，根據5.2.4，B小車向右運動時，作用于前碳簾的速度是B小車速度的2倍，則：

此時B小車向右方向瞬時速度:

此過程B小車與A小車瞬時速度相差Vo/2，加速度相同，當B小車速度達到0時，A小車速度VA=Vo/2，M3速度VM3=Vo，保證了交叉鋪網機入網速度Vo不變。

B小車向左運動

B小車向左運動，由于M3處于靜止狀態，為保證入網速度Vo不變，B小車需按啟動→加速→勻速→減速→0模式運行，中間段勻速時：VB=Vo/2

6.2.2 根據B小車與A小車瞬時運動速度、加速度關系畫出示意圖并計算

圖2 運動示意圖

列方程：

t=t1+t2+t1

S=V0t鋪網小車平均速度與入網速度相等

由以上可得出：

由此可以看出：1＜n≤2，n值越大，t2越小n=2時，t2=0；

設儲網小車加速時間為tB1，由運動示意圖2可知：

通過速度曲線與橫向座標之間區域面積計算儲網小車行程：

向右運行時，

向左運行時，

左右運動儲網小車行程計算結果相同，符合往復運動邏輯關系：

VA=nVo=a(t-t/n)統一單位后

由上式可以看出，系數n一定的情況下，交叉鋪網機入網速度Vo在升速過程中，小車加速度需要逐漸變大；n=2時，，。

6.3 A小車按啟動→勻加速→勻減速→0模式運行時，A小車加速度與速度的分析推算

6.3.1 列出已知量與未知量

已知量：

入網速度：Vo（梳理機信號控制）

A小車鋪網幅寬：S

鋪網小車走完一個幅寬行程的時間：t=S/Vo

未知量：

假設：A小車中間速度：Vmax

A小車加速度：a

由于A小車速度平均值與入網速度相等，則：

6.3.2 根據已知量與未知量列方程計算鋪網小車加速度、速度：

S=Vot

解方程可得鋪網小車瞬時加速度:

a=4Vo2/S

注:也可由6.1.2推算:此情況t2=0則:

也可由6.2.2推算:此情況n=2則:

由于速度單位為m/min，加速度單位為m/S2，統一單位后：

由此可見，該運行模式下，交叉鋪網機在升速過程中，鋪網小車加速度是個變量，鋪網幅寬一定，入網速度越高，鋪網小車加速度需要隨之變大，當鋪網小車加速度達到最大值時，交叉鋪網機的生產速度也就達到了最大。

7 B小車與A小車瞬時運動速度、加速度關系推算

此運動模式情況下，B小車與A小車瞬時運動速度、加速度關系與6.2.1一致，不做重復分析。

8 根據速度函數關系及關鍵要素推算、分析其傳動工藝

8.1根據5.2，6.3，7.1及7.2畫出小車運動示意圖

圖3 運動示意圖

8.2傳動工藝分析、計算

8.2.1 B小車行程

由運動示意圖3中藍線與橫向座標T之間的面積可計算出B小車行程。

S代表交叉鋪網機幅寬，也即A小車行程，SB代表B小車行程。

由6.3.2知：S=Vot則：

B小車向右運動時：

B小車向左運動時：

注：也可由6.2.2推算驗證，此時n=2，則：

由計算結果可知：B小車向右與向左運轉時計算出結果相同,符合往復運動邏輯關系。

8.2.2 兩個小車的運動狀態分析、計算

由運動示意圖3可以看出：兩個小車不能同時停，向右開始運轉時，B小車動作要滯后t/8加速啟動，到達右端終點時，B小車動作要超前t/8減速換向。

A小車向右運動時，A小車是按勻加速→勻減速狀態運行，加速度，行程中間位置S/2的瞬時速度最大，VA=2Vo；A小車向左運動時，A小車仍然是按勻加速→勻減速狀態運行，加速度，行程中間位置S/2的瞬時速度最大，。

B小車向右運動時，B小車同樣是按勻加速→勻減速狀態運行，加速度，行程中間位置啊的瞬時速度最大，；B小車向左運動時，B小是按勻加速→勻速→勻減速狀態運行，加速度，到達位置時，速度達到最大,然后勻速到達位置時，開始減速換向。如下圖：

圖4 運動示意

B小車向右運行的中間位置為：

B小車向左勻加速距離（等于勻減速距離）：

B小車向左勻加速與勻速距離之和：

8.2.3 兩個碳簾傳動M3與M4的線速度

由5.2.4分析計算，A小車向右（速度為VA，加速度為a）運動的整個過程中，后碳簾傳動M4靜止，前碳簾傳動M3啟動與停止時間與A小車一致，加速度，速度VM3=2VA,A小車到達中間位置時,M3傳動速度達到最大值4Vo。

反之，A小車向左運動的整個過程中，前碳簾傳動M3靜止，后碳簾傳動M4啟動與停止時間與A小車一致，加速度,速度,A小車到達中間位置時,M4傳動速度達到最大值4Vo。

如圖：運動示意圖3

8.2.4 如何選擇開車啟動位置

根據傳動示意圖1，運動示意圖3及8.2，可先通過回參考點計算出兩個小車行程的最左端位置，使兩個小車都從最左端開始向右啟動，A小車與M3傳動同時啟動，當A小車速度達到Vo/2時，M3傳動速度為Vo，B小車再開始向右啟動；

也可通過回參考點計算出兩個小車行程的最右端位置，使兩個小車都從最右端開始向左啟動，當B小車速度達到Vo/2時，A小車與M4傳動再同時開始啟動。

8.2.5 出網簾與鋪網小車速度關聯

假設已知量：

交叉鋪網機入網寬度（等于前道工序梳理機出網寬度）為L，鋪網層數為N，則：出網簾每次行程為L/N，

其運行模式，啟停時間應與鋪網小車一致，則：t=S/Vo，

假設未知量出網簾加速度為aE，出網簾最高速度為VE。則 ：

鋪網層數越多，出網簾每次行程越小，運轉平均速度、加速度越小；鋪網層數越少，出網簾每次行程越大，運轉平均速度、加速度越大。其運動關系相對簡單，不多分析。

9 結束語

交叉鋪網機入網速度恒定不變；兩個碳簾之間夾持纖網部分的碳簾線速度始終相同；鋪網小車的鋪網平均速度與入網速度大小相等；此三個速度關系是交叉鋪網機傳動工藝設計的基本準則。不同型號交叉鋪網機運轉小車的最大加速度是一定的，當運轉小車的加速度達到最大值時，其生產速度也就達到了最大。

高速交叉鋪網機性能的不斷提高，不僅需要逐漸提高其材質和加工制造工藝，減輕運轉小車重量，從而提高其運轉加速度，還取決于先進的電器控制技術在鋪網機運行控制中的應用，而軟件控制技術水平的進一步提高則基于對鋪網機結構，各運動部件及運動關系的深入分析研究，控制理論的正確應用。通過分析高速交叉鋪網機傳動部件的速度、加速度以及傳動之間如何銜接、配合，函數關系，基本明確了其工作原理，運行要求。希望能對相關從業愛好者提供一些借鑒與幫助，同時為生產制造企業，設備使用企業在機械性能，工藝水平提高等方面起到一些積極作用。