基于計算機輔助技術的紡絲機械輥筒結構研究

程 丹

(河南輕工職業學院機電工程系，河南 鄭州 450000)

0 引言

纖維是三大高分子材料之一，在服裝、農業、工程等領域有著廣泛的應用[1-3]。由于市場對纖維的需求量越來越大，我國涌現了許多中小型纖維生產企業。但是由于設備結構不合理，經常會造成紡絲所得纖維的質量達不到工藝要求。因此，對紡絲機械進行結構優化是十分重要的工作[4-8]。

紡絲機械的輥筒是對纖維絲束進行牽引的裝置，在很大程度上決定了纖維絲束的直徑及其是否存在缺陷，并且會進一步影響纖維的力學性能。輥筒的設計通常有幾大原則，例如：輥筒的壁厚過大，會由于其重力對零件產生壓迫進而導致零件變形，而過小又會由于外力作用導致滾筒變形；輥子軸頭直徑突變部位是輥筒的力學危險截面，其粗糙度會對輥筒的使用性能造成影響；輥筒的軸頭和輥子配合的粗糙度也會影響到輥筒的使用性能；在不同的轉速下輥筒的平衡要求各不相同，因此對輥筒的形狀要求也不同[9-12]。以上所提到的輥筒結構特點，不僅影響輥筒的使用性能，而且在牽引下所得的纖維絲束的性能也會受到相應的影響。

本文以聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephtalete,PET)纖維紡絲為研究目標，對輥筒結構進行設計；基于田口法對不同的輥筒結構因素進行優化，研究每一種因素對PET纖維絲束性能的影響，進而實現對輥筒結構的優化。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

PET的牌號為CB-602，熔點為250 ℃，固有黏度為0.8 dl/g，含水量<0.4%。

1.2 輥筒結構設計

本文所設計的輥筒結構如圖1所示。

圖1 輥筒結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the roller

該設計中：齒輪材料為Cr40；滾筒套、板筋和擋邊用于支撐輥筒；輥筒套與輥筒之間采用U型焊接；輥筒與軸承鍵接，并進行螺釘固定；軸承右端設計2套密封結構，并設計螺母固定套，利用固定套和軸肩進行定位；軸承套上設計孔洞，以滿足軸承潤滑要求。

2 結果與討論

2.1 輥筒壁厚的影響

本文首先研究了輥筒壁厚的對PET纖維絲束質量的影響。輥筒壁厚對纖維質量的影響如表1所示。

表1 輥筒壁厚對纖維質量的影響Tab.1 Effect of roller wall thickness on fiber quality

若輥子軸頭直徑突變部位粗糙度、輥筒的軸頭和輥子配合粗糙度為3.2 Ra，輥筒為形狀不變的圓筒型且長徑比為3.0，由表1可知，隨著輥筒壁厚的逐漸增加，所制備的PET纖維的直徑先降低后增加。當輥筒壁厚分別為3.0 mm和4.0 mm時，相應的纖維直徑為5 μm和6 μm，且所制備的纖維均不存在微裂紋等缺陷，纖維直徑均一性高。而當輥筒壁厚小于3.0 mm或大于4.0 mm時，所制備的纖維直徑分別為7 mm和6～8 mm，且纖維中存在微裂紋等缺陷，纖維不同部位的直徑存在不均一的現象。該現象主要是由于輥筒壁厚較薄，纖維束纏繞在輥筒上對輥筒造成壓力，使輥筒容易發生變形，對紡絲過程和纖維質量造成影響；而輥筒壁厚較厚時，輥筒本身重力較大，會對紡絲機械造成影響，進而影響紡絲過程和纖維質量。

2.2 輥子軸頭直徑突變部位粗糙度的影響

輥子軸頭直徑突變部位粗糙度對纖維質量的影響如表2所示。

表2 輥子軸頭直徑突變部位粗糙度對纖維質量的影響Tab.2 Effect of roughness of abrupt change of roller head diameter on fiber quality

若輥筒壁厚為3.0 mm、輥筒的軸頭和輥子配合粗糙度為3.2 Ra,輥筒為形狀不變的圓筒型，且長徑比為3.0，所制備的PET纖維的直徑隨輥子軸頭直徑突變部位粗糙度的增加而逐漸增大。當輥子軸頭直徑突變部位粗糙度為3.0 Ra和3.2 Ra時，相應纖維直徑均為5 μm，且纖維無微裂紋等缺陷，不同部位直徑具有較好的均一性。當輥子軸頭直徑突變部位粗糙度大于3.2 Ra后，纖維的直徑出現了明顯的升高，而且纖維出現了微裂紋，不同部位直徑的均一性也不同。模擬結果表明，較低的輥子軸頭直徑突變部位粗糙度更有利于制備出質量優異的PET纖維，而且粗糙度最大不能超過3.2 Ra。

2.3 輥筒的軸頭和輥子配合粗糙度的影響

輥筒的軸頭和輥子配合對纖維質量的影響如表3所示。若輥筒壁厚為3.0 mm，輥子軸頭直徑突變部位粗糙度為3.2 Ra、輥筒形狀保持為圓筒型且長徑比為3.0，所制備的PET纖維的直徑隨輥子軸頭直徑突變部位粗糙度增加而逐漸增大。當輥子軸頭直徑突變部位粗糙度為3.0 Ra和3.2 Ra時，相應纖維直徑均為5 μm，且纖維無微裂紋等缺陷，不同部位直徑具有較好的均一性。當輥子軸頭直徑突變部位粗糙度大于3.2 Ra后，纖維的直徑出現了明顯的升高，且纖維出現了微裂紋，不同部位直徑的均一性也不同。模擬結果表明，較低的輥筒的軸頭和輥子配合粗糙度更有利于制備出質量優異的PET纖維，而且粗糙度最大不能超過3.2 Ra。

表3 輥筒的軸頭和輥子配合對纖維質量的影響Tab.3 Effect of roller head and roll fit on fiber quality

2.4 輥筒形狀的影響

本試驗所設計的輥筒皆為圓柱形輥筒，對其長徑比進行調整，并進一步研究了在60 r/min的轉速下，細長型和短粗型輥筒對PET纖維紡絲過程及紡絲質量的影響。輥筒形狀對纖維質量的影響如表4所示。

表4 滾筒形狀對纖維質量的影響Tab.4 Effect of drum shape on fiber quality

如表4所示，隨著輥筒長徑比由2.6增加至3.0，所制備的PET纖維的直徑逐漸降低，由8 μm降低至5 μm；而且在輥筒的長徑比較低(2.6～2.8)的情況下，所紡出的纖維具有微裂紋，且不同部位直徑均一性差；但當輥筒的長徑比較高(2.9～3.0)時，所紡出的纖維質量較高，不存在微裂紋等缺陷，且單根纖維不同部位直徑的均一性良好。以上結果說明，當輥筒轉速為60 r/min時，細長型的輥筒更有利于制備出質量較高的PET纖維。

2.5 紡絲試驗研究

以上仿真結果表明，當輥筒壁厚為3.0 mm、輥子軸頭直徑突變部位粗糙度為3.2 Ra、輥筒的軸頭和輥子配合粗糙度為3.2 Ra、輥筒形狀為細長型圓筒狀、長徑比為3.0時，所紡出的PET纖維的質量最好。為了對仿真結果進行驗證，本文進行了10組紡絲試驗。紡絲試驗結果如表5所示。

表5 紡絲試驗結果Tab.5 Results of spinning experiment

紡絲試驗結果表明，仿真結果具有較高的準確度。10組試驗所紡出的PET纖維均不存在微裂紋缺陷，而且均一性較好。10組纖維的直徑為4.96～5.04 μm，最小的誤差為0，最大誤差僅為0.8%，標準差僅為0.02 μm。該試驗結果也進一步說明：通過對輥筒結構的仿真優化，所設計的輥筒結構較適用于PET纖維的紡絲。

3 結論

本文通過計算機輔助技術對PET纖維紡絲機械輥筒進行了結構優化，得到如下結論。

①輥筒壁厚增加，纖維直徑先降低后增加。當壁厚為3.0 mm和4.0 mm時，所制備的纖維均不存在微裂紋等缺陷，纖維直徑均一性高。

②輥子軸頭直徑突變部位粗糙度不宜超過3.2 Ra。當粗糙度為3.0 Ra和3.2 Ra時，相應纖維無微裂紋等缺陷，不同部位直徑具有較好的均一性。

③輥筒的軸頭和輥子配合粗糙度不宜超過3.2 Ra。當粗糙度為3.0 Ra和3.2 Ra時，相應纖維無微裂紋等缺陷，不同部位直徑具有較好的均一性。

④輥筒形狀為細長型圓筒狀。當長徑比為3.0時，所紡出的PET纖維的直徑較為均一，且纖維不存在缺陷。

⑤仿真結果的準確度較高，且優化后的輥筒結構更適于紡出高質量的PET纖維。

通過計算機輔助技術對紡絲機械輥筒結構進行優化，具有高效、精準的特性，本研究方法能夠廣泛應用于其他纖維紡絲的器械結構優化。