王 帆

（天津工業(yè)大學機械電子學院，天津300160）

在固結非織造纖維網的諸多方法中，針刺法通常被認為是一種較傳統(tǒng)且較簡單的方法。隨著針刺法技術的發(fā)展和非織造布生產工藝的提高，針刺法非織造布的產量也有所增加。據統(tǒng)計，2006年我國針刺法非織造布產量約 34.3萬 t，比2005年增長24.7%，占非織造布總產量的24.6%。與其他種類非織造布產品相比，針刺法非織造布產品的拉伸強度和撕裂強度模量可調范圍廣，機械性能穩(wěn)定，耐久性突出。隨著針刺法非織造布生產工藝對許多新原料的試驗成功，給針刺法設備設計創(chuàng)造了新機會，增添了新亮點。

1 針刺技術概述

針刺技術源于l9世紀后半期，是非織造布纖維網的一種機械固結方法，其原理簡單，工藝流程短，適用于生產中厚型產品。針刺非織造布廣泛用于工業(yè)造紙毛毯、高檔服裝襯、汽車內襯、揩布、皮革基布、裝飾材料、過濾材料等產品。針刺技術可與多種生產工藝相結合，進行深加工和精加工，使非織造布產品的技術性能和質量檔次有所改善與提高。近年來，在新技術與新需求的帶動下國內外針刺非織造技術與設備水平在不斷提升。

針刺技術是第一代傳統(tǒng)的非織造布生產技術，現已發(fā)展得比較成熟，但在很多方面還有待于完善與提高。例如針刺機植針密度、針刺頻率、沖程、有效工作幅寬、刺針形狀和質量、機器運轉的平穩(wěn)性和能耗、產品的針刺密度和厚度及均勻性、產品的表觀風格與質量等方面。

1.1 國外發(fā)展概況

國外先進國家采用刺針橢圓形運動軌跡的高性能針刺機已相當普遍。最高針刺頻率達到3 000次／r/min。德國迪羅（Dilo）公司的DI—LOURIVHSCL 25花紋絨面針刺機，幅寬6 m針刺頻率達2 400次/min。國外一些公司研制了增強型針刺非織布工藝與設備,如奧地利菲勒（Fehrer）公司的N2 21／SRV型絨面針刺機，法國NSC公司的A50一SSDB型針刺機，適合生產汽車內飾用針刺毯，可取代成本較高的機織布。

（1）Dilo Hyperpunch橢圓形針刺技術。Dilo公司的橢圓形針刺機在ITMA 1995首度展出，這是最近十多年來針刺技術上的最大突破。其主要特征是針板橫梁由2個偏心機構驅動，刺針不再單純垂直向運動在MD（縱）向的子午面內作垂直和水平向二維運動，其軌跡由一條直線改變?yōu)榻朴跈E圓狀，其水平向的移距，適應纖網步進量在時空上與其很好配合，從而顯著減少纖網的拉伸，實現優(yōu)質高產。Hyperpunch技術的特點，是針板的專用傳動機構是Hyperpunch系統(tǒng)的基礎，確保刺針在針刺纖網過程中的運動軌跡為橢圓形。Dilo公司設計了在托網板和針刺機剝網板上的孔眼，并使其具有沿著被加工材料運動方向排列且呈長腰形的特征。

（2）Fehrer公司的針刺機。該公司主要的針刺技術有Hl針刺技術、最大針刺頻率達到3 000次／min以上的高速針刺機，以及起毛針刺技術、地毯針刺機、造紙毛毯針刺技術等。Fehrer公司在造紙毛毯環(huán)形針刺機上，也已使用橢圓形針刺，說明橢圓形針刺的使用在不斷擴大。H1針刺技術的特點，是弧形針板+垂直刺針。其優(yōu)點是針刺深度增加，針板方向不斷改變，纖維進行再排列，雜亂及纏結效果較傳統(tǒng)的平板針刺為優(yōu)。NL1 1/Twin—SE Carpet Star屬于提花針刺機，它通過兩個獨立運行的針刺區(qū)，生產出高質量的羅紋及絲絨制品。根據對表面的質量要求，使用Carpet Star來生產羅紋制品，產量可高達單板機的3倍，它更可在一道工序下，同時加工羅紋與絲絨組合圖案。

1.2 國內發(fā)展情況

近幾年，我國也涌現了一批有推廣前景的針刺新設備、新技術與新產品，如針刺頻率為l 000～l 200次／min的主刺機、6 m寬的土工布針刺生產線、8 m寬的造紙毛毯針刺機等。但是，與國際先進水平比，我國在針刺工藝技術水平、產品種類及質量、特別是技術開發(fā)創(chuàng)新能力等方面，還存在差距。在針刺設備成套性方面，我國開發(fā)了一批適用型技術裝備。鄭州紡織機械有限公司、青島紡織機械有限公司、江蘇海潤紡織機械有限公司等，都已有比較完善配套的相應設備提供。鄭州紡機開發(fā)和制造的成套高產高速針刺非織造布設備，包括從開松、梳理到針刺成卷整線工藝和設備，配套選用國外進1:3的PCL、變頻器、伺服系統(tǒng)通用和專用配套件。設備主要零件設計結構合理，精度高。該針刺生產線可以為用戶提供從工程設計、工藝組合、設備配置、安裝調試等的系統(tǒng)服務。

青島紡機的針刺生產線包括預針刺機、針刺機，以及可用于針刺非織造布生產線主針刺和修面針刺的異位對刺機等。其中預針刺機采用雙軸驅動，刺針動程可達到70 mm，針板上裝有限位自停裝置，并且觸摸屏顯示工藝參數，方便調整。異位對刺機具有占地面積小、結構緊湊的特點，所采用的雙曲軸驅動平衡油箱，可使每塊針板運行更加平穩(wěn)。

而江蘇海潤的針刺生產設備，目前共有48種型號近200種機型供用戶選用，包括條紋針刺機、絨面針刺機、提花針刺機、墊肩針刺機等多種專用針刺機。該公司最近試制成功一種適用于合成革基布過濾材料等針刺基布修面的針刺機——YBG3 19型雙針板上下對刺式主針刺機。該設備植針密度可達8 000～16 000針/m，針刺動程60 mm，針刺頻率可達l 200次/min，機器門幅2.2～2.8 m。

2 針刺原理及設計改進

針刺機構是針刺機的關鍵機構，由主軸、偏心輪、針梁、針板、刺針、剝網板、托網板等組成。主軸上裝有偏心輪和平衡機構，用來帶動針梁，針板做上下往復運動，使針板上的刺針隨之反復穿刺纖網。剝網板和托網版是一對配合刺針對纖網進行固結的組件，一般采用鋼板制成。兩板均有孔眼，與針板上的針眼完全對應。針刺時，托網板起到刺針刺入纖網時的托持作用，剝網板起到刺針退出纖網時的阻擋作用。剝網板和拖網板的表面要平整光滑，以便纖網順利通過。利用成千上萬枚帶有鉤刺的鋼制刺針，對蓬松的纖網進行反復的穿刺，而使纖網得以固結。一般來說，若單位時間內針刺的次數越多(即針頻)或針刺密度(單位面積上的針刺數)高，纖網的質量越好，生產效率越高。所以說，針刺頻率的高低，是影響產品質量的重要因素之一。

2.1 針刺機的機構和工作原理

針刺機的結構主要有：針刺機構、送網機構和輸出機構。送網機構的作用，是保證把具有一定厚度的蓬松的纖網順利地送入針刺區(qū)。輸出機構是把刺好的具有一定強度的纖網牽拉出來。針刺機構的作用，是利用刺針不斷地對蓬松纖網進行穿刺，從而得到具有一定強度的纖網。上述3種機構，應保證一定的協調關系，才能順利工作。

2.2 針刺機構的設計

針刺機主傳動，通過曲柄—連桿機構驅動針梁、針板和刺針一起，作上下往復運動。蓬松的纖網在喂給簾夾持下送入針刺區(qū)。當針板向下運動時，刺針刺入纖網，纖網緊靠托網板。當針板向上運動時，纖網與刺針之間的摩擦，使纖網和刺針一起向上運動，纖網緊靠剝網板。喂入和輸出速度相配合，可以間歇步進，也可連續(xù)運動。纖網通過針刺區(qū)后，具備一定的強力、密度和厚度，然后再送至主針刺或花紋針刺加工。

2.3 改進機構的設計

評價一臺針刺機的好壞，可以從針刺機的主要性能，即針刺頻率、針刺機適用性、可靠性以及針刺機維護保養(yǎng)方便性、快捷性等。近年來隨著針刺產品質量要求的提高，對于針刺機針板的設計提出了更高的要求。因為針板上針孔的排行形式，對針刺產品的表面質量、針刺產品的縱橫向條紋，有著直接的決定性的作用。前面說過，針刺頻率對產品質量和生產效率有直接影響，所以提高針刺頻率是設計針刺機構的關鍵。

2.3.1 偏心機構和平衡機構的設計

針刺機構為曲柄連桿滑塊機構，曲柄長度相當于偏心輪的偏心距，刺針運動可看著滑塊移動，動程相當于2倍的偏心距。將單軸驅動偏心機構，改成雙軸反向驅動偏心輪機構，運動時兩個偏心機構反向運動，兩曲柄的端部通過連桿剛性聯接，同步帶動針板做上下往復運動。這樣的結構有以下優(yōu)點：

（1）平衡輪無偏心，僅起慣性輪作用，可減小能量消耗。

（2）因為是兩個偏心機構驅動針板運動，所以每個偏心機構所受的力是原來的一半，其部件的尺寸和凈質量都可相應減小，有利于慣性力的下降和針板速度的提高(即針頻的提高）。

（3）當兩偏心輪反向轉動時，從理論上講，可以互相抵消在水平產方向上產生的不平衡力，大大降低了機器的振動，而且從加工和安裝的角度來看，也比較容易實現。而單軸偏心機構則不然。上面已提到，為了平衡，平衡機構和偏心機構的安裝方向須嚴格保證180°才行，這就為安裝帶來了難度。這種機構的振動比較大，而且工作速度越高振動越大。

雙針板上下交替針刺，采用兩個滾筒代替常用的托網板和剝網板，滾筒間隔距可調節(jié)，兩個滾筒各鉆有數萬只完全對應的小孔，以便于刺針通過。上、下針梁和針板，裝在兩個滾筒內。輸送簾和滾筒是連續(xù)運轉的。為保持纖網的連續(xù)輸送，刺針不僅通過滾筒上的小孔刺入纖網，而且在刺入纖網時，還必須有一個與滾筒表面回轉速度近似相等的前移運動。由此，刺針的運動方式是上下、前后結合的復合運動，運動軌跡呈橢圓形。

2.3.2 減輕運動部件的質量

（1）減輕推桿和導向桿的質量。在不降低推桿和導桿的強度和剛度的前提下，將中間部分節(jié)約成本和減輕負荷，做成筒狀。左右兩端堵頭先與軸焊接后，再安裝在輥上，由螺栓緊固連接。這樣可減小桿的凈質量，減小慣性力。

（2）減輕針板和針梁的凈質量。針板針梁通常采用鋼制的較多，這種結構較重，造成工作時慣性力大，不利針頻的提高。而國外目前普遍采用輕質材料，目的就是減小針板針梁的凈質量，如采用鋁鎂合金，或鋁合金甚至碳纖維復合增強材料等。如德國Dilo公司的針梁采用的是碳纖維材料，其針頻可達到2 000次/min以上。所以，有可能的話，在保證針板針梁機械性能的前提下，盡量采用輕質合金材料，以降低運動部件的質量，這樣可以提高針頻。加工針梁的方法有多種，采用冷拔法是針梁加工方法之一，該法加工出的針梁機構性能比較好，能滿足使用要求。

3 結束語

針刺法非織造布，因其產品具有結構蓬松，手感柔軟，伸長率高，透氣性和彈性好等特點，目前采用該法生產的非織造布仍占世界非織造布產量的30%。針刺技術是第一代傳統(tǒng)的非織造布生產技術，現已發(fā)展得比較成熟，但在很多方面還有待于完善與提高。

[1]張 瑜.針刺機理論研究[J].紡織學報，1996，53（5）:1-7

[2]陳人哲.紡織機械設計原理（上冊）［M］.北京:中國紡織出版社，1996.

[3]李月海.非織造工藝與設備［M］.北京：中國紡織出版社.2004.