鞠永農(nóng)

(儀征市海潤紡織機械有限公司，儀征，211400)

淺談國產(chǎn)針刺機的開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

鞠永農(nóng)

(儀征市海潤紡織機械有限公司，儀征，211400)

闡述了國產(chǎn)針刺機的開發(fā)過程、技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢;介紹了新型中速針刺機和新型主軸箱式高速針刺機的傳動機構及其性能;指出單體小主軸箱是未來主軸箱式針刺機的發(fā)展方向，無箱齒輪搖桿式針刺機的主軸傳動系統(tǒng)的設計將會應用到橢圓軌跡針刺機中。

非織造布，針刺機，機構設計，開發(fā)現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢

由于針刺非織造布具有通透性好、過濾性能和機械性能優(yōu)良等特點，被廣泛用于制造土工材料、過濾材料、建筑防水材料、汽車內(nèi)飾材料、合成革基材、造紙毛毯等多種產(chǎn)業(yè)用及生活用材料，目前針刺非織造布的產(chǎn)量約占整個非織造布總產(chǎn)量的四分之一。又因針刺法具有加工工藝簡單、產(chǎn)品類型多且應用領域廣、設備組合靈活方便、建設周期短等優(yōu)點，針刺工藝仍是現(xiàn)在和將來快速發(fā)展、久盛不衰的一種最主要的非織造生產(chǎn)工藝。

1 國產(chǎn)針刺機的開發(fā)和現(xiàn)狀

20世紀中葉針刺機誕生于英國，隨后德國、法國、奧地利等許多設備制造商開發(fā)出不同風格的多種針刺機。20世紀80年代，儀征紡織機械廠研制成功我國第一臺高速針刺機，針刺頻率最高達1 200刺/min，隨后開發(fā)出多種型號和類型的針刺機，相繼推向市場，帶動了國內(nèi)針刺設備的迅速發(fā)展。由于針刺設備的需求量和潛力較大，一批民營針刺設備制造企業(yè)也逐漸發(fā)展起來，從而進一步推動了國內(nèi)針刺機的快速發(fā)展。國內(nèi)一些非織造布廠在同一時期引進了Dilo和Fehrer 公司的針刺設備，而國產(chǎn)的高速針刺機多數(shù)采用Fehrer公司的主軸箱式結(jié)構。近年來國產(chǎn)針刺設備開始走出國門，同時國內(nèi)實力雄厚的非織造布生產(chǎn)商也引進了一批國際先進的針刺設備，用于提升針刺非織造布的品質(zhì)，以便占領國際針刺非織造布的高端市場。這種相互間技術的溝通和交流，打破了國產(chǎn)針刺設備從誕生到現(xiàn)在一直沒有突破性發(fā)展的局面。國內(nèi)主要的針刺設備制造商紛紛開始收集技術資料，進行試驗性的技術發(fā)展。鑒于Dilo公司的針刺設備技術處于國際領先水平，并占據(jù)國際高端市場，國內(nèi)企業(yè)也在幾年前開始仿制并將產(chǎn)品投放市場。

國產(chǎn)針刺機經(jīng)過20多年的發(fā)展，盡管主軸箱式的不同類型和不同用途的針刺機不斷完善和發(fā)展，但是這種機構的針刺機的技術水平并沒有突破性提高。目前在實際運行的生產(chǎn)線中，沒有針刺頻率高于1 500刺/min的國產(chǎn)針刺機，因主軸箱式的機構受到結(jié)構和國產(chǎn)材料等因素的限制，給針刺頻率的提高帶來一定的難度。近年來，國內(nèi)設備制造商的主要工作是優(yōu)化機構設計、完善針刺設備的性能以及電氣控制的革新。另外，針刺機針布也引起各個公司的重視，不斷引進吸收，出現(xiàn)了多種布針形式以滿足客戶的使用要求。國產(chǎn)針刺機的技術水平基本上處于同一檔次，可相比較的是設備制造品質(zhì)、方便使用程度及售后服務水平。

國產(chǎn)無箱齒輪搖桿式的針刺機，上個世紀只有少數(shù)針刺非織造布生產(chǎn)商在使用。設備制造商真正將其推向市場是在2000年之后，雖然此種針刺機的制造商在針板梁的定位機構方面都有各自的特點，采用了不同的機構形式，但是整條針刺非織造布生產(chǎn)線的針刺頻率超過1 500刺/min也同樣是困難的。

2 國產(chǎn)針刺機的技術發(fā)展

2.1 技術現(xiàn)狀

隨著新技術、新材料的不斷應用，國產(chǎn)針刺機的各項技術性能已有很大提高，但其基本原理都是相同的，即通過偏心輪連桿機構帶動裝有刺針的針板作上下往復運動，來達到刺針對被加工的纖維網(wǎng)實施加固的目的。不同之處是針板和針板梁往復運動的定位機構上，在國內(nèi)的高頻針刺機的設計中主要有兩種機構形式:一是采用主軸箱式(仿Fehrer產(chǎn)品)，即把凸輪、連桿、推桿等零件包容在一個密閉的箱體內(nèi);二是無箱齒輪搖桿式(仿Dilo產(chǎn)品)，即凸輪、連桿等零件暴露在機架內(nèi)，針板梁的往復定位機構采用齒輪齒條定位形式。兩種機構各有優(yōu)點，平行發(fā)展，目前國內(nèi)針刺頻率在1 000刺/min以上的針刺機多數(shù)采用主軸箱式。

自國內(nèi)第一臺1 200刺/min的針刺機誕生以來，其主軸箱機構并沒有多大改進，開發(fā)的主軸箱主要有3種類型，但其內(nèi)部零件的尺寸卻基本一致。國產(chǎn)600刺/min以內(nèi)的低速針刺機技術相對成熟，設備運行尚穩(wěn)定，可基本滿足部分非織造布生產(chǎn)商的需要。

目前各針刺設備制造商的主要任務是攻克2 000刺/min的針刺機技術以及在保證現(xiàn)有設備性能的前提下降低針刺機的成本。

2.2 零件材料的選用

國產(chǎn)針刺機的針刺頻率沒有大的提高，一個很重要的因素是受材料的制約。目前國產(chǎn)針刺機用的材料多數(shù)為常用材料，只有個別零件采用了優(yōu)質(zhì)材料，如主軸、推桿、導向套、針板等。近年針板梁開始采用鋁合金材料，因其壁厚和外形比原來的針板梁大，所以自重基本與原來相當，僅僅是產(chǎn)品的整體感覺有所改觀，針刺頻率提升有限。

要想提升針刺機的針刺頻率，有關零件需采用強度高、性能好、密度小的材料制造是關鍵問題。相關零件主要是指完成針刺往復運動的有關零件，如連桿、推桿、針板梁等，主要目的是在保證性能穩(wěn)定可靠的前提下盡可能地減少其質(zhì)量。

2.3 機型發(fā)展

現(xiàn)在國產(chǎn)針刺機的類型和品種已經(jīng)相當齊全，低速針刺機和高速針刺機的機型系列都可滿足市場需要。根據(jù)針刺運動的形式劃分，常用的機型有單板下刺、單板上刺、雙板下刺、雙板上刺、單板上下異位對刺、單板上下同位對刺、雙板上下同位對刺等。

專用針刺機也在迅速發(fā)展，因其只能生產(chǎn)某種特殊類型的針刺非織造布，市場需求量相對較少，但其類型繁多，已形成獨立的分支系統(tǒng)，其中相對要求較多的機型有條紋針刺機、起絨針刺機、提花針刺機和造紙毛毯針刺機等。

3 國際先進針刺技術簡介

目前Dilo公司的針刺技術處于國際領先水平，其針刺機的針刺頻率已達到3 500刺/min，并成功推出頻率為2 000刺/min的橢圓軌跡針刺機。近年國內(nèi)引進的先進針刺設備主要以Dilo公司的產(chǎn)品為主。目前國內(nèi)針刺設備的代理商主要代理Dilo公司、NSC集團和紐馬格集團3家公司的產(chǎn)品，包括人們較為熟悉的Asselin和奧特發(fā)的鋪網(wǎng)機、Dilo和Fehrer的針刺機等。

Dilo公司生產(chǎn)的超高速針刺機，其針板梁采用了碳纖維復合材料。在針板方面，為了使纖維之間的纏結(jié)更有效，布面質(zhì)量更加完美，F(xiàn)ehrer公司設計出弧形的托、剝網(wǎng)板，效果良好。Dilo和Fehrer公司的針板針布都處于國際領先水平。為了改進針刺機的性能和試驗新產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，Dilo公司還建設了自己的試驗工廠。

4 國產(chǎn)針刺機的發(fā)展趨勢

4.1 新材料的應用

現(xiàn)在很容易找到強度高、性能好、密度小的材料，但是應用在針刺機上很難找到合作的生產(chǎn)廠家，因為要大批量生產(chǎn)用在針刺機上的有關零件還有一定難度?，F(xiàn)在出現(xiàn)的如鋁基、鎂基、碳素纖維復合材料等新型復合材料的性能和強度都達到很高的水平，并已在汽車和飛機的相關零件上開始運用，但尚未在其他領域廣泛使用，能生產(chǎn)的廠家有限。

針板梁原來是由16 Mn材料焊接而成，現(xiàn)在開始采用鋁合金材料拉制工藝制造，外形和強度比原來都有提高，但是質(zhì)量減少不多;連桿原來是鑄鋼鑄造而成，現(xiàn)在也開始采用鋁基復合材料;推桿原來的材料是38CrMoAl，因其承受的力比較復雜，強度要求高，尋找新材料要慎重。如果想提高針刺頻率，就必須尋找合適的輕質(zhì)材料。針板梁、連桿和推桿的強度和質(zhì)量直接影響主軸箱式針刺機的針刺頻率的提升。

4.2 各機型針刺機的發(fā)展

目前主軸箱式和無箱齒輪搖桿式兩種機構的高速針刺機都已出現(xiàn)并各有亮點。筆者認為主軸箱式針刺機比較適合國內(nèi)中小企業(yè)的使用、管理和維護。國產(chǎn)針刺機已經(jīng)開始采用鋁合金針板梁，并且配置有方便更換針板的氣囊加緊的定位機構，但針刺頻率提高不大。各設備制造商的首要任務是在保證針刺設備性能逐漸提升的同時降低設備制造成本，其次才是開發(fā)更高頻率的針刺機。

4.2.1 主軸箱式針刺機

主軸箱式針刺機最大的優(yōu)點是參加針刺往復運動的零件密封在一個箱體內(nèi)，可以對相關軸承進行不間斷的潤滑油潤滑和冷卻，最大的缺點便是推桿處存在漏油的可能。圖1為雙軸雙板式主軸箱的示意圖。

圖1 雙軸雙板式主軸箱

由于主軸箱機構固定同一個針板梁的兩個推桿之間的距離是0.6 m，所以在設計針板的長度時都在1.2 m左右，于是主軸箱式針刺機的主傳動和針板部分形成了分段式的設計。該設計形式存在以下問題:①主軸箱體積過大，加工、運輸、裝配等均不方便;②兩個推桿間的距離固定，無法減少推桿的數(shù)量，同樣受主軸箱外形尺寸的限制，主軸箱的數(shù)量也無法減少，導致針刺機的成本無法降低;③主軸箱內(nèi)參與轉(zhuǎn)動的零件過多，提高了潤滑油的溫度，不利于推桿處潤滑油的密封;④主軸箱體的結(jié)構存在不合理之處，不利于潤滑油的降溫;⑤支撐連桿的軸承支點平均數(shù)是1個，受力相對不均。

針對以上問題，儀征市海潤紡織機械有限公司進行了改進主軸箱結(jié)構的研究，確定了符合自己生產(chǎn)特點的單體小主軸箱(已申請技術專利)。圖2是其中之一的單體雙軸雙板主軸箱示意圖，與原有圖1所示的主軸箱相比，其顯著優(yōu)點為:①體積小，便于安裝和維修;②改進了原有主軸箱的不合理結(jié)構，完善了主軸箱的功能;③模塊化設計，可以根據(jù)被針刺纖網(wǎng)的受力情況來確定主軸箱的配置數(shù)量，既能滿足高速針刺機的設計和使用要求，又能使針刺機的性價比更合理。

圖2 單體雙軸雙板主軸箱

單體主軸箱箱體的下部在兩導向套孔的中間留有空腔，其底面接近箱體的最低位，故該空腔能留出積蓄潤滑油的空間，目的是讓導向套內(nèi)的潤滑油能流回到這個空間，即起到降低推桿因摩擦而升溫的作用，也保證了箱體內(nèi)的油位低于油封的上平面。單體小主軸箱的低成本和高性能會給設備制造商和使用商帶來巨大的經(jīng)濟利益，所以單體小主軸箱是未來主軸箱式針刺機的發(fā)展趨勢。

4.2.2 無箱齒輪搖桿式針刺機

齒輪搖桿式針刺機典型的機構形式是Dilo公司的產(chǎn)品，其最大的特點是針板梁的定位采用齒輪齒條方式。這種結(jié)構減少了針板往復運動定位時的摩擦阻力，且其潤滑一般采用干油間歇壓力集中潤滑系統(tǒng)，即定時注入潤滑脂，基本杜絕了漏油的可能。為了排除主軸軸承的摩擦熱量，連桿大頭處配有風冷裝置，相應的軸承處配有溫度傳感器，以便檢測溫度及時觀測軸承的工作狀態(tài)，確保針刺機的潤滑系統(tǒng)運行可靠。

無箱齒輪搖桿式針刺機的針刺部件如圖3所示。機構采用模塊化組合設計，便于設備的系列化設計;完成刺針上下往復運動的零件包括連桿、橫梁、針板梁和搖臂等，外形結(jié)構不復雜，容易采用新型材料以減少相關零件的質(zhì)量，有利于針刺頻率的提高。該技術的潛在價值在于整個主軸傳動系統(tǒng)的設計可應用到橢圓軌跡針刺機的方案中，相信不久國產(chǎn)簡易的橢圓軌跡針刺機將會面世，這是無箱齒輪搖桿式針刺機的優(yōu)點和發(fā)展方向。

圖3 無箱齒輪搖桿式針刺機構示意

5 新型針刺機介紹

5.1 新型中速針刺機

根據(jù)實際生產(chǎn)的操作經(jīng)驗，性能穩(wěn)定、故障率低的中速針刺機能很好地滿足針刺土工布生產(chǎn)的工藝要求。如果一條幅寬6.8 m的土工布生產(chǎn)線配置3臺針刺頻率超過1 000刺/min的主軸箱式針刺機，其價格要超過200萬元人民幣，設備的投資成本很大。儀征市海潤紡織機械有限公司獨立開發(fā)了滿足土工布生產(chǎn)工藝的新型中速針刺機，設備成本比高速針刺機降低很多，但其機械性能沒有降低。

新型中速針刺機的針刺頻率能達到800刺/min，出布速度1～6 m/min，可變頻調(diào)速，無需地腳安裝，運行平穩(wěn)。該機型采用特殊配重方式的主傳動機構如圖4所示。該傳動機構的要點是:①主傳動采用單軸單板式，外加副軸分擔平衡;②針板梁的提升和定位采用傳統(tǒng)的推桿滑套式結(jié)構;③潤滑部分采用儀征市海潤紡織機械有限公司成熟的間歇式集中供油系統(tǒng);④支撐連桿的機構采用Dilo式的兩軸承對稱分布的形式，能加強連桿處受力的可靠性。

圖4 傳動機構示意

該新型中速針刺機應用主、副軸對轉(zhuǎn)的平衡方法，平衡原理如圖5所示。用零件D來平衡零件C的一階力的大部分，用零件E來平衡零件D剩下的水平力和由其產(chǎn)生的垂直方向的力［1］。

圖5 平衡原理示意

國產(chǎn)低速針刺機的頻率不能提高的原因是其平衡方案一直采用單軸平衡法，沒有副軸及圖5所示的零件E，僅用零件D來平衡C等零件運動時產(chǎn)生的力。一般有兩種解決方法:一是只用零件D來完全平衡零件C引起的一階力，這時由零件D引起的上下方向的力無法消除，機器往往會左右擺動;二是用零件D來平衡零件C引起的一階力的大部分，這時由零件D引起的水平方向的力無法消除，機器往往會上下劇烈振動。為了機器的運轉(zhuǎn)，一般都采用加固的方法將機器固定在地基上，以保證機器的正常工作。但是寬幅針刺機的固定就比較困難，因為無論是采用以上兩種方法中的哪一種，產(chǎn)生的力都相當大，所以寬幅針刺機的針刺頻率基本上都很低。而新型中速針刺機用增加副軸對轉(zhuǎn)的平衡方案解決了原有低速針刺機配重平衡的兩種弊端，雖然設備成本有所增加，但其運行更加平穩(wěn)、受力更加合理，從而機械性能等得到大幅提升。

5.2 新型主軸箱式高速針刺機

為了將國產(chǎn)針刺機的針刺頻率提升至2 000刺/min，儀征市海潤紡織機械有限公司設計了一種能夠承受高載荷且受力分布更合理的單體小主軸箱，結(jié)構如圖6。設計的高速針刺機選擇主軸箱機構的原因是，高速齒輪搖桿式針刺機的主傳動軸承的潤滑和測控難以把握和維護，而主軸箱式的針刺機潤滑系統(tǒng)能保障軸承的工作狀態(tài)，并便于使用者的維護和管理。

高速針刺機的主軸箱必須承擔起巨大的交變載荷，為了降低推桿處的摩擦熱量便于潤滑油的密封，主軸箱體設計有特殊的降溫結(jié)構。高速單體小主軸箱的優(yōu)點還有:體積小，利于精密裝配;傳動機構方案成熟，配重合理;主軸箱的數(shù)量可根據(jù)刺針力的大小來增減，便于成本控制。

圖6 高速單體小主軸箱示意

高速單體小主軸箱內(nèi)參與針刺往復運動的相關零件包括連桿、橫梁、推桿等，選用強度高、密度小的新型復合材料，目的是減小往復運動的零件的總質(zhì)量和增強其對強大沖擊力的承受能力。

［1］機械設計手冊聯(lián)合編寫組.機械設計手冊中冊［M］.北京:化學工業(yè)出版社，1987:35.

Brief discussion on status and tendency of research and development on needle-punching machine in China

Ju Yongnong
(Yizheng Hairun Textile Machinery Co.，Ltd.)

The research process and development tendency as well as technique situation of home-made needlepunching machines were introduced.The transmission system and performance of new medium-speed needle-punching machine and new main axle box-type of high speed needle-punching machine were presented.It was pointed out that individual small main axle box-type of needle-punching machine would be development tendency of main axle box-type of needle-punching machine in the future，and the design on main axle transmission system of non-box gear rocking bar type of needle-punching machine would be applied to the elliptical path needle-punching machine.

nonwovens，needle-punching machine，mechanical design，development status，trend of development

TS173.44

A

1004－7093(2010)01－0019－05

2009－10－19

鞠永農(nóng)，男，1978年生，工程師。主要從事針刺機等非織造設備的研發(fā)工作。