徐 艷張偉明

（1.連云港鷹游紡機(jī)有限責(zé)任公司，江蘇連云港 222000；2武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，湖北武漢 430000 ）

碳纖維復(fù)合材料起毛輥的結(jié)構(gòu)與制備

徐 艷1張偉明2

（1.連云港鷹游紡機(jī)有限責(zé)任公司，江蘇連云港 222000；2武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，湖北武漢 430000 ）

一種碳纖維復(fù)合材料起毛輥的結(jié)構(gòu)與制備，包括起毛輥的輥體和裝在輥體兩端的軸頭。首先，在設(shè)計(jì)好的模具芯棒上纏繞碳纖維預(yù)浸布，做成碳纖維內(nèi)襯管備用；然后將軸頭的粘接段涂上粘合劑后插入碳纖維內(nèi)襯管內(nèi)進(jìn)行膠接；最后以碳纖維內(nèi)襯管作為芯棒，再纏繞碳纖維預(yù)浸布，同時(shí)將軸頭的加強(qiáng)軸肩包裹在內(nèi)，以固化粗加工-精加工-涂裝，最后制成成品起毛輥。其質(zhì)量輕、直線度好、抗疲勞、剛性好，不僅碳纖維和樹(shù)脂結(jié)合更好，致密度更高，強(qiáng)度也大大超過(guò)了一步法，延長(zhǎng)了起毛輥的壽命。而且碳纖維復(fù)合材料和金屬軸頭通過(guò)兩次包覆粘接，增大了碳纖維管壁與金屬軸頭的接觸面，粘接更牢，大大提高了碳纖維復(fù)合材料起毛輥的整體強(qiáng)度。

起毛機(jī);碳纖維復(fù)合材料;起毛輥

0 前言

起毛就是利用起毛機(jī)械將纖維末端從紗線中拉出來(lái)，使織物表面均勻地覆蓋一層絨毛，比如毛巾、毛毯等，起毛機(jī)就是用于起毛的機(jī)械設(shè)備。

起毛輥是起毛機(jī)上最為重要的輥體，一部起毛機(jī)一般有24根或36根起毛輥。國(guó)內(nèi)紡織機(jī)械所產(chǎn)起毛機(jī)多為鋼絲起毛機(jī)，其起毛輥也是鋼制的，而鋼的比重大，從而限制了起毛輥的長(zhǎng)度（一般為1.8-2.0m）,高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，較長(zhǎng)的起毛輥會(huì)發(fā)生扭曲變形，并影響起毛的質(zhì)量和效果。對(duì)于3.2m針輥，有測(cè)試表明固有頻率為42.7Hz[1]，起毛機(jī)針輥的自傳速度最高可達(dá)1200r/min，接近簡(jiǎn)支針輥的一階臨界轉(zhuǎn)速，由于針輥的偏心，工作過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。起毛機(jī)針輥的大跨度結(jié)構(gòu)，使得其剛度、強(qiáng)度及動(dòng)力學(xué)特性成為影響起毛質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在工作過(guò)程中，因?yàn)槠鋭偠忍钤斐蛇^(guò)大的彎曲扭轉(zhuǎn)變形和很低的臨界轉(zhuǎn)速，使得針輥之間出現(xiàn)“打架”以及針輥軸承圈脫落。為了提高輥體系統(tǒng)的抗彎剛度和固有頻率，通過(guò)增加支承造成的過(guò)約束，會(huì)使輥體薄弱部位產(chǎn)生疲勞而斷裂，以及軸承過(guò)載而提前破壞等情形。這些情形不僅嚴(yán)重影響起毛質(zhì)量，而且使得起毛機(jī)不能正常工作而降低生產(chǎn)效率等[2]。

采用碳纖維復(fù)合材料制備起毛輥將直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和風(fēng)格。本文針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種質(zhì)量輕、直線度好、抗疲勞、剛性好的兩步法碳纖維復(fù)合材料卷制起毛輥。

1 碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于起毛輥的背景技術(shù)

國(guó)外碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于軸的技術(shù)已相當(dāng)成熟，碳纖維復(fù)合材料在軸上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在汽車(chē)傳動(dòng)軸、重型機(jī)床主軸、船舶驅(qū)動(dòng)軸，Mercedes-Benz, BMW、Ferrari、Montero, Nissan, Mazda等車(chē)系的某些車(chē)型己經(jīng)開(kāi)始使用碳纖維傳動(dòng)軸，這些應(yīng)用減少了傳動(dòng)軸的重量，提高了起毛輥的臨界轉(zhuǎn)速，減少了啟動(dòng)所用的時(shí)間，也極大的提高了安全性，并且明顯減少了耗能。國(guó)內(nèi)每年需要超過(guò)50000根起毛輥，若將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于起毛機(jī)的起毛輥上，將極大提高生產(chǎn)效率。

起毛機(jī)發(fā)展至今，起毛輥經(jīng)過(guò)不斷更新?lián)Q代，目前廣泛使用的起毛輥為鋼制起毛輥，其仍舊存在許多不足：一方面鋼制起毛輥?zhàn)灾卮螅瑥亩鴮?dǎo)致設(shè)備耗能大，運(yùn)輸成本高。在需要進(jìn)一步提高起毛機(jī)轉(zhuǎn)速的時(shí)候，需要不斷提高鋼制起毛輥壁厚以滿足更高的剛性需求，因此，進(jìn)一步增大了設(shè)備自重，能源損耗更加嚴(yán)重；另一方面鋼制起毛輥抗疲勞性不好，由于金屬的延展性，隨著起毛機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，鋼制起毛輥會(huì)逐漸累計(jì)形變直至完全變形無(wú)法使用。

中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司于2009年發(fā)明了一種碳纖維復(fù)合材料起毛輥的制備方法，將碳纖維復(fù)合材料實(shí)際應(yīng)用于起毛輥的制備，該方法解決了鋼制起毛輥的不足，重量減輕4/5、運(yùn)轉(zhuǎn)速度提高25%-30%、產(chǎn)量提高約60%、能耗減少1/3，促進(jìn)了紡織機(jī)械設(shè)備向“高效率、高速度、節(jié)能型”的方向發(fā)展[3]，并由此拉開(kāi)了國(guó)內(nèi)碳纖維起毛輥研究與應(yīng)用的序幕。

2 碳纖維卷制起毛輥的結(jié)構(gòu)及制備流程

2.1 碳纖維起毛輥結(jié)構(gòu)發(fā)展

圖1所示為增強(qiáng)型碳纖維起毛輥結(jié)構(gòu)，它在傳統(tǒng)鋼制起毛輥的外層卷制碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，在性能上依賴(lài)于鋼，這種結(jié)構(gòu)僅利用碳纖維的高模性能對(duì)起毛輥起到了加強(qiáng)的作用[4]。

圖2所示為一種碳纖維復(fù)合材料起毛輥，其特點(diǎn)是拉擠成型的碳纖維復(fù)合材料芯管，由于拉擠成型工藝模具內(nèi)壓力大，纖維充分滲透，軸向強(qiáng)度極高，但環(huán)向強(qiáng)度不足，而纏繞工藝線型設(shè)計(jì)靈活，環(huán)向強(qiáng)度高，軸向強(qiáng)度低 ，兩者優(yōu)劣互補(bǔ)，另外環(huán)形嵌入槽能有效保證直線度和加強(qiáng)整體強(qiáng)度[5]。

圖3所示為一種復(fù)合碳纖維纏繞輥，設(shè)有玻璃鋼內(nèi)襯，玻璃鋼外表面有碳纖維繞層，兩端設(shè)有軸頭安裝孔，孔的形狀為正多邊形，可以有效解決軸頭連接容易開(kāi)裂、易松動(dòng)的問(wèn)題，可以開(kāi)發(fā)出更長(zhǎng)的輥面，該纏繞輥重量輕、跳動(dòng)小、噪音低、強(qiáng)度高、耗能低[6]。

圖2所示結(jié)構(gòu)明顯比圖1所示結(jié)構(gòu)在改善起毛輥性能方面好很多，但由于環(huán)形槽加工精度難以保證，導(dǎo)致安裝不方便。圖3引入的膠接螺栓結(jié)構(gòu)在抗疲勞性能方面不好，而且由于纖維層較薄，導(dǎo)致連接處接觸面積小，從而效果并不理想。

由此提出一種兩步法碳纖維起毛輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 增強(qiáng)型碳纖維起毛輥

圖2 一種碳纖維復(fù)合材料起毛輥

圖3 一種復(fù)合碳纖維纏繞輥

2.2 兩步法碳纖維卷制起毛輥的結(jié)構(gòu)

在一步法碳纖維復(fù)合材料起毛輥制備的啟發(fā)下，本文設(shè)計(jì)出一種兩步法碳纖維卷制起毛輥的的制備方法，其質(zhì)量輕、直線度好、抗疲勞、剛性好，不僅碳纖維和樹(shù)脂結(jié)合更好，致密度更高，強(qiáng)度也大大超過(guò)了一步法，延長(zhǎng)了起毛輥的壽命。

本文設(shè)計(jì)的兩步法碳纖維卷制起毛輥結(jié)構(gòu)如圖4。

該結(jié)構(gòu)的主要思路是根據(jù)設(shè)計(jì)需求，預(yù)先卷制特定尺寸的碳纖維復(fù)合材料管材4；通過(guò)車(chē)床對(duì)軸頭進(jìn)行螺紋加工，得到螺紋狀溝槽3,增大碳纖維復(fù)合材料與金屬軸頭的接觸面，從而增大碳纖維復(fù)合材料與金屬材料的結(jié)合性能；軸頭1與內(nèi)襯碳纖維管間進(jìn)行膠合，進(jìn)一步保障結(jié)合強(qiáng)度；加強(qiáng)軸肩2保證了內(nèi)襯碳纖維管與外層卷制預(yù)浸布5的位置，從而提高了纏繞緊密度及整體性能。

圖4 兩步法碳纖維卷制起毛輥

2.3 兩步法碳纖維卷制起毛輥的制備

兩步法纖維卷制起毛輥的制備流程如圖5所示。

圖5 兩步法碳纖維卷制起毛輥的制備流程

其具體流程表述如下：

（1）根據(jù)起毛輥各方向強(qiáng)度要求，合理設(shè)計(jì)預(yù)浸布編織方式，使用預(yù)浸機(jī)制造所需預(yù)浸布；

（2）根據(jù)產(chǎn)品的性能和尺寸要求，進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)；

（3）按照設(shè)計(jì)的鋪層，在芯棒上卷制內(nèi)襯碳纖維管材，固化成型后抽出芯棒；

（4）兩端軸頭在車(chē)床上進(jìn)行螺紋加工；

（5）利用膠黏劑將軸頭與內(nèi)襯碳纖維管進(jìn)行膠合；

（6）根據(jù)起毛輥設(shè)計(jì)需求，在內(nèi)套碳纖維管表面進(jìn)行碳纖維預(yù)浸布卷制、鋪層；

（7）鋪層到達(dá)計(jì)劃層數(shù)后，利用OPP扎帶將起毛輥包扎起來(lái)，壓力適中，將起毛輥置于固化爐中固化成型；

（8）利用車(chē)床精加工起毛輥；

（9）產(chǎn)品涂裝，安裝。

3 結(jié)論

與現(xiàn)有技術(shù)相比，兩步法碳纖維卷制起毛輥具有巨大優(yōu)勢(shì)。首先，采用碳纖維預(yù)浸布卷制工藝，鋪層設(shè)計(jì)靈活，鋪層厚度容易控制；其次，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)襯碳纖維管材的結(jié)構(gòu)，加長(zhǎng)了金屬軸頭在碳纖維復(fù)合材料管材內(nèi)壁的長(zhǎng)度，同時(shí)增大了內(nèi)壁與金屬軸頭的接觸面積；再次，碳纖維復(fù)合材料卷制起毛輥較鋼制起毛輥輕，因此設(shè)備能耗大大降低，設(shè)備轉(zhuǎn)速則能夠進(jìn)一步提高，從而提高生產(chǎn)效率，滿足客戶的迫切需求；最后，碳纖維復(fù)合材料抗疲勞性能好，且具有很高的剛性，因此碳纖維復(fù)合材料卷制起毛輥使用壽命更長(zhǎng)，不易變形，節(jié)約設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。

兩步法碳纖維起毛輥即預(yù)先制作碳纖維內(nèi)襯管，再在內(nèi)襯管的基礎(chǔ)上纏繞碳纖維預(yù)浸布。在滿足紡機(jī)零部件設(shè)計(jì)技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，兩步法碳纖維起毛輥較好地利用了碳纖維復(fù)合材料的剛度好、耐磨、比強(qiáng)度高、比模量高等特點(diǎn)，其質(zhì)量輕、直線度好、抗疲勞、剛性好，不僅使碳纖維和樹(shù)脂結(jié)合更好，致密度更高，強(qiáng)度也大大超過(guò)了一步法，延長(zhǎng)了起毛輥的壽命，而且碳纖維復(fù)合材料和金屬軸頭通過(guò)兩次包覆粘接，增大了碳纖維管壁與金屬軸頭的接觸面，粘接更牢，大大提高了碳纖維復(fù)合材料起毛輥的整體強(qiáng)度。從而達(dá)到節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品性能及生產(chǎn)效率、降低成本的目的。

[1] Earl M.Halfen.Shop Balancing Tolerances Reader Service No.72.

[2] 劉高鋒 ，邱清盈 ，潘雙夏.起毛機(jī)針輥部件結(jié)構(gòu)性能研究[D].浙江大學(xué).2005.

[3] 張國(guó)良，李懷京，席玉松.一種碳纖維復(fù)合材料起毛輥的制備方法.101760930[P].2010(06):30.

[4] 徐 艷，許太尚，王宏亮.增強(qiáng)型碳纖維纏繞起毛輥.202017128[P].2011(10).26.

[5] 徐存新，張斯緯，徐 艷等.一種碳纖維復(fù)合材料起毛輥.中國(guó),203080286[P].2013(7):24.

[6] 張斯緯，徐 艷，許太尚等.一種復(fù)合碳纖維纏繞輥.中國(guó)，ZL201220009813.3,2011(11):26.

Structure and Preparation of Carbon Fiber Composite Materials Fluff Rolls

Structure and preparation of a carbon fiber composite material pile roller, including a roller body and the pile roller mounted at both ends of the roller shaft head body. First, in the design of a mold mandrel wound carbon fiber prepreg, made of carbon fiber liner spare; then coated with adhesive segment axis head is inserted within the adhesive lined carbon fiber tube glued; Finally, carbon fiber lined pipe as a mandrel, and then wound carbon fiber prepreg, while the head of the shaft, including strengthening the shoulder wrap to cure roughing -finishing - painting, finally finished products pile roller. Its light weight, good straightness, anti-fatigue, rigid, carbon fiber and resin bonded not only better, higher density, strength greatly exceeds the one-step, extend the life of fluff roll. And carbon fiber composite materials and metal shaft head covered by two bonding, increases the contact surface of the carbon fiber wall with metal shaft head, bonding more firmly, greatly improving the overall strength of the carbon fiber composite material fluff roll.

raising machine; carbon fiber; composite pile roller

TB332

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投稿日期：2014-09-22