田 寧

恒天重工股份有限公司，河南 鄭州450001

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水刺產(chǎn)品面密度均勻度波動因素分析與自動控制

田 寧

恒天重工股份有限公司，河南 鄭州450001

面密度均勻度是水刺法非織造產(chǎn)品的關(guān)鍵物理指標之一，它對產(chǎn)品的后期加工和最終使用都有直接的影響。水刺生產(chǎn)線工藝流程長，設備種類和數(shù)量多，影響成品面密度均勻度的因素也多種多樣。分析水刺產(chǎn)品面密度均勻度波動的各種因素，并給出解決問題的自動化控制方案。

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近年來，水刺法非織造布呈快速發(fā)展趨勢。水刺生產(chǎn)線的大量建設一方面滿足了人們對水刺制品的需求，另一個方面也帶來了競爭。為了避免水刺產(chǎn)品在低水平停留及產(chǎn)品同質(zhì)化程度偏高的風險，提高產(chǎn)品質(zhì)量就成為了關(guān)鍵，而面密度均勻度是衡量水刺產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵指標之一。認真研究水刺生產(chǎn)線的工藝特點，提高水刺成套設備的技術(shù)水平和自動化程度，既是接受競爭的需要，更是目前國內(nèi)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的需求。

1 水刺生產(chǎn)線工藝流程

水刺法是將加壓形成的成排且似針狀的微細水流噴射到一層或鋪疊在一起的多層纖網(wǎng)上，使纖維相互纏繞而固結(jié)在一起，從而使原來松散的纖網(wǎng)具有一定的強力及完整的結(jié)構(gòu)。由此得到的織物即為水刺非織造布，又稱射流噴網(wǎng)成布。

水刺的典型工藝流程如圖1所示。纖維由各臺開包機喂入，經(jīng)開包機上的爬簾自由開松后落入開包機的稱斗中，不同組分的纖維按照配比稱量后同時落在輸送長簾上，一起進入粗開松工序，之后進入混棉箱混合。纖維從混棉箱輸出后，經(jīng)精開松、棉箱喂棉，形成均勻的筵棉層。筵棉進入梳理機進行梳理，形成均勻的纖網(wǎng)。纖網(wǎng)再經(jīng)交叉鋪網(wǎng)、牽伸、水刺固結(jié)后形成水刺非織造布。含有水分的水刺非織造布經(jīng)脫水、烘干、卷取，形成最終的水刺產(chǎn)品。

圖1 水刺典型工藝流程

2 影響水刺產(chǎn)品面密度均勻度的因素分析

水刺產(chǎn)品的面密度均勻度分縱向、橫向兩個指標，縱向(MD)為纖維的運動方向，橫向(CD)為產(chǎn)品的幅寬方向。由于水刺生產(chǎn)線設備多、流程長，影響水刺產(chǎn)品面密度均勻度的因素也多種多樣。

2.1 開清

纖維進入棉箱之前的工段都屬于開清，其主要作用是開松與混棉。開松程度和混棉均勻度影響最終產(chǎn)品的面密度均勻度。生產(chǎn)中，根據(jù)產(chǎn)品要求，往往需要將不同廠家、不同類別、不同規(guī)格的幾種纖維進行混合。如果纖維混合不勻，加上開松程度不足，則經(jīng)過棉箱后形成的筵棉層的質(zhì)量會存在波動，這不僅會對后道的梳理造成影響，也會影響最終產(chǎn)品的面密度均勻度。

2.2 棉箱

目前在水刺生產(chǎn)線上使用的棉箱多為氣壓棉箱。氣壓棉箱的特性包括：一是有先進的風道和靜壓結(jié)構(gòu)，風速更均勻；二是給棉板握持結(jié)構(gòu)始終保持一定的握持力，棉塊大小更均勻；三是上下棉箱均有PID連續(xù)喂棉控制。經(jīng)過充分開松的纖維在輸棉風機的作用下連續(xù)喂入氣壓棉箱的上棉箱，經(jīng)過給棉羅拉、棉箱打手后，纖維通過循環(huán)風機產(chǎn)生的氣流被均勻送至下棉箱，最后出棉羅拉和出棉簾將筵棉層均勻輸出[1]。作為水刺生產(chǎn)線中開清設備和成網(wǎng)設備之間的聯(lián)接設備，氣壓棉箱輸出的筵棉層的質(zhì)量均勻度會直接影響水刺產(chǎn)品的面密度均勻度。

2.3 梳理

梳理針布都是根據(jù)所用纖維選配的。如果所用纖維和針布不配套或者纖維因自身性質(zhì)特殊而可紡性差，則梳理過程中纖維不易從道夫上剝?nèi)?，從而造成返花及纖網(wǎng)不勻現(xiàn)象，進而影響面密度均勻度。

梳理過程中的凝聚比指的是道夫與第二凝聚輥之間的線速比。調(diào)整該凝聚比主要是改變纖維在纖網(wǎng)中的取向分布。凝聚比減小，則纖維沿纖網(wǎng)縱向分布的比例增加、沿橫向分布的比例減小，從而降低了纖網(wǎng)橫向的收縮應力，減小了纖網(wǎng)兩邊向中部收縮的程度，改變了纖網(wǎng)兩邊變輕的趨勢，達到降低面密度極差的目的。但凝聚比太小，纖網(wǎng)橫向的抱合力差，鋪網(wǎng)過程中容易產(chǎn)生鋪網(wǎng)痕跡。凝聚比還會影響最終水刺產(chǎn)品的縱橫向強力比。因此，合理調(diào)整凝聚比有利于水刺產(chǎn)品的面密度均勻。

2.4 鋪網(wǎng)

水刺生產(chǎn)線一般有三種配置，即直鋪、兩梳一鋪、雙梳雙鋪，后兩種配置均有交叉鋪網(wǎng)機和牽伸。

一般來說，現(xiàn)有的大部分交叉鋪網(wǎng)機采用兩小車、兩簾子的結(jié)構(gòu)。鋪網(wǎng)機在運行過程中小車換向之前必須先減速至零，然后反向再加速至全速。而前道梳理機一直以恒定速度喂入，鋪網(wǎng)簾也以相同速度恒定運行，這樣棉網(wǎng)橫向呈兩邊厚、中間薄，進而影響水刺產(chǎn)品的面密度均勻度。

2.5 加固卷取

加固卷取工藝對水刺產(chǎn)品面密度均勻度的影響主要有兩個方面：一是橫向水針壓力的影響，壓力不勻或漏針容易造成水刺非織造布的面密度及厚度不勻；二是水刺非織造布在各傳動部件之間所受張力的影響，張力過大則水刺非織造布兩側(cè)局部位置的纖維向中間位置集中，導致水刺非織造布幅寬變窄，兩側(cè)局部位置的面密度增加，而中間位置的面密度變化不大，因此面密度極差變大，影響水刺產(chǎn)品的面密度均勻度。

3 水刺產(chǎn)品面密度均勻度自動控制方案

基于以上對影響水刺產(chǎn)品的面密度均勻度的因素分析，可以通過調(diào)整設備、加強生產(chǎn)管理、改進工藝來改善水刺產(chǎn)品的面密度均勻度。然而生產(chǎn)中水刺生產(chǎn)線是高速連續(xù)運行的，還有很多不確定因素對水刺產(chǎn)品的面密度波動產(chǎn)生影響，需要及時發(fā)現(xiàn)并在線解決。實踐證明，實時監(jiān)測筵棉和水刺非織造布的面密度的變化情況，通過執(zhí)行機構(gòu)來控制單位時間內(nèi)喂入梳理機的筵棉的質(zhì)量及改善棉箱輸出的筵棉的厚度，可以有效調(diào)節(jié)水刺產(chǎn)品縱向和橫向的面密度均勻度，具體方案如下。

3.1 縱向面密度均勻度控制

水刺產(chǎn)品縱向的面密度均勻度控制如圖2所示。

圖2 開環(huán)控制

控制方式：開環(huán)控制。

檢測點：氣壓棉箱出棉之后，梳理機進棉之前。

檢測機構(gòu)：皮帶秤稱重傳感器或放射性密度檢測儀。

執(zhí)行機構(gòu)：變頻器及變頻電機。

被控對象：輸送筵棉進入梳理機的喂棉簾子及喂棉羅拉。

控制要點：檢測單位時間內(nèi)筵棉質(zhì)量的變化情況，把筵棉質(zhì)量變化的物理值轉(zhuǎn)化為4～20mA的模擬量信號并輸送給中央處理器；中央處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，然后通過運算將反饋的質(zhì)量變化值和參考質(zhì)量值做比較，延時一段時間后給出一個頻率調(diào)節(jié)值傳遞給變頻器；變頻器調(diào)節(jié)給棉簾子和給棉羅拉的速度，保證單位時間內(nèi)等量喂入。

3.2 橫向面密度均勻度控制

水刺產(chǎn)品橫向的面密度均勻度控制如圖3所示。

圖3 閉環(huán)控制

控制方式：閉環(huán)控制。

檢測點：進入卷繞機之前。

檢測機構(gòu)：面密度檢測儀。

執(zhí)行機構(gòu)：伺服驅(qū)動器及伺服電機。

被控對象：氣壓棉箱調(diào)風斗各區(qū)間的橫向距離。

控制要點：面密度檢測儀橫向掃描檢測水刺布各區(qū)間面密度的變化情況，檢測儀的傳感器把面密度變化的物理值轉(zhuǎn)化為4～20mA的模擬量信號并輸送給中央處理器；中央處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。參考筵棉幅寬方向的厚度平均值，中央處理器通過運算將得出的調(diào)節(jié)值傳達給各個區(qū)間對應的伺服驅(qū)動器；伺服驅(qū)動器調(diào)節(jié)調(diào)風斗各區(qū)間的橫向距離，保持橫向各區(qū)間筵棉厚度一致[2]。

4 改進交叉鋪網(wǎng)機的電氣控制方案

兩梳一鋪、雙梳雙鋪的水刺生產(chǎn)線均配有交叉鋪網(wǎng)機和牽伸機。對這兩種水刺產(chǎn)品的面密度均勻度的控制，還需要根據(jù)鋪網(wǎng)機和牽伸機對產(chǎn)品面密度均勻度的影響來制訂具體的自動控制方案。

針對鋪網(wǎng)機鋪疊的纖網(wǎng)兩邊厚、中間薄的形狀，改進的鋪網(wǎng)機電氣控制系統(tǒng)加入了儲網(wǎng)工藝。儲網(wǎng)工藝就是對鋪網(wǎng)小車、儲網(wǎng)小車相對運動的時間在程序上做一些調(diào)整。如圖4所示，正常運行過程中，鋪網(wǎng)小車速度V1是儲網(wǎng)小車速度的2倍。當兩小車相對運行至兩端時，上部儲網(wǎng)小車減速至零再換向然后加速的過程滯后于下部鋪網(wǎng)小車。這樣，在下部鋪網(wǎng)小車改變方向后從零開始加速至-V1的過程中，上部儲網(wǎng)小車在換向前可儲存適當長度的纖網(wǎng)(即圖中陰影部分),換向后再沿整個幅寬方向?qū)Υ娴睦w網(wǎng)均勻地釋放出來。為了補償纖網(wǎng)在牽伸及后續(xù)加固工序中因張力而導致的橫向收縮變形，在下部鋪網(wǎng)小車換向后的加速階段，控制纖網(wǎng)張力使纖網(wǎng)邊部的鋪放處于欠喂狀態(tài)。另外，鋪網(wǎng)機的電氣控制系統(tǒng)中還設置有PROFILE運動曲線，可以對鋪疊的纖網(wǎng)進行修飾。定義鋪網(wǎng)小車往復運行一個周期所走過的距離為一個行程，將該行程等分為N個區(qū)間，對這N個區(qū)間分別進行速度控制，這樣鋪放的纖網(wǎng)沿幅寬方向呈均勻過渡的中間厚、兩邊薄的形狀，類似于正弦曲線的波峰。通過這些控制方案的實施，顯著改善了水刺產(chǎn)品的面密度均勻度[3]。

圖4 鋪網(wǎng)機速度控制時序

5 結(jié)語

(1) 影響水刺產(chǎn)品面密度均勻度的因素很多，

喂入梳理機的筵棉質(zhì)量均勻度波動是水刺產(chǎn)品面密度均勻度波動的主要因素。

(2) 實時監(jiān)測喂入梳理機的筵棉質(zhì)量的變化，調(diào)節(jié)喂棉羅拉、喂棉簾子喂入筵棉的速度，可以有效調(diào)節(jié)水刺產(chǎn)品縱向的面密度均勻度。

(3) 實時監(jiān)測卷取前水刺布橫向面密度的變化，調(diào)節(jié)氣壓棉箱調(diào)風斗各區(qū)間的距離，進而調(diào)節(jié)喂入筵棉橫向各區(qū)間的厚度，可以有效調(diào)節(jié)水刺產(chǎn)品橫向的面密度均勻度。

(4) 通過在鋪網(wǎng)機電氣控制系統(tǒng)加入儲網(wǎng)工藝和設置PROFILE運動曲線，可以有效改善棉網(wǎng)兩邊厚、中間薄的分布趨勢，顯著提高水刺產(chǎn)品的面密度均勻度。

[1] 喬國志,閆新.自調(diào)勻整型氣壓棉箱喂棉機的研制[J].非織造布,2008,16(1):37-39.

[2] 郝景標.自調(diào)勻整系統(tǒng)在干法成網(wǎng)中的應用[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2001,19(5):20-22.

[3] 陳凱.開放式運動控制平臺的研究及其在高速交叉鋪網(wǎng)機中的應用[D].山東:山東大學,2007:27-29.

Analysis and automatic control on areal density evenness fluctuation factors of spunlaced products

TianNing

Hi-Tech Heavy Industry Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,China

Areal density evenness is a key index of physical properties of spunlaced nonwoven products,which has direct influences on the subsequent processing and end-uses of the products.Spunlace production line is characterized by a long flow as well as more equipment types and quantity,and the factors influencing areal density evenness of the products are also various.Several key factors influencing the areal density evenness of spunlaced products were analyzed,and the automatic control scheme to solve the problem was given.

nonwoven fabric,spunlace,areal density evenness,automatic,control

2016-06-17

田寧，男，1982年生，工程師，主要從事水刺生產(chǎn)線的電氣設計和非織造新產(chǎn)品電氣控制系統(tǒng)的開發(fā)工作

TS174.1，TS173.7

A

1004-7093(2016)08-0031-04