碳纖維原絲牽伸機(jī)的研制

遲玉斌 于素梅 徐 艷 朱延松

（江蘇鷹游紡機(jī)有限公司，江蘇連云港 222062）

1 牽伸機(jī)概述

牽伸機(jī)是貫穿碳纖維原絲紡絲全過(guò)程的一種必不可缺少的設(shè)備，其主要作用是在一定的條件下，在絲束軸向施以外力，把絲束中的單纖維拉細(xì)，提高取向度，使單纖維由低強(qiáng)、高伸的塑性狀態(tài)變?yōu)楦邚?qiáng)、低伸的彈性狀態(tài)。一臺(tái)牽伸機(jī)通常由5-9個(gè)牽伸輥組成一組，同一牽伸機(jī)組上的牽伸輥直徑相同、轉(zhuǎn)速相同，不同機(jī)組牽伸輥速度不同。前后兩道牽伸機(jī)構(gòu)之間的絲束，因牽伸輥表面速度的差異而被拉伸，通常，我們將后一組牽伸機(jī)構(gòu)牽伸輥與前一組牽伸機(jī)構(gòu)牽伸輥表面速度之比稱為牽伸倍數(shù)。在碳纖維原絲的干噴濕紡紡絲工藝過(guò)程中，由于經(jīng)過(guò)干燥致密化處理后的絲束在進(jìn)行第二次牽伸時(shí)，牽伸倍數(shù)大（約3-5倍）、速度高（達(dá)350m/min），所需的牽伸力也很大，故必須對(duì)牽伸輥進(jìn)行結(jié)構(gòu)和受力分析。

2 牽伸機(jī)組的設(shè)計(jì)

2.1 牽伸機(jī)組類型的確定

由于碳纖維原絲絲束的牽伸是利用各道牽伸機(jī)的輥筒表面的線速度的增加來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而拉伸過(guò)程中存在著打滑現(xiàn)象，因此，為了防止打滑，保持拉伸倍數(shù)的穩(wěn)定，必須提高牽伸輥對(duì)絲束的握持力。增加輥筒數(shù)目、增加絲束在輥筒上的包角及在牽伸輥的上方或下方增加壓輥都是增加握持力的途徑。目前，我們采用的是七輥牽伸機(jī)，包角為180°。為了方便繞絲，牽伸輥通常為密封型單端固定輥，即通常所說(shuō)的懸臂輥式牽伸機(jī)（如圖1所示）。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

2.2.1 干噴濕紡是生產(chǎn)高性能碳纖維T700的一種新型紡絲方法。其基本的工藝流程為（原液從聚合來(lái)）→干噴濕紡紡絲機(jī)→水洗機(jī)→熱水牽伸機(jī)→上油機(jī)→干燥機(jī)→送料牽伸機(jī)→蒸汽牽伸箱→出料牽伸機(jī)→原絲卷繞機(jī)。

2.2.2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

年生產(chǎn)能力：Q=5000 t/a

每天工作時(shí)間：t=24 h

工藝速度：V=350m/min

出料牽伸機(jī)進(jìn)絲束張力為：110N/ktex

出料牽伸機(jī)出絲張力為：35 N/ktex

總牽伸倍數(shù)：3倍

牽伸輥輥面寬度：1600mm

牽伸輥直徑：φ370 mm

牽伸輥排列：上三下四（共七輥）

2.2.3 確定牽伸旦數(shù)

依據(jù)年生產(chǎn)能力Q可計(jì)算出日生產(chǎn)能力q=Q/N

式中N—年開車天數(shù)，取N=330

q= Q/N=5000/330=15t/d

資料［1］計(jì)算日生產(chǎn)能力公式

式中V—工藝速度，V=350m/min

d—牽伸旦數(shù)

η1—機(jī)臺(tái)開車率，取η1=90%

η2—纖維收縮率，取η1=5%

T—每天工作時(shí)間，T=24h

2.3 主要零部件的設(shè)計(jì)

2.3.1 主機(jī)部件

包括傳動(dòng)箱體、傳動(dòng)軸、牽伸輥、齒輪等。

2.3.1.1 傳動(dòng)箱體

根據(jù)輥筒寬度確定箱體寬度，根據(jù)纖維工藝要求和輥筒排列尺寸確定箱體長(zhǎng)度，根據(jù)絲束進(jìn)出高度確定箱體高度。

箱體材料采用鋼板焊接，設(shè)有油標(biāo)、放油螺塞，箱體留有熱油循環(huán)的進(jìn)出口，箱體后蓋板為有機(jī)玻璃板，便于觀察。

2.3.1.2 傳動(dòng)軸：將動(dòng)力傳遞至箱體內(nèi)。傳動(dòng)齒輪與牽伸輥軸上齒輪有固定的傳動(dòng)比。

2.3.1.3 牽伸輥組件的設(shè)計(jì)和受力分析

2.3.1.3.1 牽伸輥組件結(jié)構(gòu)：牽伸輥多為懸臂式，也有采用雙支承式的，由于絲束紡速高達(dá)350m/min，考慮到實(shí)際操作和使用方便，選用懸臂式，通過(guò)雙列向心球面滾子軸承固定在箱體上（如圖2所示）。

圖2 牽伸困部結(jié)構(gòu)圖

2.3.1.3.2 牽伸機(jī)構(gòu)受力分析

在碳纖維原絲干噴濕紡整個(gè)工藝過(guò)程中，從送料牽伸機(jī)到出料牽伸機(jī)之間的牽伸倍數(shù)最大、出料牽伸機(jī)速度最高，其所受負(fù)載也最大，故在對(duì)牽伸輥進(jìn)行受力時(shí)，選擇出料牽伸機(jī)作為研究對(duì)象。圖3為出料七輥牽伸機(jī)構(gòu)的受力圖，絲束繞經(jīng)第一伸輥后，張力由T0逐漸減少到T1，繞經(jīng)第二輥后，張力減少為T2…，繞經(jīng)第七輥后，張力減少為T7，機(jī)構(gòu)中前面兩個(gè)牽伸輥受力較大，絲束與輥筒間伴有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。絲束的張力可用下列公式進(jìn)行計(jì)算，

圖3 七輥牽伸機(jī)受力圖

由已知條件可知：

出料牽伸機(jī)的進(jìn)絲張力T0，T0=35ktex×110N/ktex=3850 N

出料牽伸機(jī)的出絲張力T7，T7=35ktex×35N/ktex=1225N

由參考文獻(xiàn)［1］歐拉公式 T0=T7efα

式中T0—第一牽伸輥前的絲束張力

T7—第七牽伸輥后的絲束張力

e—自然對(duì)數(shù)的底（e=2.7818）

f—絲束與拉伸輥間的摩擦系數(shù)

α—包角

所 以 T0= T7ef6π， 即 3850=1225ef6π， 解 得f=0.06

2.3.1.3.3 牽伸輥的受力分析

牽伸輥筒可以看作懸臂梁，受到兩個(gè)張力和牽伸輥外伸部分的重量作用。

取牽伸輥筒外徑為φ370mm，內(nèi)孔為φ 340 mm，長(zhǎng)度為1600 mm，內(nèi)輥外徑為φ268mm，內(nèi)孔為φ189 mm，長(zhǎng)度為1400 mm，內(nèi)堵頭外徑為φ344mm，內(nèi)孔為φ268 mm，長(zhǎng)度為300 mm，則

牽伸輥外伸部分的重量G= G1+ G2+ G3=607.77（Kg）=5956 N

由以上各輥受力分析可知2#輥受力最大，合力P=G+ T1+ T2=12412 N

2.3.1.3.4 剛度樣核

牽伸輥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示，忽略齒輪的受力的牽伸輥上的摩擦力，軸的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化雙簡(jiǎn)支的外伸梁，如圖5所示。根據(jù)參考文獻(xiàn)［3］材料力學(xué)關(guān)于簡(jiǎn)單載荷作用下梁的變形得出牽伸軸外端面E點(diǎn)的撓度公式為：

式中P—牽伸輥所受合力，取P=12412N

a— 牽伸輥?zhàn)饔昧嘀c(diǎn)長(zhǎng)度，a=956mm；

b— 兩軸支座之間的跨距，b=669 mm；

X—牽伸輥懸臂長(zhǎng)度，X=1756 mm；

E—鋼的彈性，取E=210GPa;

圖4 牽伸輥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4 牽伸輥簡(jiǎn)支圖

2.3.1.3.5 強(qiáng)度樣核

牽伸輥可看作受彎扭組合的變形軸，下面就根據(jù)以上數(shù)據(jù)對(duì)其危險(xiǎn)截面B進(jìn)行強(qiáng)度樣核：

B處的彎矩MB=Pa=12412×956=11865872 Nmm；

牽伸軸的材料為45#調(diào)質(zhì)鋼，查文獻(xiàn)[2]表3.2-29，取 σb=590MPa，σs=345MPa，[σ] =180MPa。由以上計(jì)算所得的危險(xiǎn)截面應(yīng)力遠(yuǎn)小于所用材料的許用應(yīng)力，表明輥?zhàn)拥膹?qiáng)度足夠。

2.3.1.3.6 功率估算

分析計(jì)算牽伸機(jī)的功率，首先必須知道絲束的運(yùn)行速度，按下式求出所需的理論拉伸功率N0：

式中：T0，T7—進(jìn)出機(jī)器的絲束張力（kg）,

V—絲束的輸送速度（m/min）, V=350 m/min

所以出料牽伸機(jī)的牽伸理論功率N0，

式中：η—機(jī)械效率（取η=0.9）

NS—空車運(yùn)轉(zhuǎn)消耗的功率（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取NS=2.44kw）

設(shè)計(jì)時(shí)考慮絲束的張力、機(jī)械效率、空車運(yùn)轉(zhuǎn)功率和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、安全系數(shù)等，選取的電機(jī)功率22 kw。

2.3.2 潤(rùn)滑部件與密封裝置

2.3.2.1 潤(rùn)滑方式及潤(rùn)滑裝置的選擇

牽伸輥軸承及齒輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，采用集中油潤(rùn)滑，將儲(chǔ)存在箱體內(nèi)的潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)過(guò)濾后，通過(guò)油泵輸送到箱體側(cè)面的分配器，分配器通過(guò)油管將潤(rùn)滑油均勻分配至各軸承和齒輪，供油量充分可靠且易于控制，可帶走摩擦熱起到冷卻作用。

2.3.2.2 密封裝置的選擇

在潤(rùn)滑系統(tǒng)中，密封裝置是為了防止?jié)櫥瑒┬孤┎⒖勺柚雇獠侩s質(zhì)、灰塵和水分等侵入潤(rùn)滑部位。故好的密封可節(jié)約大量潤(rùn)滑劑，保證設(shè)備正常運(yùn)行，提高機(jī)器使用壽命。設(shè)計(jì)中，在牽伸輥軸與箱體、軸承座相連處采用了“O”形密封圈、唇形密封、迷宮密封等多種密封方式。

2.4 電氣控制

本機(jī)控制電路采用目前化纖設(shè)備廣泛采用的變頻控制技術(shù)。根據(jù)多年實(shí)際使用，控制精度高，調(diào)速方便，適合各種纖維的不同工藝速度要求。

3 總結(jié)

碳纖維原絲牽伸機(jī)是在吸收國(guó)內(nèi)外同類設(shè)備先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高精密的加工手段研制開發(fā)出來(lái)的。將其用于干噴濕紡紡絲線，經(jīng)有關(guān)碳纖維原絲生產(chǎn)廠家使用后表明，該設(shè)備性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為生產(chǎn)高性能T700級(jí)碳纖維提供了可靠保證。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉裕暄，陳人哲主編.紡織機(jī)械設(shè)計(jì)原理.紡織工業(yè)出版社.1984.

[2] 徐灝主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·1.機(jī)械工業(yè)出版社. 2000.

[3] 單輝祖主編.材料力學(xué)教程.國(guó)防工業(yè)出版社. 1982.