新型納米纖維離心紡絲紡紗機(jī)的設(shè)計

江勵，施冒栩，巫瑩柱，徐文杰，林少佳，蔡澤波

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新型納米纖維離心紡絲紡紗機(jī)的設(shè)計

江勵1，施冒栩1，巫瑩柱2，徐文杰1，林少佳1，蔡澤波1

（1.五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2.五邑大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，廣東 江門 529020）

針對既有納米纖維離心紡絲機(jī)采集不方便、運(yùn)行效率低、不能連續(xù)生產(chǎn)的缺陷，通過優(yōu)化設(shè)計，改進(jìn)了離心紡絲機(jī)的收集方式，增強(qiáng)了離心紡絲紡紗機(jī)的采集效果；增加了PLC自動控制系統(tǒng)，提高了納米纖維離心紡絲紡紗機(jī)的自動化程度，實(shí)現(xiàn)了離心紡絲紡紗機(jī)的連續(xù)性生產(chǎn).

納米纖維膜；離心紡絲；水醇分離

納米纖維離心紡絲紡紗機(jī)是一種新型的生產(chǎn)納米纖維膜的設(shè)備，由其制備的納米纖維膜可以運(yùn)用在車用無水乙醇中的水和醇的分離，從而提高車用無水乙醇的純度，降低人類對石油資源的依賴程度[1]. 離心紡織法是通過高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)離心力的帶動，將制備纖維膜的高分子溶液通過小孔甩出來并形成纖維，其主要應(yīng)用有高分子離心溶液紡絲、高分子熔融離心紡絲[2]和靜電離心紡絲. 由于離心紡絲制備納米纖維具有設(shè)備簡單、成本較低等生產(chǎn)優(yōu)勢，故該方法逐漸取代靜電紡絲法而成為納米纖維膜的主要制備方法. 但是，既有離心紡絲機(jī)存在幾大主要缺陷：1）不能連續(xù)采集制品；2）自動化程度低、生產(chǎn)效率低. 鑒于此，本文對既有離心紡絲機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，改進(jìn)了離心紡絲機(jī)的收集方式，開發(fā)了具有連續(xù)生產(chǎn)能力的自動離心紡絲設(shè)備.

1 既有離心紡絲機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

離心紡絲法最早由James P. Hooper提出，并于1924年獲得美國專利授權(quán)[3]，目前相關(guān)的離心紡絲技術(shù)的研究還處于實(shí)驗階段. 我校教師參與研制的第一代離心紡絲機(jī)[4]，其結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖如圖1所示.

a.模型圖 b.實(shí)物圖

在圖1-a中，最上邊的圓盤結(jié)構(gòu)為離心紡絲機(jī)的收集裝置，紡絲溶液裝在與下端電機(jī)連接的離心杯中. 一代機(jī)離心紡絲的原理是：在高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)的帶動下，溶液從離心杯的微孔甩出來，落在收集的容器成纖維膜. 可以看到：第一代設(shè)備采集比較麻煩，甩出來的納米纖維膜需要人工進(jìn)行采集，生產(chǎn)效率比較低，不能實(shí)現(xiàn)納米纖維膜的連續(xù)性生產(chǎn)；電機(jī)的轉(zhuǎn)速需通過手動電位器調(diào)節(jié)，且不能精確顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速. 基于這些問題，我們對一代機(jī)的設(shè)計方案進(jìn)行了改進(jìn).

2 新型納米纖維離心紡絲紡紗機(jī)的設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)代設(shè)計方法[5]，本文對第一、第二代離心紡絲機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，得到如圖2所示的第三代離心機(jī). 我們的主要設(shè)計體現(xiàn)在：1）在離心發(fā)生部分，采用控制器mach3軟件對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了無極平滑的精準(zhǔn)調(diào)控；修改了纖維采集的方式，通過電機(jī)倒置使得收集器具倒置，使纖維收集由上收集變?yōu)橄率占?，以方便收集器具的更換，使連續(xù)收集成為可能；2）采用PLC實(shí)現(xiàn)對納米纖維膜制備和采集的連續(xù)控制，并通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互.

圖2 第三代離心機(jī)模型圖

2.1 離心發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

離心發(fā)生器如圖3所示，其中，1是容器，作用是儲存氣泵產(chǎn)生的氣體，使容器內(nèi)維持一定的壓力；2是氣泵，作用是將環(huán)境空氣壓縮并儲存在容器里；3是直流電機(jī)，它是離心紡絲紡紗機(jī)的主動件，作用是將制備納米纖維膜的溶液從離心杯中甩出去；4是離心杯，作用是存儲離心紡絲紡紗的原溶液，并使溶液成型成某一規(guī)格的納米纖維；5是透氣板，容器1里的氣體通過透氣板上均勻排布的小孔向下面吹氣，拉伸被甩出的纖維，并防止其在空中產(chǎn)生回彈；6是支撐架，作用是支撐和固定整個離心發(fā)生器.

圖3 離心發(fā)生器爆炸圖

2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.2.1 PLC控制設(shè)計

由于本設(shè)備需要控制的端口較少，我們選擇三菱FX1S-30MT型號PLC，其I/O分配如表1所示，接線布局如圖4所示.

表1 PLC的I/O分配列表

圖4 PLC接線圖

PLC控制可分為手動模式和自動模式，其中手動模式有兩部分，主要用于調(diào)試或者維修. 自動模式的操作方法為：按下自動啟動，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)收集盤被傳送帶傳送到靠近接近開關(guān)1（）時，氣缸1前進(jìn)（），收集盤繼續(xù)在傳送帶的帶動下前進(jìn)；被氣缸1擋住后，直流電機(jī)開始運(yùn)行，溶液在留心力的作用下被甩出來并在氣泵氣流的作用下被進(jìn)一步拉伸. 一段時間過后（這個時間間隔由實(shí)際的調(diào)試決定），直流電機(jī)停止運(yùn)行，氣缸1后退（），收集盤在傳送帶的作用下前進(jìn)，并到達(dá)接近接近開關(guān)2（），最后被氣缸2擋住以采集纖維膜；當(dāng)我們拿走收集盤，接近開關(guān)3會檢測到收集盤被拿走，此時檢查指示燈會亮.

2.2.2 觸摸屏設(shè)計

觸摸屏的人機(jī)交互界面可方便工作人員直觀操作設(shè)備、實(shí)時了解生產(chǎn). 綜合考慮成本及操作，本設(shè)計采用三菱GT1050觸摸屏. 本文設(shè)計的人機(jī)界面如圖5所示，界面分為3部分：1）左邊，模式選擇和停開關(guān)選擇，其中X0000代表手動模式，X0001代表自動模式，X0002代表開關(guān)為開，X0003代表開關(guān)為關(guān)；2）右上角，手動模式的狀態(tài)區(qū)域，包括步進(jìn)電機(jī)手動開/關(guān)、直流電機(jī)的手動開/關(guān)、氣缸1前進(jìn)/后退和氣缸2前進(jìn)/后退4部分；3）右下角，顯示狀態(tài)區(qū)域，可顯示步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、氣缸1和氣缸2是否運(yùn)行，若運(yùn)行則相應(yīng)的燈亮，否則就一直顯示黑色.

圖5 人機(jī)界面布置圖

3 電機(jī)的調(diào)速與控制試驗

本文設(shè)備能否正常工作主要取決于高速直流電機(jī)的調(diào)速能否實(shí)現(xiàn)，我們對該功能進(jìn)行了驗證，并對電機(jī)調(diào)速的軟件界面進(jìn)行設(shè)置，具體如圖6所示. 試驗結(jié)果表明，該直流電機(jī)能夠較好完成離心紡絲的調(diào)速任務(wù).

圖6 電機(jī)調(diào)速的軟件參數(shù)設(shè)置

4 結(jié)論

相對于傳統(tǒng)的納米纖維制備方法，離心紡絲法成本低、產(chǎn)量高、原料適用性廣、工藝參數(shù)可調(diào)可控，這些優(yōu)勢不僅為納米纖維的制備提供了一種新的途徑，也使得離心紡絲技術(shù)本身具有廣闊的應(yīng)用前景. 本文設(shè)計改造了既有離心紡絲設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了離心紡絲的連續(xù)生產(chǎn)和收集，并通過由PLC和觸摸屏組成的控制系統(tǒng)進(jìn)行了自動化的生產(chǎn)控制，為該技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索.

[1] 丁彬，俞建勇. 靜電紡絲與納米纖維[M]. 北京：中國紡織出版社，2011.

[2] 劉勇，李秀紅，何紅，等. 一種新型的離心熔體靜電紡絲裝置：201410326257.6 [P]. 2014-07-10.

[3] 朱蘇康. 機(jī)織學(xué)[M]. 北京：中國紡織出版社，2006.

[4] 巫瑩柱，陳水挾，王禹，等. 一種微納米纖維離心紡絲裝置：203782285U [P]. 2014-08-20.

[5] 王安麟，姜濤，劉廣軍. 現(xiàn)代設(shè)計方法[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009.

[責(zé)任編輯：熊玉濤]

Mechanical Design of a New Centrifugal Type Spinning Machine

JIANGLi1, SHIMao-xu1, WUYing-zhu2, XUWen-jie1, LINShao-jia1, CAIZe-bo1

(School of Mechanical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

The traditional nano-fibers centrifugal spinning machine has a number of shortcomings like poor nano-fibers collection and low running efficiency. By optimizing the design, the collection of the centrifugal spinning machine is improved and the acquisition effect is enhanced. Also a PLC automatic control system is added to improve the automation degree of the nano fiber centrifugal spinning machine and realize the continuous production of the centrifugal spinning machine.

nanometer fibers; centrifugal type spinning; water/alcohol separation

1006-7302（2016）02-0066-04

TP242

A

2015-12-28

五邑大學(xué)青年基金資助項目（30922010）

江勵（1984—），男，湖北黃石人，講師，博士，主要從事機(jī)械設(shè)計制造、機(jī)器人等研究.