特種纖維氣流成網(wǎng)機(jī)塵籠結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

王　莉，李丹丹，楊建成

(天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：天津　300387)

0　引言

非織造布是紡織工業(yè)發(fā)展的一個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域，是被看好的發(fā)展方向，全國(guó)已有多個(gè)行業(yè)參與了非織造布產(chǎn)業(yè)的研發(fā)和生產(chǎn)[1]。非織造布產(chǎn)品以其原料使用面廣、工藝流程短、生產(chǎn)效率高和產(chǎn)品使用廣泛的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越被市場(chǎng)所認(rèn)知。

傳統(tǒng)的非織造成網(wǎng)方式產(chǎn)量低、成網(wǎng)不均勻、各向受力不均衡，主要適用于長(zhǎng)纖維成網(wǎng)[2]。然而對(duì)于一些特殊短纖維(如麻纖維、竹纖維、玻璃纖維、碳纖維等短纖維)，傳統(tǒng)非織造布制造方法很難達(dá)到理想的效果；針對(duì)特殊短纖維的特性，采用優(yōu)化的氣流成網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)梳理機(jī)構(gòu)作用，將混合態(tài)的多纖維團(tuán)梳理均勻，最終形成質(zhì)地均勻的復(fù)合纖維網(wǎng)。與傳統(tǒng)成網(wǎng)方式不同的是，氣流成網(wǎng)是采用空氣流輸送纖維，使纖維呈無(wú)序雜亂排列的均勻纖維網(wǎng)，提高纖維網(wǎng)的各向同性[3]。也就是說(shuō)，纖維網(wǎng)不管在哪個(gè)方向都具有相同的抗拉伸或抗剪切的強(qiáng)度和剛度，所以，氣流成網(wǎng)機(jī)已成為非織造布成網(wǎng)設(shè)備的一個(gè)重要研究方向。因?yàn)樵诜强椩焐a(chǎn)中成網(wǎng)是關(guān)鍵工序之一，所以對(duì)成網(wǎng)機(jī)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)及分析將為非織造布?xì)饬鞒删W(wǎng)裝置的研制奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和仿真基礎(chǔ)，并為關(guān)鍵構(gòu)件的材料選擇提供了理論依據(jù)[4]。

1　塵籠功能原理

成網(wǎng)機(jī)構(gòu)主要由塵籠和位于塵籠上方的壓輥組成，氣流成網(wǎng)機(jī)的成網(wǎng)機(jī)構(gòu)基本由上下塵籠、風(fēng)道和風(fēng)機(jī)等組成。塵籠的作用是將散棉凝聚成為棉層，并清除其中的細(xì)小雜質(zhì)，工作過(guò)程中風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶著氣流沿風(fēng)道流動(dòng)，在塵籠表面形成負(fù)壓，將散棉凝聚在塵籠表面，形成棉層；細(xì)小雜質(zhì)進(jìn)入塵籠，通過(guò)風(fēng)道、風(fēng)機(jī)進(jìn)入塵室。

本次設(shè)計(jì)的塵籠結(jié)構(gòu)(如圖1所示)簡(jiǎn)單、機(jī)械性能穩(wěn)定可靠、運(yùn)行平穩(wěn)、操作維護(hù)簡(jiǎn)便，吸風(fēng)系統(tǒng)屬于低負(fù)壓配置，耗能極少；在傳動(dòng)過(guò)程中為了減小振動(dòng)和提高性能，塵籠采用的外支撐方式如圖2所示。塵籠通過(guò)4個(gè)支撐輪支撐，通過(guò)調(diào)節(jié)支撐輪可以更換不同規(guī)格的塵籠。

圖1　塵籠的三維構(gòu)造模型

1—支撐輪；2—機(jī)架；3—塵籠；4—嚙合齒輪。圖2　塵籠的支撐方式

2　塵籠主要參數(shù)設(shè)計(jì)與氣流特性分析

2.1　塵籠參數(shù)設(shè)計(jì)

塵籠表面有按一定規(guī)律排列的小孔，采用產(chǎn)生負(fù)壓的風(fēng)機(jī)從塵籠一端或兩端自內(nèi)腔抽出空氣。小孔分布規(guī)律用沿圓柱體母線成列的圓孔中心之間的距離為S1和沿圓柱體圓周成行的圓孔中心之間的距離為S2來(lái)表示，如圖3所示。

圖3　塵籠小孔的幾何尺寸

為了保證最大量的氣流以最小的壓力損失通過(guò)小孔，必須有最大的有效面積，即小孔占有的面積w0=zπd2/4。式中d為小孔直徑，z為小孔數(shù)。

(1)

2.2　塵籠空氣力學(xué)特征研究

2.2.1塵籠內(nèi)部壓力確定

為了選擇或者設(shè)計(jì)風(fēng)扇，就必須知道工作流量Qz和漏吸流量QⅡp以及二者構(gòu)成的總流量Q。工作壓力p(真空度)取決于塵籠本身的壓力損失Δp，在無(wú)單獨(dú)風(fēng)扇情況下又取決于使氣動(dòng)輸送前段得以工作的外部壓頭pBH。壓頭對(duì)產(chǎn)生空氣的運(yùn)動(dòng)速度同樣是必要的，因此全部壓頭總和由式(2)確定。

p=pBH+Δp+pu2/2

(2)

式(2)中：

u——在氣流的任意截面內(nèi)最大的空氣平均速度。

對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的塵籠，壓力損失Δp有經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)B.A.什拉勃什臺(tái)因的研究，塵籠的阻力按式(3)來(lái)確定：

Δp=3.8(Q×10-8)1.5

(3)

式(3)中：

Q——漏吸的總氣體流量，m3/h。

圖4是塵籠阻力和總氣體流量關(guān)系曲線，在塵籠總的阻力中，特別是當(dāng)其高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，氣流流經(jīng)多孔塵籠的阻力損失占比最大。在小孔中氣流的速度為u0，沿塵籠表面的過(guò)境氣流速度為uГP，以及這些速度與塵籠回轉(zhuǎn)速度之比都是重要的空氣動(dòng)力特性。這些速度既和成網(wǎng)時(shí)塵籠的工作狀況有關(guān)，又和塵籠的阻力有關(guān)。

圖4　塵籠阻力與總氣體流量關(guān)系

2.2.2塵籠氣流特性參數(shù)建立

成卷狀態(tài)或壓力損失都取決于小孔中氣流的速度，對(duì)成卷狀態(tài)存在兩種形式：一是在塵籠整個(gè)工作表面呈楔狀纖維層；二是直接在塵籠輸出區(qū)形成棉卷。在小孔上面氣流橫向吹纖維的作用力，是促使纖維固定在塵籠表面上的主要力，力F由式(4)給出：

F=kmCXddBρu0

2/2

(4)

式(4)中：

k——纖維與塵籠表面之間的摩擦因數(shù)；

m——一根纖維所覆蓋的小孔數(shù)；

CX——纖維束的空氣阻力系數(shù)；

d——小孔直徑，mm；

dB——纖維直徑，mm；

ρ——空氣密度；

u0——小孔的氣流平均速度。

根據(jù)工作流量Q(無(wú)漏流)和滾筒工作區(qū)的小孔總面積來(lái)確定通過(guò)小孔的氣流平均速度u0，u0由式(5)給出。

u0=Q/w0′

(5)

πzd2α/(4×360)

(6)

當(dāng)小孔內(nèi)的氣流速度為2 m/s～3 m/s時(shí)，纖維輕微地貼向塵籠表面，在上述諸力的作用下沿滾筒表面移動(dòng)，此時(shí)成網(wǎng)可直接發(fā)生在輸出段附近。

過(guò)高的氣流速度u0會(huì)引起纖維變形，纖維彎曲后進(jìn)入小孔使彎曲剛性被破壞；這樣的變形導(dǎo)致纖維損傷并使棉網(wǎng)在其輸出區(qū)域內(nèi)難以與塵籠分離。纖維開(kāi)始被壓入小孔時(shí)的氣流速度稱為臨界速度uKP，為了確定uKP，曾用0.167 tex棉纖維、0.333 tex聚酯纖維和0.435 tex羊毛進(jìn)行試驗(yàn)，在孔徑為1 mm～5 mm穿孔板上鋪放的纖維集合體(每種10～20根纖維)吹放氣流，并確定纖維開(kāi)始被吸入小孔時(shí)的速度uKP。

uKP與小孔尺寸有關(guān)，對(duì)棉纖維而言，具有式(7)規(guī)定的曲線形式：

uKP=156[exp(-0.88d)]+6.3

(7)

式(7)中：

uKP——臨界速度，m/s；

d——小孔直徑，mm。

非棉纖維的臨界速度，可在比較彎曲剛度基礎(chǔ)上進(jìn)行評(píng)定。B=EHIB，式中：EH為纖維抗彎彈性模數(shù)；IB為纖維的慣性矩，約等于0.05dB

4。大多數(shù)纖維的抗彎彈性模數(shù)比拉伸彈性模數(shù)小20%～40%。圖5為纖維的剛性B和任何纖維的臨界速度對(duì)棉纖維的臨界速度之比值間的關(guān)系。為了使塵籠可靠工作，通過(guò)計(jì)算得出小孔中的氣流速度應(yīng)小于2uKP/3。

圖5　小孔中氣流的臨界速度比值與纖維剛性的關(guān)系

3　結(jié)論

3.1提出了一種特種纖維氣流成網(wǎng)機(jī)的塵籠結(jié)構(gòu)，能有效的解決氣流不均勻、成網(wǎng)不均勻等問(wèn)題。

3.2建立了塵籠的空氣力學(xué)模型，確定了小孔氣流速度和臨界氣流速度的關(guān)系以及塵籠結(jié)構(gòu)上的最佳小孔數(shù)，保證塵籠正常工作。