基于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的紡絲機(jī)械輥筒結(jié)構(gòu)研究

程 丹

(河南輕工職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，河南 鄭州 450000)

0 引言

纖維是三大高分子材料之一，在服裝、農(nóng)業(yè)、工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。由于市場(chǎng)對(duì)纖維的需求量越來越大，我國涌現(xiàn)了許多中小型纖維生產(chǎn)企業(yè)。但是由于設(shè)備結(jié)構(gòu)不合理，經(jīng)常會(huì)造成紡絲所得纖維的質(zhì)量達(dá)不到工藝要求。因此，對(duì)紡絲機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是十分重要的工作[4-8]。

紡絲機(jī)械的輥筒是對(duì)纖維絲束進(jìn)行牽引的裝置，在很大程度上決定了纖維絲束的直徑及其是否存在缺陷，并且會(huì)進(jìn)一步影響纖維的力學(xué)性能。輥筒的設(shè)計(jì)通常有幾大原則，例如：輥筒的壁厚過大，會(huì)由于其重力對(duì)零件產(chǎn)生壓迫進(jìn)而導(dǎo)致零件變形，而過小又會(huì)由于外力作用導(dǎo)致滾筒變形；輥?zhàn)虞S頭直徑突變部位是輥筒的力學(xué)危險(xiǎn)截面，其粗糙度會(huì)對(duì)輥筒的使用性能造成影響；輥筒的軸頭和輥?zhàn)优浜系拇植诙纫矔?huì)影響到輥筒的使用性能；在不同的轉(zhuǎn)速下輥筒的平衡要求各不相同，因此對(duì)輥筒的形狀要求也不同[9-12]。以上所提到的輥筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不僅影響輥筒的使用性能，而且在牽引下所得的纖維絲束的性能也會(huì)受到相應(yīng)的影響。

本文以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephtalete,PET)纖維紡絲為研究目標(biāo)，對(duì)輥筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；基于田口法對(duì)不同的輥筒結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行優(yōu)化，研究每一種因素對(duì)PET纖維絲束性能的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)輥筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

PET的牌號(hào)為CB-602，熔點(diǎn)為250 ℃，固有黏度為0.8 dl/g，含水量<0.4%。

1.2 輥筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的輥筒結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輥筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the roller

該設(shè)計(jì)中：齒輪材料為Cr40；滾筒套、板筋和擋邊用于支撐輥筒；輥筒套與輥筒之間采用U型焊接；輥筒與軸承鍵接，并進(jìn)行螺釘固定；軸承右端設(shè)計(jì)2套密封結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)螺母固定套，利用固定套和軸肩進(jìn)行定位；軸承套上設(shè)計(jì)孔洞，以滿足軸承潤(rùn)滑要求。

2 結(jié)果與討論

2.1 輥筒壁厚的影響

本文首先研究了輥筒壁厚的對(duì)PET纖維絲束質(zhì)量的影響。輥筒壁厚對(duì)纖維質(zhì)量的影響如表1所示。

表1 輥筒壁厚對(duì)纖維質(zhì)量的影響Tab.1 Effect of roller wall thickness on fiber quality

若輥?zhàn)虞S頭直徑突變部位粗糙度、輥筒的軸頭和輥?zhàn)优浜洗植诙葹?.2 Ra，輥筒為形狀不變的圓筒型且長(zhǎng)徑比為3.0，由表1可知，隨著輥筒壁厚的逐漸增加，所制備的PET纖維的直徑先降低后增加。當(dāng)輥筒壁厚分別為3.0 mm和4.0 mm時(shí)，相應(yīng)的纖維直徑為5 μm和6 μm，且所制備的纖維均不存在微裂紋等缺陷，纖維直徑均一性高。而當(dāng)輥筒壁厚小于3.0 mm或大于4.0 mm時(shí)，所制備的纖維直徑分別為7 mm和6～8 mm，且纖維中存在微裂紋等缺陷，纖維不同部位的直徑存在不均一的現(xiàn)象。該現(xiàn)象主要是由于輥筒壁厚較薄，纖維束纏繞在輥筒上對(duì)輥筒造成壓力，使輥筒容易發(fā)生變形，對(duì)紡絲過程和纖維質(zhì)量造成影響；而輥筒壁厚較厚時(shí)，輥筒本身重力較大，會(huì)對(duì)紡絲機(jī)械造成影響，進(jìn)而影響紡絲過程和纖維質(zhì)量。

2.2 輥?zhàn)虞S頭直徑突變部位粗糙度的影響

輥?zhàn)虞S頭直徑突變部位粗糙度對(duì)纖維質(zhì)量的影響如表2所示。

表2 輥?zhàn)虞S頭直徑突變部位粗糙度對(duì)纖維質(zhì)量的影響Tab.2 Effect of roughness of abrupt change of roller head diameter on fiber quality

若輥筒壁厚為3.0 mm、輥筒的軸頭和輥?zhàn)优浜洗植诙葹?.2 Ra,輥筒為形狀不變的圓筒型，且長(zhǎng)徑比為3.0，所制備的PET纖維的直徑隨輥?zhàn)虞S頭直徑突變部位粗糙度的增加而逐漸增大。當(dāng)輥?zhàn)虞S頭直徑突變部位粗糙度為3.0 Ra和3.2 Ra時(shí)，相應(yīng)纖維直徑均為5 μm，且纖維無微裂紋等缺陷，不同部位直徑具有較好的均一性。當(dāng)輥?zhàn)虞S頭直徑突變部位粗糙度大于3.2 Ra后，纖維的直徑出現(xiàn)了明顯的升高，而且纖維出現(xiàn)了微裂紋，不同部位直徑的均一性也不同。模擬結(jié)果表明，較低的輥?zhàn)虞S頭直徑突變部位粗糙度更有利于制備出質(zhì)量?jī)?yōu)異的PET纖維，而且粗糙度最大不能超過3.2 Ra。

2.3 輥筒的軸頭和輥?zhàn)优浜洗植诙鹊挠绊?/h3>

輥筒的軸頭和輥?zhàn)优浜蠈?duì)纖維質(zhì)量的影響如表3所示。若輥筒壁厚為3.0 mm，輥?zhàn)虞S頭直徑突變部位粗糙度為3.2 Ra、輥筒形狀保持為圓筒型且長(zhǎng)徑比為3.0，所制備的PET纖維的直徑隨輥?zhàn)虞S頭直徑突變部位粗糙度增加而逐漸增大。當(dāng)輥?zhàn)虞S頭直徑突變部位粗糙度為3.0 Ra和3.2 Ra時(shí)，相應(yīng)纖維直徑均為5 μm，且纖維無微裂紋等缺陷，不同部位直徑具有較好的均一性。當(dāng)輥?zhàn)虞S頭直徑突變部位粗糙度大于3.2 Ra后，纖維的直徑出現(xiàn)了明顯的升高，且纖維出現(xiàn)了微裂紋，不同部位直徑的均一性也不同。模擬結(jié)果表明，較低的輥筒的軸頭和輥?zhàn)优浜洗植诙雀欣谥苽涑鲑|(zhì)量?jī)?yōu)異的PET纖維，而且粗糙度最大不能超過3.2 Ra。

表3 輥筒的軸頭和輥?zhàn)优浜蠈?duì)纖維質(zhì)量的影響Tab.3 Effect of roller head and roll fit on fiber quality

2.4 輥筒形狀的影響

本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的輥筒皆為圓柱形輥筒，對(duì)其長(zhǎng)徑比進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)一步研究了在60 r/min的轉(zhuǎn)速下，細(xì)長(zhǎng)型和短粗型輥筒對(duì)PET纖維紡絲過程及紡絲質(zhì)量的影響。輥筒形狀對(duì)纖維質(zhì)量的影響如表4所示。

表4 滾筒形狀對(duì)纖維質(zhì)量的影響Tab.4 Effect of drum shape on fiber quality

如表4所示，隨著輥筒長(zhǎng)徑比由2.6增加至3.0，所制備的PET纖維的直徑逐漸降低，由8 μm降低至5 μm；而且在輥筒的長(zhǎng)徑比較低(2.6～2.8)的情況下，所紡出的纖維具有微裂紋，且不同部位直徑均一性差；但當(dāng)輥筒的長(zhǎng)徑比較高(2.9～3.0)時(shí)，所紡出的纖維質(zhì)量較高，不存在微裂紋等缺陷，且單根纖維不同部位直徑的均一性良好。以上結(jié)果說明，當(dāng)輥筒轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，細(xì)長(zhǎng)型的輥筒更有利于制備出質(zhì)量較高的PET纖維。

2.5 紡絲試驗(yàn)研究

以上仿真結(jié)果表明，當(dāng)輥筒壁厚為3.0 mm、輥?zhàn)虞S頭直徑突變部位粗糙度為3.2 Ra、輥筒的軸頭和輥?zhàn)优浜洗植诙葹?.2 Ra、輥筒形狀為細(xì)長(zhǎng)型圓筒狀、長(zhǎng)徑比為3.0時(shí)，所紡出的PET纖維的質(zhì)量最好。為了對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，本文進(jìn)行了10組紡絲試驗(yàn)。紡絲試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 紡絲試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of spinning experiment

紡絲試驗(yàn)結(jié)果表明，仿真結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度。10組試驗(yàn)所紡出的PET纖維均不存在微裂紋缺陷，而且均一性較好。10組纖維的直徑為4.96～5.04 μm，最小的誤差為0，最大誤差僅為0.8%，標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.02 μm。該試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步說明：通過對(duì)輥筒結(jié)構(gòu)的仿真優(yōu)化，所設(shè)計(jì)的輥筒結(jié)構(gòu)較適用于PET纖維的紡絲。

3 結(jié)論

本文通過計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)PET纖維紡絲機(jī)械輥筒進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到如下結(jié)論。

①輥筒壁厚增加，纖維直徑先降低后增加。當(dāng)壁厚為3.0 mm和4.0 mm時(shí)，所制備的纖維均不存在微裂紋等缺陷，纖維直徑均一性高。

②輥?zhàn)虞S頭直徑突變部位粗糙度不宜超過3.2 Ra。當(dāng)粗糙度為3.0 Ra和3.2 Ra時(shí)，相應(yīng)纖維無微裂紋等缺陷，不同部位直徑具有較好的均一性。

③輥筒的軸頭和輥?zhàn)优浜洗植诙炔灰顺^3.2 Ra。當(dāng)粗糙度為3.0 Ra和3.2 Ra時(shí)，相應(yīng)纖維無微裂紋等缺陷，不同部位直徑具有較好的均一性。

④輥筒形狀為細(xì)長(zhǎng)型圓筒狀。當(dāng)長(zhǎng)徑比為3.0時(shí)，所紡出的PET纖維的直徑較為均一，且纖維不存在缺陷。

⑤仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度較高，且優(yōu)化后的輥筒結(jié)構(gòu)更適于紡出高質(zhì)量的PET纖維。

通過計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)紡絲機(jī)械輥筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，具有高效、精準(zhǔn)的特性，本研究方法能夠廣泛應(yīng)用于其他纖維紡絲的器械結(jié)構(gòu)優(yōu)化。