碳纤维原丝牵伸机的研制

迟玉斌 于素梅 徐 艳 朱延松

（江苏鹰游纺机有限公司，江苏连云港 222062）

1 牵伸机概述

牵伸机是贯穿碳纤维原丝纺丝全过程的一种必不可缺少的设备，其主要作用是在一定的条件下，在丝束轴向施以外力，把丝束中的单纤维拉细，提高取向度，使单纤维由低强、高伸的塑性状态变为高强、低伸的弹性状态。一台牵伸机通常由5-9个牵伸辊组成一组，同一牵伸机组上的牵伸辊直径相同、转速相同，不同机组牵伸辊速度不同。前后两道牵伸机构之间的丝束，因牵伸辊表面速度的差异而被拉伸，通常，我们将后一组牵伸机构牵伸辊与前一组牵伸机构牵伸辊表面速度之比称为牵伸倍数。在碳纤维原丝的干喷湿纺纺丝工艺过程中，由于经过干燥致密化处理后的丝束在进行第二次牵伸时，牵伸倍数大（约3-5倍）、速度高（达350m/min），所需的牵伸力也很大，故必须对牵伸辊进行结构和受力分析。

2 牵伸机组的设计

2.1 牵伸机组类型的确定

由于碳纤维原丝丝束的牵伸是利用各道牵伸机的辊筒表面的线速度的增加来实现的，而拉伸过程中存在着打滑现象，因此，为了防止打滑，保持拉伸倍数的稳定，必须提高牵伸辊对丝束的握持力。增加辊筒数目、增加丝束在辊筒上的包角及在牵伸辊的上方或下方增加压辊都是增加握持力的途径。目前，我们采用的是七辊牵伸机，包角为180°。为了方便绕丝，牵伸辊通常为密封型单端固定辊，即通常所说的悬臂辊式牵伸机（如图1所示）。

2.2 设计参数的确定

2.2.1 干喷湿纺是生产高性能碳纤维T700的一种新型纺丝方法。其基本的工艺流程为（原液从聚合来）→干喷湿纺纺丝机→水洗机→热水牵伸机→上油机→干燥机→送料牵伸机→蒸汽牵伸箱→出料牵伸机→原丝卷绕机。

2.2.2 设计基础

年生产能力：Q=5000 t/a

每天工作时间：t=24 h

工艺速度：V=350m/min

出料牵伸机进丝束张力为：110N/ktex

出料牵伸机出丝张力为：35 N/ktex

总牵伸倍数：3倍

牵伸辊辊面宽度：1600mm

牵伸辊直径：φ370 mm

牵伸辊排列：上三下四（共七辊）

2.2.3 确定牵伸旦数

依据年生产能力Q可计算出日生产能力q=Q/N

式中N—年开车天数，取N=330

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

资料［1］计算日生产能力公式

式中V—工艺速度，V=350m/min

d—牵伸旦数

η1—机台开车率，取η1=90%

η2—纤维收缩率，取η1=5%

T—每天工作时间，T=24h

2.3 主要零部件的设计

2.3.1 主机部件

包括传动箱体、传动轴、牵伸辊、齿轮等。

2.3.1.1 传动箱体

根据辊筒宽度确定箱体宽度，根据纤维工艺要求和辊筒排列尺寸确定箱体长度，根据丝束进出高度确定箱体高度。

箱体材料采用钢板焊接，设有油标、放油螺塞，箱体留有热油循环的进出口，箱体后盖板为有机玻璃板，便于观察。

2.3.1.2 传动轴：将动力传递至箱体内。传动齿轮与牵伸辊轴上齿轮有固定的传动比。

2.3.1.3 牵伸辊组件的设计和受力分析

2.3.1.3.1 牵伸辊组件结构：牵伸辊多为悬臂式，也有采用双支承式的，由于丝束纺速高达350m/min，考虑到实际操作和使用方便，选用悬臂式，通过双列向心球面滚子轴承固定在箱体上（如图2所示）。

图2 牵伸困部结构图

2.3.1.3.2 牵伸机构受力分析

在碳纤维原丝干喷湿纺整个工艺过程中，从送料牵伸机到出料牵伸机之间的牵伸倍数最大、出料牵伸机速度最高，其所受负载也最大，故在对牵伸辊进行受力时，选择出料牵伸机作为研究对象。图3为出料七辊牵伸机构的受力图，丝束绕经第一伸辊后，张力由T0逐渐减少到T1，绕经第二辊后，张力减少为T2…，绕经第七辊后，张力减少为T7，机构中前面两个牵伸辊受力较大，丝束与辊筒间伴有相对运动。丝束的张力可用下列公式进行计算，

图3 七辊牵伸机受力图

由已知条件可知：

出料牵伸机的进丝张力T0，T0=35ktex×110N/ktex=3850 N

出料牵伸机的出丝张力T7，T7=35ktex×35N/ktex=1225N

由参考文献［1］欧拉公式 T0=T7efα

式中T0—第一牵伸辊前的丝束张力

T7—第七牵伸辊后的丝束张力

e—自然对数的底（e=2.7818）

f—丝束与拉伸辊间的摩擦系数

α—包角

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

2.3.1.3.3 牵伸辊的受力分析

牵伸辊筒可以看作悬臂梁，受到两个张力和牵伸辊外伸部分的重量作用。

取牵伸辊筒外径为φ370mm，内孔为φ 340 mm，长度为1600 mm，内辊外径为φ268mm，内孔为φ189 mm，长度为1400 mm，内堵头外径为φ344mm，内孔为φ268 mm，长度为300 mm，则

牵伸辊外伸部分的重量G= G1+ G2+ G3=607.77（Kg）=5956 N

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

2.3.1.3.4 刚度样核

牵伸辊的结构简图如图4所示，忽略齿轮的受力的牵伸辊上的摩擦力，轴的结构可以简化双简支的外伸梁，如图5所示。根据参考文献［3］材料力学关于简单载荷作用下梁的变形得出牵伸轴外端面E点的挠度公式为：

式中P—牵伸辊所受合力，取P=12412N

a— 牵伸辊作用力距支点长度，a=956mm；

b— 两轴支座之间的跨距，b=669 mm；

X—牵伸辊悬臂长度，X=1756 mm；

E—钢的弹性，取E=210GPa;

图4 牵伸辊结构简图

图4 牵伸辊简支图

2.3.1.3.5 强度样核

牵伸辊可看作受弯扭组合的变形轴，下面就根据以上数据对其危险截面B进行强度样核：

B处的弯矩MB=Pa=12412×956=11865872 Nmm；

牵伸轴的材料为45#调质钢，查文献[2]表3.2-29，取 σb=590MPa，σs=345MPa，[σ] =180MPa。由以上计算所得的危险截面应力远小于所用材料的许用应力，表明辊子的强度足够。

2.3.1.3.6 功率估算

分析计算牵伸机的功率，首先必须知道丝束的运行速度，按下式求出所需的理论拉伸功率N0：

式中：T0，T7—进出机器的丝束张力（kg）,

V—丝束的输送速度（m/min）, V=350 m/min

所以出料牵伸机的牵伸理论功率N0，

式中：η—机械效率（取η=0.9）

NS—空车运转消耗的功率（根据经验取NS=2.44kw）

设计时考虑丝束的张力、机械效率、空车运转功率和起动转矩、安全系数等，选取的电机功率22 kw。

2.3.2 润滑部件与密封装置

2.3.2.1 润滑方式及润滑装置的选择

牵伸辊轴承及齿轮高速运转会产生大量热量，采用集中油润滑，将储存在箱体内的润滑油经过过滤后，通过油泵输送到箱体侧面的分配器，分配器通过油管将润滑油均匀分配至各轴承和齿轮，供油量充分可靠且易于控制，可带走摩擦热起到冷却作用。

2.3.2.2 密封装置的选择

在润滑系统中，密封装置是为了防止润滑剂泄漏并可阻止外部杂质、灰尘和水分等侵入润滑部位。故好的密封可节约大量润滑剂，保证设备正常运行，提高机器使用寿命。设计中，在牵伸辊轴与箱体、轴承座相连处采用了“O”形密封圈、唇形密封、迷宫密封等多种密封方式。

2.4 电气控制

本机控制电路采用目前化纤设备广泛采用的变频控制技术。根据多年实际使用，控制精度高，调速方便，适合各种纤维的不同工艺速度要求。

3 总结

碳纤维原丝牵伸机是在吸收国内外同类设备先进经验基础上，采用独特的结构设计、高精密的加工手段研制开发出来的。将其用于干喷湿纺纺丝线，经有关碳纤维原丝生产厂家使用后表明，该设备性能达到了设计要求，为生产高性能T700级碳纤维提供了可靠保证。

参考文献

[1] 刘裕暄，陈人哲主编.纺织机械设计原理.纺织工业出版社.1984.

[2] 徐灏主编.机械设计手册·1.机械工业出版社. 2000.

[3] 单辉祖主编.材料力学教程.国防工业出版社. 1982.