Lyocell纤维水流式切断机的研究开发

高占勇

邯郸宏大化纤机械有限公司(中国)

Lyocell纤维被誉为21世纪的绿色纤维，其是以N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)为溶剂纺制的再生纤维素纤维。NMMO的毒性极低，且不会污染环境。Lyocell纤维可纯纺，也可与棉、麻、丝、毛及合成纤维与黏胶纤维混纺。由Lyocell纱线制备的织物柔软光滑、富有光泽，并具有良好的悬垂性、透气性及穿着舒适性。Lyocell纤维还可采用针刺法、水刺法、湿铺、干铺和热黏法等工艺制成各种性能的非织造布。目前，市场上占主流的Lyocell纤维品牌有英国阿考迪司公司生产的 TENCEL、奥地利兰精公司生产的LENZING LYOCELL，以及中国保定恒天天鹅股份有限公司生产的莱赛尔。

在Lyocell短纤维生产线上，通常采用水流式切断机将Lyocell纤维长丝束切断成短纤维。Lyocell纤维水流式切断机具有以下特点:生产过程中不产生有毒有害气体，切断机不需配备防护窗和排风装置;自动化程度高，纤维切断长度的可调整范围大，调整操作方便灵活;维修维护方便，便于操作人员随时查刀、换刀;落料斗进水口设在机器的中间位置，形成喷泉式下进水方式，出料口设在外边，有利于纤维团的分散输出。

随着中国国内Lyocell纤维产业化规模的不断扩大，水流式切断机必将迎来更广阔的发展空间。目前，中国产的水流式切断机虽已在国内一些Lyocell短纤维生产线上有所应用，但应用过程中经常会出现各类故障，如动刀质量差、超倍长纤维超标等，与国外同类设备相比，还存在一定的差距。因此，国产Lyocell纤维水流式切断机的研制水平还有待进一步提升。

1 水流式切断机工作原理

从水洗机引出的丝束经牵伸机被引入切断机，切断机上的3个牵引辊将丝束喂入喷射装置，通过喷射水将丝束拉直。喷射装置通过喷射水的喷射作用将丝束连续地输送到定刀的下端。紧贴磨环下平面，在切断刀盘带动下高速旋转的动刀刀片与定刀产生剪切作用将丝束切断。切丝后的动刀刀片在磨环上自动磨刀。切断后的短纤维进入落料斗，并在冲洗水的作用下由出料口进入下道工序［1－2］。

2 整机结构设计

Lyocell纤维水流式切断机由两组牵引切断单元和一套U形导丝器组成。水流式切断机运转时，其中一组牵引切断单元工作，另一组备用。每组牵引切断单元都由牵引装置、传动装置、提升装置、喷射装置、磨环装置、切断装置、落料斗、机架及机上电气元件等组成，如图1所示。由于生产Lyocell纤维所采用的溶剂NMMO及其他流体介质几乎都无腐蚀性，因此在进行水流式切断机设计时，无需选择特殊的钢结构，选用普通不锈钢即可。

图1 Lyocell纤维水流式切断机整机示意图

3 主要设计参数

Lyocell纤维水流式切断机的主要设计参数如下所述。

——机型:水流式切断机，每台车设有两套牵引切断装置，工作时一组运转、另一组备用。

——车别:分为传动部分在左侧的左手车和传动部分在右侧的右手车。

——纤维处理能力:300～400 ktex。

——丝速:30～50 m/min。

——牵引辊:直径为300 mm、长300 mm。

——丝束喂入口内直径:146 mm。

——常用切断纤维长度:38、51、60、65、70、75、110和115 mm。

——切断刀:定刀内孔直径为50 mm;动刀刀片长160 mm，宽48 mm，厚1.6 mm。

——切断刀盘:直径为546 mm，可安装2、3或6把动刀。

——公用工程技术参数:喷射水为软化水，流量≤7 m3/h(一般为4 m3/h)，喷射水压强为0.3～0.5 MPa，过滤精度为100 μm，最高温度为50°C;落料斗冲洗水为软化水，流量≤25 m3/h(一般为20 m3/h)，最高温度为50°C;压缩空气需经过滤和润滑，气压为0.4～0.5 MPa，过滤精度为50 μm。

——驱动电机:切断刀盘驱动电机功率为5.5 kW，2台;牵引辊驱动电机功率为1.5 kW，6台。

——调速方式:单轴变频电机变频调速。

——外形尺寸:3 180 mm ×1 250 mm × 2 100 mm。

——机器质量:约4 t。

——设计产能:5 000 t/a。

4 组成部件设计

4.1 牵引装置

牵引装置主要由3个直径相同、材质均为0Cr18Ni9不锈钢的牵引辊组成。正常生产情况下，丝束在3个牵引辊上的缠绕长度约为1.78 m，缠绕丝束的目的是消除丝束张力，使丝束在无张力状态下垂直进入喷射装置入口。

4.2 传动装置

3个牵引辊分别由1台功率为1.5 kW的变频减速电机驱动。切断刀盘由1台功率为5.5 kW的变频减速电机驱动。变频减速电机的输出转速由变频器控制。此外，传动装置还包括轴、键、轴承、轴承端盖及密封圈等零部件。

4.3 提升装置

提升装置由切断头、气缸及自锁系统等组成。正常工作时，切断头水平放置于下机架上。检查维修时，可通过气缸将切断头及安装在切断头上的切断刀盘等提起，并绕着机架上的切断头支座张开一定角度(可达21°)。提起切断头和切断刀盘是为了完成如下工作:装卸动刀刀片、调整动刀刀片与磨石表面的压力，以及检查磨石与动刀刀片的磨损状态等。

当切断头和切断刀盘被提起时，应将固定在机架上的保护链与切断头上的耳座联接，以防因气缸意外失效导致切断头和切断刀盘下落，确保人员和设备的安全。

4.4 喷射装置

喷射装置安装在切断头上，主要由喂入口、喂入口定位环、喷嘴、喷嘴定位环、外套、外套定位环、支座、环形斜垫铁、定刀、橡胶管、键及O型圈等组成，如图2所示。定刀刀体材质为0Cr18Ni9不锈钢，定刀刀口材质为耐磨性能优良的钴铬钨硬质合金，O型圈的材质为耐酸碱橡胶或丁腈橡胶，其他金属零部件的材质均选用0Cr18Ni9不锈钢。喷射装置内的过丝表面必须光滑。

橡胶管与外套上的喷射水进口相联。为了使喷射水进入定刀中心，在外套与喷嘴间设有一个空穴和一个环行缝隙，同时在喷嘴最下端沿圆周方向均匀排布了38个喷水孔。可确保水流流经空穴、环行缝隙及38个喷水孔，均匀地进入定刀中心。利用文丘里原理将进入喂入口的丝束拉直，并在定刀末端利用动刀刀片与定刀的剪切作用将丝束切断。

图2 喷射装置示意图

定刀安装于喷射装置出口处。喷射装置与切断头之间装有环形斜垫铁，可调整定刀与磨石平面的偏角，保证定刀和动刀刀片充分接触。

定刀使用一段时间后需在磨刀机上进行修磨。当图3所示的b≥3.0 mm时，必须修磨定刀底面，适宜的b应为1.5～2.0 mm。另外，应确保内孔边缘的磨边尖锐。当图3所示的a≤66 mm时，必须更换定刀。

图3 定刀示意图

4.5 磨环装置

磨环装置安装在切断头上，由12块Al2O3陶瓷磨石(定刀穿过的那块磨石上开有同心孔)和1件材质为0Cr18Ni9不锈钢的磨环座组成。动刀刀片工作时始终贴在磨石表面，同步实现切丝和刃磨。安装在喷丝装置底部的定刀需凹进磨石表面 0.01～ 0.02 mm。

磨环因需不断磨砺动刀刀片而会产生磨损，因此必须定期检查磨环。必要情况下，如磨环的实测平面度≥0.3 mm，需重新磨砺或更换磨环。

4.6 切断装置

切断装置由动刀(包括刀片、刀柄和铜铆钉)、刀座、动刀传动轴、扭簧及切断刀盘等组成。

动刀通过刀座与动刀传动轴固定在切断刀盘上，动刀传动轴上装有扭簧，始终有力作用在动刀刀柄上，使安装在动刀刀柄上的刀片在旋转过程中始终贴在磨环的磨石表面。通过调整扭簧的扭矩(约12 N·m)，可改变刀片与磨环磨石表面的接触压力，使刀片在旋转切丝的同时，在磨石上自动刃磨，从而使刀刃保持锋利。在使用过程中，若刀片的刃部与刀柄间的距离X≤21 mm(图4)，应及时更换刀片。

图4 动刀示意图

根据所需纤维的长度规格，切断刀盘上可安装2、3或6把动刀。并可根据实际需要，随时改变动刀的数量。安装动刀时，需使各动刀相对于切断刀盘中心对称。切中长型短纤维时，一般安装3把动刀;切毛型短纤维时，一般安装2把动刀。除钴铬钨硬质合金动刀刀片及铜铆钉外，切断装置中其他零部件的材质一般为0Cr18Ni9不锈钢。

4.7 落料斗

落料斗固定在切断头正下方，落料斗上设有水槽式密封结构，该密封结构呈环形。落料斗上端设有气体排放管和观察口，便于随时检查落料斗内的落料状况。落料斗下端设有冲洗水进口，冲洗水可在落料斗内形成环形水流，将切断后的短纤维冲至出料口。落料斗由0Cr18Ni9不锈钢板焊接而成，其过丝表面必须光滑。

4.8 机架

机架用于支撑和固定切断机的各基本部件，为由0Cr18Ni9不锈钢型材焊接成的框架结构。在机架的两侧及操作侧，需安装用0Cr18Ni9不锈钢板制成的防护面板。为方便检修减速电机、轴承及气缸等配套件，在机架的后方需安装与防护面板同材质的防护门。

4.9 U形导丝器

U形导丝器由0Cr18Ni9不锈钢或陶瓷制成，安装在切断机的进丝侧，U形导丝器可使丝束沿着合适的方向进入切断机。U形导丝器的过丝表面必须光滑不挂丝。

4.10 机上电气元件

机上电气元件主要由按钮盒、接线盒及限位开关等组成。按钮盒用于切断机本机控制及状态显示。接线盒上设有两个开关，一个用于控制牵引辊减速电机和刀盘减速电机的通断;另一个用于控制切断头升降气缸的通断。此外，水流式切断机还与整条Lyocell纤维生产线上的其他设备进行联动控制。

5 常见生产故障

Lyocell纤维水流式切断机在使用过程往往会出现一些生产故障，这些生产故障需不断反馈到Lyocell纤维水流式切断机的研制过程中，以便对机器进行进一步改进与完善。水流式Lyocell纤维水流式切断机在使用过程中易出现的故障如下所述。

——丝束在进入喷射装置前堆积。产生这种故障的原因主要是定刀位置不佳或喷射水的压力不符合要求。检查定刀接触状态及喷射水的供应情况可排除这类故障。

——切断后的短纤维长度不合要求。产生这种故障的原因很多，除了工艺因素和人为因素外，相关设备因素主要有定刀缺陷、磨环磨损、磨环的平整度差、动刀刀片有缺口、动刀刀片平整度差及扭簧的扭力不均等。可通过更换定刀、更换磨环、选用优质动刀刀片及调整扭簧的扭力［2］等排除这类故障。

——动刀刀片断裂。产生这种故障的原因主要有磨环缺陷、切断区混入异物、动刀刀片材料不良及动刀刀片韧性不够等。可通过更换磨环、清除异物及选用优质动刀刀片排除这类故障。

——阻塞的纤维弄歪动刀。产生这种故障的原因主要有定刀缺陷、动刀传动轴故障及动刀刀片不锋利等。可通过重磨或更换定刀、修理动刀传动轴及选用优质动刀刀片排除这类故障。

——磨环损坏。产生这种故障的原因主要有切断区混入异物、磨环磨损及磨石材料缺陷。可通过清除异物与更换磨环排除这类故障。

——落料斗丝束排出管堵塞。产生这种故障的原因主要是切断后的短纤维相互黏附或冲洗水太少。可通过清理落料斗与管道或增加冲洗水排除这类故障。

6 结语

目前，中国国内已投产的Lyocell短纤维生产厂家有保定恒天天鹅股份有限公司和山东英利实业有限公司。其中保定恒天天鹅股份有限公司的Lyocell短纤维生产线工艺较成熟，短纤维成品的各项物理指标均可达到国际先进水平。筹建中的Lyocell短纤维生产厂家有中纺院绿色纤维股份公司。这些Lyocell短纤维生产厂家全部采用了中国产的Lyocell纤维水流式切断机。从已经开车的切断机的使用状况分析，其生产过程中易出现动刀刀片使用寿命短、刀片易磨损失效，用于切普通黏胶纤维丝束的刀片在切Lyocell纤维丝束时容易断裂等问题，因此，还需要进一步提高国产动刀刀片的性能与质量。目前，国产Lyocell纤维水流式切断机的主要生产厂家有辽宁多纶机械有限公司和邯郸宏大化纤机械有限公司，其中邯郸宏大化纤机械有限公司研制的Lyocell纤维水流式切断机还可用于海藻酸钙纤维生产线，且应用效果良好。

［1］ 刁敏锐.产生超倍长纤维的因素及解决办法［J］.人造纤维，2006，36(3):11-13.

［2］ 玄兆生.水流式切断机切断刀片的国产化试验［J］.人造纤维，2008，38(2):2-3.