摆锤法铺毡技术在岩棉行业中的发展

刘春，鲁欣科

（南京玻璃纤维研究设计院,江苏 南京 210012）

0 引言

铺毡是现代化岩棉生产工艺中的重要环节，其作用是把前序工段由集棉装置送来的单层棉毡收集并通过其主要铺毡设备——摆锤在板线的幅宽方向往复摆动以实现棉层的多层铺叠。 20 世纪80 年代初中国引进的岩棉生产技术较为原始，铺毡工艺主要是通过喷吹的方式将纤维吹至空中，然后通过重力沉降的方式使纤维飘落在输送机上形成棉毡，其铺毡均匀性较差，从而直接影响到岩棉产品的密度均匀性。 随着现代工业技术在建材领域的普及以及对于工业产品产能效率及产品精细化要求的提高， 铺毡设备作为岩棉生产的重要环节， 从20 世纪 90 年代末国家相关科研院所开始研究摆锤铺毡法在岩棉生产中的应用。历时20多年的发展，摆锤经过了多次的更新、升级、换代，其中具有里程碑意义的有三次： 第一次为1998～2000 年， 由弧摆摆锤替代传统沉降室作为岩棉生产的铺毡机构，革命性地更改了铺毡方式，提高了铺毡的均匀性。 第二次为2009～2010 年，为克服弧摆摆锤天生的机械缺陷，科研人员在弧摆摆动的动作过程中添加了伺服补偿控制，进一步提高了铺毡均匀性。 第三次为2018～2019 年，随着岩棉生产线单线产能的提高，板线的幅宽变得更宽，加上对产品质量要求的日益严格，即使加入伺服补偿的弧摆摆锤也难以满足大产能宽幅生产线对铺毡均匀性的要求， 因此对摆锤机械结构进行了颠覆性设计，研制出的新型平摆摆锤在现代化大产能生产线中正在逐渐取代弧摆摆锤。

1 沉降室法铺毡简述

沉降室法是较为老旧的一种矿物棉生产工艺，其功能结合了现代岩棉工艺中的集棉+铺毡工段。如图 1 所示： 高低压风把离心机甩出的高温流股吹出， 其中较重的渣球部分因为重力落在了下方，由渣球辊配合送入渣坑，重量较轻的纤维则被吹送到输送机上，输送机的内部有负压风可以让纤维富集在输送机的网板上，然后送入下一个工艺单元。

图1 沉降室集棉铺毡示意

由于只靠重力和负压风的方式抽吸棉毡，纤维在输送机网板上的分布较为杂乱，经常会出现厚薄不均匀的现象从而影响了产品的均匀性。

2 弧摆摆锤铺毡

2.1 弧摆摆锤的设计初衷

由于传统沉降室的不足，现代化生产将沉降室的功能更加详细地划分成了集棉+铺毡， 集棉工段主要由负压风收集由离心机甩出的纤维，这些纤维附着在集棉机网板上形成一层薄毡；铺毡工段由摆锤负责接收由集棉机输送来的薄毡然后经过摆锤的往复摆动在下一个工艺单元上叠成多层的棉毡，相比沉降室铺毡，这样通过薄毡层层叠加的棉毡具有较好的均匀性以及弹性，为后期的加工工艺提供了良好的半成品基础。

2.2 弧摆摆锤摆动铺毡技术

摆锤机组由摆动带、连杆、传动装置及机架等几部分组成。摆动带由两条平行的输送带及摆动机架组成，如图2，3 所示。 传动装置由电机减速机及偏心轮组成，连杆连接偏心轮及摆动带，传动装置的动力经连杆传递给摆动带，使得摆动带作周期性的往复摆动。从集棉机出来的一次棉毡经过渡输送机喂入摆动带，同时摆动带作往复摆动，将一次毡铺设在下方的成型输送机（下一工艺单元）上，形成多层折叠的二次棉毡， 此过程即称为摆动铺棉技术。

2.3 弧摆摆锤的铺毡特征

图2 弧摆摆锤示意

图3 平面连杆机构

摆动铺毡可以分为3 个过程， 按次序分别为：一次棉毡通过皮带输送机以速度V1进行的匀速运行；匀速运行的一次棉毡到达摆动带，摆动带以速度VE作往复摆动； 一次棉毡经摆带摆动下落到以匀速V2运动的成型输送机上形成二次棉毡。 在这3 个过程中，一次棉毡运行的速度V1为匀速，成型输送机运行的速度V2也为匀速， 那么如果摆动带摆动速度VE为变速， 则它们最后所合成的速度也为变速，则在铺棉过程中存在着变速情况，这意味着摆锤铺棉仍然将导致铺棉的不均匀，最后直接影响到成品密度的均匀性。

3 带速度补偿的弧摆摆锤

3.1 弧摆摆锤的数学建模

根据摆锤机组的工作原理，由图2 可知，以传动装置的偏心轮圆心为圆心作坐标轴x、y，摆动带的摆动、 连杆的运动以及偏心轮的转动均在同一个平面内（图3）。 所以，摆锤机组可以简化为一个平面连杆机构，且摆动带、连杆以及偏心轮构成了平面连杆机构中最常用的平面四杆机构。偏心轮上AB 作整周的回转运动，为典型的曲柄且为原动件，摆动带在角度w 范围内作摇摆运动为摇杆，且为从动杆，偏心轮、连杆、摆动带以及机架就形成了一个曲柄摇杆机构。 可以将图3 再简化成如图4 所示的平面四杆机构。 因此， 必须对如图4 所示的曲柄摇杆机构进行运动分析，即对C 点进行位置、速度和加速度的分析，才可推导出图2 中VE的运动规律。

图4 平面四连杆机构

根据以往的弧摆摆锤结构，可以将上述建立的数学模型赋予实际的数值，图5 为依照某工程经验将实际数值赋予到数学模型中并通过矢量方程解析法得出 VE与θ1的关系。

图 5 VE 与 θ1 的关系

3.2 补偿方式的确定

假设摆锤摆动时在E 点摆动速度VE为匀速运动，则一次毡落下铺毡的过程是匀速的，反之则为变速运动。 但曲柄AB 以等角速度运转时，摇杆CD 做不等速往复运动，所以在实际工作中E 点的速度不是匀速的。图6 为成型机接受摆锤堆叠的二次毡以V2速度向下一工艺单元运行时对二次毡的俯视图。 A1B1 为落棉起始点通过摆锤摆动落至A2B2 再摆动至A3B3，以此类推，可以明显看出，当VE速度降低时 （摆锤摆动到生产线宽度方向左右两端时），棉毡在成型机两侧形成三角区，这样的三角区造成产品宽度方向的密度两端大中间小并且这种趋势随着V2的速度增大而增大。

结合图5，6 显示的VE在摆锤摆动时的运动状态，可以看出这样的运动变化是有规律可循的。 结合现有伺服控制编程技术，可以较为有效地减少摆锤运动到生产线宽度两侧时因速差而导致的铺棉不均匀现象。

3.3 弧摆摆锤速度补偿的局限性

图6 棉毡在成型机上堆叠的俯视图

虽然可以用伺服编程来控制其电机转速从而减小VE的速差，但就电机的特性而言，短时间内对原有速度进行将近3 倍的加减速不太现实，通过实际生产经验我们最多可以把这个系数设置为1.2～1.5 倍。事实证明，弧摆摆锤速度补偿可以有效减少铺棉不均匀的现象，但是这样的效果有限，尤其是对于生产线较宽、 弧摆摆锤需要摆动更大幅度时，VE的水平、竖直分量变化增大，弧摆摆锤速度补偿将不能满足产品密度均匀性要求。

4 平摆摆锤的研发与应用

4.1 平摆摆锤的设计理念

为克服传统弧摆摆锤的缺点，必须改变摆锤的机械传动形式，一次毡从弧摆摆锤输送至成型输送机上方其输送轨迹是弧线形，在其转向时运动的弧线线速度会变慢，且水平分速度和垂直分速度就会产生变化，这是造成铺棉宽度方向不均匀的主要原因。 因此如果改变其运动的轨迹，由弧线形改为直线型将会克服上述两种缺点：第一对于直线型的下落点，相对于成型输送机的高度是一定的，所以垂直分速度可以保持不变；第二对于直线型平摆左右变向的动作依然存在变向时减速现象，但是由于运动轨迹由弧形变成了直线型，调整水平分速度的工作将变得容易一些， 可采用伺服电机控制换向，使得摆锤的运动在某一区域内达到匀速的状态，对于两端转向时造成的铺棉不均匀可通过后续板线设备的切边装置进行切除，并通过碎边机将边料打碎后再次投入集棉工段进行废物利用。

4.2 平摆摆锤的结构

平摆摆锤的结构如图7 所示，一次薄毡由1 号输送皮带、2 号输送皮带输送至平摆摆锤本体。 与弧摆摆锤不同的是：摆锤本体的下端固定在摆动机构上并在摆动机构上水平移动，移动的动作通过同步带与导轨的配合来实现，由此只需通过带动同步带的伺服电机就可以实现摆锤在摆动机构上有效区域内的水平匀速运动，同时在2 号输送皮带下设置了空气弹簧，空气弹簧用来吸收平摆摆锤因左右水平移动而产生的高差。平摆摆锤通过其左右的往复移动进行对一次薄毡的层层堆叠，堆叠完成后的二次毡通过位于摆锤下方的成型输送机送至下一个工艺单元。如此铺毡的方式具有较高的铺毡均匀性，可适应现代化大产能宽幅岩棉生产线的规模。

5 总结

在岩矿棉行业中铺毡工艺经历了 20 余年的发展改进，由最原始的沉降室到近期研发的平摆摆锤，在对铺毡的工艺、铺毡设备的结构以及铺毡设备的控制方式上进行了较大改进与优化，其效果主要体现在对于棉毡的精细化分布以及后期岩棉产品密度均匀性上的提高，表1 为各代铺毡技术的特点的比较。

图7 平摆摆锤侧视

表1 各代铺毡技术特点

为响应岩棉行业对高产能、低能耗、排放集中处理、产品要求升级的号召，大产能岩棉生产线将成为主流，这也对铺棉均匀性、生产线速度、幅宽以及产品纤维分布合理性提出了更高要求。