郑丽娜
(唐山三友集团兴达化纤有限公司,河北 唐山 063305)
牵伸机是化纤生产中的重要设备,在我国粘胶纤维生产中已有近60年的历史,其制造工艺较为成熟,各种化纤产品的理化性能在现有的生产流程和设备布置、电气控制中也较为理想[1-3]。笔者对粘胶短纤维牵伸机辊体设计、牵伸力、运行状态等进行分析,以优化牵伸机制造工艺、设备设计、电仪配合,满足多品种粘胶纤维制造工艺需求。
纤维卷绕在牵伸机辊体上是生产中的常见问题,简称辊体绕丝,在开车生头时更易发生。辊体绕丝会导致纤维浪费,更严重的是,割丝操作不安全,会引发电气跳停,甚至威胁操作工生产安全。所以,对辊体绕丝机理进行分析,对理解牵伸机辊体设计要求很有必要。
假设丝束在牵伸机拉伸过程中由于辊体刮伤、丝条有疵点等原因,有一微丝条断裂,其瞬时状态如图1所示。
图1 微丝条断裂瞬时状态示意
图1中,假设:
Q——断裂微丝条回弹力/N;
dF——辊面对微丝条的摩擦力/N;
dN——微丝条对辊面的反作用力/N;
dV——微丝条的长度/mm;
dW——微丝条对应中心角/rad。
在直角坐标系中,取x轴力的平衡式:
∑x=0
(1)
当dW很小时,二次微量可以略去,它的平衡方程为:
(2)
式中:
(3)
可得:
(4)
当被拉伸的纤维品种确定后,Q则为常量。
由图1所示图形的几何关系可得:
dV=rdW
(5)
由于粘胶纤维的牵伸速度一般为40 m/min~70 m/min,选定后,dV则为常量。
由式(4)和式(5)可知,若r减小,则dW变大,同时dN变大。所以,在相同工艺条件下,牵伸辊直径越小则产生绕辊的概率就越大,此结论和日常生产经验相符。
牵伸机辊体最重要的设计难点是材料选择,要求材料耐硫酸腐蚀、抗刀具割伤,且刀具勾拉不产生火花等。
丝条拉伸张力的梯度变化和牵伸机辊体表面摩擦因数有关,而摩擦因数大小和辊体表面形状有关,辊体表面形状又与辊体材质以及表面处理方法密切相关。尽管60多年来,牵伸机在不断进行改进,但仍存在一些问题。常用牵伸机辊体材料存在的问题有:①花岗岩石磨面辊,刀具勾拉易产生火花;②金属骨架包硬胶辊,不抗刀具磨损,易勾伤;③ 环氧树脂基体辊,会发生老化起层,使用寿命短;④ 碳钢表面搪瓷辊,不抗敲打易掉瓷;⑤ 碳钢表面镀硬铬,表面摩擦因数小,镀层易剥落;⑥ 整体陶瓷辊,模具成型后加工困难,易破碎;⑦ 工程塑料(聚苯醚)注塑辊,不抗老化寿命短;⑧ 特种不锈钢辊(904L),目前许多厂家在使用,但造价高。
随着粘胶短纤维单线产能的提高,其丝束总旦数成倍增加。早在20世纪70年代,邯郸纺织机械厂制造的R382型集束机(牵伸机)单线年产5000 t,牵伸总旦数仅为200万D;之后单线产逐渐增长至8万t;发展至今,单线年产12万t,牵伸总旦数已高达1400万D,数值可观。牵伸机辊体直径也由集束机φ300 mm辊体直径发展至20世纪90年代由奥地利兰精集团(下文称“兰精”)引进的四辊牵伸机φ500 mm辊体直径,再到年产8万t的五辊体牵伸机φ600 mm辊体直径。12万t牵伸机辊体因电机座号增大,在保证丝束包角不小于180°的前提下,最终辊体直径设计为φ650 mm,单辊装机功率达到22 kW。
在科技高速发展的今天,牵伸辊体直径的设计首先要满足生产用户需求,牵伸机辊体直径不宜过大,否则会给生产操作和检修带来诸多不便,增加使用成本。同时,当辊体材料选定后,要根据材料的性质设计合理的表面形状。实践经验表明,在辊体表面设计沟槽,不仅能增加辊体的摩擦因数,而且在发生绕辊时便于用勾刀割丝;但沟槽不宜设计太深,且不宜出现棱角锐口。
牵伸机在化纤生产线上有2种作用,一是对分散的丝束进行整束,二是对丝束进行拉伸,使初生纤维截面具有一定张力,促使纤维分子整齐排列,从而使化纤产品具有适用的强力和平整度[4]。因此,必须对牵伸机辊体牵伸力进行理论分析和计算。
五辊牵伸机的丝束拉伸示意如图2所示。
图2 五辊牵伸机的丝束拉伸示意
2.1.1 理论计算
对牵伸机做出如下假设。
丝束包角α取整数,α=π/2,π,…(如:图2所示五辊牵伸机,第一个辊体丝束包角α约为π/2,第二、三、四辊体丝束包角α约为π)。
丝束摩擦因数f相同,均为0.13(通常取0.12~0.15)。
丝束拉伸符合欧拉公式,Fn+1=Fn/efα(e=2.718 28)。
按照普通粘胶短纤强度(约1克力/D,即0.01 N/D),纤维拉伸系数为0.5,丝束总纤度按1000万D计算,则F0=0.01 N/D×1000万D×0.5=5万N,则一道五辊牵引力计算如下:
F1-1=50 000/e0.13π/2=40 769 N
(6)
F1-2=40 769/e0.13π=27 105 N
(7)
F1-3=27 105/e0.13π=18 021 N
(8)
F1-4=18 021/e0.13π=11 981 N
(9)
辊体扭矩为:
M=F·R=9550·P/n
(10)
式中:
M——辊体扭矩/(N·m);
F——辊体对丝束拉力/N;
R——辊体半径/mm;
P——电机额定功率/W;
n——辊体转速/(r·min-1)。
设纺速v为70 m/min,辊体转速n为36 r/min,辊体直径D为600 mm,则估算五辊牵伸机最大功率Pmax相关计算为:
(11)
得:
Pmax=15.45 kW
(12)
2.1.2 实际测试
生产车间实测牵伸机纺速为70 m/min时的功率见表1。
表1 生产车间实测牵伸机纺速为70 m/min时的功率
2.1.3 实际测试
通过上述欧拉公式逐个计算出牵伸辊对纤维拉伸力,是同丝束在辊体上成比例减小的,则功率也是逐渐减小的;而在生产车间通过变频器实测出电机电流,据此计算出的功率却是无序的。两种结果完全不同,说明如下两个问题。
a) 生产在用的牵伸机辊体对丝束的拉伸力从前至后是不均匀的,产生的原因同辊体表面、电机转差率等因素有关。
b) 欧拉公式不适用丝束在牵伸辊上换位后,再进行拉伸张力的梯级联算,分析认为丝束在牵伸辊面上换位,其内外层丝束张力会发生弹性变化。
粘胶短纤维最早使用的牵伸机前后均是三辊式,随着生产规模不断扩大,逐步发展为四辊、五辊式牵伸机。早在20世纪六七十年代,由于电气系统不发达,大都采用齿轮箱集中传动,如R382型集束机电机功率为17 kW,采用齿链式无级变速器调速,三级齿轮搭配,模数达M10,箱体庞大。
1993年由瑞士毛雷尔公司(下文称“毛雷尔”)和兰精公司引进了年产2万t生产线,牵伸机采用单辊液压或变频电机驱动,给生产控制和维修带来便利,这是科技进步的结果。唐山三友集团从兰精公司进口的牵伸机单辊变频功率只有11 kW,后来由于纺丝加锭扩产,变为四辊牵伸机,2组电机调整为13.5 kW,产能达到8万t的新线五辊牵伸机(单辊电机为18.5 kW)。
20世纪90年代之前,国内粘胶短纤维厂采用的集束机辊体数均为3~4只,并在前后两机间设置二浴槽,用于对初生纤维拉伸和回收溶剂CS2。随着技术发展以及用户对产品质量和性能要求不断提高,因此,在粘胶短纤维生产中除了对牵伸机加大产能外,对前后牵伸机的设计以及牵伸辊的尺寸都进行了许多研究和改进。早在1993年~1995年,九江化 学纤维厂(现九江金源化纤有限公司)和唐山三友集团兴达化纤有限公司(下文称“唐山化纤”)先后引进了毛雷尔和兰精两条年产2万t的粘胶生产线,为我国国产化和更高产能的研究提供了可靠依据,其具有如下2个显著特点。
a) 兰精粘胶生产线的牵伸机为四辊机,前后两台牵伸机的辊体尺寸同为φ500 mm×420 mm,由于在纺丝机内设置了二浴槽,所以两台牵伸机紧密相连,中间辊体中心距只有0.8 m。
b) 毛雷尔粘胶生产线的牵伸机,前机为六辊,后机为四辊,辊体尺寸为φ600 mm×600 mm,纺丝机后设有10 m蒸汽浴,可生产高湿模量纤维;二浴槽设置在前后两台牵伸机中间,长度约15 m。
由于唐山化纤年产能只有2万t,并且是普通粘胶短纤维,不要求生产高湿模量,只需要制造工艺设备能保证产品规格和质量要求即可,所以兰精为唐山化纤提供了四辊牵伸机。开车实测前机对丝束拉伸率为60%~63%,缓冲-2%~4%,经后牵伸机拉伸37%~43%,丝束经三辊牵引机截面张力完全消除后才进入水流式切断机。
兰精四辊牵伸机,单辊变频电机的驱动功率为11 kW,并且在每只辊端面设计有编码器,形成闭环控制以保证每个辊体转速恒定不变。当在辊体材质、尺寸、表面状态相同的情况下,牵伸机使用情况较为理想。然而在实际操作中并非如此,当发生绕丝绕辊时,辊体绕丝直径瞬间变大,对相邻辊上的丝束拉力也随之增大,如割丝操作不及时,绕丝辊电机则会跳停。处理后再重新启动又会产生许多新问题。问题产生机理简算见式(10)。
当纺速v为60 m/min,辊体转速n为38 r/min,运行操作分析如下:当牵伸机辊体绕丝时,辊径R增粗,辊体扭矩M增大(若F不变),n会变小,电机功率增大(若v不变),所以,当发生牵伸机辊体绕丝时,必须降速停机对绕丝问题进行处理。
粘胶短纤维在中国虽已有近60年的生产历史,但由于用户对普通粘胶产品质量没有特殊要求,所以对牵伸机生产设备及工艺细节有所忽略。通过对粘胶短纤维生产用牵伸机辊体设计、牵伸力、运行状态等进行分析和计算,认为牵伸辊体不宜过大,否则会给生产操作和检修带来诸多不便。辊体材料选择时要具备耐酸碱腐蚀、抗刀具割伤和钩拉性能,并设计合理的表面形状。牵伸机采用四辊、五辊式,配合单辊液压或变频电机驱动使用,有利于生产控制和维修。生产中,当发生辊体绕丝问题时,应及时降速停机,今后还需科研机构进一步深入研究。