（机械工程专业论文）针刺机机构分析及设计.pdf

学位论文的主要创新点 论文从以下两点入手，设计了一台当前国内最先进的、代表我国 制造水平的针刺机。 一、单轴驱动偏心机构改成双轴反向驱动偏心机构，大大提高了 针刺机的稳定性，提高了针刺频率； 二、建立针板布针数学模型，提出了采用针板杂乱布针方法，改 善了布面质量问题。 摘要 近年来针刺生产技术取得了新的发展，针刺非织造布的应用领域越来越广， 除了传统的应用领域外，特别是在合成革基布，过滤材料，针刺绒类产品，汽车 用材料等方面发展更为迅速，这些都离不开新型针刺设备与针刺生产技术的开发 与应用。 本次设计是在原有的针刺机基础上进行的一次改进。传统的针刺机通常采用 单轴驱动偏心机构来实现传动，本次设计采用双轴驱动偏心机构来完成传动功 能，这样既能提高传动效率，又能增大针刺频率，改善针刺工艺。 针刺机构是针刺机的关键机构，对纤网的针束0 固结主要由其完成。它由：传 动系统( 曲柄箱) 、针梁、针板、刺针、剥网板、托网板等组成。针刺频率的高 低对生产效率和产品质量都有影响，所以提高针刺频率是设计针刺机构的关键。 解决针刺频率的关键，首先是要消除不平衡力，减小振动；其次是减少运动 部件的质量，减小惯性力。经过本次设计，设备的振动减小了，而刺针运动的频 率提高了，最高可达1 2 0 0 次分，同时也使得整条生产线的效率有了很大提高。 关键词：针刺非织造布；针刺机；刺针：双曲柄传动 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，w i t h t h e d e v e l o p m e n t o fp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , t h e a c u p u n c t u r eh a sb e e nm a k ean e wp r o g r e s s ，t h eu s eo fa c u p u n c t u r en o n w o v e n s i n c r e a s i n g l yi nw i d ea p p l i c a t i o na r e a s ，i na d d i t i o nt ot h et r a d i t i o n a la p p l i c a t i o na r e a s ， e s p e c i a l l y i nt h e s y n t h e t i cl e a t h e rb a s ec l o t h ，f i l t e rm a t e r i a l ，n e e d l ev e l v e t ， a u t o m o t i v em a t e r i a l s ，s u c ha sm o r er a p i dd e v e l o p m e n t ，w h i c ha r ei n s e p a r a b l ef r o m t h en e wp r o d u c t i o no fn e e d l ea c u p u n c t u r ee q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o n t h i sd e s i g no ft h en e e d l em a c h i n ei sa ni m p r o v e m e n tb a s e do nt h eo r i g i n a l t h et r a d i t i o n a ln e e d l em a c h i n eu s u a l l yu s et h es i n g l e - c r a n kt od r i v et r a n s m i s s i o n m e c h a n i s m ，t h i sd e s i g nu s e sad o u b l ec r a n km e c h a n i s mt oc o m p l e t et h et r a n s m i s s i o n f u n c t i o n ，t h i sw o u l db o t hi m p r o v et h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , w h i l ei n c r e a s i n gt h e f r e q u e n c yo fa c u p u n c t u r e ，i m p r o v i n gt h ep r o c e s so fa c u p u n c t u r e a c u p u n c t u r em a c h i n ei st h ek e yp a r to fn e e d l em a c h i n e ，t h ec o n s o l i d a t i o nt o t h ew e bw i t ht h en e e d l em a i n l yb yi t i tc o m p o s e db yt r a n s m i s s i o n s y s t e m ， n e e d l e - b e a m ，p i nb o a r d ，n e e d l e ，p e e l s h e e ta n dv e s t i b u l e t h ef r e q u e n c y a c u p u n c t u r eh a sa ni m p a c to nt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t y ，s o ，i n t h ed e s i g no fn e e d l em a c h i n e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oi n c r e a s et h ef r e q u e n c yo f n e e d l e t h ek e yt os o l v et h ef r e q u e n c yo fa c u p u n c t u r e , f i r s to fa 1 1 i st oe l i m i n a t et h e i m b a l a n c eo fp o w e r , t op r e v e n tv i b r a t i o n ；s e c o n d ，i st or e d u c et h eq u a l i t yo fm o v i n g p a r t s ，r e d u c i n gt h ef o r c eo fi n e r t i a a f t e rt h i sd e s i g n ，e q u i p m e n tr e d u c e sv i b r a t i o n , w h i l et h ef r e q u e n c yo fn e e d l eh a si n c r e a s e d ，t h em o v e m e n to fi t u pt o 12 0 0 t i m e s m i nt h es a m et i m e ，t h ee n t i r ep r o d u c t i o nl i n ee f f i c i e n c yh a sb e e ng r e a t l y i m p r o v e d k e y w o r d s ：a c u p u n c t u r en o n w o v e n s ；a c u p u n c t u r em a c h i n e ；s p i k e ；d o u b l ec r a n k d r i v e 目录 第一章概述1 1 1 引言1 1 2 针刺法的基本原理2 1 3 国内外发展概况2 1 4 国内外针刺机的结构分析3 1 4 1f e h r e r 公司的“h i ”弧形针板3 1 4 2d l l o o mo u g i is 针刺机一4 1 4 3d i l o 公司的椭圆轨迹刺针运动方式可减轻针刺痕迹4 1 5 本课题研究的主要内容及现实意义5 1 5 1 本课题研究的现实意义5 1 5 2 本课题研究的主要内容6 1 6 本文的主要工作及难点6 1 6 1本课题的主要工作6 1 6 2 本课题的难点6 第二章针刺机构方案设计9 2 1 针刺机的基本结构9 2 2 本次设计针刺机的设计要求1 0 2 3 本次设计针刺机主要工艺参数1 1 2 4 本次设计的针刺机方案1 1 2 5 本章小结1 3 第三章针刺机构中针板、剥网板、托网板的分析与设计1 5 3 1 植针板的设计1 5 3 1 1 概述15 3 1 2 针刺机针板的构造特点1 5 3 2 植针板的布针设计1 6 3 2 1针板布针设计参数1 6 3 2 2 植针板布针的数学模型1 7 3 2 3 布针的杂乱1 8 3 2 4 列距a 和行距b 的选定2 5 3 3 刺针的设计2 9 3 3 1 概j 丕2 9 3 3 2 刺针选用原则3 0 ，3 4 刺针的选用3 l 3 5 剥网板，托网板的设计3 l 3 6 本章小结3 2 第四章针刺机构的运动动力学分析3 3 4 1 针刺机构的运动性能分析3 3 4 2 针刺机构的惯性力分析3 5 4 3 单曲柄和双曲柄驱动的惯性力分析比较3 7 4 4 平衡轮的设计3 8 4 5 本章小结4 1 第五章整机设计4 3 5 1 输入输出部分的设计一4 3 5 1 1 输入、输出辊的设计。4 4 5 1 2 气缸的选择4 4 5 2 传动方案的设计4 5 5 2 1 输入、输出辊的传动4 5 5 2 2 针刺机构的传动4 5 5 3 机架及附属机构的设计4 7 5 4 本章小结4 7 第六章电器控制设计4 9 6 1 电器控制原理图4 9 6 2 针刺机控制模式及其程序设计4 9 6 - 3 针刺机的单动模式5 0 6 4 针刺机的联动模式5 2 6 5 本章小结5 4 第七章试验验证与应用5 5 7 1 针刺机构试验5 5 7 2 整机运行试验5 5 7 3 布针试验5 6 7 4针刺样机图片5 6 第八章结论5 7 8 1 结论5 7 8 2 工作展望。5 7 参考文献5 9 攻读硕士学位期间发表论文和参加科研情况6 1 致谢6 3 第一章概述 1 1引言 第一章概述 非织造技术是一种年轻而有发展前途的新技术。它由于流程短所以投资少、 成本低；由于生产速度快( 若以有梭织物的生产速度为l ，则针织物的生产速 度为5 1 0 ，非织造布的生产速度达到2 5 1 0 0 0 ) ，所以产量高，效益高；由于工 艺变化多，所以产品种类多，用途广；也由于可应用的纤维原料广，更由于许 多功能性纤维的出现，所以可制成各种各样的新材料，应用于各行各业，甚至 于高科技领域。它被誉为“朝阳工业”而前途无量。非织造技术突破了传统的纺 织原理，综合了纺织，化工，塑料，造纸等工业技术，充分利用现代物理学， 化学等科学的有关知识【l l 。它的先进与否也反映了一个国家轻工业发展的水平。 非织造布用的纤维可以是天然纤维或化学纤维。可以是短纤维，也可以是 长纤维。 非织造布是定向或杂乱排列的纤维网直接固结而成，不再用纺线，也不再 用织布。这种纤网可以是梳理成网或直接喷丝成网。可以是单层薄网，也可以 是经过机械铺网机铺叠后形成的多层厚网或气流成网机形成的杂乱纤网【2 l 。 非织造布的加固原理与传统针织物，机织物具有根本区别，非织造布是由 方 向性或杂乱排列的纤网，通过纤维间的摩擦力，纤维间的抱合力或化学粘合剂 粘接力，纤维自身热熔后的粘着力或两种以上的力结合在一起。非织造布是介 于传统纺织品，毡制品和纸三者之间的一种新型纤维制品材料口】。 非织造布的工艺流程按加工方法的不同，可分为干法，湿法和纺丝直接成 布法三大类。干法非织造布工艺是非织造布生产中应用范围最广，发展历史最 长的一种生产方法【4 】。干法工艺中纤维是在干态下用机械，气流，静电和它们 的组合方式形成纤维网，然后采用机械方法，化学方法，热力方法加固成非织 造布产品。该生产工艺的特点是使用纤维原料广泛，其主要工艺流程为：纤维 准备一开松一混合一梳理一成网一机械加固化学加固热力加固一切边卷绕一 成品。 针刺法非织造布是干法非织造布工艺中最重要的一种，是非织造布固结技 术中目前应用最多的一种机械固网方法【5 】。这种成网方法机电一体化程度高， 针刺布均匀度高、纵横向强力比高、具有很好的手感、良好的滤水性和透气性 天津工业大学一r 程硕士学位论文 等。目前世界上的干法非织造布中，针刺法非织造布占4 0 以上。由于针刺技 术的不断发展，针刺产品的用途越来越广。例如，土工布、地毯、汽车内饰材 料、造纸工业毛毯、过滤材料、合成革基布及耐高温复合材料等【6 】。 1 2 针刺法的基本原理 针刺法的主要工艺流程为：纤维准备一开松一混合一梳理一成网一针刺一 切边卷绕一成品。 针刺法的基本原理是：用截面为三角形( 或其他形状) 且棱边带有钩刺的 针，对蓬松的纤网进行反复穿刺，当成千上万的刺针刺入纤网时，刺针上的钩 就带住纤网表面的一些纤维随刺针穿过纤网，同时，由于摩擦力的作用，使纤 网受到压缩。刺针刺入一定深度后回升，此时因钩刺是顺向，纤维脱离钩刺以 近乎垂直的状态留在纤网内，犹如许多的纤维束“销钉”钉入了纤网，使已经压 缩的纤网不会再回复原状，这就制成了具有一定厚度，一定强力的针刺法非织 造布。在针刺法制造非织造布生产中，针刺机的选择很重要【7 1 。 1 3 国内外发展概况 图1 1 针刺纤维状态 非织造布早在公元前就出现了，但第一台非织造布机器是在1 8 7 0 年英国制 造的，到1 8 9 2 年有人在美国专利中提出了气流成网机的设计。本世纪初，有人 开始了现代非织造布技术的实验研究，直到1 9 4 2 年美国一家公司生产了数千码 的粘合法非织造布，并第一次使用了非织造布这个术语，但是，非织造布的现 代化生产还是从第二次世界大战结束以后才开始的【8 1 。 针刺技术发展的历史并不很长，直到二十世纪四十年代，英国拜瓦脱 ( b y w a t e r ) 对老式针刺机做了重大改进以后，才为现代针刺技术的发展奠 定了基础。1 9 5 7 年美国杰姆士亨特( j a m e sh u n t e r ) 公司制造的针刺机， 对主轴传动偏心轮平衡机构作了改进，进一步提高了机器速度和生产效率 9 1 。 第一章概述 六十年代，奥地利菲勒尔( f e h r e r ) 公司设计制造出了世界上第一台组合式全 封闭传动机构的高速针刺机，采取了连续送网与其它措施，使针刺机速度达到 1 0 0 0 r p m ，随着新技术，新材料的不断应用，现代针刺机各项性能已有很大提 高。目前，国外针刺机最高速度已达3 5 0 0 r m i n ，德国迪罗( d i l o ) 公司的h s c 针刺机的针刺速度超过3 0 0 0 r m i n 。现在迪罗公司生产的各种型号、规格的针刺 机已达1 0 0 多种。造纸毛毡针刺机最大幅宽已达1 7 m ，针板最大植针密度可达 3 2 0 0 0 枚m t l 0 】。目前，世界上非织造布最发达的国家是美国，其次是西欧，日 本，苏联及东欧一些国家，而我国从解放后也开始了对无纺布的研究，由于中 国还比较落后，对无纺布的认识也比较粗浅，所以我国的无纺布行业发展很慢， 到目前为止，无纺布的生产量依然比较少，无纺布设备依然比较落后。近年来 我国针刺机的制造也有了较大进步，已可生产1 2 0 0 r m i n 的通用型针刺机，6 m 工作宽度针刺机，双滚筒预针刺机及条纹针刺机等 1 1 - 1 2 1 。 1 4 国内外针刺机的结构分析 针刺机的种类很多，国外比较先进的针刺机有德国迪罗公司研制开发的 d i l o o m ，d i l o o p , d i l o u p , p m f , r o n t e x ，b e l t e x 等系列针刺机；奥地 利菲勒公司生产的n l 3 0 0 0 型和n l 3 0 0 0 r 型；法国阿斯兰公司的1 6 9 d f 型双 滚筒针刺机及1 4 3 4 型针刺机，另外还有n l ll 型花纹针刺机，d l l o f t 毛圈 型针刺机及b i p o l 型针刺机等。以上几种针刺机是目前最高档的针刺机【13 1 。 1 4 1f e h r e r 公司的“h i ”弧形针板 图1 - 2f e h r e r 公司的“h l ”弧形针刺 天津1 ：业大学j i ：程硕十学位论文 f e h r e r 公司的“h i ”弧形针板：由图可以看出，这种针刺机采用了弧形针板， 弧形托网板和剥网板，纤网进入针刺区后，受到不同方向的针刺，左倾垂 直右倾左倾垂直右倾，纤维束“销钉”以不同方向“钉”入了纤 网，可大大提高针刺效率，提高布的拉伸强度。 1 4 2d l l o o mo u g i is 针刺机 d l l o o mo u g i is 针刺机【h 1 ： ( 1 ) 利用导网条，解决了传统针刺机存在的纤网拥塞问题。 ( 2 ) 利用双曲柄扇齿机构，两曲柄转向相反，相位差1 8 0 。，可由机构 自身平衡水平方向的运动，消除机器的横向动载荷。解决了针板平衡问题，也 即针刺机的高速震动问题。 ( 3 ) 采用双扇形齿轮导向，可采用一般的润滑方法进行润滑，无须特殊的 维护，可以克服针杆滑动造成的密封磨损，防止漏油。 图1 - 3d l - l o o mo u g i i s 针刺机 1 4 3d i l o 公司的椭圆轨迹刺针运动方式可减轻针刺痕迹 d i l o 公司的椭圆轨迹刺针运动方式：可减轻针刺痕迹，提高布面质量【1 5 1 。 但是，以上几种针刺机要求加工精度很高，这对我国的工业基础现状来说 的针刺机进行研究设计。这是一个难度较大而意义重大的设计项目。 1 5 1 本课题研究的现实意义 1 】由于针刺非织造布的广泛应用，对成品的质量要求越来越高。而近几年 大量针刺设备上马，价格竞争目趋激烈。要求布的成本越来越低。针刺机的针 刺速度、针刺质量，在非织造布生产中起着非常重要的作用。 2 近几年，梳理机、铺网机等成网设备的成网速度大幅提高，对后续固网 设备( 针刺、水刺热风等) 的速度要求越来越高。而水刺热风等设备的速度已 能完全满足前道成网设备的需要，运行速度已能达到3 0 0 米分，效率极高。只 有针刺线运行速度还不到l o 米分，针刺机的针刺速度，已成为整线运行的瓶 颈，直接影响生产效率和成本。 3 】我们这次设计针对的用户美国3 m 公司，是全球5 0 0 强企业，影响力巨 大。3 m 公司拟在上海建立亚洲第一大研发中心，我们制作的这条试验线即是 这一举措的第一步，而这次设计的针刺机是试验线中最重要的设备之一。这条 试验线的成功，将使我们迈出国门，走向世界。 【4 】前述已经看到，国外技术已领先了一大步，我们必须奋起直追。否则， 天津i ：业人学i 任l i 硕十学位论文 国内非织造布设备高端市场将被国外企业一统天下。 1 5 2 本课题研究的主要内容 【1 双曲柄输入，单轴输出，解决针板平衡及高速震动问题。 【2 采用杂乱布针，解决条纹问题，提高布面质量 1 6 本文的主要工作及难点 1 6 1 本课题的主要工作 本次设计是对针刺机进行整机设计。首先要了解针刺机的生产工艺，其次 要清楚针刺机的工作方式，对针刺机的针刺机构进行分析设计，提出不同的方 案，并进行对比，选择最优的针刺方案，并对针刺机的传动部件做优化设计。 本次试验机的针刺部分采用下刺方式。设计的主要工作有： 针刺机主要参数的确定； 针刺机的针刺机构的设计； 植针板的设计； 传动部件的设计； 输入输出部分设计。 1 6 2 本课题的难点 本次设计的难点在于曲柄箱设计即双曲柄输入，单轴输出；针刺机构中偏 心轮的设计；针板的布针设计。 针刺机中偏心机构是制约针刺速度提高的关键，因此，必须利用理论知识 认真计算，合理设计；但是，由于计算、制造、装配上的误差以及材料质量不 均匀等原因，往往达不到预期的平衡。因此在生产过程中还需用试验的方法加 以平衡。 植针板的布针方式和质量，将直接影响非织造布的性能和质量。只有良好 的布针方式和选择适用的针，结合工艺的调整才能生产出优质的产品。植针板 的布针是由设备制造厂提供，过去产品生产厂多数对此重视不够，且生产设备 厂也没有提供较多规格的植针板以备选用，这对产品的丌发和质量的提高都是 不利的条件。目前国内多数设备生产厂对此虽有所注意和改进，但能生产出能 够适应步进量需要的优质植针板的单位为数较少，这就需要产品生产厂根据生 产实践总结经验，针对植针板的设计提出要求。与产品生产厂相互配合，了解 第一章概述 植针板的设计对布的质量的影响，对设备制造厂广大技术人员来讲是非常急需 的。为了满足这种需要，在本次设计中，对植针板的设计和相关参数进行了介 绍和分析。 天津t 业大学t 程硕十学位论文 8 第二章针刺机构方案设计 第二章针刺机构方案设计 2 1 针刺机的基本结构 图2 - 1 针刺机的基本结构 l 。送网机构2 针刺机构3 牵拉机构 针刺机的种类繁多，按所加工纤网的状态可分为预针刺机和主针刺机；按 结构可分为单针梁式和双针梁式；按传动形式可分为上传动式和下传动式等 【1 6 1 。 针刺机主要有送网机构、针刺机构、牵拉机构等组成( 见图2 1 ) 。 送网机构是将纤网或布等送入到针刺区；针刺机构是利用刺针穿刺作用， 将十分蓬松的纤网加固成具有一定性能的布。牵拉机构是将针刺后的纤网从针 刺区输出 1 7 1 。 针刺机构是针刺机的关键机构，它由主轴、偏心轮、针梁、针板、刺针、 剥网板、托网板等组成。如( 图2 2 ) 。主轴上装有偏心轮，用来通过曲柄带动 针梁、针板做上下往复运动，使针板上的刺针随之反复穿刺纤网。偏心轮偏心 距的两倍即为针刺的往复动程i l 引。 针梁应运动平稳适应高速、高强、抗弯、抗扭、往复运动的动程【l9 1 ，在满 足针刺固网要求的前提下，往复动程应尽量小些，以减少运动惯量，有利于提 天津r 1 i 业大学+ r ：程硕十学位论文 高车速。一般主刺机动程小，预针刺机动程大些。 图2 2 针刺机的针刺机构 1 托网板2 剥网板3 针板4 刺针5 针梁6 曲柄 7 偏心轮8 一配重块9 主轴 2 2 本次设计针刺机的设计要求 从上述针刺机结构看出：由于针刺机构的上下运动而产生惯性力。惯性力 对整个针刺机的动力效果可由轴承中的动压力和振幅大小得知，其中动压力与 不平衡重径积和转速的平方之积成正比，并与轴承大小有关；而振动的振幅大 小由轴承的刚性、回转件与整机重量等因素决定。按照实践经验，动力效果的 程度与 “回转角速度x 不平衡重径积回转件重量”有关。因此，针刺机针频提高后， 惯性力必定加大，而动程增加，惯性力也会加大；回转件重量加大则会造成能 量损失；只有降低不平衡重量，才是最可行的办法。本次设计针刺机的设计要 求是： ( 1 ) 运转平稳，震动小，因此，要求平衡好。这是对针刺机最基本的要求， 在这个前提下，针刺频率越高，意味着技术水平也越高。针刺机的针梁和针板 应尽可能减小重量，因此，拟采用轻质合金材料【2 1 1 。 ( 2 ) 针板采用杂乱布针，针板的植针孔应与托网板和剥网板的孔眼相对应， 不得有偏差。 ( 3 ) 针板的装卸应方便。 ( 4 ) 针板要孥固耐用，不易变形，植针数要高。 第二章针刺机构方案设计 ( 5 ) 主轴上所装的质量很大，针板上又装有很多针，为防止伤人事故的发 生及针扎到布里导致布无法退出，在主轴应增设一个制动器。 ( 6 ) 为提高传动精度，以滚动轴承代替滑动轴承； ( 7 ) 采用合适的平衡装置，减少振动； ( 8 ) 采用进口密封圈，防止漏油； ， ( 9 ) 往复机构滑道用油润滑，提高机器寿命； ( 1 0 ) 采用交流变频电机，这样可根据各实际情况，进行适当的调速。 2 3 本次设计针刺机主要工艺参数 由于本次设计的针刺机按预刺机设计，用于研发中心试验所用，受场地和 工作性质的限制，对其主要规格设计如下： ( 1 ) 工作宽度为l m ； ( 2 ) n 针往复动程：6 0 m m ； ( 3 ) 针刺频率：1 2 0 0 次分： ( 4 ) 针密：4 0 0 0 针m ； ( 5 ) 主电机为交流变频电机。 2 4 本次设计的针刺机方案 针刺机构是针刺机的关键机构，纤网的固结主要由其完成。它由：曲柄箱、 针梁、针板、刺针等组成。前面已提到要提高生产效率必须要提高针刺频率， 所以提高针刺频率是设计针刺机构的关键。目前，非织造布针刺机大都采用曲 柄滑块机构，这种机构的优点是结构简单，加工制造，安装较容易，但是由于 进行运动平衡难度较大，很难达到很高的平衡精度，工作时振动。 根据以上分析，提出方案如下： 方案一：单轴驱动偏心机构( 即传统针刺机所用机构) ，该机构的工作原理 是利用主轴带动偏心轮和平衡轮旋转并通过连杆带动针粱和针板作上下重复运 动，使针板上的刺针反复穿刺棉网。其原理图见图2 3 。这样的结构存在一些 问题： ( 1 ) 从上节分析可以看出，由于机构存在柔性冲击，而曲柄滑块机构又难 以进行精确平衡，所以这种机构工作时很容易在水平方向上产生不平衡力，从 而在机器各运动付中引起动压力，增加运动付中的磨损，影响构件强度及降低 效率，故这种机构的针刺频率平均在4 0 0 - - 5 0 0 次分。 大津工业大学t 程硕十学位论文 ( 2 ) 效率低。本应该针板和针梁得到电机输出的全部能量，但被平衡机构 消耗掉一部分。平衡机构增加了运动时的摩擦阻力而造成能量损失。另一方面， 由于它增加了轴系的转动惯量，就要求有更大的启动力矩。 ( 3 ) 为了平衡，平衡机构和偏心机构的安装方向须严格保证1 8 0 。才行，这 也为安装带来了难度。实际生产中，偏心机构产生的不平衡力及针刺机构产生 的惯性力很难用平衡机构彻底消除，难以达到很高的平衡精度，而且工作速度 越高振动越大。因此主轴转速不能太高，这就妨碍了针板速度的提高，即降低 了针刺频率。 ， 图2 - 3 单曲柄驱动机构 1 主轴2 偏心轮3 曲柄4 针杆5 导套6 针梁7 针板 8 刺针9 配重块 方案二：双轴双曲柄机构 前面说过，针刺频率对产品质量和生产效率有直接影响，所以提高针刺频 率是设计针刺机构的关键。而机构设计的关键应是将水平不平衡力消除，即将 单轴驱动偏心机构改成双轴反向驱动偏心轮机构，如图2 - 4 。 机器在工作时，由主电机带动带轮转动，通过一个减速器将动力同时传递 给两个曲柄机构的主轴1 ，并且使两个主轴反向旋转。单轴驱动偏心机构改成 双轴反向驱动偏心轮机构。运动时两个偏心机构反向运动，两曲柄的端部通过 连轩刚性联接，同步带动针板做上下住复运动。实现对棉网的穿刺。 这样的结构有以下优点： ( 1 ) 因为是两个偏心机构驱动针板运动，所以每个偏心机构所受的力是原 来 的一半，其部件的尺寸和重量都可相应减小，有利于针板速度的提高( 即针频的 反向转动时，从理论上讲，可以互相抵消在水平产方向上产生的不平衡力，大 大降低了机器的振动，而且从加工和安装的角度来看也比较容易实现。 同时，解决振动问题的方法之一是减轻运动部件的质量。在不降低推杆和 导杆的强度和刚度的前提下，做成空心的，然后两端用堵头焊死，这样可减轻 杆的质量，减小惯性力。针板通常采用钢制的较多，这种结构较重，工作时惯 性力大。针频难以提高。我们这次采用采用轻质材料即铝镁合金。目的就是减 小针板的重量。 鉴于以上两种方案比较，在本次设计中针刺机构采用方案二的双轴驱动机 构。 2 5 本章小结 针刺频率对产品质量和生产效率有直接影响，所以提高针刺频率是设计针 刺机构的关键。将单轴驱动偏心机构改成双轴反向驱动偏心轮机构，可以达到 较高的平衡精度，当两偏心轮反向转动时，从理论上讲，可以互相抵消在水平 产方向上产生的不平衡力，大大降低了机器的振动，而且从d n - 1 - _ 和安装的角度 来看也比较容易实现。可大大提高针刺频率。 天津一t ：业火学+ i ：程硕十学位论文 1 4 第二章针刺机构中针板、剥网板、托网板的分析与设计 第三章针刺机构中针板、剥网板、托网板的分析与设计 3 1 植针板的设计 3 1 1 概述 针刺固网加工是非织造生产中各类固网方法较重要的一种，世界干法非织 造布中针刺约占4 0 ，我国已超过5 0 。生产的产品类型广泛，产品的特色比 较明显，应用在很多领域。近来随着非织造产业的发展和市场竞争的同趋激烈， 对产品的品种和质量提高的要求更为迫切，针刺固网加工也不例外，亟待进行 改进。针刺固网作用的关键是植针板的规格和质量，直接影响产品的性能和质 量【2 们。植针板的规格包括针板的布针和针的选用，只有良好的布针和选用适用 的植针，结合工艺的调整才能生产出优质的产品。植针板的布针是设备制造厂 所设计和提供，产品生产厂只能被动应用，如何选好与产品要求匹配的植针板 是一个很重要的问题。【2 1 】过去产品生产厂多数对此重视不够，且生产设备厂也 没有提供较多规格的植针板以备选用，这对产品的开发和质量的提高都是不利 的条件。对植针板的要求是每块针板应尽量多的植针，即植针密度要高，单位 长度l m 内的植针数要多，而且布针方式达到杂乱排列的要求，即纵不成列横 不成行，减少重复针刺，针刺成品表面的针眼均匀分布，没有明显的条纹针痕 【2 列。目前国内多数设备生产厂对此虽有所注意和改进，但能生产出能够适应步 进量需要的优质植针板的单位为数较少，这就要求设备制造厂多向产品生产厂 家征求意见，认真总结经验。为了满足这种需要，对植针板的设计和相关参数 进行了介绍和分析。 3 1 2 针刺机针板的构造特点 针板的安装见图3 1 。针板的一般宽度2 8 8 毫米，长度1 0 0 0 1 5 0 0 毫米，按 布的幅宽要将针板拼接达到需要，本次设计取针板厚度为2 0 m m ，针板按布针 设计钻有植针孔，孔径和刺针针柄相配合，针插入后不晃动，为减少经常换针 对植针孔的磨损，多数针板的植针孔中装有针套，刺针插入针套孔内，针套可 定期更换。针板的要求有3 点：一是植针多，即植针密度大，二是布针方式达 到要求，三是布针杂乱，针刺效果好。针刺深度由纤维长度和细度及纤维品种、 纤网厚度和产品要求等来确定。 天津一l 业人学硕+ 学位论文 产一气 图3 - 1针板、托网板、剥网板示意图 1 连接杆2 针梁3 针板4 刺针5 剥网板6 托网板 按针板的数量可分为单针板( 图a ) ( 图b ) 、双针板( 图c ) ( 图d ) 和 多针板。由针刺方向可分为单向和双向、上刺和下刺。单向是对纤网一面加固， 又分为上刺( 向上针刺) 及下刺( 向下针刺) ，即针板在纤网之上为下刺( 图a ) ， 针板在纤网之下为上刺( 图b ) 。双向是对刺方式，可实现纤网双面加固，可 分为同位和异位，同位是针板位置相对，异位针板位置错开( 图g ) 。同位对 刺又分为运动顺向和逆向两种，顺向运动同位对刺( 图f ) ，上下针板运动方 向相同，即一个针板刺人纤网，另一个离开纤网。而逆向运动为上下两针板反向 运动，即同时刺人纤网或同时离开纤网( 图e ) 。逆向运动针刺效果相当于把 针板植针密度提高了，但针板布针时应防止针的干扰，布针设计时要考虑好， 各种针刺方式如图3 2 所示。 丌丌唧肼肌阿盯研邢肌肌丌 l l 图( c q )图( ) i j i t l i l l w w i 儿叫t i l l 山l u l 儿l 删l l j l 呲i 图( b )图( d ) 3 2 植针板的布针设计 图3 - 2 针刺方式示意图 3 2 1 针板布针设计参数 l 研邢肌 i 山山山山 图( g ) 一刚一刖 第二章针刺机构中针板、剥网板、托网板的分析与设计 设植针板的植针密度为m ( 枚m ) ，植针板有效植针宽度为b ( m m ) ， 若针板布针后横成行和纵成列，以坐标表示横向为x ，纵向为y ，设横向沿x 轴 方向两针中心距为口；纵向沿y 轴方向两针中心距为b ；则a 值即为列距，b 值 即为行距【2 3 】。又设横向x 轴方向每米长针板内有针数为m ( 列数) 。设纵向y 轴方向每列孔数为n ，( 行数) 故：m ：1 0 0 0 ( 每米长的针板内) 口 又知：m = m n 则： ，l ：丝 m 可将m 与a 关系代入l z 式中， ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 所以： 刀= 而m a ( 3 - 4 ) 又知 以= 詈卿詈= 淼 故又得到： 口= 1 1 0 函0 0 _ b 和6 = 1 1 0 函0 0 _ b 假若植针均匀排列布针，则a = b ，( 假设) 确 口= 浮扯浮 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 由上两式可知，若m 和b 已知可估算a 和b 之值，但实际应用尚需考虑植 针 板孔径及剥网板和托网板孔径的选用，并选好孔间距以确定合用的孔中心距， 这些影响植针板及剥网板和托网板的强度和变形，而剥网板和托网板的孔径又 对剥网作用和针的变形干扰等有关系。孔径不能太大和太小，孔径有一个合适 值，孔间距也能达到要求。即a 和b 要选好，两者又决定m 和”，影响植针密 度m ，在曰值一定的条件下，b 的大小又决定a 的大小，两者互为影响。植针 密度m 是生产工艺中很重要的参数，应尽可能大些，植针板的有效宽度b 又不 能无限加宽，因此在一定曰值的条件下，为了具有较大的m ，口和b 值应尽量 减少，但又受孔中心距限制，各种m 和b 已定的条件下，a 或b 估算值如表 3 1 所示。 表中m 为植针密度( 枚m ) ；b 为有效植针宽度( m m ) ，括号外为名义 宽度。a 为横向植针两针中心距( n u n ) 。b 为纵向植针两针中心距( m m ) 。 若植针纵横向均匀排列，a 即植针列距，b 即指针行距，两者现假设相等 ( 实际应不等) 。 3 2 2 植针板布针的数学模型 天津工业大学硕十学位论文 如将针板上的每一个植针孔看成个点，由这些点形成点矩阵，每m 长针板 内分布的点矩阵即布针的数学模型，全部点阵的元素共有植针密度m 个【2 4 】， 即 m 2 m r ( 3 8 ) 可用g 代表点， i = l ，2 ，疗 睡吲 由上点阵可看出i 为行数，j 为列数，以上矩阵即刀行m 列矩阵。 点矩阵中的每个点又可用坐标表示，如选横向为x 轴，纵向为】，轴，即c i ， 为墨，x 。，c 2 。为五。k 。，则矩阵可换成为： 二：羔：五2 i i 二。m i y l m 纛t + a y l 2 - - z - i + 0 ( m - 慨1 ) a y l m l 麓”x 纛l l + a y l 2 叫x h 坳+ ( m 三- 1 ) a y l r , , 3 2 3 布针的杂乱 假若按上述数学模型的针孔位置布针则形成不了杂乱要求( 植板的布针纵 成列，横成行) ，为达到布针杂乱的要求，应加以变化，杂乱变换方法有两种： ( 1 ) 首列布针错位法 将第一列布针的x 值在区间o a 之间随机错位，即取0 x a ，按行随 机选值，相应】，值在区间0 b 之间随机变化，即每行的y 值在0 y 6 ，按行距 第三章针刺机构中针板、剥网板、托网板的分析与设计 b 的大小进行改变，举实例如下： 例l ：植针密度m 为1 9 0 0 枚m ，横向x 方向选两植针孔中心距为1 2 m m ， 即列距为1 2 ，a = 1 2 可知每米长针板横向列数m ：1000：83m3 ( 列)= = jk 岁u ， 针板有效植针宽度召为1 7 5 左右。( 名义针板宽度为1 8 0 m m ) 纵向】，方向的行数以为： 刀：一m ：1 9 0 0 ：2 3 ( 行) 刀= = =l 1 j ， m8 3 3 表3 - 2 中x 的平均间隔为，1 2 ，：0 5 2 ，的平均为1 ，7 ，5 ：7 6 2 i z , 5 2 y li d 6 ( o pb ) ，行( 列) 表 中x 的平均间隔为，= ， 的平均为，= 7 ( ) ，行( 列) 标的确定，y 是按行的顺序进行，由1 2 3 ，y 值由小到大，而x 是随机选定， 由x 的中值附近( 取7 2 7 ) ，向两端扩展，相近行尽可能分散向两端排开，按 行表顺序可对x 和y 整理如表3 2 。 表3 - 1m 和b 的值 天津上业人学硕士学位论文 表3 - 2 首列x 和y 值 表3 - 3 按行取x 和y 的值 单位：m i l l 2 0 第三章针刺机构中针板、剥网板、托网板的分析与设计 续表3 - 3 按行取x 和y 的值 单位：m m 表3 3 中y 值行差即行距6 ，现每行均改变数值。由表3 - 3 可绘出首列植针 孔分布折线图，见图3 3 ，并可将局部放大见图3 4 3691 22 43 6n n 图3 - 3 针刺孔分布折线图 2 1 1 行 2 行 3 行 4 行 5 行 10 行 15 行 2 0 行 21 行 2 2 行 23 行 1 p34567890234 l n 6 8 n 4 i 1l111；1l 天津工业大学硕士学位论文 一 5己厂 、j ， f 1 。 ； 1 5 二 2 。厂、 一 一 一 一 一 芦 一 、3 。 一 一 一 i 一 一 一 、 图3 _ 4 局部放大图 ( 2 ) 首列布针x 错位而y 不错位，首行y 错位杂乱布针： 首列布针x 在区间0 x a 之间随机按行选值( 方法如3 1 所介绍的方法， y 值另定) 。首行布针y 在区间o y b 之间随机按列选值，但因列数过多， 所以按每米植针中的所需列数分段进行错位，然后逐段延伸首行y 值各列均错 位，举例如下： 例2 ：植针密度m 为6 0 0 0 枚m ，植针名义宽度2 5 0 m m 。x 轴横向两列植 针孔中心距为6 m m ，即a = 6 m m ，由此可得每米长植针板横向应有列数m m ：1 0 0 0 ：1 6 6 ( 歹0 ) ，竹= 一= k 岁uj 6 y 轴纵向应有行数n 也可求得： ：一m：6000：36n ( 行) = = = k 1ij 所1 6 6 则首列x 值有3 6 个，可分为6 组，每组6 个，组距为l ，x 值的平均间距 为兰= o 1 6 ( 0 x 口，口为6 ) ，首列各行的工取值见表3 4 。 表3 _ 4 首列各行石值 第三章针刺机构中针板、剥网板、托网板的分析与设计 续表3 _ 4 首列各