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摘  要：本文以粘胶纤维牵伸机设计和运行作为研究对象，首先从牵伸机辊体、压酸机结构、牵伸力和功率确定等方面探讨了粘胶纤维牵伸机设计的要点。随后，从唐山化纤产品性能要求出发分析了粘胶纤维牵伸机的运行方式，为国内粘胶纤维牵伸机的合理设计及运行方式选择提供参考。

关键词：粘胶纤维牵伸机；设计要点；运行策略

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。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。

1、粘胶纤维牵伸机的设计分析

1.1牵伸机辊体设计

（1）辊体绕丝机理分析

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。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。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。

（2）牵伸机辊体材料选择

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。

（3）牵伸机辊体直径确定

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５０００ｔ，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φ３００ｍｍ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φ５００ｍｍ辊体直径，再到年产８万ｔ的五辊体牵伸机φ６００ｍｍ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φ６５０ｍｍ，单辊装机功率达到２２ｋＷ。

（4）牵伸机辊体设计

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。

1.2压酸机结构设计

（1）结构简介

摆臂安装在摆臂固定套上，由一根转轴和两个压酸轴支撑板焊接而成，材质为３１６Ｌ或９０４Ｌ不锈钢。压酸机构工作时，摆臂在气缸作用下带动压酸辊绕着摆臂固定套转动；摆臂固定套通过法兰安装在箱体的非操作侧，套内装有两个摆臂轴承，摆臂固定套的材质为Ｑ２３５－Ａ钢，摆臂轴承为ＧＢ／Ｔ２６８５—１９８１中的粉末冶金轴承；密封法兰安装在箱体的操作侧，材质为３１６Ｌ或９０４Ｌ不锈钢，由耐酸碱橡胶制成的油封和垫片进行密封，防止酸液沿着摆臂渗透到摆臂固定套内，避免对摆臂固定套和摆臂轴承造成腐蚀。压酸辊、压酸辊轴承及压酸辊端盖安装在压酸轴上，压酸轴的两端固定在摆臂上；压酸辊由一个９０４Ｌ不锈钢辊体和两个３１６Ｌ不锈钢撑套焊接而成，压酸辊轴承为ＧＢ／Ｔ２８１—１９９４中的调心球轴承；压酸辊端盖材质为９０４Ｌ不锈钢，由耐酸碱橡胶制成的“Ｏ”形密封圈和油封进行密封；压酸轴材质为３１６Ｌ或９０４Ｌ不锈钢。

（2）性能特点

原压酸机构基本上能满足使用要求，但也存在若干问题：ａ）摆臂轴承的润滑性能不良，在负荷较重的工况下容易失效；ｂ）由于刚性压酸辊的减振性较差，且压酸辊轴承为调心球轴承的抗振性不好，因此容易损坏，更换周期较短；ｃ）压酸轴与压酸辊端盖间的油封为普通单唇骨架油封，型号为ＰＤ３５×６０×１２ＨＧ４－６９２－６７（耐酸碱橡胶），如果油封因发热、磨损、油封质量等因素而失效，生产过程中产生的芒硝有可能沿着压酸轴进入压酸辊轴承内，加速轴承的损坏。

（3）压酸机结构设计

改进后的压酸机构主要由气缸、摆臂、摆臂固定套、摆臂轴承、密封法兰、压酸辊、压酸轴、自制压酸辊轴承、压酸辊端盖和油杯等组成，具体如图2所示。其中，气缸、摆臂、摆臂轴承、密封法兰、压酸轴和压酸辊端盖的结构、材质和型号都与原机构相同，不同主要为摆臂固定套、压酸辊轴承和压酸辊的结构。

原摆臂固定套无注油孔，其内部主要依靠自润滑的两个摆臂轴承，润滑效果较差。为了解决这一问题，保证摆臂轴承的可靠性，改进后的摆臂固定套上增加一个注油孔及油杯，以保证摆臂轴承的润滑。原压酸辊轴承为标准调心球轴承，无论是国产或是进口都普遍存在抗振性较差、轴承使用周期较短等问题。改进后的压酸辊轴承采用自制滑动轴承。自制压酸辊轴承主要由外套和内套组合而成。内套安装在压酸轴上，其内孔与压酸轴间配合为Ｈ６／ｈ６；外套内孔与内套外圆间配合为Ｈ８／ｄ８，外套外圆与压酸辊内套间配合为Ｈ７／ｍ５；外套上设有一个环形槽，槽底有若干个小孔与内套外圆相通；外套由压酸辊撑套和压酸辊端盖固定；除公差配合要求外，要求外套和内套表面硬度达到３４５ＨＢ～４３２ＨＢ。为此，外套和内套的材质都采用高硅铜铸铁，其化学成分：碳为０．８％、硅为１５％、铜为８．５％、锰为０．８％、磷为０．０７％、硫为０．０５％。当自制压酸辊轴承工作时，内套和压酸轴不旋转，而外套、压酸辊端盖和压酸辊一起绕轴旋转，即内套与外套间为相对转动，由润滑脂进行润滑。为了定期给自制压酸辊轴承加注润滑脂，在压酸辊上增加注油孔，注油孔入口处装有紧固螺钉；紧固螺钉材质为９０４Ｌ不锈钢或ＰＰ，螺纹规格为Ｍ６，安装时螺纹需涂硅橡胶密封剂；给自制压酸辊轴承加注润滑脂时，应先将紧固螺钉取出，换上螺纹规格为Ｍ６的油杯即可；油杯的润滑脂先通过注油孔进入外套的环形槽内，再通过环形槽槽底上的小孔进入外套和内套间的缝隙，从而达到润滑的目的。

此外，为了改善压酸轴与压酸辊端盖间油封的密封性能，将普通的ＰＤ３５×６０×１２ＨＧ４－６９２－６７单唇骨架耐酸碱橡胶油封改为ＳＤ３５×６０×１２ＨＧ４－６９２－６７双唇骨架氟橡胶油封，氟橡胶油封具有良好的耐热、耐油、耐酸碱及其它化学药品的性能。同时，在双唇骨架油封主唇与副唇间的环形槽内填满通用锂基润滑脂；该润滑脂具有良好的抗水性、机械安定性、防腐蚀性和氧化安定性。要求自制压酸辊轴承也选用通用锂基润滑脂改善润滑性能，实现润滑脂品种一致，便于设备的日常维护。

改进后压酸机构的主要特点：ａ）自制压酸辊轴承采用滑动轴承形式，由内套和外套组成；ｂ）自制压酸辊轴承工作时，内套和外套之间可以相对转动，并通过润滑脂进行润滑；ｃ）摆臂固定套和压酸辊都增加了注油孔，改善了摆臂轴承和自制压酸辊轴承的润滑状况，提高了轴承的可靠性，延长了轴承使用周期，降低了设备维护保养成本。

1.3牵伸力和功率确定

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。因此，必须对牵伸机辊体牵伸力进行理论分析和计算。通过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。

1，4牵伸机传动型式的发展

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１７ｋＷ，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１１ｋＷ，后来由于纺丝加锭扩产，变为四辊牵伸机，２组电机调整为１３．５ｋＷ，产能达到８万ｔ的新线五辊牵伸机（单辊电机为１８．５ｋＷ）。

1.5牵伸机布局和辊体数设置

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φ５００ｍｍ×４２０ｍｍ，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０．８ｍ。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φ６００ｍｍ×６００ｍｍ，纺丝机后设有１０ｍ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１５ｍ。

2、粘胶纤维牵伸机的运行分析

2.1产品性能要求

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。

3.2牵伸机运行方式

兰精四辊牵伸机，单辊变频电机的驱动功率为１１ｋＷ，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。。当纺速为６０ｍ／ｍｉｎ，辊体转速为３８ｒ／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。

总结

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。

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第一作者简介：江滔（1981-），男，湖南邵阳人，邵阳学院硕士研究生，研究方向：机械设计制造及其自动化；

第二作者简介：赵小林（1965-）男，教授，湖南邵阳人，研究方向：机械设计制造及其自动化；