黏胶短纤维牵伸机传动辊和传动轴的设计分析

江滔，赵小林

摘要：牵伸机是黏胶短纤维生产的关键设备，运行的稳定与否直接影响产量和产品质量。故此，本文以黏胶短纤维牵伸机作为研究对象，针对其中的传动辊和传动轴的设计简单进行研究。首先，本文就黏胶短纤维牵伸机简单进行介绍。随后，探讨了其中存在的配合问题及仿佛问题，提出了黏胶短纤维牵伸机传动辊和传动轴的设计要点进行分析，并在文后就黏胶短纤维牵伸机中的箱体、润滑、排风等部位的设计进行分析。

关键词：黏胶短纤维牵伸机；传动辊；传动轴；设计

牵伸是黏胶短纤维制造过程中必不可少的重要工序，其不仅是使纤维的物理和机械性能提高的必要手段，而且是检验其前道各工序运转好坏的关口。在黏胶短纤维生产工艺中，最关键的牵伸由牵伸机组完成，所以，牵伸机是黏胶短纤维生产设备的重要组成部分。牵伸机组位于纺丝机之后，一般由2～3台牵伸机组成。前后两台牵伸机之间的丝束，因牵伸辊表面速度的差异而被拉伸，两台牵伸机的牵伸辊表面速度之比称为“拉伸倍数”。在丝束拉伸过程中，大分子或聚集态结构单元发生舒展，并沿纤维轴取向排列，提高了分子链的取向度，使之具有定的强力和伸长。到目蓟为止，国内各黏胶短纤维生产厂家使用的牵伸机绝大多数为悬臂式牵伸机，其一般由箱体、牵伸辊、润滑部件、防护窗等部分组成。台牵伸机上装有5或7个牵伸辊，牵伸辊平行上下交替排列，采用闭式齿轮传动，也有～些大规模的黏胶短纤维生产厂冢采用单辊单电机式传动。近几年随着纺织行业的快速发展，为满足市场的需求，黏胶短纤维生产设备逐渐向大容量的方向发展，大辊径、重载荷的牵伸机应运而生，如直径500、550¨lll1的牵伸机在江西和山东等地都有使用，且运行良好。然而，黏胶短纤维生产存在着先天不足，生产中加入的各种化工原料经化学反应后几乎都以”三废"的形式排出,且这些物质对黏胶短纤维生产设备有着非常严重的腐蚀作用,最终导致设备损坏。

1、黏胶短纤维牵伸机概述

牵伸机位于黏胶短纤维纺丝生产线上的纺丝机之后,切断机之前,用于将纺丝机送来的连续黏胶纤维丝束按一定的牵伸倍数进行牵伸,然后送入切断机切断。随着纺丝机产量的提高,黏胶纤维丝束在牵伸机上产生的牵伸力及丝束宽度都会增加,这要求牵伸机不仅要有足够的牵伸能力,还要有很好的可靠性。影响牵伸机牵伸能力的因素主要有牵伸辊的直径和数量、牵伸轴的强度、轴承的承载能力、减速电机的额定功率和额定扭矩等。影响牵伸机可靠性的因素除上述因素外,还有牵伸辊的直径偏差、牵伸机的防腐措施等。

牵伸机牵伸能力的提高,首先需要确定牵伸辊的直径和数量。牵伸辊直径加大主要用来增大丝束在辊面的包角及对丝束的牵伸力,使丝束达到一定的牵伸倍数。牵伸辊数量,在保证丝束不在辊面打滑的同时,还可以改善纤维的强度。

其次,牵伸轴的强度、轴承的承载能力也是影响牵伸机牵伸能力的重要因素。为了保证牵伸轴的强度,除需选用高强度的材料和热处理措施外,还要有合适的直径(尤其是距离牵伸辊比较近的轴承的直径),以防止断轴现象的发生。为确保轴承的承载能力,牵伸轴上安装的轴承应选用承载能力比较强的调心滚子轴承。另外,减速电机的额定功率和额定扭矩是影响牵伸机牵伸能力的直接因素。在确定减速电机的额定扭矩前,首先需计算丝束对该减速电机产生的负载扭矩(牵伸机的起动扭矩忽略不计),减速电机的额定扭矩必须大于负载扭矩，并且要有合适的冗余量。减速电机的额定功率也是一个非常重要的参数。减速电机的功率使用效率在70%~80%时通常为最佳使用状态,过大则造成浪费。为了提高牵伸机的可靠性,牵伸机除了要有足够的强度和牵伸动力之外,还需要有较高的制造精度和良好的防腐措施,这一点对于大容量黏胶短纤维牵伸机而言尤为重要。

就牵伸机的制造精度而言,化纤厂对牵伸辊的制造精度要求是最高的,尤其是对牵伸辊直径偏差的要求。牵伸辊直径偏差过大会造成丝束在个别牵伸辊的辊面打滑,造成后面的牵伸辊负载加大,这不利于减速电机的正常运转。

2、牵伸机存在的问题

在早期牵伸机引进工作中，当时只考虑生产普通粘胶短纤维，没有要求生产高湿模量纤维，只要生产工艺设备能保证产品规格和质量即可。由于产能提高和产品品种的多样化，牵伸机故障频发，迫切需要对牵伸机改造，解决存在的问题，保证生产的顺利进行。

2.1传动辊与传动轴配合问题

兰精牵伸机传动辊与传动轴完全靠锥面配合，轴端用压盖固定。如果制作精度差，安装不到位，传动辊与传动轴同轴度差，运行时传动辊存在晃动，传动辊与牵伸机墙板间会发生摩擦现象。传动辊的晃动，势必引起传动轴的轴向窜动，长时间运行后，较大的轴向力和晃动引起轴承损坏，轴端压盖上的螺栓难以承受，会导致螺栓发生断裂，传动辊与传动轴脱离，造成生产事故。

2.2辊皮、幅板和芯体配合问题

原传动辊辊皮与幅板采用角焊缝、幅板与芯体采用U型坡口焊接，牵伸机内工作环境具有腐蚀性，长期运行焊缝腐蚀失效，辊皮、幅板和芯体之间发生相对转动，金属与金属摩擦产生火花，存在安全隐患。

2.3密封防腐的问题

由于牵伸需要在高温酸浴中进行,牵伸机工作的环境非常恶劣,所以对牵伸机密封防腐要求非常高。牵伸机采用单电动机齿轮传动,结构复杂,不易维修。密封采用了一道间隙密封和一道挡油环，密封效果不佳,容易产生断轴轴腐蚀及不易拆装等现象,并且不能满足设备性能要求。

3、牵伸机传动部件改造

3.1传动辊和传动轴改造

将牵伸机中的牵伸辊进行改进,新型的牵伸辊箱体为墙板式,各孔之间相对位置要求较低,加工难度小。内、外套可以在相对较小的机床上加工，制造成本大大降低。辊体和动力轴采用锥形连接，拆装方便,内、外套均可单独拆装。拖动采用单辊单电动机方式，安装和维护较简单,同时各个辊的旋转速度可以方便地调整,增强了机器的适应性和生产能力,结构紧凑,运行可靠，具体如图1所示。

图1 牵伸辊结构示意图

牵伸辊传动部件的主要设计工作是牵伸辊及齿轮(若有齿轮)的设计、轴的校核及变频电动机功率的选取。

牵伸辊的辊面材质可采用不锈钢、氧化铝陶瓷、耐酸碱橡胶或环氧玻璃钢等。为防止丝在辊上打滑,在辊面上需均布一定数量的半圆形轴向沟槽,沟槽与外圆面间采用圆角过渡,而且两者的表面都必须很光滑,这有利于丝的保护和牵伸辊表面防腐。牵伸辊靠近箱体的一侧设有挡酸液的凸边。齿轮的强度要求很高,采用钢材锻造制坯成本很高，为此,可以考虑采用铸钢或球墨铸铁。铸钢要采用能调质、齿部淬火的钢种,比如ZG40Cr;球墨铸铁要选高强度的,比如QT700-2。在图纸中要有如“制坯厂须对齿坯外圆进行金属探伤检测,检测深度不得小于三倍齿高，并提供检测报告,不得有气孔砂眼等铸造缺陷”等技术要求,以确保齿轮在加工和使用过程中不出现质量问题。轴的校核、变频电动机功率的选取,设计者可根据自己的经验进行,限于篇幅,不在赘述。

将牵伸机传动辊与传动轴的全锥配合改为锥度段和直边段配合，减少锥度段长度，传动轴与传动辊配合的轴端直径由全锥时的Φ124mm变成改进后的Φ136mm，轴径变粗提高轴端的传动强度;轴径加粗后，轴径选取的平键宽度由原来的25mm变成32mm，平键高度由原来的14mm变成18mm，提高了1.28倍，很大程度上提高了平键的传动强度，降低滚键现象的发生。传动辊辊皮、幅板和芯体采用烘装法联接。烘装法是通过对孔型零件加热使之受热膨胀，然后将有较大过盈量的轴型零件顺利装入孔中，再经过冷却收缩，使二者联接在一起的一种联接工艺，此种方法不易擦伤结合表面，传递载荷能力高。传动辊辊皮、幅板和芯体三者充分利用烘装工艺这一优点，不仅结合紧密、传递载荷能力高，而且杜绝了由于焊缝腐蚀开裂，导致结合面有相对转动，摩擦起火现象的产生。原轴承型号为23124CC/W33和24128CC/W33的轴承宽度和轴承内径分别为62mm和120mm、85mm和140mm，轴承承受的最大轴向力为Fap1=0.003×62×120=22.32KN和Fap2=0.003×85×140=35.7KN;重新选用的轴承型号为23224CC/W33和23228CC/W33，轴承宽度和轴承内径分别为76mm和120mm、88mm和140mm，轴承承受的最大轴向力增大，有效延长轴承更换周期。

3.2密封防腐改进

牵伸机密封防腐结构改进设计如图2所示，动力轴外端固定辊体,辊体内侧的动力轴上通过压盖装有轴承,轴承外有轴套,轴套固定在箱体前墙板上，压盖与轴套固定。在辊体、轴套与箱体前墙板之间有面板和防护罩,辊体的挡边有凹槽，此处的防护罩有翻边并靠近辊体。在正常运转情况下,液体在离心力和挡边的共同作用下.将箭头方向甩出。辊体和防护罩之间间隙较小,可有效防止液体进人辊体内部。为了提高密封防腐效果,辊体内壁上有加斜边的沟槽。当部分液体突破防护到达固定位置时,加斜边的沟槽可将液体沿图箭头方向甩出。为了进一步提高密封防腐效果,在压盖与辊体之间间隙处的辊体上嵌装分液环。通过加工和安装控制，可以保证辊体和压盖之间的间隙,使分液环和压盖之间保持合理的压力,即使有少量液体达到此处,也将被封在机体之外。另外,所有可能接触腐蚀液体的零件均采用了防腐材料或添加了防腐涂层,确保了牵伸机密封防腐的要求。

图2 牵伸机密封防腐结构示意图

4、粘胶短纤维牵伸机的其他设计要点

高湿模量粘胶短纤维牵伸机与普通粘胶短纤维牵伸机的结构类似,可分为齿轮箱式和单辊单电动机传动式,通常由箱体、牵伸辊传动、润滑及密封排风等部件组成,但在强度、防腐、操作及外观等方面的要求更高。

4.1箱体部件

无论是铸铁箱体还是钢板焊接箱体,前墙板轴承套、箱体内固定轴承套的筋板、前墙板上贴附的面板是箱体设计的关键。由于前墙板、轴承套、箱体内固定轴承套的筋板是主要的受力部位,因而在确定它们的厚度尺寸时要进行严格的计算(最好采用有限元分析法)。某些受力很大的部位,仅靠增加筋板厚度有时效果并不理想,这时需要采用双筋。前墙板.上贴附的面板用于保护前墙板,使其免受酸液的腐蚀。面板上需要安装喷淋管、吸风罩等零件。不管面板选用不锈钢板、环氧玻璃钢或硬PVC板等材质时,必需采取必要的措施,保证与前墙板密封以免腐蚀。

另外,对于采用单辊单电动机传动方式的高湿模量粘胶短纤维牵伸机,为安装减速电动机方便,其箱体一般不设后墙板,而且顶板的轴向宽度较小，前墙板较厚,同一轴上的2套轴承全部安装在一-个轴承套内。上述分析同样适用于这种机型。

4.2润滑部件

对于齿轮箱式高湿模量粘胶短纤维牵伸机,齿轮箱式中各个润滑点(如齿轮、轴承)的润滑,多采用齿轮泵稀油强制循环润滑系统。由于润滑油的温度不高，因此润滑系统中可不配备油冷却器。又由于牵伸机的工作具有连续性,因此润滑系统还需要具备这样的特性:当过滤器的滤芯堵塞时(最好配有滤芯堵塞发讯装置),能在牵伸机不停车的情况下进行更换或清洗,减少停车损失。对于单辊单电动机传动的高湿模量粘胶短纤维牵伸机,轴承一般采用润滑脂进行润滑。

4.3密封排风部件

丝束在牵伸过程中会散发出有害气体，因此牵伸机的密封和排风设计很重要。密封窗框架可采用不锈钢板或硬PVC板,框架内镶嵌耐酸玻璃。密封窗最好采用电动升降或无杆气缸升降机构,操作比较方便。进出丝两侧的挡板、吸风罩、集液槽可采用不锈钢板、硬PVC板或环氧玻璃钢等制作。根据用户要求,当它们的材质不同时,应使其颜色尽量协调一致,以美化整体外观。

总结

随着提产增效，产量不断增加，牵伸机的故障率不断升高，现有传动辊形式已经无法满足提产后的要求。随着传动辊故障率增加，潜在的传动辊与牵伸机墙板间发生摩擦发热现象增加。由于牵伸机系统内存在一定浓度的二硫化碳，使火险系数大幅增加。为保证安全生产，需要对现有传动辊和传动轴结构进行改造，增加传动辊系统的承载能力，降低设备故障率和火险隐患。

参考文献

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第一作者简介：江滔（1981.01—），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（1965.03—）男，教授，湖南邵阳人，研究方向：机械设计制造及其自动化；