非織造針刺技術研究現狀及發展趨勢

　　關鍵詞：非織造布工業；針刺機；針刺技術

　　非織造産業被譽為紡織行業的“朝陽産業”。列入《紡織機械行業“十三五”發展指導性意見》的59項“重點科技攻關項目”中，非織造布機械項目就有5項。非織造針刺技術是通過刺針在纖維網中往複穿刺，以實現對纖維網的機械加固而形成具有一定面密度和強力的非織造布材料。在幹法非織造布中，針刺法非織造布占40%。因此，針刺法是一種重要的幹法非織造布制造方法。針刺法非織造布具有通透性好、過濾性能和機械性能優良等特點，被廣泛用于制造土工布材料、過濾材料、建築防水材料、汽車内飾、合成革基布、造紙毛毯等多種産業用及生活用非織造布材料領域。随着非織造針刺技術的發展，國内外學者對非織造針刺關鍵技術進行了大量研究，本文對這些技術的現狀和發展趨勢進行詳細說明。

　　一、國外非織造針刺技術發展現狀

　　針刺機最早起源于英國，直到20世紀中期奧地利Fehrer公司對針刺機進行改進後，針刺機才飛速發展起來并得到大規模的推廣應用。随後德國、法國的設備制造商相繼開發出不同種類的針刺機。西方發達國家具有代表性的針刺機生産廠家有德國Dilo公司和原奧地利Fehrer公司(現已納入中國恒天集團旗下AUTEFA Solutions集團公司)。

　　1.1   Dilo公司

　　1.1.1   Hyperpunch技術

　　目前德國Dilo公司的針刺技術處于國際領先水平，其針刺頻率已達到3500次/min，出布速度最高可達到150m/min。Dilo公司在ITMA1995展會上首度展出了Dilo Hyperpunch針刺機，其橢圓形針刺技術是近年來針刺領域取得的具有突破性進展的技術。該橢圓運動機構在垂直運動的基礎上，在水平方向添加一個曲柄滑塊機構，二者複合而成橢圓軌迹運動，進而使針梁以及安裝在針梁上的針闆、針闆上的刺針呈橢圓軌迹運動。

　　1.1.2   Hyperlacing技術德國

　　Dilo公司在慕尼黑ITMA 2007展會上首次展出了Hyperlacing技術。該新技術采用新型動力學原理使針闆和針梁以圓形軌迹運動，生産速度超過1100m/min。Hyperlacing針刺系統包含Cyclopunch針刺單元，Cyclopunch針刺單元是控制刺針圓形軌迹運動的關鍵。由于Hyperlacing針刺技術采用新型動力學原理，不設有連杆和導向裝置，植針密度高達2萬針/m，同時刺針每次隻鈎取一根纖維，因此該技術可以用來加工低面密度的PET、PP、黏膠纖維等産品。由于加工的産品質感柔軟、懸垂性好以及吸濕性好，因而多應用于醫療、衛生等領域。

　　1.1.3   X22組件技術

　　Dilo公司推出了一條可應用于生産醫療行業的高檔針刺氈以及生産碳纖維材料等特殊用途針刺氈的袖珍生産線(Dilo-Compactline)。該袖珍生産線的最大亮點是X22針刺組件技術。該技術專為橢圓針刺技術(Hyperpunch)和圓形針刺技術(Cyclopunch)設計，X22組件技術由Dilo公司和Groz-Beckert公司合作研發，因其每個組件有22枚刺針，故稱為X22組件技術。該技術可以降低植針難度，其植針密度可達2萬針/m。

　　1.1.4  基于X22組件的Variopunch技術

　　Dilo公司與德國Fraunhofer研究院聯合開發的Variopunch技術以X22組件技術為基礎，通過改變針的排列方式來消除産品表面上的疵點。該技術可以使針刺痕迹均勻分布，進而提高産品表面質量。産品采用Variopunch技術後可将針迹CV值降至25.6%。

　　1.2   Fehrer公司

　　1.2.1   H1Technology

　　Fehrer公司的H1Technology技術源于20世紀90年代Ernst Fehrer博士的發明專利，該項技術的特點是采用弧形針闆、弧形托剝網闆和垂直針刺，使針刺方向在針刺過程中不斷地發生改變。該技術可以增加針刺深度，并且可以以相同的針刺次數獲得比傳統針刺強度更高、密度更大的纖網，并以較少的針刺道數達到同樣的針刺效果。這不但降低了能耗，而且節約了投資成本，減少了設備占地面積以及後期的維修費用。

　　1.2.2  橢圓軌迹多動程造紙毛毯針刺機

　　Fehrer公司的橢圓軌迹運動針刺機适用于環狀非織造布産品的固結，該針刺機機型名為多動程造紙毛毯針刺機，即MMD(Multi Motion Drive)造紙毛毯針刺機。針刺機通常采用主軸油箱式結構，針闆呈上下往複運動，而MMD型針刺機的傳動方式是在原有的上下(垂直)往複運動的基礎之上，配置了另外一套傳動機構使之沿纖維步進方向前後(水平)運動。二者運動複合而成針闆的橢圓軌迹運動，其中水平運動動程可調節，并可以使纖維的牽伸量大大降低，提高産品表面質量。

　　1.3  德國Groz-Beckert公司

　　BoardMaster系統2011年，德國Groz-Beckert公司推出BoardMaster系統，包括NeedleMaster和BoardScoot設備，該系統可以提高針闆的裝運效率。NeedleMaster是BoardMaster系統的基礎，它是一套半自動針闆刺針更換設備，主要用于針刺機針闆刺針的更換。與傳統手動換針方法相比，其可節省換針時間，并且在安裝與拆卸刺針的過程中對針闆起到護理作用。

　　二、國内針刺技術發展現狀

　　針刺機自20世紀70年代被引進國内後迅速發展，至今，國内已有近20家專業的非織造針刺設備制造商，其中大部分具備整套針刺法非織造布生産線。國内針刺機結構主要有兩種形式：一種是類似于Fehrer公司的主軸箱式結構，另一種是類似于Dilo公司的無箱齒輪搖杆式結構。國内非織造針刺設備制造商通過引進、消化與吸收，并根據國内用戶使用情況，不斷進行技術創新與結構改進，形成了具有我國特色的針刺機結構形式。

　　2.1  主軸箱式結構

　　針刺機主軸箱式結構針刺機是将往複運動的零件(主軸、連杆、偏心塊等)密封在一個箱體内，可以對相關軸承進行不間斷地潤滑與冷卻，其主要技術難題是推杆處漏油的問題。江蘇儀征市海潤紡織機械有限公司提出采用集中供油系統方案來解決針刺機的漏油問題。該集中供油系統由供油站、噴嘴、冷卻器、報警控制、管路等組成。目前，針刺機集中供油系統已成功推廣，推杆漏油率大大降低。

　　2.2  無箱齒輪搖杆式結構

　　針刺機無箱齒輪搖杆式結構針刺機真正走向市場是在2000年以後，代表性企業有鄭州紡機工程技術有限公司、江蘇儀征海潤紡織機械有限公司和儀征市佳禾機械有限公司等。無箱齒輪搖杆式針刺機的特點是：導向裝置采用齒輪齒條機構；主軸、連杆、偏心輪等零件裸露在機架内；主軸支撐軸承、連杆軸承、齒輪齒條潤滑方式采用幹油間歇集中潤滑系統，基本上可防止漏油。無箱齒輪搖杆式針刺機結構示意圖見圖1。

1—齒輪箱 2—配重輪 3—軸承座 4—連杆5—曲軸 6—針梁 7—針梁座 8—齒條座 9—搖杆

圖1 無箱齒輪搖杆式針刺機結構示意圖

　　2.3  多連杆機構式橢圓軌迹針刺機

　　恒天AUTEFA公司在2012年國際紡機展上展出StylusDZ-D類橢圓軌迹針刺機，其針刺頻率可達2750次/min，能夠實現垂直和橢圓兩種軌迹。該機型以i-point為開發平台，在傳統主軸油箱式結構的基礎上，配置了新穎的多連杆機構，從而把刺針的垂直運動與水平運動複合成橢圓運動軌迹。同時該機型可以在開機狀态下，通過在電腦上輸入相關指令來改變水平動程，從而達到最佳的産品表面質量。

　　三、國内針刺技術發展趨勢

　　3.1  現有機型并行發展

　　當前，現有針刺機機型種類繁多，型号各異。按針闆數量，有單針闆針刺機、雙針闆針刺機和多針闆針刺機；按針刺方向，有上刺式針刺機、下刺式針刺機和對刺式(同位和異位)針刺機；按加工方式，有預刺針刺機、主刺針刺機和修面針刺機；按針刺頻率，有低速針刺機、中速針刺機、高速針刺機和超高速針刺機；按刺針運動軌迹，有直線軌迹運動針刺機、橢圓軌迹運動針刺機和圓形軌迹運動針刺機；按加工産品的用途，有絨面針刺機、提花針刺機、條紋針刺機、環形針刺機、圓筒針刺機和墊肩針刺機等。

　　3.2  新機型開發

　　我國的科研工作者在新機型的開發上做了許多工作。周自強等人提出了一種橢圓軌迹生成方法，該方法是在曲柄滑塊機構和圓柱凸輪機構的基礎上，通過一定的理論分析設計理論機構模型，并利用Cosmos Motion軟件對機構的運動進行了仿真分析，進而驗證了軌迹運動的準确性。

　　專利“橢圓軌迹針刺機構”中提出了一種橢圓軌迹針刺機構，見圖2。

1—第一曲軸 2—第一連杆 3—第二曲軸 4—第二連杆 5—針梁 6—第一副曲軸

7—第一副連杆 8—搖臂 9—第二副曲軸 10—第二副連杆 11—連杆座 12—橫向定位連杆

圖2橢圓軌迹針刺機結構示意圖

　　第一、第二曲軸等速相對轉動，通過第一、第二連杆帶動針梁作上下往複運動，第一曲軸和第一副曲軸之間由皮帶連接，在第一曲軸轉動的同時帶動第一副曲軸同向轉動，第一副曲軸與第一副連杆相連，第一副連杆與搖臂相連，第一副曲軸轉動的同時帶動搖臂、第二曲軸副橫向擺動，上下往複運動和橫向擺動複合即為橢圓軌迹運動。

　　第二、為了适應針刺設備高速高效發展，橢圓形軌迹針刺機将是我國針刺機機型未來發展的主要趨勢。我國針刺機機型的另一發展方向是圓形軌迹針刺機，目前國内該機型技術還是空白。

　　3.3  輕量化設計

　　輕量化設計包括結構優化設計、新材料選取和多學科綜合優化設計等。目前，我國生産的針刺機的針刺頻率很難突破2000次/min，無法提升針刺頻率的一個重要原因是受材料的制約。近年來，随着材料技術的不斷突破與高速發展，國内外許多設備開發商開始探求新型輕量材料。例如，我國針刺機的針梁材料由原來的16Mn變為現在的鋁合金；連杆材料由原來的鑄鋼變為現在的鋁基複合材料；德國Dilo Hyperpunch HSC型針刺機的針闆和針梁材料采用碳纖維增強複合材料，加工出來的針闆和針梁質量輕、性能好，該系列針刺機的針刺頻率可以達到3000次/min。針刺機設備運動部件實行輕量化設計對設備減重、節能和提升設備的動力學性能具有一定的指導意義。

　　3.4  綠色節能高效高産

　　現在國家提倡“綠色制造”，所以針刺機生産制造環節的綠色節能顯得愈加重要。國内企業在做到綠色節能高效高産的同時，更應注重節約資源，保護環境，實現行業的可持續發展。

　　3.5  智能狀态監測與網絡運行評價系統

　　在科學技術日益進步與多學科聯合發展的新時代，智能制造作為新時代科學的代名詞，以其特有的優勢，逐漸成為制造業的發展趨勢。宋炳濤等人在研究中提出，将狀态監測技術應用到針刺機非織造生産中，對高速運行中的機械振動信号進行實時或及時的監測，建立故障診斷專家知識庫，為針刺機的機構優化改進提供參考，對非織造行業的發展起到推動作用。鄧輝等人設計了現場、服務器和客戶端三層結構組成的針刺機網絡化運行評價系統，該系統以VB.NET為開發平台，以SQLServer為數據庫，來采集與分析主軸的振動信号，用以實現對針刺機運行狀态的監測以及實現對産品縱、橫向強力性能的在線評價。

　　智能制造不僅可以滿足客戶的個性化需求，而且可以将客戶、供應商、制造商的信息共享，省去諸多中間環節，拉近他們之間的距離，還可以為客戶提供快速響應的售後服務。

　　四、結語

　　我國針刺機設備各機型将在保持原有市場占有率的前提下并行發展，形成多點開花的局面，這是未來市場發展的一個趨勢。為了實現針刺機高速高效生産，橢圓軌迹運動和圓形軌迹運動針刺機是今後的研究熱點。從環保和綠色制造角度，使用新材料和針刺機關鍵零部件輕量化是我國針刺技術提升與發展的必由之路。我國非織造産業的智能化程度還不高，針刺機等設備的智能化發展空間大，智能化的普及也無疑是未來發展的一大趨勢。
 

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