纺丝成网生产线中的高性能卷绕机

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随着纺丝成网非织造布生产线向多纺丝系统、大幅宽、高速度、高产能、高效率的方向发展，卷绕机也向着大幅宽、大卷径、高速度、高可靠性、高度自动化、卷绕与分切两个功能分离的方向发展。本文介绍了卷绕机的基本工作原理，阐述了高性能生产线对卷绕机的要求，通过对国外主要设备生产商产品的性能特点及应用情况的分析，对卷绕机的发展方向提出了一些建议。

With spunlaid production line going for multi-beam, wider, high-speed, high production capacity and more efficient, the winder correspondingly, is tend to be wider, faster, more reliable, more automatic, and with separate functions of winding and slitting. Basic principle of winder was introduced in this paper, as well as the requirements of the production line. Furthermore, some suggestions were put forward based on analyzing the characteristics and application of winders from some leading producers abroad.

由于国产生产线整体造价较低，难于配置较好的设备，卷绕机一直没有得到重视，仍以仿制为主，因而技术进步缓慢，尚存在诸多薄弱环节，如速度低、产品布卷直径小、可靠性差等，从而导致传统的机型难以配置在高性能的生产线（如：SSS、SMS等）上使用。

卷绕机是生产线中所有机器中机构最多、动作最复杂的一种设备，其中会应用到液压、气动、电力拖动，速度控制、张力控制、位置检测、长度计量、自动控制等技术，在不同制造商的非织造布生产线中，所配置的卷绕机的机型也不尽相同。

SMS型非织造布生产线是一种高效连续运行的系统，产品克重一般为 10 ～ 80 g/m2，生产速度可达 300 ～ 800 m/min，单条生产线的最大产能达 2 万t/a。因此，生产线中主体设备的每一个故障都可能导致生产线全线停机，并会产生大量的废布及废丝，造成重大经济损失。

目前，随着SMS复合式非织造布生产线（及部分纺粘生产线）向着多纺丝系统、纤维细旦化、高速度、高产能方向发展，卷绕机也向高速、大卷径、不分切的方向同步发展，使卷绕机成为生产线中变革最多的高技术含量设备。

在高性能生产线上，卷绕机与生产流程的其他下游设备（输送装置、分切机、分拣设备、包装设备等）形成了一个大型的产品后加工系统。

1 卷绕机的基本工作原理

为了保证产品质量，卷绕机以恒张力卷绕的方式工作，即对一定规格、克重的非织造布，从开始卷绕，直至换卷下线为止的全过程，产品所受的收卷张力都要保持在设定值范围内。

在非织造布生产线中，卷绕过程都以表面驱动收卷的方式工作，即驱动辊通过表面摩擦力传递电动机的转矩收卷产品。在以这种方式运行时，驱动电动机一般工作在恒转矩特性区域。也有人将这种卷绕方式称为被动收卷或表面收卷，其意思是布卷的卷绕芯轴在工作过程中是被动的，而且转动（角）速度会随着布卷直径的增大而变慢（但表面线速度“基本”保持不变），收卷过程是依靠表面摩擦力实现的。

随着收卷时间的增加，产品布卷的直径会越来越大，为了保持卷绕张力恒定，卷绕芯轴（也称卷绕杆）在外力（一般是气缸、油缸或自重）的作用下，一方面与由电动机驱动的驱动辊筒表面保持接触，依靠两者之间的摩擦力带动卷绕杆旋转，将产品卷取到装在芯轴的纸筒管上，或直接卷绕在未装纸管的卷绕轴上；另一方面，还会自动向远离驱动辊的方向移动，以适应布卷直径不断增大的变化。

2 高性能生产线对卷绕机的要求

（1）SMS生产线与SSS型纺粘生产线不同，由于产品中含有断裂伸长率较小的熔喷（M）层，张力不当会破坏纤网的结构，导致产品的阻隔性能下降。因此，要求卷绕机要有足够的张力控制精度及灵敏度，防止因张力波动影响产品质量。

（2）SMS生产线要求卷绕机有合适的张力控制范围，既能在卷绕小克重的轻薄型产品时有足够的精度，又能保障在卷绕大克重的厚型产品时有足够的卷绕张力。

（3）卷绕机的传动装置要有足够的传动功率，机架和各种构件必须有足够的强度和刚性，回转零件要有良好的动平衡特性，以满足高速运行需要，避免发生变形和震动。

（4）一般SMS生产线的幅宽都在 3 200 mm以上，商品卷绕机的最大幅宽已达 8 000 mm。因此，要有相应的措施防止卷绕芯轴在工作过程及产品下线后可能产生的挠曲变形，防止产品布卷重心偏移、影响后续退卷运行。

（5）卷绕机能以较大的布卷直径下卷，以减少自动换卷次数，一般卷绕机的产品直径要求大于 2 000 mm（国产设备水平）。目前，国内已运行机型的产品直径已达 3 200 ～ 3 500 mm。

（6）控制系统要有多种启动换卷动作的模式，其中包括操作员手动、设定卷长到达、设定布卷直径到达等 3 种，以适应不同的加工要求。

（7）要配置可靠有效的横切断装置，既能可靠切断产品，又有快速切断功能，能最大限度地减少切断过程所产生的废品数量。

（8）要配置卷绕芯轴拔出装置及备用卷绕芯轴吊运设备。

（9）要配置下线产品布卷的移运设备。

3 高性能卷绕机的组成

目前卷绕机由以下基本系统组成。

3.1 卷绕装置

卷绕装置是卷绕机的主要工作机构。卷绕装置的形式有很多，根据与产品布卷接触的驱动辊筒数量来分，有单辊、两辊两类。驱动辊筒也称“接触辊”或“摩擦辊”。

辊筒的有效工作面宽度与生产线运行速度、产品幅宽有关，一般要比产品的名义宽度大 400 ～ 600 mm。为了提高传动效率，常在金属筒体上涂敷一层橡胶，或采用特殊工艺（如等离子喷涂）对金属进行表面处理，既有光滑的工作面，又有较高的摩擦系数和耐磨性。

单辊式卷绕机是最为常见的机型，以意大利制造的设备较有代表性，如目前与德国Reifenhauser（莱芬豪舍）公司生产线配套的ACelli（亚赛利）公司制造的卷绕机（图 1），及国产的新型卷绕机基本都属这一类型。

国外配置在SMS生产线上的此类卷绕机的最大幅宽达7 000 mm，产品的最大直径在 3 500 ～ 4 000 mm，最高运行速度为 1 000 m/min。

如图 2 所示，由于只有一条辊筒驱动，为了满足换卷时同时在圆周相隔 90°方位上驱动两支卷绕杆的需要，辊筒的直径一般在 400 ～ 600 mm左右。 随着卷绕过程的进行，布卷直径越来越大，在卷绕芯轴支承下，产品布卷沿水平的导轨上向远端平移。为了防止卷绕杆发生过大的挠曲，有的卷绕机设置了布卷支撑机构，在布卷的直径增大到设定值时，支撑机构会自动升起，用于承托布卷的部分重量，但不是每一种卷绕机都有这种配置。

两辊型卷绕机辊筒的直径较小，每一条卷绕辊筒均由独立的电机驱动。因此，既能有效控制从上游卷取产品的张力，还可以利用两辊间的线速度差控制收卷产品时的张力，使母卷的卷绕密实度较为一致，也保证了分切后子卷的直径一致性，对材料的适应性也较好。

双辊式卷绕机由于机构多，动作复杂，自动化程度高，价格贵，国内很少有厂家制造，但在早期从德国引进的纺粘法生产线（速度 ≤ 250 m/min）、美国制造的SMS生产线 （≤ 400 m/min）中可见到这种机型，如美国Parkinson公司制造的卷绕机等均属这种类型。

上述两种旧型号双辊式卷绕机由于运行速度偏低或产品直径偏小（≤ 1 200 mm）等原因已不再在大型生产线上使用。目前，国内江苏、湖北、广东等地有多条大型（纺丝系统多于 5 个）的SMS型生产线配置了德国Edelmann Technology GmbH制造的新型号双辊式卷绕机（图 3）。该品牌卷绕机最大幅宽为 5 600 ～ 8 000 mm（国内使用的为4 200 mm），最高运行速度为 1 200 m/min（国内使用的为800 m/min），布卷最大直径为 3 600 mm。

卷绕的动力可以是直流（DC）电动机或交流（AC）电动机，因机型而异，卷绕机中还有其他使用电机驱动的系统，如换卷绕杆机构，送杆、储杆装置，卷绕杆预加速系统等。随着变频调速技术的进步，交流电动机在速度调节、转矩控制技术等方面已能满足卷绕机的工作特性要求，用交流电动机作为驱动电机可提高设备的可靠性，并能有效降低运行管理成本，是一种发展趋势。

目前高性能卷绕机的运行速度一般在 400 m/min以上，在多纺丝系统的生产线上其运行速度约为 500 ～ 800 m/min，最高可达 1 000 m/min。

3.2 张力控制系统

在非织造布生产线上，卷绕机是以恒张力卷绕方式工作的，即在生产过程中，产品所受的卷绕张力是恒定不变的。张力控制系统包括：张力辊、张力传感器、张力控制器、测速装置（编码器或测速发电机）等。

张力传感器装在张力辊检测辊的轴承上，张力辊要装在卷绕机入口的最大张力位置。为了提高检测精度，卷绕机的张力辊常用轻金属铝合金材料制造，要求经精密的静平衡、动平衡校准。而且是用张力辊两端轴伸上的两个传感器来检测产品的张力。

张力控制系统的最终控制对象是电动机的运行速度或输出转矩，因此，电动机调速装置是张力控制系统的一个执行装置。由于从上游（如热轧机或后整理装置）进入卷绕机的产品的线速度是恒定的，张力控制系统通过不断改变卷绕机与产品间的速度差，在张力变大（小）时，卷绕机减（加）速，利用这种速度调整来保持张力恒定。

要合理选配传感器的测量范围，如果所选的量程太大，会影响张力较小时的测量精度和反应能力，将导致轻薄型产品出现严重的“缩幅”（幅宽变窄）。因此，单位幅宽的张力测量范围一般选为 20 ～ 200 N/m，测量范围太宽会影响小张力的控制精度。高速卷绕机的张力波动范围一般不大于±（2% ～ 5%）。

张力控制系统的技术水平对卷绕机的技术性能有重大影响，这也是在卷绕机的设计、制造、使用过程中非常需要关注的问题。

除了恒张力控制这一基本功能外，一些机型还有其他张力控制模式选择功能，可以根据要求选择“恒张力”（张力与布卷直径无关）、“线性张力”（张力随着卷绕直径的增大呈线性衰减，也称“锥度张力”）、“分段张力”（张力随着卷径的增大分为多段线性衰减）等控制模式。

当然，这些功能应与机器的应用领域、产品特性、设备档次、价格等因素紧密相关，并不是每一台机器所必需的。

仪表显示的张力值是全幅宽张力，与产品实际所受的最大卷绕张力并不一定相同，视张力传感器的安装位置及产品穿绕路径而变，因而同一规格的产品，在不同的卷绕机上所设定的张力也会有差异。

在一些性能较好的设备上，张力控制系统可以识别“断布”工况，即在运行过程中，如果张力突然消失，机器会自动减速停机，这种功能可避免发生“飞车”现象。

3.3 备用卷绕杆输送及储存

由于大直径（2 000 ～ 3 500 mm）产品布卷的重量达900 ～ 7 000 kg（视幅宽及直径而异），传统使用的 75 mm直径的卷绕杆已明显刚性不足。因此，高性能卷绕机的卷绕芯轴直径都较大，以 3.2 m幅宽的机型为例，视产品布卷的最终尺寸而异，所用的卷绕杆直径一般为 125 ～ 320 mm，幅宽更大的卷绕机的卷绕杆直径已达 450 ～ 500 mm。

由于卷绕杆的重量较大，备用工位的高度可达 2 m以上，因此，要求卷绕机必须配置备用卷绕杆的输送及储存系统。目前，较多使用带自动定位、自动钩紧/松钩功能的双钩吊车来吊运，放置卷绕杆。

3.4 备用卷绕芯轴预加速装置

为了防止卷绕芯轴在从静态瞬间加速到当前速度时产生冲击，避免布卷始端的产品出现折皱，卷绕机必须具有备用卷绕杆在投入使用前的启动预加速功能，使备用卷绕杆在接收到开始自动换卷的信号后，从静态启动、平稳加速到生产线当前的线速度，在没有速度差的状态将产品压贴在驱动辊表面运行。

由于备用卷绕杆与产品的线速度同步，不会引起张力波动，也就不会产生折皱了。这是高性能卷绕机与一般卷绕机的重大差异。

3.5 横切断机构

横切断机构的功能是将连续运行的产品切断，使已到达设定值的产品与后续产品分离开。本机构包括“压辊”及“横切刀具”两部分，压辊除了将产品以大包角压紧在新卷绕杆表面外，还能增大横切断时的张力，提高横切断动作的可靠性；横切刀的切断动作由气缸驱动，沿着与布面垂直的方向全幅宽插入、一次切断、并快速退回。

为了减少横切断过程所产生的废品，提高动作可靠性，卷绕机多使用刚性好、切口整齐的锯齿型横切刀。意大利亚赛利公司制造的幅宽为 8 000 mm的“Acqua”卷绕机使用高压水来切断产品。

3.6 自动换卷系统

这是保证卷绕机能连续运行的重要系统，也是结构及动作最复杂的子系统。其功能是用新的卷绕杆替代布卷已到达设定值（卷长或卷径）的卷绕杆，继续收卷产品，这个过程是在不停机状态下进行的。

卷绕机的自动换卷过程是生产线所有设备中动作最多、逻辑关系最复杂的一个过程，各种动作可以由电动机、气缸或液压油缸驱动，或是以上几种动力相结合的方式进行。与自动换卷过程相关的子系统包括备用卷绕杆库、卷绕杆输送机构、卷绕位置变换机构、横切断机构、产品布卷移出机构、产品布卷卸下装置、控制系统等。

自动换卷的方式对机器的外观、机构配置也有很大影响，但均要求换卷过程的程序合理，动作衔接，引起的张力波动小。一般单卷绕辊卷绕机的换卷动作会比双卷绕辊简单，动作的步骤也可能少一些，因而耗用的时间也较短。

双辊筒卷绕机的两只卷绕辊筒及其他机构、在换卷状态要进行一系列复杂的动作，耗用的时间（超过 1 min）比单辊筒式多，但动作较为平稳。因此，允许的最小卷绕直径（或卷长）也比单辊筒式大。

3.7 卸下布卷的设备

产品布卷是在高速运动状态与后续的产品分离开的，不仅重量大、转动惯量也很大，如用传统的方法（包括用吊装的方法）将产品从机器上卸下来是很危险的。因此，必须配置卸下布卷的专用设备，承受布卷的冲击，使其迅速减速、停止转动，并降低到预定的高度，以便转移到下一工序。

当卷绕机配置有拔卷绕杆装置时，卸下布卷的设备要与拔杆装置配套使用，自动调整中心高，并承受拔杆时产生的轴向力。

大直径布卷从卷绕机卸下后，不能放置在地面上，要保持低速转动状态，以免产生变形、偏心，影响退卷。

3.8 计量检测装置

计量检测装置主要用于检测产品布卷的直径、卷长等参数，为自动换卷绕杆系统提供动作触发信号。常用的检测装置有：滚轮式卷长计数器、接近开关、脉冲发生器、位移传感器，线性电位器等。

不同的卷绕机具体配置的检测装置不尽相同，但卷长测量是最基本的检测项目，不可或缺。普通的卷绕机可能只有产品长度计量功能，但高性能的卷绕机还要求有布卷直径检测功能，以满足不同的市场需求。

3.9 分切机构和切边回收系统

大部分高性能生产线都采用“离线”分切工艺，卷绕机不再设置分切机构及切出的废边回收系统，这样能简化卷绕机的结构，提高可靠性，有效降低卷绕机的故障发生率，是目前的一种发展趋势。但一些小型的、或运行速度不高 （≤ 400 m/min）的生产线仍保留“在线”分切功能，以便进行全幅宽分切或小分切数分切，达到简化生产流程的目的。因此，有的卷绕机仍设置分切系统和相应的边料移除机构，其中要使用高效、长寿命的圆盘形剪切刀；具有可在控制面板上直接设定分切刀（上刀及下刀）间距的功能。

3.10 辅助设备或功能

扩幅装置是用来消除在卷绕张力作用下产品出现的横向收缩现象及折皱，使布面在横向适度张紧，有利于分切和准确控制幅宽，保证分切断面的平整性。常用的扩幅装置有：扩幅器、弯辊（橡胶辊）、表面带双向螺纹或螺旋槽的扩幅辊等。目前，有观点认为扩幅装置会产生使产品变形的CD方向分力，影响产品质量，因此，卷绕机不一定要配置扩幅装置。

高性能卷绕机要配置 1 ～ 2 台起重装置（一般为双吊钩式），用于吊装卷绕杆的吊车起重量约 1 ～ 2 t，用于吊装产品的吊机起重量约 5 ～ 10 t。

有的卷绕机配置了下线产品转运移位（一般可沿CD方向横移）装置，以便将产品转移到其他地方，让出下一卷产品的下线空间（图 4）。如果卷绕杆是套着纸筒管工作的，要选用气胀式卷绕杆，需配置自动拔卷绕杆装置和自动套纸筒管装置。但大直径的卷绕杆一般是直接将产品卷绕在轴上，在这种情形下，只能待产品退卷完后再将卷绕杆进行循环使用，而无需配置拔杆和套纸筒管设备。

目前，先进的卷绕机还有首次开机时自动穿引布功能（选配），在生产线启动时可按规定路径替代人工进行产品的穿绕工作。

3.11 控制系统

控制系统有 3 种主要功能，即速度控制、张力控制和按预定程序的换卷动作，能保障卷绕机的运行速度与生产线同步，实现恒张力卷绕，保障动作的准确性和协调性。卷绕机有一个独立的操作站（或控制台），可在其上完成卷绕机的全部运行管理工作。

安全性能是高速运转设备必须考虑的因素，卷绕机务必具有严格的程序控制功能，防止出现异常时机构发生干涉，导致机械事故；必须有多种手段（如红外线、连锁装置、栅栏等）的完备保护措施，防止人员误入危险区域或接触危险部位，杜绝安全事故。

每一台卷绕机所配置的设备与其使用要求、技术性能及造价有关，会存在很大的差异。以德国Edelmann公司制造的卷绕机系统为例，配置的设备包括：卷绕机主机、卷绕杆专用双钩吊车、大吨位单梁双钩吊车、产品布卷交接装置、产品转移装置、控制系统、安全防护设施等。

4 国外的卷绕机品牌

在引进的多纺丝系统生产线上使用的卷绕机主要有德国Edelmann和意大利亚赛利两个品牌，其主要与德国莱芬豪舍公司、意大利STP公司的纺粘法、SMS型非织造布生产线配套。其中与意大利亚赛利公司产品性能相近的卷绕机还是国内发展较快的一个机型。

亚赛利公司的卷绕机有多个机型，其中：“Windy”适用于小卷径产品卷取（图 5）；“Windy Custom”为在线分切卷绕机；“Axial Jumby”为中心驱动型卷绕机，适合大卷径、大幅宽的产品卷取；“Acqua”使用最新式的横切断水刀“Waterjet cross-cutting”。其基本性能如表 1 所示。

5 非织造布生产线用卷绕机的发展趋势

随着非织造布生产线向多纺丝系统、大幅宽、高速度、高产能、高效率的方向发展，卷绕机也向着大幅宽、大卷径、高速度、高可靠性、高度自动化、卷绕与分切两个功能分离的方向发展。

在一些高配置的生产线中，卷绕机还与上游的在线检测系统，下游的转换装置、换向装置、分切设备、分拣装置、贴标签装置、物流输送及包装机械组成一个自动化程度很高的、无需人工干预的产品后加工系统，使生产过程向着全机械化、自动化的方向发展。