非织造针刺技术研究现状及发展趋势

摘要：在对国内外非织造针刺设备研究现状进行分析的基础上，综述了我国非织造针刺技术的研究现状，并从多机型发展、新机型突破、轻量化设计、绿色节能高效高产、智能化状态监测系统和网络化运行评价系统等方面展望了我国针刺机行业的发展趋势。结果认为，我国非织造针刺设备未来的发展方向是多机型并行发展，且椭圆轨迹运动和圆形轨迹运动针刺机将成为研究热点。

关键词：非织造布工业；针刺机；针刺技术‍

非织造产业被誉为纺织行业的“朝阳产业”。列入《纺织机械行业“十三五”发展指导性意见》的59项“重点科技攻关项目”中，非织造布机械项目就有5项。非织造针刺技术是通过刺针在纤维网中往复穿刺，以实现对纤维网的机械加固而形成具有一定面密度和强力的非织造布材料。在干法非织造布中，针刺法非织造布占40%。因此，针刺法是一种重要的干法非织造布制造方法。针刺法非织造布具有通透性好、过滤性能和机械性能优良等特点，被广泛用于制造土工布材料、过滤材料、建筑防水材料、汽车内饰、合成革基布、造纸毛毯等多种产业用及生活用非织造布材料领域。随着非织造针刺技术的发展，国内外学者对非织造针刺关键技术进行了大量研究，本文对这些技术的现状和发展趋势进行详细说明。

1 国外非织造针刺技术发展现状‍

针刺机最早起源于英国，直到20世纪中期奥地利Fehrer公司对针刺机进行改进后，针刺机才飞速发展起来并得到大规模的推广应用。随后德国、法国的设备制造商相继开发出不同种类的针刺机。西方发达国家具有代表性的针刺机生产厂家有德国Dilo公司和原奥地利Fehrer公司（现已纳入中国恒天集团旗下AUTEFA Solutions集团公司）。

1.1  Dilo公司

1.1.1  Hyperpunch技术

目前德国Dilo公司的针刺技术处于国际领先水平，其针刺频率已达到3500次/min，出布速度最高可达到150m/min。Dilo公司在ITMA1995展会上首度展出了Dilo Hyperpunch针刺机，其椭圆形针刺技术是近年来针刺领域取得的具有突破性进展的技术。该椭圆运动机构在垂直运动的基础上，在水平方向添加一个曲柄滑块机构，二者复合而成椭圆轨迹运动，进而使针梁以及安装在针梁上的针板、针板上的刺针呈椭圆轨迹运动。

1.1.2  Hyperlacing技术德国

Dilo公司在慕尼黑ITMA 2007展会上首次展出了Hyperlacing技术。该新技术采用新型动力学原理使针板和针梁以圆形轨迹运动，生产速度超过1100m/min。Hyperlacing针刺系统包含Cyclopunch针刺单元，Cyclopunch针刺单元是控制刺针圆形轨迹运动的关键。由于Hyperlacing针刺技术采用新型动力学原理，不设有连杆和导向装置，植针密度高达2万针/m，同时刺针每次只钩取一根纤维，因此该技术可以用来加工低面密度的PET、PP、黏胶纤维等产品。由于加工的产品质感柔软、悬垂性好以及吸湿性好，因而多应用于医疗、卫生等领域。

1.1.3  X22组件技术

Dilo公司推出了一条可应用于生产医疗行业的高档针刺毡以及生产碳纤维材料等特殊用途针刺毡的袖珍生产线（Dilo-Compactline）。该袖珍生产线的最大亮点是X22针刺组件技术。该技术专为椭圆针刺技术（Hyperpunch）和圆形针刺技术（Cyclopunch）设计，X22组件技术由Dilo公司和Groz-Beckert公司合作研发，因其每个组件有22枚刺针，故称为X22组件技术。该技术可以降低植针难度，其植针密度可达2万针/m。

1.1.4 基于X22组件的Variopunch技术

Dilo公司与德国Fraunhofer研究院联合开发的Variopunch技术以X22组件技术为基础，通过改变针的排列方式来消除产品表面上的疵点。该技术可以使针刺痕迹均匀分布，进而提高产品表面质量。产品采用Variopunch技术后可将针迹CV值降至25.6%。

1.2 Fehrer公司

1.2.1 H1Technology

Fehrer公司的H1Technology技术源于20世纪90年代Ernst Fehrer博士的发明专利，该项技术的特点是采用弧形针板、弧形托剥网板和垂直针刺，使针刺方向在针刺过程中不断地发生改变。该技术可以增加针刺深度，并且可以以相同的针刺次数获得比传统针刺强度更高、密度更大的纤网，并以较少的针刺道数达到同样的针刺效果。这不但降低了能耗，而且节约了投资成本，减少了设备占地面积以及后期的维修费用。

1.2.2 椭圆轨迹多动程造纸毛毯针刺机

Fehrer公司的椭圆轨迹运动针刺机适用于环状非织造布产品的固结，该针刺机机型名为多动程造纸毛毯针刺机，即MMD（Multi Motion Drive）造纸毛毯针刺机。针刺机通常采用主轴油箱式结构，针板呈上下往复运动，而MMD型针刺机的传动方式是在原有的上下（垂直）往复运动的基础之上，配置了另外一套传动机构使之沿纤维步进方向前后（水平）运动。二者运动复合而成针板的椭圆轨迹运动，其中水平运动动程可调节，并可以使纤维的牵伸量大大降低，提高产品表面质量。

1.3 德国Groz-Beckert公司

BoardMaster系统2011年，德国Groz-Beckert公司推出BoardMaster系统，包括NeedleMaster和BoardScoot设备，该系统可以提高针板的装运效率。NeedleMaster是BoardMaster系统的基础，它是一套半自动针板刺针更换设备，主要用于针刺机针板刺针的更换。与传统手动换针方法相比，其可节省换针时间，并且在安装与拆卸刺针的过程中对针板起到护理作用。

2 国内针刺技术发展现状

针刺机自20世纪70年代被引进国内后迅速发展，至今，国内已有近20家专业的非织造针刺设备制造商，其中大部分具备整套针刺法非织造布生产线。国内针刺机结构主要有两种形式：一种是类似于Fehrer公司的主轴箱式结构，另一种是类似于Dilo公司的无箱齿轮摇杆式结构。国内非织造针刺设备制造商通过引进、消化与吸收，并根据国内用户使用情况，不断进行技术创新与结构改进，形成了具有我国特色的针刺机结构形式。

2.1 主轴箱式结构

针刺机主轴箱式结构针刺机是将往复运动的零件（主轴、连杆、偏心块等）密封在一个箱体内，可以对相关轴承进行不间断地润滑与冷却，其主要技术难题是推杆处漏油的问题。江苏仪征市海润纺织机械有限公司提出采用集中供油系统方案来解决针刺机的漏油问题。该集中供油系统由供油站、喷嘴、冷却器、报警控制、管路等组成。目前，针刺机集中供油系统已成功推广，推杆漏油率大大降低。

2.2 无箱齿轮摇杆式结构

针刺机无箱齿轮摇杆式结构针刺机真正走向市场是在2000年以后，代表性企业有郑州纺机工程技术有限公司、江苏仪征海润纺织机械有限公司和仪征市佳禾机械有限公司等。无箱齿轮摇杆式针刺机的特点是：导向装置采用齿轮齿条机构；主轴、连杆、偏心轮等零件裸露在机架内；主轴支撑轴承、连杆轴承、齿轮齿条润滑方式采用干油间歇集中润滑系统，基本上可防止漏油。无箱齿轮摇杆式针刺机结构示意图见图1。

1—齿轮箱  2—配重轮  3—轴承座  4—连杆

5—曲轴  6—针梁  7—针梁座  8—齿条座  ９—摇杆

图1  无箱齿轮摇杆式针刺机结构示意图

2.3 多连杆机构式椭圆轨迹针刺机

恒天AUTEFA公司在2012年国际纺机展上展出StylusDZ-D类椭圆轨迹针刺机，其针刺频率可达2750次/min，能够实现垂直和椭圆两种轨迹。该机型以i-point为开发平台，在传统主轴油箱式结构的基础上，配置了新颖的多连杆机构，从而把刺针的垂直运动与水平运动复合成椭圆运动轨迹。同时该机型可以在开机状态下，通过在电脑上输入相关指令来改变水平动程，从而达到最佳的产品表面质量。

3 国内针刺技术发展趋势‍

3.1 现有机型并行发展

当前，现有针刺机机型种类繁多，型号各异。按针板数量，有单针板针刺机、双针板针刺机和多针板针刺机；按针刺方向，有上刺式针刺机、下刺式针刺机和对刺式（同位和异位）针刺机；按加工方式，有预刺针刺机、主刺针刺机和修面针刺机；按针刺频率，有低速针刺机、中速针刺机、高速针刺机和超高速针刺机；按刺针运动轨迹，有直线轨迹运动针刺机、椭圆轨迹运动针刺机和圆形轨迹运动针刺机；按加工产品的用途，有绒面针刺机、提花针刺机、条纹针刺机、环形针刺机、圆筒针刺机和垫肩针刺机等。

3.2 新机型开发

我国的科研工作者在新机型的开发上做了许多工作。周自强等人提出了一种椭圆轨迹生成方法，该方法是在曲柄滑块机构和圆柱凸轮机构的基础上，通过一定的理论分析设计理论机构模型，并利用Cosmos Motion软件对机构的运动进行了仿真分析，进而验证了轨迹运动的准确性。

专利“椭圆轨迹针刺机构”中提出了一种椭圆轨迹针刺机构，见图2。

1—第一曲轴  2—第一连杆  3—第二曲轴  4—第二连杆  5—针梁  6—第一副曲轴 7—第一副连杆  8—摇臂 ９—第二副曲轴  10—第二副连杆  11—连杆座  12—横向定位连杆

图 2　椭圆轨迹针刺机结构示意图

第一、第二曲轴等速相对转动，通过第一、第二连杆带动针梁作上下往复运动，第一曲轴和第一副曲轴之间由皮带连接，在第一曲轴转动的同时带动第一副曲轴同向转动，第一副曲轴与第一副连杆相连，第一副连杆与摇臂相连，第一副曲轴转动的同时带动摇臂、第二曲轴副横向摆动，上下往复运动和横向摆动复合即为椭圆轨迹运动。

第二、为了适应针刺设备高速高效发展，椭圆形轨迹针刺机将是我国针刺机机型未来发展的主要趋势。我国针刺机机型的另一发展方向是圆形轨迹针刺机，目前国内该机型技术还是空白。

3.3 轻量化设计

轻量化设计包括结构优化设计、新材料选取和多学科综合优化设计等。目前，我国生产的针刺机的针刺频率很难突破2000次/min，无法提升针刺频率的一个重要原因是受材料的制约。近年来，随着材料技术的不断突破与高速发展，国内外许多设备开发商开始探求新型轻量材料。例如，我国针刺机的针梁材料由原来的16Ｍｎ变为现在的铝合金；连杆材料由原来的铸钢变为现在的铝基复合材料；德国Dilo Hyperpunch HSC型针刺机的针板和针梁材料采用碳纤维增强复合材料，加工出来的针板和针梁质量轻、性能好，该系列针刺机的针刺频率可以达到3000次/min。针刺机设备运动部件实行轻量化设计对设备减重、节能和提升设备的动力学性能具有一定的指导意义。

3.4 绿色节能高效高产

现在国家提倡“绿色制造”，所以针刺机生产制造环节的绿色节能显得愈加重要。国内企业在做到绿色节能高效高产的同时，更应注重节约资源，保护环境，实现行业的可持续发展。

3.5 智能状态监测与网络运行评价系统

在科学技术日益进步与多学科联合发展的新时代，智能制造作为新时代科学的代名词，以其特有的优势，逐渐成为制造业的发展趋势。宋炳涛等人在研究中提出，将状态监测技术应用到针刺机非织造生产中，对高速运行中的机械振动信号进行实时或及时的监测，建立故障诊断专家知识库，为针刺机的机构优化改进提供参考，对非织造行业的发展起到推动作用。邓辉等人设计了现场、服务器和客户端三层结构组成的针刺机网络化运行评价系统，该系统以VB.NET为开发平台，以SQLServer为数据库，来采集与分析主轴的振动信号，用以实现对针刺机运行状态的监测以及实现对产品纵、横向强力性能的在线评价。

智能制造不仅可以满足客户的个性化需求，而且可以将客户、供应商、制造商的信息共享，省去诸多中间环节，拉近他们之间的距离，还可以为客户提供快速响应的售后服务。

4 结语

我国针刺机设备各机型将在保持原有市场占有率的前提下并行发展，形成多点开花的局面，这是未来市场发展的一个趋势。为了实现针刺机高速高效生产，椭圆轨迹运动和圆形轨迹运动针刺机是今后的研究热点。从环保和绿色制造角度，使用新材料和针刺机关键零部件轻量化是我国针刺技术提升与发展的必由之路。我国非织造产业的智能化程度还不高，针刺机等设备的智能化发展空间大，智能化的普及也无疑是未来发展的一大趋势。

（来源：中国纺织网）