CN103643352A - 碳纤维生产线驱动装置的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维生产线驱动装置的优化方法，包括以下步骤：步骤1、确定驱动装置进入端碳纤维张力与离去端碳纤维张力的比值K；步骤2、使碳纤维驱动装置与张力比值K匹配；步骤3、合理布置驱动电机在驱动装置中的位置，以优化驱动装置中传动机构的力矩分布；步骤4、在碳纤维生产线中正确地布置驱动装置。在步骤4后还包括步骤：在驱动装置中靠近碳纤维离去端的驱动辊设置更换机构。经过优化后，驱动电机布置合理，力矩分布均匀，驱动装置的使用寿命更长，维护更加方便；碳纤维生产线上的驱动装置布置更加合理，更易于张力控制，碳纤维性能得到提高。

Description

碳纤维生产线驱动装置的优化方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维生产优化技术，特别涉及一种碳纤维生产线驱动装置的优化方法。

背景技术

碳纤维是一种性能优异的新型材料，具有极高的强度和弹性模量，同时密度小，还具有极高的比强度和比模量；另外碳纤维既耐高温，也耐低温，热膨胀系数小，尺寸稳定。碳纤维广泛地应用于航天航空，军工领域，随着碳纤维价格的下降，碳纤维越来越多地应用于社会各个领域。技术的进步和竞争的加剧，如何生产高性能的碳纤维是各个厂家急需解决的问题。

要制备得到高性能的碳纤维，对碳纤维原丝进行热处理时必须对碳纤维原丝进行张力控制以抑制碳纤维的自由热收缩，尤其是在碳纤维的预氧化阶段和碳化阶段。碳纤维聚丙烯腈原丝在预氧化阶段，聚丙烯腈大分子链型结构转变为耐高温的梯形结构，只有在适当的张力和牵伸率下，这种结构转变才能顺利的进行。在高温碳化阶段，预氧化丝的耐高温梯形结构经过碳化炉的高温碳化后，较小的梯形分子结构在高温氧化氛围下进一步交联和缩聚，预氧化丝中的非碳元素在碳化炉的高温和强氧化气氛中被慢慢去除，碳元素慢慢富集，预氧化丝的梯形耐热机构慢慢转变成为碳纤维所具有的的乱层石墨结构。同样，碳化过程中的这种结构转变也需要在适当的张力下才能顺利进行。所以张力控制是生产高性能碳纤维的关键。

碳纤维生产线中利用驱动装置实现张力控制。在生产中，驱动装置存在以下几个问题：

1、传动机构的齿轮因为驱动电机布置不合理，某些齿轮传递的力矩过大，容易磨损；

2、在碳纤维生产线上不同位置应该选用何种驱动装置；

3、应该尽可以地减少驱动辊的数量，因为碳纤维与驱动辊的接触会造成碳纤维的表面缺陷，碳纤维表面缺陷将大大降低碳纤维的性能。

技术内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种碳纤维生产线驱动装置的优化方法，该方法是针对碳纤维生产线的驱动装置专门提出的优化方法，以满足生产高性能碳纤维的需求。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：一种碳纤维生产线驱动装置的优化方法，包括以下步骤：

步骤1、确定驱动装置进入端碳纤维张力与驱动装置离去端碳纤维张力的比值K；

步骤2、当驱动装置进入端碳纤维张力与驱动装置离去端碳纤维张力的比值K符合：1<K≤P₁，使用三辊驱动装置；当驱动装置进入端张力与离去端张力比值K符合：P₁<K≤P₂，使用五辊驱动装置；当驱动装置进入端与离去端张力比值K符合：K>P₂，使用七辊驱动装置；

步骤3、对于三辊驱动装置，驱动电机安装在逆着纤维运动方向的第二根驱动辊上；对于五辊驱动装置，驱动电机安装在逆着纤维运动方向的第三根驱动辊上；对于七辊驱动装置，驱动电机安装在逆着纤维运动方向的第四根驱动辊上；

步骤4、在碳纤维生产线中预氧化炉入口处和预氧化炉末端使用七辊驱动装置。

步骤1中所述的张力比值K由下式确定：

其中F₁为驱动装置进入端碳纤维张力，F₂为驱动装置离去端碳纤维张力；驱动装置进入端碳纤维张力与驱动装置离去端碳纤维张力由碳纤维生产厂家的工艺决定，不同的碳纤维原丝和碳纤维生产工艺对应有不同的碳纤维张力。

步骤2所述的临界值P₁的确定原则为：

$P_1=e^{\mathrm{\&mu;}({\mathrm{\&beta;}}_1+{\mathrm{\&beta;}}_2+{\mathrm{\&beta;}}_3)},$

其中e为自然常数，μ为碳纤维与驱动辊间的摩擦常数，β₁、β₂、β₃分别是三辊驱动装置中第一根驱动辊、第二根驱动辊、第三根驱动辊与碳纤维的包角；临界值P₁的变化由μ，β₁，β₂和β₃决定；P₁的取值范围为1.2≤P₁≤1.6。

步骤2所述的临界值P₂的确定原则为：

$P_2=e^{\mathrm{\&mu;}({{\mathrm{\&beta;}}_1}^{\&prime;}+{{\mathrm{\&beta;}}_2}^{\&prime;}+{{\mathrm{\&beta;}}_3}^{\&prime;}+{{\mathrm{\&beta;}}_4}^{\&prime;}+{{\mathrm{\&beta;}}_5}^{\&prime;})},$

其中e为自然常数，μ为碳纤维与驱动辊间的摩擦常数，β₁′、β₂′、β₃′、β₄′、β₅′分别是五辊驱动装置中第一根驱动辊、第二根驱动辊、第三根驱动辊、第四根驱动辊、第五根驱动辊与碳纤维的包角；临界值P₂的变化由μ，β₁′，β₂′，β₃′，β₄′和β₅′决定；P₂的取值范围为2.5≤P₂≤4。

所述优化方法在完成步骤4以后，还执行以下步骤：在驱动装置中靠近碳纤维离去端的驱动辊设置更换机构。

所述步骤4中，碳纤维生产线中需要用到驱动装置的地方除了预氧化炉入口处和预氧化炉末端外，其他地方均使用五辊驱动装置，所述预氧化炉入口处和预氧化炉末端均使用七辊驱动装置。

本发明的技术方案具体说明如下：

碳纤维生产线驱动装置的优化方法，以原理“在碳纤维驱动装置中，逆着碳纤维的运动方向碳纤维的张力按照capstan公式T₂=T₁·e^μβ指数式地增加，靠近碳纤维离去端的驱动辊首先处于临界打滑状态，随着张力的增大，逆着碳纤维的运动方向驱动辊逐个处于临界打滑状态，其中，T₁、T₂是驱动装置中驱动辊两侧碳纤维的张力，μ为碳纤维与驱动辊间的摩擦常数，β是碳纤维与驱动辊间的包角”和“减少驱动辊数量可以减少碳纤维表面缺陷，提高碳纤维品质”为原则对碳纤维生产线驱动装置进行优化。

步骤1，确定驱动装置进入端碳纤维张力与驱动装置离去端碳纤维张力的比值K。步骤2，当驱动装置进入端碳纤维张力与驱动装置离去端碳纤维张力的比值K符合：1<K≤P₁，使用三辊驱动装置；当驱动装置进入端张力与离去端张力比值K符合：P₁<K≤P₂，使用五辊驱动装置；当驱动装置进入端与离去端张力比值K符合：K>P₂，使用七辊驱动装置。其中，临界值P₁的确定原则为其中e为自然常数，μ为碳纤维与驱动辊间的摩擦常数，β₁、β₂、β₃分别是三辊驱动装置中第一根驱动辊、第二根驱动辊、第三根驱动辊与碳纤维的包角；当μ，β₁，β₂，β₃这些参数发生变化时，临界值P₁也发生变化；P₁的最优取值范围为1.2≤P₁≤1.6。临界值P₂的确定原则为其中e为自然常数，μ为碳纤维与驱动辊间的摩擦常数，β₁′、β₂′、β₃′、β₄′、β₅′分别是五辊驱动装置中第一根驱动辊、第二根驱动辊、第三根驱动辊、第四根驱动辊、第五根驱动辊与碳纤维的包角；当μ，β₁′，β₂′，β₃′，β₄′，β₅′这些参数发生变化时，临界值P₂也发生变化，临界值P₂也发生变化；P₂的最优取值范围为2.5≤P₂≤4。步骤1和步骤2的效用是使张力比值K与驱动装置的驱动能力相匹配。驱动装置的驱动能力利用驱动辊的数量衡量，驱动装置中的驱动辊数量越多，驱动能力越强，但是驱动辊的数量越多，碳纤维与驱动辊表面接触越多，碳纤维的表面损害越大，性能将会下降；驱动辊数量越少，驱动能力越弱，无法带动碳纤维向前运动，达不到张力控制的要求。

步骤3，对于三辊驱动装置，驱动电机安装在逆着纤维运动方向第二根驱动辊上；对于五辊驱动装置，驱动电机安装在逆着纤维运动方向第三根驱动辊上；对于七辊驱动装置，驱动电机安装在逆着纤维运动方向第四根驱动辊上。这个步骤的效用是优化驱动装置中传动机构的力矩分布，以减少传动机构中齿轮的磨损。在碳纤维驱动装置中，逆着碳纤维的运动方向碳纤维的张力按照capstan公式T₂=T₁·e^μβ指数式地增加。靠近碳纤维离去端的驱动辊首先处于临界打滑状态，随着张力的增大，逆着碳纤维的运动方向驱动辊逐个处于临界打滑状态，所以在靠近碳纤维离去端的驱动辊会经常处于满载状态，这样驱动电机应该安装靠近在碳纤维离去端的驱动辊上。另外考虑到逆着碳纤维的运动方向碳纤维的张力指数式地增加，当整个驱动装置处于满负荷运行时，远离碳纤维离去端的驱动辊消耗的功率更大，这样把驱动电机安装在中间的驱动辊上更为合理。

步骤4，在碳纤维生产线中预氧化炉入口处和预氧化炉末端使用七辊驱动装置。生产线其他需要用到驱动装置的地方使用五辊驱动装置。这个步骤的效用是在碳纤维生产线上正确地布置不同驱动能力的驱动装置。碳纤维生产线上预氧化炉入口处前端为放纱装置，张力小；预氧化炉间需要对碳纤维进行正牵伸，碳纤维的张力大，预氧化炉入口处的驱动装置进入端与离去端的张力比值K很大；碳纤维生产线上原丝预氧化后是低温碳化，低温碳化进行负牵伸，张力较小，预氧化炉末端的驱动装置进入端与离去端张力比值K很大。所以在预氧化炉入口处和预氧化炉末端使用七辊驱动装置，生产线其他位置以五辊驱动装置为主，三辊驱动因为驱动能力太小，很少使用。

碳纤维生产线驱动装置的优化方法中，在完成步骤4后，还包括步骤：驱动装置上靠近碳纤维离去端的驱动辊设置更换机构。这个步骤的效用是便于驱动装置的更换和维护。在靠近碳纤维离去端的驱动辊经常处于满负荷运转状态，无论是辊筒还是传动机构都很容易损坏，设置更换机构以便于驱动装置的更换和维护。

相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：

1、合理布置驱动电机的位置，驱动装置的传动机构力矩分布均匀，齿轮的磨损减少，提高了使用寿命。

2、在碳纤维生产线上合理地布置驱动装置，满足碳纤维生产上的张力控制要求，提高了碳纤维性能。

3、合理布置驱动装置后减少生产线上驱动辊的数量，减少碳纤维表面缺陷，提高碳纤维性能。

附图说明

图1是经过优化后驱动装置在碳化线上的布置示意图；图中，1表示预氧化炉入口处七辊驱动装置；2表示预氧化炉间五辊驱动装置；3表示预氧化炉末端七辊驱动装置；4表示五辊驱动装置。

图2是经过优化后驱动电机在驱动装置上的安装位置示意图；图中，5表示碳纤维；6表示驱动辊；7表示驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

碳纤维生产线驱动装置的优化方法，以原理“在碳纤维驱动装置中，逆着碳纤维的运动方向碳纤维的张力按照capstan公式T₂=T₁·e^μβ指数式地增加，靠近碳纤维离去端的驱动辊首先处于临界打滑状态，随着张力的增大，逆着碳纤维的运动方向驱动辊逐个处于临界打滑状态”和“减少驱动辊数量可以减少碳纤维表面缺陷，提高碳纤维品质”为原则对碳纤维生产线驱动装置进行优化。

步骤1，确定驱动装置进入端碳纤维张力与驱动装置离去端碳纤维张力的比值K，张力比值K由下式确定：

其中F₁为驱动装置进入端碳纤维张力，F₂为驱动装置离去端碳纤维张力，其中驱动装置进入端碳纤维张力F₁与驱动装置离去端碳纤维张力F₂由碳纤维生产厂家的工艺决定，不同的碳纤维原丝和碳纤维生产工艺对应有不同的张力值。

步骤2，当驱动装置进入端碳纤维张力与驱动装置离去端碳纤维张力比值K符合：1<K≤P₁，使用三辊驱动装置；当驱动装置进入端张力与离去端张力比值K符合：P₁<K≤P₂，使用五辊驱动装置，如图1所示的预氧化炉间五辊驱动装置2和五辊驱动装置4；当驱动装置进入端与离去端张力比值K符合：K>P₂，使用七辊驱动装置，如图1中所示的预氧化炉入口处七辊驱动装置1和预氧化炉末端七辊驱动装置3。其中，临界值P₁确定原则为

其中e为自然常数，μ为碳纤维与驱动辊间的摩擦常数，β₁、β₂、β₃分别是三辊驱动装置中第一根驱动辊、第二根驱动辊、第三根驱动辊与碳纤维的包角；当μ，β₁，β₂，β₃这些参数发生变化时，临界值P₁也发生变化；P₁的最优取值范围为1.2≤P₁≤1.6。临界值P₂确定原则为

其中e为自然常数，μ为碳纤维与驱动辊间的摩擦常数，β₁′、β₂′、β₃′、β₄′、β₅′分别是五辊驱动装置中第一根驱动辊、第二根驱动辊、第三根驱动辊、第四根驱动辊、第五根驱动辊与碳纤维的包角；当μ，β₁′，β₂′，β₃′，β₄′，β₅′这些参数发生变化时，临界值P₂也发生变化；P₂的最优取值范围为2.5≤P₂≤4。

步骤1和步骤2的效用是使张力比值K与驱动装置的驱动能力相匹配。驱动装置中的驱动辊数量越多，驱动能力越强，但是驱动辊的数量越多，碳纤维与驱动辊表面接触越多，碳纤维的表面损害越大，性能将会下降；驱动辊数量越少，驱动能力越弱，无法带动碳纤维向前运动，达不到张力控制的要求。张力比值K与驱动装置的驱动能力匹配得好，一方面可以使驱动装置满足张力控制的要求，另一方面可以减少驱动辊的数量，减少驱动辊对碳纤维表面的损伤，提高碳纤维性能。

图2中，驱动辊6在驱动电机7的带动下转动，碳纤维5缠绕在驱动辊6上，在驱动辊6的作用下向前运动。

步骤3，对于三辊驱动装置，驱动电机7安装在逆着纤维运动方向第二根驱动辊上；对于五辊驱动装置，驱动电机7安装在逆着纤维运动方向第三根驱动辊上，如图2所示；对于七辊驱动装置，驱动电机7安装在逆着纤维运动方向第四根驱动辊上。步骤的目的是优化驱动装置中传动机构的力矩分布，以减少传动机构中齿轮的磨损。

因为在碳纤维驱动装置中，逆着碳纤维的运动方向碳纤维的张力按照capstan公式T₂=T₁·e^μβ指数式地增加。靠近碳纤维离去端的驱动辊首先处于临界打滑状态，随着张力的增大，逆着碳纤维的运动方向驱动辊逐个处于临界打滑状态，所以在靠近碳纤维离去端的驱动辊会经常处于满载状态，这样驱动电机应该安装靠近在碳纤维离去端的驱动辊上。另外考虑到逆着碳纤维的运动方向碳纤维的张力指数式地增加，当整个驱动装置处于满负荷运行时，远离碳纤维离去端的驱动辊消耗的功率更大，这样把驱动电机7安装在驱动装置中间的驱动辊上更为合理。所以，对于三辊驱动装置，驱动电机7安装在逆着纤维运动方向第二根驱动辊上；对于五辊驱动装置，驱动电机7安装在逆着纤维运动方向第三根驱动辊上；对于七辊驱动装置，驱动电机7安装在逆着纤维运动方向第四根驱动辊上。

经过步骤3的优化后，驱动电机在驱动装置中的布置位置更为合理，驱动装置的传动机构力矩分布均匀，齿轮的磨损减少，提高了驱动装置的使用寿命。

步骤4，在碳纤维生产线中预氧化炉入口处和预氧化炉末端使用七辊驱动装置，生产线其他需要用到驱动装置的地方使用五辊驱动装置。这个步骤的目的是在碳纤维生产线上正确地布置不同驱动能力的驱动装置。在预氧化炉入口处和预氧化炉末端使用七辊驱动装置，如图1中预氧化炉入口处七辊驱动装置1和预氧化炉末端七辊驱动装置3，生产线其他位置使用五辊驱动装置，如图1所示的预氧化炉间五辊驱动装置2和五辊驱动装置4。因为在碳纤维生产线中，预氧化炉入口处前端为放纱装置，张力小；预氧化炉间需要对碳纤维进行正牵伸，碳纤维的张力大，预氧化炉入口处的驱动装置进入端与离去端的张力比值K很大；碳纤维生产线上原丝预氧化后是低温碳化，低温碳化进行负牵伸，张力较小，预氧化炉末端的驱动装置进入端与离去端张力比值K很大。所以在预氧化炉入口处和预氧化炉末端使用七辊驱动装置，生产线其他位置使用五辊驱动装置。另外，因为三辊驱动的驱动能力太小，进入端张力与离去端张力的比值K一般只有1.2～1.6，所以很少使用。

经过步骤4的优化后，驱动装置在碳纤维生产线上的布置更加合理，满足了碳纤维生产中的张力控制要求，提高了碳纤维的生产工艺和性能。

靠近碳纤维离去端的驱动辊经常处于满负荷运转状态，比驱动装置中其它位置的驱动辊工作条件更加恶劣，无论是辊筒还是传动机构都更容易损坏，所以在驱动装置上靠近碳纤维离去端的驱动辊设置更换机构，以便于驱动装置的更换和维护，降低维护成本。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.碳纤维生产线驱动装置的优化方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤1、确定驱动装置进入端碳纤维张力与驱动装置离去端碳纤维张力的张力比值K；

步骤2、当驱动装置进入端碳纤维张力与驱动装置离去端碳纤维张力的张力比值K符合：1<K≤P₁时，使用三辊驱动装置；

当驱动装置进入端张力与离去端张力的张力比值K符合：P₁<K≤P₂时，使用五辊驱动装置；

当驱动装置进入端与离去端张力的张力比值K符合：K>P₂时，使用七辊驱动装置；

步骤3、对于三辊驱动装置，驱动电机安装在逆着纤维运动方向的第二根驱动辊上；对于五辊驱动装置，驱动电机安装在逆着纤维运动方向的第三根驱动辊上；对于七辊驱动装置，驱动电机安装在逆着纤维运动方向的第四根驱动辊上；

步骤4、在碳纤维生产线中预氧化炉入口处和预氧化炉末端使用七辊驱动装置。

2.根据权利要求1所述的碳纤维生产线驱动装置的优化方法，其特征在于，步骤1中，所述的张力比值K由下式确定：

$K=\frac{F_1}{F_2},$

其中，F₁为驱动装置进入端碳纤维张力，F₂为驱动装置离去端碳纤维张力；驱动装置进入端碳纤维张力与驱动装置离去端碳纤维张力由碳纤维生产厂家的工艺决定，不同的碳纤维原丝和碳纤维生产工艺对应有不同的碳纤维张力。

3.根据权利要求1所述的碳纤维生产线驱动装置的优化方法，其特征在于：步骤2所述的临界值P₁的确定原则为：

$P_1=e^{\mathrm{\&mu;}({\mathrm{\&beta;}}_1+{\mathrm{\&beta;}}_2+{\mathrm{\&beta;}}_3)},$

其中，e为自然常数，μ为碳纤维与驱动辊间的摩擦常数，β₁、β₂和β₃分别是三辊驱动装置中第一根驱动辊与碳纤维的包角、第二根驱动辊与碳纤维的包角和第三根驱动辊与碳纤维的包角；临界值P₁的变化由μ，β₁，β₂和β₃决定；P₁的取值范围为1.2≤P₁≤1.6。

4.根据权利要求1所述的碳纤维生产线驱动装置的优化方法，其特征在于：步骤2所述的临界值P₂的确定原则为：

$P_2=e^{\mathrm{\&mu;}({{\mathrm{\&beta;}}_1}^{\&prime;}+{{\mathrm{\&beta;}}_2}^{\&prime;}+{{\mathrm{\&beta;}}_3}^{\&prime;}+{{\mathrm{\&beta;}}_4}^{\&prime;}+{{\mathrm{\&beta;}}_5}^{\&prime;})},$

其中，e为自然常数，μ为碳纤维与驱动辊间的摩擦常数，β₁′、β₂′、β₃′、β₄′和β₅′分别是五辊驱动装置中第一根驱动辊与碳纤维的包角、第二根驱动辊与碳纤维的包角、第三根驱动辊与碳纤维的包角、第四根驱动辊与碳纤维的包角和第五根驱动辊与碳纤维的包角；临界值P₂的变化由μ，β₁′，β₂′，β₃′，β₄′和β₅′决定；P₂的取值范围为2.5≤P₂≤4。

5.根据权利要求1所述的碳纤维生产线驱动装置的优化方法，其特征在于：所述优化方法在完成步骤4以后，还执行以下步骤：在驱动装置中靠近碳纤维离去端的驱动辊设置更换机构。

6.根据权利要求1所述的碳纤维生产线驱动装置的优化方法，其特征在于：所述步骤4中，碳纤维生产线中需要用到驱动装置的地方除了预氧化炉入口处和预氧化炉末端外，其他地方均使用五辊驱动装置，所述预氧化炉入口处和预氧化炉末端均使用七辊驱动装置。

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