CN117342337B - 一种大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳纤维生产技术领域，具体涉及一种大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法，包括：确定三轴坐标系；沿轴线方向进行投影，在投影平面内确定原丝自各收卷导向轮引出并被收卷至对应的最大卷径的收卷筒时的轨迹；在相同投影方向上确定基准线，基准线与U型槽口的槽底部分曲面和压辊相切；在每片导纱头相对于压辊的另一侧，改变原丝轨迹，以使得原丝轨迹在基准线远离收卷筒的一侧到达导纱头，且与导纱头的槽底贴合。本发明中通过此种方式，使得原丝在到达导纱头时，与导纱头贴合受力，有效规避悬空的风险，从而可保证原丝在收卷过程中因始终受力而避免加捻情况的产生。

Description

一种大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法

技术领域

本发明涉及碳纤维生产技术领域，具体涉及一种大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法。

背景技术

现有的原丝收卷装置由可分离的原丝卷绕轴及收卷筒组件1、纱线张力控制部件、压辊2和收卷导向轮3等部件组成。对原丝进行导向的收卷导向轮3固定设置在卷绕轴及收卷筒组件1顶部，原丝会逐层且往复缠绕在卷绕轴及收卷筒组件1上，收卷完成后的收卷筒和卷绕轴分离而下料。

从收卷开始到结束的过程中，收卷筒的收卷半径会发生如图1中所示的变化，使得原丝与水平方向之间的夹角从α1变化到α2，从而呈现图1中所示的第一状态原丝束4和第二状态原丝束5。当同一台设备上并列设置两组及以上卷绕轴及收卷筒组件1和收卷导向轮3，而对原丝进行收卷时，每组均会产生与α1和α2对应的角度变化，如图2中所示的从α3变化到α4，从而呈现第三状态原丝束6和第四状态原丝束7。针对图2中的情况，该设备上原丝的角度会在持续工作的过程中，与水平方向间发生从α1~α2，以及α3~α4的角度变化。

在上述设备中，针对原丝在垂直于卷绕轴轴线方向上的往复导向，会设置U型的导纱头8，原丝伸入导纱头8的U型槽口内，在导纱头8沿卷绕轴轴线方向的往复运动过程中，通过平行的两侧壁与原丝贴合的方式对原丝施加压力，从而防止原丝的加捻，并在收卷的过程中通过压辊2的挤压完成平整的收卷。

上述过程如图3所示，分别包括导纱头8运动至行程两侧的（a）位置和（c）位置，以及运动至不改变原丝方向的某中间（b）位置；另外，还包括导纱头8从（a）位置和（c）位置回程的瞬间，由于原纱所存在的惯性，无法伴随导纱头8同步回程，从而在瞬间与导纱头8之间产生间隙的（d）位置和（e）位置；在上述过程中，原丝在（b）位置、（d）位置和（e）位置由于可能并不与导纱头8之间产生挤压力而悬空，因此存在加捻的风险。

在实际的生产中，小丝束丝(如6K、12K)碳纤维原丝收卷的加捻对后道碳化工艺影响甚小，因此上述设备是适用的，而大丝束丝（如50K）碳纤维原丝收卷的加捻对后道碳化工艺影响很大，所以大丝束丝碳纤维原丝收卷不允许加捻，因此基于上述设备如何进行改进设计，从而适应大丝束碳纤维原丝的防加捻收卷，是当前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明中提供了一种大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法，从而有效解决背景技术中所指出的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法，对包括设置一组及以上收卷导向轮、卷绕轴、压辊和导纱头的设备进行优化设计；所述收卷导向轮、卷绕轴和压辊的轴线平行且相对固定设置，原丝经一组中的所述收卷导向轮而导向至固定套设于所述卷绕轴上的收卷筒和压辊之间，被所述收卷筒收卷；所述导纱头设置在对应的所述收卷导向轮与所述压辊之间，通过U型槽口对所述原丝进行收卷，且通过U型槽口的两平行侧壁对所述原丝施力而带动所述原丝沿所述轴线的方向往复运动，所述U型槽口相连的槽底及两侧壁为平滑的曲面；

包括：

确定三轴坐标系，三轴分别对应所述轴线方向、竖直方向和水平方向；

沿所述轴线方向进行投影，在投影平面内确定所述原丝自各所述收卷导向轮引出并被收卷至对应的最大卷径的收卷筒时的原丝轨迹；

在相同投影方向上确定基准线，所述基准线与所述U型槽口的槽底部分曲面和所述压辊相切；

在每片导纱头相对于压辊的另一侧，改变所述原丝轨迹，以使得所述原丝轨迹在所述基准线远离所述收卷筒的一侧到达所述导纱头，且与所述导纱头的槽底贴合。

进一步地，在每片导纱头相对于压辊的另一侧设置集纱结构，所述集纱结构用于改变所述原丝轨迹，以使得所述原丝位于所述集纱结构与所述导纱头之间部分轨迹，均在所述基准线远离所述收卷筒的一侧。

进一步地，所述集纱结构采用所述导纱头的结构，与所述导纱头固定连接。

进一步地，所述集纱结构为围绕设定转轴转动的滚轮，所述设定转轴与所述导纱头固定连接，或者与所述压辊固定连接。

进一步地，改变所述收卷导向轮的位置，改变所述原丝轨迹，以使得所述原丝轨迹在所述基准线远离所述收卷筒的一侧到达所述导纱头。

进一步地，还包括根据原丝对导纱头压力的大小，对到达所述导纱头的原丝轨迹与水平线之间的夹角进行选择。

进一步地，根据所述原丝对导纱头压力的大小，对到达所述导纱头的原丝轨迹与水平线之间的夹角进行选择，包括：

设定到达所述导纱头的原丝轨迹与水平线之间的夹角为δ、到达所述导纱头的原丝轨迹与所述基准线之间的夹角为α, 所述原丝对导纱头压力为f；

根据设备情况，计算所述基准线与水平线之间的夹角β；

根据实际的原丝张力F，以及α、δ和β之间的关系，确定所述原丝对导纱头压力f的计算公式为：

α+δ=β

选择不同的夹角δ值，且计算对应的原丝对导纱头压力f值；

对各所述原丝对导纱头压力f进行比较及选择，且根据选择结果确定最终的夹角δ。

进一步地，针对不同组的收卷导向轮、卷绕轴、压辊和导纱头，针对到达所述导纱头的原丝轨迹，选择相同的与水平线之间的夹角。

进一步地，针对不同组的收卷导向轮、卷绕轴、压辊和导纱头，针对到达所述导纱头的原丝轨迹，选择不同的与水平线之间的夹角。

进一步地，还包括对所述导纱头进行优化：

将平行的两侧壁调整为敞口状，且端部与所述槽底的连接位置相切。

通过本发明的技术方案，可实现以下技术效果：

本发明中，使得原丝无论被哪一组收卷导向轮、卷绕轴、压辊和导纱头进行收卷时，均可使得原丝在到达导纱头时与导纱头贴合受力，有效规避悬空的风险，从而可保证原丝在收卷过程中因始终受力而避免加捻情况的产生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为背景技术中，收卷筒收卷半径的变化示意图；

图2为设置两组收卷导向轮、卷绕轴、压辊和导纱头的原丝轨迹示意图；

图3为背景技术中导纱头的运动过程示意图；

图4为在同一图中对第二状态原丝束和第四状态原丝束进行投影的示意图；

图5为基准线的示意图；

图6为导纱头的结构示意图；

图7为通过集纱结构改变原丝轨迹的示意图；

图8为针对不同组的收卷导向轮、卷绕轴、压辊和导纱头，针对到达导纱头的原丝轨迹，选择不同的与水平线之间的夹角的示意图；

附图标记：1、卷绕轴及收卷筒组件；2、压辊；3、收卷导向轮；4、第一状态原丝束；5、第二状态原丝束；6、第三状态原丝束；7、第四状态原丝束；8、导纱头；81、槽底；82、侧壁；10、基准线；11、集纱结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1~8所示，一种大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法，对包括设置一组及以上收卷导向轮3、卷绕轴、压辊2和导纱头8的设备进行优化设计；收卷导向轮3、卷绕轴和压辊2的轴线平行且相对固定设置，原丝经一组中的收卷导向轮3而导向至固定套设于卷绕轴上的收卷筒和压辊2之间，被收卷筒收卷；导纱头8设置在对应的收卷导向轮3与压辊2之间，通过U型槽口对原丝进行收卷，且通过U型槽口的两平行侧壁82对原丝施力而带动原丝沿轴线的方向往复运动，U型槽口相连的槽底81及两侧壁82为平滑的曲面。

设计方法包括：

S1：确定三轴坐标系，三轴分别对应轴线方向、竖直方向和水平方向；

在实施过程中，可设定轴线方向为Y轴方向，水平方向为X轴方向，竖直方向为Z轴方向，当然此种对应关系仅仅是工程应用中一种较为常规的对应方式，但并不作为本发明范围的限定，在保证三轴方向的情况下，X、Y和Z的对应关系改变也在本发明的保护范围内；

S2：沿轴线方向，即Y轴方向，进行投影，在投影平面内确定原丝自各收卷导向轮3引出并被收卷至对应的最大卷径的收卷筒时的原丝轨迹；

在实施过程中，当仅设置一组收卷导向轮3、卷绕轴、压辊2和导纱头8时，仅获得一条轨迹线，而当设置多组收卷导向轮3、卷绕轴、压辊2和导纱头8时，则对应获得多条轨迹线；在实施过程中，该投影行为优选在图纸中进行，从而更加准确；以设置两组收卷导向轮3、卷绕轴、压辊2和导纱头8的对应组合为例，如图2所示，会对应获得两条原丝轨迹，即图中所示的第二状态原丝束5和第四状态原丝束7，为了更加便于观察不同组之间的对应情况，如图4所示，将第二状态原丝束5和第四状态原丝束7投影在同一图中；

S3：在相同投影方向上确定基准线10，基准线10与U型槽口的槽底81部分曲面和压辊2相切；如图5所示，展示了基准线10所在位置，其中P点为与槽底81的切点，Q点为与压辊2的切点；

S4：在每片导纱头8相对于压辊2的另一侧，改变原丝轨迹，以使得原丝轨迹在基准线10远离收卷筒的一侧到达导纱头8，且与导纱头8的槽底81贴合。

本发明中通过此种方式，使得原丝无论被哪一组收卷导向轮3、卷绕轴、压辊2和导纱头8进行收卷时，均可使得原丝在到达导纱头8时，与导纱头8贴合受力，有效规避悬空的风险，从而可保证原丝在收卷过程中因始终受力而避免加捻情况的产生。

作为上述实施例的优选，在每片导纱头8相对于压辊2的另一侧设置集纱结构11，集纱结构11用于改变原丝轨迹，以使得原丝位于集纱结构11与导纱头8之间部分轨迹，均在基准线10远离收卷筒的一侧。

作为本实施例的优选，集纱结构11采用导纱头8的结构，与导纱头8固定连接，此种方式下集纱结构11与导纱头8，即两个导纱头8同步运动。

作为另外一种实施方式，集纱结构11为围绕设定转轴转动的滚轮，设定转轴与导纱头8固定连接，或者与压辊2固定连接。滚轮的设置形式可降低对于原丝的损伤；当设定转轴与导纱头8固定连接时，设定转轴与导纱头8同步运动，此时设定转轴的长度可适当缩短；而当设定转轴与压辊2固定连接时，设定转轴固定设置，因此长度需要延长而保证在原丝运动至任何位置时，均与原丝贴合。

上述各形式均在本发明的保护范围内，但其中集纱结构11与导纱头8固定连接的方式是较为优选的。本发明中所进行的装置设计基于现有的设备而进行，在设计时，需要确保尽可能的降低对现有设备的改动，从而一方面使得设备能够尽快的投入使用，而另一方面降低设备改进的成本，而通过本发明的上述优化方案，可仅仅对导纱头8进行改进，改进过程中，可首先对导纱头8进行拆除，而后进行对应集纱结构11的安装，最后再将导纱头8和集纱结构11的组合重新进行安装即可。

基于本发明始终需原丝受力的要求，位于集纱结构11与导纱头8之间纱线的长短是并无特定要求的，但是由于导纱头8和集纱结构11会存在往复的运动，因此更小体积的组合结构会在运动过程中获得更好的稳定性，且对于安装位置的连接结构要求也会降低，因此可适当的减小此段距离，即尽可能的降低集纱结构11与导纱头8之间的距离。

在实施过程中，在收卷筒卷绕过程中，小卷径收卷筒的卷绕比最大，如8～10，原丝的张力F也较大，如1600g；大卷径收卷筒的卷绕比最小，如3左右，原丝的张力F也较小，如400g，在上述示例中，原丝从小卷径收卷筒到大卷径收卷筒时的张力F从1600g下降到400g。当原丝与在导纱头8的U型槽口内滑动过程中，原丝对导纱头压力也随收卷筒卷径增大而减小。显然，大卷径收卷筒对应的原丝张力F能产生足够的原丝对导纱头压力时，小卷径收卷筒也能满足需求，这正是仅仅确定图4中的第二状态原丝束5和第四状态原丝束7，而并不确定第一状态原丝束4和第三状态原丝束6的原因。

作为上述实施例的优选，改变收卷导向轮3的位置，改变原丝轨迹，以使得原丝轨迹在基准线10远离收卷筒的一侧到达导纱头8。此种方式下，只需改变收卷导向轮3的位置，对设备的改进程度也是有限的，同样适用于本发明。

在实施过程中，满足原丝轨迹在基准线10远离收卷筒一侧的角度是多种多样的，为了获得选择的依据，作为上述实施例的优选，还包括根据原丝对导纱头压力的大小，对到达导纱头8的原丝轨迹与水平线之间的夹角进行选择。在上述优化方案中，将原丝对导纱头压力的大小作为原丝轨迹设计的考量因素，可使得最终的优化方案能够保证原丝受力的可控性，从而避免改进所造成的原丝损伤。

具体地，根据原丝对导纱头压力的大小，对到达导纱头8的原丝轨迹与水平线之间的夹角进行选择，包括：

设定到达导纱头8的原丝轨迹与水平线之间的夹角为δ、到达导纱头8的原丝轨迹与基准线10之间的夹角为α, 原丝对导纱头压力为f；

根据设备情况，计算基准线10与水平线之间的夹角β；

根据实际的原丝张力F，以及α、δ和β之间的关系，确定原丝对导纱头压力f的计算公式为：

α+δ=β

选择不同的夹角δ值，且计算对应的原丝对导纱头压力f值；

对各原丝对导纱头压力f进行比较及选择，且根据选择结果确定最终的夹角δ。

在本实施例中，以β=63°为例，原丝张力F=400g,则：

α+ δ=63°

= 2Fcos〔58.5°+ δ/2〕

基于上述公式（2），以下为一组原丝对导纱头压力f的计算结果：

（1）δ=62°时，f₆₂=2Fcos〔58.5°+ δ/2〕=2Fcos〔58.5°+31°〕=2Fcos89.5°=7.0 g

（2）δ=61°时，f₆₁=2Fcos〔58.5°+ δ/2〕=2Fcos〔58.5°+30.5°〕=2Fcos89°=14 g

（3）δ=59°时，f₅₉=2Fcos〔58.5°+ δ/2〕=2Fcos〔58.5°+29.5°〕=2Fcos88°=28 g

（4）δ=57°时，f₅₇=2Fcos〔58.5°+ δ/2〕=2Fcos〔58.5°+28.5°〕=2Fcos87°=42 g

（5）δ=55°时，f₅₅=2Fcos〔58.5°+ δ/2〕=2Fcos〔58.5°+27.5°〕=2Fcos86°=56 g

（6）δ=54°时，f₅₄=2Fcos〔58.5°+ δ/2〕=2Fcos〔58.5°+27°〕=2Fcos85.5°=59 g

基于上述结果，在本实施例中，针对50K碳纤维大丝束优选第（3）组数据f₅₉=28 g，对应夹角δ=59°。当然，此种选择会基于技术人员的主观判断，以及实际所生产大丝束碳纤维原丝的产品情况，同时也会受到设备相关结构的影响，因此上述数值并不作为本发明保护范围的限定。

作为上述实施例的优选，针对不同组的收卷导向轮3、卷绕轴、压辊2和导纱头8，针对到达导纱头8的原丝轨迹，选择相同的与水平线之间的夹角。

此种方式如图7所示的将不同组的原丝轨迹到同一张图中的情况，针对来自不同收卷导向轮3的原丝，并不改变集纱结构11相对于导纱头8的位置关系，这显然对于设计而言是更为简单的，但是更加适用于收卷导向轮3、卷绕轴、压辊2和导纱头8组数设置数量偏少的情况，如2组，此种情况下来自不同收卷导向轮3的原丝角度变化较小。而当角度相对变化较大时，作为另外一种实施方式，针对不同组的收卷导向轮3、卷绕轴、压辊2和导纱头8，针对到达导纱头8的原丝轨迹，选择不同的与水平线之间的夹角。

此种情况如图8所示，左侧位于集纱结构11与导纱头8之间的原丝轨迹与水平线的夹角大于右侧的夹角。

以上两种方式可根据实际的需求进行选择，但均在本发明的保护范围内。

在上述实施例中，由于U型槽口的槽底81是平滑的曲面，因此在导纱头8往复运动的过程中，原丝必然会沿U型槽口的槽底81往复滑动，滑动过程中也会与侧壁82贴合受力，为了使得此种滑动更加流畅，作为上述实施例的优选，还包括对导纱头8进行优化：将平行的两侧壁82调整为敞口状，且端部与槽底81的连接位置相切。在上述优选方案中，通过敞口状及与槽底81相切的侧壁82改进形式，还可使得原丝在滑动的过程中，因在U型槽口内滑动而产生的角度变化减小，这对于原丝的收卷是更为有利的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法，对包括设置一组及以上收卷导向轮、卷绕轴、压辊和导纱头的设备进行优化设计；所述收卷导向轮、卷绕轴和压辊的轴线平行且相对固定设置，原丝经一组中的所述收卷导向轮而导向至固定套设于所述卷绕轴上的收卷筒和压辊之间，被所述收卷筒收卷；所述导纱头设置在对应的所述收卷导向轮与所述压辊之间，通过U型槽口对所述原丝进行收卷，且通过U型槽口的两平行侧壁对所述原丝施力而带动所述原丝沿所述轴线的方向往复运动，所述U型槽口相连的槽底及两侧壁为平滑的曲面；

其特征在于，包括：

确定三轴坐标系，三轴分别对应所述轴线方向、竖直方向和水平方向；

沿所述轴线方向进行投影，在投影平面内确定所述原丝自各所述收卷导向轮引出并被收卷至对应的最大卷径的收卷筒时的原丝轨迹；

在相同投影方向上确定基准线，所述基准线与所述U型槽口的槽底部分曲面和所述压辊相切；

在每片导纱头相对于压辊的另一侧，改变所述原丝轨迹，以使得所述原丝轨迹在所述基准线远离所述收卷筒的一侧到达所述导纱头，且与所述导纱头的槽底贴合。

2.根据权利要求1所述的大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法，其特征在于，在每片导纱头相对于压辊的另一侧设置集纱结构，所述集纱结构用于改变所述原丝轨迹，以使得所述原丝位于所述集纱结构与所述导纱头之间部分轨迹，均在所述基准线远离所述收卷筒的一侧。

3.根据权利要求2所述的大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法，其特征在于，所述集纱结构采用所述导纱头的结构，与所述导纱头固定连接。

4.根据权利要求2所述的大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法，其特征在于，所述集纱结构为围绕设定转轴转动的滚轮，所述设定转轴与所述导纱头固定连接，或者与所述压辊固定连接。

5.根据权利要求1所述的大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法，其特征在于，改变所述收卷导向轮的位置，改变所述原丝轨迹，以使得所述原丝轨迹在所述基准线远离所述收卷筒的一侧到达所述导纱头。

6.根据权利要求2或5所述的大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法，其特征在于，还包括根据原丝对导纱头压力的大小，对到达所述导纱头的原丝轨迹与水平线之间的夹角进行选择。

7.根据权利要求6所述的大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法，其特征在于，根据所述原丝对导纱头压力的大小，对到达所述导纱头的原丝轨迹与水平线之间的夹角进行选择，包括：

设定到达所述导纱头的原丝轨迹与水平线之间的夹角为δ、到达所述导纱头的原丝轨迹与所述基准线之间的夹角为α, 所述原丝对导纱头压力为f；

根据设备情况，计算所述基准线与水平线之间的夹角β；

根据实际的原丝张力F，以及α、δ和β之间的关系，确定所述原丝对导纱头压力f的计算公式为：

α+δ=β

选择不同的夹角δ值，且计算对应的原丝对导纱头压力f值；

对各所述原丝对导纱头压力f进行比较及选择，且根据选择结果确定最终的夹角δ。

8.根据权利要求7所述的大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法，其特征在于，针对不同组的收卷导向轮、卷绕轴、压辊和导纱头，针对到达所述导纱头的原丝轨迹，选择相同的与水平线之间的夹角。

9.根据权利要求7所述大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法，其特征在于，针对不同组的收卷导向轮、卷绕轴、压辊和导纱头，针对到达所述导纱头的原丝轨迹，选择不同的与水平线之间的夹角。

10.根据权利要求1所述的大丝束碳纤维原丝防加捻收卷装置设计方法，其特征在于，还包括对所述导纱头进行优化：

将平行的两侧壁调整为敞口状，且端部与所述槽底的连接位置相切。