水刺生产线

§5-3 水刺设备
一、水刺机
主要由水刺头、托网帘(或转鼓)、脱水箱、传动系统及控制系统等组成。

(一)水刺头
水刺头是水刺非织造工艺中产生高速水射流的关键部件，尽管各个生产厂家制造的水刺头结构有些差异，但一般均由过滤装置、均流装置、密封装置、喷水板和外壳等组成。

水刺头材质为高级不锈钢。

1、水刺头的密封方式
水刺头的喷水板可以快速更换，由此产生了高压水的密封问题。

根据高压水的密封原理，水刺头可分为两类，一类是附加油压密封，另外一类是水压自密封。

两种密封方式的对比：
附加油压密封
水压自密封(ZL01254847.2)
JETLACE2000水刺加固系统的水刺头
Fleissner公司Aquajet水刺加固系统的水刺头
2、喷水板
水刺头形成高速水射流的核心零件。

(1)性能要求
几何尺寸正确，平直度好。

喷水孔孔径一致，喷水孔出口应保持锋利的状态，无毛刺，孔与板面的垂直性好。

良好的耐腐蚀性。

良好的强度和韧性，耐磨性好。

钢的电化学腐蚀现象
钢的耐腐蚀性
(2)喷水孔孔型
由工程流体力学可知，水射流从喷水板喷水孔中喷出，称为管嘴出流。

喷水孔按其形状可分为圆柱型、圆锥收缩型、流线收缩型三类。

受制造工艺局限，无论是圆锥型还是流线型喷水孔，其出口端均为圆柱型。

根据流体力学的原理，流线不可突然拐弯，因此圆柱型喷水孔入口处存在收缩断面，由工程流体力学实验可知，当水头＞7m时，此真空发生破裂现象，对喷水孔内的水流造成扰动，并影响喷水孔出口处水流边界的稳定性，从而造成水射流起始段长度缩短，扩散程度增加，水射流能量分散。

对于流线型喷水孔，其不存在收缩断面，故其喷出的水流集束性最佳，有利于水射流能量集中。

不同类型喷水孔孔口系数实验值
比较：
在流速系数上：φ流线＞φ圆锥＞φ圆柱
在流量系数上：μ流线＞μ圆锥＞μ圆柱
在阻力系数上：ξ流线＜ξ圆锥＜ξ圆柱
在效率系数上：e流线＞e圆锥＞e圆柱
在射流扩散程度上：流线型＜圆锥型＜圆柱型
由以上分析可知，水刺法工艺主要是利用水射流的集中能量，在喷水孔出口孔径和水压不变的条件下，首选为流线型喷水孔，其次是圆锥型喷水孔，圆柱型喷水孔不宜采用。

(3)喷水孔孔径与排列
喷水孔出口直径通常为0.08~0.15mm，排列形式有单排和双排，排列密度为16~24孔/cm，双排间距为1.2mm。

喷水孔出口直径和排列密度与高压泵的流量相匹配时，可在水刺头内建立接近高压泵标定压力的水压，从而保证一定的水射流速度，达到较好的纤维缠结效果。

(4)喷水板的清洗
可利用超声波通过液体产生的空化作用来清洗喷水板，除去粘附在喷水孔孔壁上的杂质。

固体微粒可采用射流反冲清洗。

空化作用：
当一定强度的超声波通过液体时，液体内部产生大量的小泡，尺寸适宜的小泡会发生共振现象。

原来小于共振尺寸的小泡，在超声作用下逐渐变大。

接近共振尺寸时，声波的稀疏阶段使小泡迅速地涨大，然后在声波的压缩阶段中，小泡又突然被绝热压缩直至破灭和分裂。

在破灭过程中，小泡内部可达几千度的高温和几千个大气压的高压，并且由于小泡周围的液体高速冲入小泡而形成强烈的局部冲击波。

在小泡涨大时由于摩擦而产生的电荷，也在破灭过程中进行中和而产生放电现象。

以上所述即为超声波在液体中的空化作用。

喷水板的清洗装置示意图
(5)喷水板的发展趋势
材质改进↑强度和韧性
表面处理↑耐磨性
减小厚度↓能量损耗
喷水孔剖面及冲针
(二)托网帘
1、托网帘的作用
水刺机中托网帘主要有三个重要功能：
顺利输送和有效托持纤网进入水刺区。

能有效滤水并有利于水柱的反弹，提高纤网的缠结效果。

按不同的编织结构(目数与花纹)使产品产生相应的外观结构。

2、托网帘的结构与材质
托网帘结构可分为环织和开式织法两种。

循环编织，编织后经线沿纵向排列，不弯曲变形。

横向排列的纬线呈弯曲状，由于经线弯曲少，减少了网帘的延伸和幅缩，磨损仅产生于纬线，使经线保持了应有的强度。

开式编织，加工形式与环织相同，纵向线在编织时为经线，横向线为纬线，使用时经线呈磨损状，接头是在网的末端。

托网帘主要由聚酯材料编织而成，也可用聚酰胺材质。

常用目数为12~80#，与金属丝网相比较，在负重情况下具有伸长少、拉伸强度高的特点。

温度和湿度有变化的水刺非织造工艺生产环境中，要求托网帘性能稳定(不易变形)，耐磨性和耐腐蚀性好(尤其是抗酸性)，通过对托网帘表面树脂处理，可有效防止油剂和微细纤维的附着。

各种托网帘结构
各种托网帘结构
托网帘的磨损
(三)转鼓
主要由转鼓套、塑料密封件和内胆等组成。

转鼓套筒体有两种结构，一为薄钢板打孔，开孔率为50%左右；另一种为蜂巢结构，蜂巢结构的开孔率高于钢板打孔，一般可达到90%以上。

筒体外面套上一至数层金属丝编织圆网或一层开有微孔的镍网即构成转鼓套。

实验表明，采用微细圆孔镍网的转鼓套，水射流的反弹效果优于聚酯平网，水刺非织造材料的强度比采用聚酯平网提高了15%左右。

加工不同外观结构的水刺非织造材料时，需更换转鼓套。

转鼓内胆一端连接气水分离器，对应每个水刺头开设吸水槽，塑料密封件安装在内胆和转鼓套之间，起密封和托持转鼓套的作用。

转鼓工作时，内胆固定不转，而转鼓套回转。

微孔反弹层
微孔结构
蜂巢结构的筒体蜂巢结构的筒体+微孔反弹层另一种蜂巢结构转鼓套筒体
钢板打孔转鼓套筒体结构
Fleissner公司Aquajet水刺加固系统的转鼓
(四)脱水箱
平网水刺加固的每个水刺头采用独立的脱水箱，而转鼓水刺加固中，数个水刺头共用一个转鼓内胆进行脱水。

脱水箱或转鼓内胆与气水分离器相连，内部真空度由与气水分离器相连的风机形成。

平网水刺加固脱水箱的要求：
沿纤网横向脱水均匀一致
避免箱体吸水口对托网帘的磨损
脱水机理：
靠纤网两面压力差挤压脱水及空气流穿过纤网层时将水带走。

脱水箱吸水口形式可设计成多圆孔排列、多长圆孔排列和长窄缝形等。

不同吸水口形式有不同的开孔面积，对脱水箱的脱水性能有很大的影响。

长窄缝形宽度通常为8~12mm，抽吸面积最大，脱水量大，脱水较均匀。

平网水刺加固脱水过程中托网帘受吸力后在窄缝处产生轻微的凹陷，可将附于网底来不及被吸走的水刮下，但同时造成对托网帘的磨损。

改进方法：
吸水口由两哈夫塑料衬条构成，可减少对托网帘的磨损，并可快速调节窄缝宽度。

脱水箱吸水口形式
脱水箱吸水口对托网帘的磨损作用
改进后的脱水箱吸水口
转鼓水刺加固中，转鼓套筒体与安装在内胆和转鼓套之间的塑料密封件之间有摩擦作用，套在转鼓套筒体外的金属丝圆网仅需抵抗抽吸引起的变形即可。

因此，目数较大的金属丝圆网应衬目数较小的金属丝圆网，以防止变形。

转鼓脱水示意图
(五)典型水刺机
JETLACE2000水刺加固系统
可加工纤网单位面积质量为20~400g/cm2，工作幅宽3.5m，最高水压40Mpa，最高生产速度300m/min。

JETLACE2000水刺加固系统
Perfojet公司的平网水刺加固系统Perfojet公司的转鼓水刺加固系统
Honeycomb公司的转鼓水刺加固系统
Fleissner公司的纯棉水刺加固系统
可加工纤网单位面积质量为25~250g/cm2，工作幅宽3.6m，最高水压25Mpa，生产速度10~100m/min，产量525kg/h。

Fleissner公司的Aquajet水刺加固系统
Fleissner公司的Aquapulp水刺加固系统
Aquajet水刺加固系统的高压泵及高压管路
英国Courtaulds公司的hydrolace350水刺系统
台湾育豪公司及国产的平网水刺加固系统
台湾育豪公司及国产的平网水刺加固系统
二、水处理循环系统
由气水分离器、过滤装置、高压泵、低压泵、风机、管道及贮水桶等组成。

(一)气水分离器
(二)过滤装置
分多级，过滤精度逐渐提高。

Ⅰ级过滤如瑞士Krofta Waters International公司的DAFFI-18砂过滤装置，特点：采用絮凝气浮的技术，有利于过滤天然纤维短绒等杂质。

分12个独立的砂过滤区域，反冲清洗不影响正常过滤。

工艺过程由计算机自动控制。

过滤砂分层铺设，粒径0.7mm~2.5mm，成分为99%SiO2，并经水洗和高温焙烧。

整套装置最大直径达到7.3m，流量为180m3/h。

DAFFI-18砂过滤装置示意图
DAFFI-18砂过滤装置工作流程
袋式(芯式)过滤装置
袋式过滤装置与芯式过滤装置相差不大，仅过滤介质不同，滤袋过滤精度不及滤芯，但纳污量较大。

袋式(芯式)过滤装置常用作水刺水处理循环工序的Ⅱ级过滤，总流量应和水刺工艺要求的水量相匹配。

Ⅲ级过滤装置
安装在高压泵前后或水刺头内，通常为芯式过滤，流量应和各水刺头相匹配。

水刺工艺水过滤系统的过滤精度通常为5~25μm.
多袋式两路过滤系统单袋过滤器
(三)高压泵
水刺工艺中常采用卧式高压三柱塞泵，卧式柱塞泵比立式更稳，振动小，装拆维修方便。

配置三柱塞具有均匀的流量，压力脉动小。

高压三柱塞泵主要由动力端、液力端及其它部分组成。

水刺水处理循环工序中，高压泵还必须配置相关附件，如进水口稳压器、出水口稳压器、循环阀、出口止回阀、高压软管等，才能保证水刺工艺条件的要求。

动力端
动力端结构为闭式箱形铸造结构，刚性好，结构简单，对称设计，由机身、曲轴、连杆、十字头、连杆衬套等部件构成。

按润滑方式不同，分为飞溅润滑和压力润滑两种。

飞溅润滑动力端
液力端
液力端的结构因输送介质、流量、压力的不同而有不同形式，由泵头、柱塞、进排液阀、导向套、填料等元件组成。

泵排出压力与流量成反比关系，在同样泵速条件下，柱塞直径与流量成平方比关系。

立式液力端
卧式液力端
喷孔面积的确定
德国Kamat公司提供的经验公式：
上述公式没考虑水的体积压缩率，通常1000bar时，压缩率为3%，1300bar时，压缩率为4%。

也没考虑管路及喷水孔等处的损耗。

计算示例：
1800mm工作幅宽，共3700喷水孔，高压泵的标称压力为140bar，标称流量为423l/min，则：
考虑水的压缩及其它损耗，喷孔出口直径可取0.10mm。

对高压泵：进水管路流速＜0.9m/s，压力1.5~8bar
出水管路流速＜8m/s
旁通管路流速＜4m/s
水刺生产线工作宽度、水压力与耗电关系
水刺生产线水压力与设备成本的关系
(四)典型水循环处理系统
三、烘燥机
德国Fleissner公司用于水刺生产线的单鼓烘燥机
德国Fleissner公司用于纯棉水刺生产线的烘燥机
德国Fleissner公司用于纯棉水刺生产线的烘燥机
烘燥纯漂白棉纤网
单位面积质量25~250g/m2
工作宽度3.5m
生产速度10~100m/min
最高温度为180℃，常用工艺温度为130℃。

蒸发量约735kg/h(100%)棉纤维
产量最高为525kg/h
3个圆鼓直径为1414mm，纤网包角约为3×180°。

Rieter公司双区烘燥机
加热形式为导热油：
鼓1和鼓2加热功率：2 ×450kw(777000kcal/h)
鼓3加热功率：2 ×200kw(344000kcal/h)
预烘功率：3 ×20kw(51600kcal/h)
圆鼓驱动功率2.2kw，1500rpm，传动比31.62，编码器精度1024脉冲/转。

循环风机45kw1500rpm2只，30kw1500rpm1只。

排气风机5.5kw1只，风量15000m3/h。

整机噪音＜79dB。

导热油加热工艺流程
导热油加热炉
移动卧式燃油加热炉箱式燃煤加热炉一体化电加热炉导热油加热炉
立式固定排燃煤加热炉立式燃油加热炉。