服装机械节能设计的思考

　　

　　传统的服装机械已有五六十年的历史，很多机型已成为经典，被大多数服装生产厂家所接受，也被大多数服装机械厂家作为基本机型大批量生产。

　　当今世界把环境保护和节能提到了空前的高度，作为服装机械制造商，对目前在大量生产的机型，需要重新审视，是否还有继续向环保和节能方向优化的可能？本文想从以下几个方面提出一些想法。

　　最小做功

　　机械设备的耗能基本上是热量消耗和运动两部分。运动就要做功，就要消耗能量。无论是设计者还是使用者都希望消耗的能量得以发挥最大的有用效率，无用功最好是零，但实际上往往不尽如人意。

　　拿我们最熟悉的服装夹机来说，靠弹簧复位的单作用气缸的运动，很大部分的力被弹簧本身所抵消，真正作用到面料上的力减少了许多，真正作用在面料上的功则几乎为零。

　　做功可以描述为力与位移的乘积 P = F× S。放在夹机中的一块布可能被施加了较大的力，位移却很小，基本上等于弹性垫料形变的位移量，其余所有的运动耗能全部是无用功。把有用功去除以全部能耗，得出的就是能耗效率。大部分的整烫设备有用功效率（真正对布料做的功）可能都在5%以内，甚至更低。

　　衬衫和免烫设备都需要重压，其能耗效率可能更低。如何提高能量利用率，降低无用功，成为当今所有服装机械制造商必须认真面对的课题。

　　绝大部分服装整烫机真正做功仅在与面料接触、施压并产生位移的时刻。这些位移几乎可以忽略不计。当位移几乎为零时，无论施加的压力多大，做的功也几乎为零。以我们熟知的衬衫平板压烫机为例，为了在面料上施加每平方厘米3～5千克的压力，动辄液压站、大小气缸、油缸统统上阵，其结果是位移只有几个毫米，力与位移的乘积很小，绝大部分的能耗是无用功。如果把一块布放在两块刚性的铁板之间加压，无论施加的力有多大，都不会产生位移，其做功都是零。

　　机械运动存在无用功是难免的，如何把无用功降到最低，在当今节能时代显得尤为重要。

　　以早期德国产的步进式平板粘合机为例，一个强有力的液压站不停地工作，通过油缸把下模往固定在横梁上的上模顶上去。为了使下模保持不变形，必须做得非常厚重，才能确保当来自中心一点的油缸活塞杆顶力作用时保持刚性。工艺要求夹在上下两块平板之间的布料受到每平方厘米3千克以上的压强，同时加温到150摄氏度左右，保持一段时间后，布料和粘合衬就粘合在一起了。如果把上顶的动作和加压的动作分开处理，事情会变得简单。上顶只要克服下模重力，加压只要产生压力而不需要行程，这样就会最大限度降低无用功的消耗。

　　一个直径60毫米的小气缸施加4千克的压力就可以产生100千克以上的向上推力， ，　　（千克力）。这个推力足以让整个下模机构平稳上升。当下模与上模闭合时，两边的C型机构把上下模牢牢地锁定。用薄膜气囊施压则正好符合行程小、力量大的特征。气囊可以放置在上下模之间、布料的下面，对布料产生的压力非常均匀。气囊也可以如图1那样，放在活动的下模下面，把整个下模托起来。这样做可以不影响下模装备真空吸风的结构。气囊扩张仅几个毫米，消耗的压缩空气非常少，符合快速、节能的原则。由于气囊作用的面积几乎与模板相等，通常工厂的压缩空气源的压力在每平方厘米4~8千克左右，因此可以轻易获得4千克以上的压力（德国机器规定施加压力的上限是每平方厘米3.8千克）。如果平板面积为40厘米×80厘米，压缩空气压力在每平方厘米4千克时，获得的总压力将达到12吨以上。气囊在整个平板之间均匀加力，对模具的刚性要求也比油缸作用在一点上的模式低很多。所有加在布料上的力，对这个封闭结构外部的其他机构没有任何影响，整个机架的钢材用量可以比目前常用结构大幅降低，且不必担心强度。

　　图 1　见《中外缝制设备》2010年第10期

　　气囊可以只用一片略有弹性的橡胶或者NOMEX材料用压条和螺钉固定在下模上来实现，当通入压缩空气时，如同一个轮胎的柔性内胆一样，不会被吹破，真正受力的是坚固的钢铁外壳。这种结构非常简单，成本很低，维护也方便。

　　最小受力环

　　在讨论平板粘合机的做功效率时，提到了封闭的受力结构。这种方法同样可以适用于大量的整烫机。整烫机械大多采用金属模具加压，有的用直径200毫米的气缸来推动，甚至更大。巨大的力反复作用在环环相扣的机构上，要求这些机构的每一个受力环节都必须非常坚固耐用。任何结构设计、材料或生产工艺上的疏忽，都可能造成机架脱焊、摇臂或模具开裂、缓冲折断等严重事故。

　　分析这些受损的设备可以发现，这些机构都处于受力环之中。机架、模具、弹簧、连杆、液压缓冲等部件，都能传递到巨大的变化力，最薄弱的环节将首先出现问题，然后整个受力环会全面崩溃。但是很多厂家发现问题后，采取改进措施时，往往只考虑加强薄弱环节，很少考虑如何避开这些变化的力对设备造成的伤害。力传递的环节减少，避免运动过程中设备自身作用力相互较劲（内耗），机构就不容易损伤，可靠性就会提高，使用寿命将大大延长。

　　图 2　见《中外缝制设备》2010年第10期

　　以垂直加压带气囊的衬衫压机为例，为了抵抗气囊产生的几百千克撑开的力，上模在气缸下压到位后，导柱顶端用插销锁住，再向橡胶气囊充气。其结果是，很厚重的C型机架在气囊加压时仍然抵抗不住撑开的力而出现形变。久而久之必然会造成机架疲劳而损坏。旋转式的平板粘合机虽然已经形成门字型受力环，油缸产生的十几吨的巨大推力还是会让机架的某个薄弱环节焊缝开裂、材料破损。

　　图 3　见《中外缝制设备》2010年第10期

　　设想把垂直加压衬衫机的受力环避开气缸、导柱、插销、机架等诸多环节，而仅在上下模之间完成封闭环（比如上下模加压到位后，用简单的挂钩挂住）。气囊充气时，作用力被挂钩所平衡，机架与气囊撑开的力无关，同时上模气缸可以选得很小，只要能把上模抬起就可以。气缸容积减小，节省了压缩空气，提高了运动速度，减少了机械疲劳，当然也降低了生产成本。

　　摇臂摆动垂直加压型夹机的摇臂，如同一根杠杆。垂直下压时产生的反作用力、复位弹簧的拉力与摆动气缸产生的支撑力相抗衡。因此，通常需要两个气缸去推动摇臂，才能保证垂直加压时摇臂不至反弹。

　　用短路受力环的方法构建最小受力环路或许能减轻“内耗”，提高能源利用率。当上模摆动到位后，用一个小的挂钩把上模与机架锁定，形成一个静态的最小受力环，不管多大的垂直加压的反弹力都被这个挂钩所抵消，不会传递到摆动气缸上去，甚至摆臂的轴承都不会受到垂直加压力的影响。摆动气缸只要能把上模摆动到位，复位弹簧只要能把上模拉起，这些部件包括机架，都可以重新设计合适的行程、更软的弹簧，并且轻巧、坚固，当然也达到了节能和延长机器使用寿命的目的。

　　图 4 见《中外缝制设备》2010年第10期

　　最小惯量

　　为提高生产效率，一般情况下，用户总是希望设备运行的速度越快越好。

　　以常用的三工位旋转式衬衫压机为例，旋转一个工位的时间已经降低到两秒左右，再要加快，可能会产生其他的问题，对提高生产效率作用也不大。从减轻运动部件的惯量着手可能有更多的潜力可挖。

　　三工位旋转式衬衫压机的转动惯量大的主要原因是三个很重的下模一起旋转所致，提速和刹车都比较困难。除了配置较大功率的电机和减速机外，是否还有其他的解决途径？

　　如果把下模固定，旋转的只是承载衣片的三工位支架（某些两工位的机器就采用了这样的结构），旋转部件的惯量大幅减小，除了节能、容易控制外，结构更简单，成本也会降低很多。下模不旋转带来的问题是，承载衣片的下层材料需要透气，才能响应下模吸风。要做到这一点，应该比克服旋转大惯量所作的努力容易得多。

　　最小驱动力

　　气缸推力很大，尤其是静态力很稳定。电机就不同，通常需要配置适当的减速机才能满足一定输出功率下的较大输出力矩。减速机的价格往往和电机相当，有的甚至比电机还贵。为降低生产成本，能不用减速机就不用减速机。当力矩不够时，也可以从结构上考虑如何“避重就轻”，比如推动旋转平板粘合机时，如果使着力点远离旋转中心，力臂长了，作用力就相应减小，就容易控制。　　

　　一种西服立体烫机的烫模，工作时需要左右摆动120°。如果在旋转中心处用电机去驱动几倍力臂之外的模具组件，必须通过减速机产生较大的力矩，才能达到要求。如果把电机安装在力臂最长处，直接在轨道上运动，驱动力就可以小很多，也更容易控制。类似这种往复的运动，某些情况下不如用气缸驱动更合理些。　　

　　图 5 见《中外缝制设备》2010年第10期

　　同样道理，如果把驱动旋转的机构放到三工位平板粘合机旋转圆周的最外沿，驱动力就可以降低到很小，甚至不再需要减速机，既降低了生产成本，也更容易精确定位。

　　设计一种新的设备，不受现成方案的约束，从最原始的客户需求开始思考，可能会更有效率，会更合理。

　　以切领机为例，目的是要把半成品的领子切出整齐的形状来。

　　要断开一片布，实际上用很小的力就可以了。剪刀是最常用的工具。刀口锋利的话，剪切的断面非常整齐、光洁，消耗的能量很少。利用剪切原理的切领机运动方式，如剪板机的结构，切口整齐，刀片不易磨损，使用寿命很长，维护简单。

　　斩断是比较好的切断方法，利用了短时间内释放积蓄的动能、产生较大冲击力的原理（ ），撞击的时间越短（分母），产生的冲力就越大。早先如冲床结构的切领机已经广为应用。这种方式，切刀是垂直斩向砧板（纸垫），相比剪切方式，布的斩断效率和刀的钝化程度都要比剪切式差一些。另有一种静态力挤压的切领机，则应用了完全不同的原理。用一个100毫米直径的气缸，去推动杠杆，再经过杠杆约4倍的加力，去挤压一把不到2毫米厚的切刀。大致算一下，如果气压调到4千克（有的时候达到5千克），在切刀上的作用力将达到F = 3.14 X 5 X 5 X 4 X 4 = 1256千克。理想状态下，刀片将垂直挤压放在铁板上的布料，有多少能量用在了断开布料上？而不到2毫米厚的刀片和杠杆机构反复承受如此巨大的压力，其结果可想而知（据说这种方法是日本人发明的）。

　　大家知道，用一把刀按住一块肉皮，恐怕用尽全力也未必能顺利“压”断，还不如轻轻一“割”，或者挥刀一“斩”更容易解决问题。

　　最小热能消耗

　　烫机往往需要消耗很多热量，加热的方法也很多。

　　服装洗涤机械是高耗能设备，能耗在运行成本中所占比例很高。传统的蒸汽加热方式结构简单，温度均匀性好，但是配套锅炉、调压、管路、疏水等系统工程一次性投入较高。蒸汽需用油、天然气或煤燃烧生成，能源利用率低，还存在高温和压力容器的危险，有些区域限制运用这些设备。西方国家首先提出了无蒸汽加热洗涤工厂的概念，期望逐步摒弃其他燃料烧成蒸汽来加热的模式。一些设备已经直接把天然气引入设备内对系统加热，排除了能量模式转换过程中造成的损失，能源利用率大大提高，综合成本下降，也更有利于环境保护。

　　目前整烫机上加热的通常做法是，要么整个模具用蒸汽升温到100多度，要么用电热管插在金属模里，不停地加热，使整个模具维持一定的温度，也有二者皆备，而真正让布料带走的热量和总的热量消耗来比，简直微乎其微。换句话说，就是能量利用率很低。

　　有一种塑料袋封口机，平时是冷的，把塑料袋放上去一压，被压的那条线马上就烫住了，松开后又冷了，这种方式的能量利用率很高。某些服装整烫设备是否也可以利用这种加热技术呢？其特点是在热容很小的机构上瞬间（在几秒内）提供很大的热量，达到所需的温度，一旦停止加热，则没有多余的热量留存。用低压大电流的方式加热电热（镍铬）薄板，可以迅速产生大量的热，并直接作用到布料上，把热量带走，理论上可以达到很高的热效率。当然，快速加热和安全控温还都存在有待解决的技术问题。

　　硅橡胶薄膜型发热板也已经广泛应用在粘合机的加热构件上，德国人很早就已经在服装整烫设备上应用了低热容的薄膜型加热技术，升温快，保温时耗能很小，配合有效的隔热措施，发散的热量也较少。目前国产的薄膜发热元件受到材料、工艺等基础产业技术水平的限制，功率密度还不高。但是只要有市场需求，这些问题都会很快解决，并迅速被广泛应用。

　　以上理论是否成立，工艺是否可行，效果是否显著，成本是否降低，机械寿命和可靠性是否提高，需要经过实践来论证，做了试验，才知道存在什么问题，如果简单地从现有经验出发，一味排斥，不去研究和探索，就不会有任何创新。如果尝试了，即使失败，也可以明白失败的道理，从中获取有用的知识和经验，并寻找更合理的途径。

　　坚实的理论基础是必要条件，勇于突破传统观念，开拓创新思维，从终端用户处了解需求，从节能和环保着手，一定能开发出符合市场需求的新产品。（wy）