盤磨機(jī)磨盤間隙的測量與調(diào)節(jié)方法

姚俊王平

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津，300222)

盤磨機(jī)磨盤間隙的測量與調(diào)節(jié)方法

姚俊王平

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津，300222)

盤磨機(jī)磨漿時(shí)受各種因素影響，磨盤間隙極易發(fā)生變化，磨盤間隙的測量與調(diào)節(jié)直接關(guān)系到磨漿或打漿質(zhì)量和磨片壽命。本文首先介紹了盤磨機(jī)磨盤間隙的測量方法，著重介紹了國外專利中提到的磨盤間隙在線測量的方法和技術(shù)，包括直接測量和間接測量;然后介紹了常用的磨盤間隙調(diào)節(jié)方法;并對(duì)各種磨盤間隙測量和調(diào)節(jié)方法的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍進(jìn)行了分析。

盤磨機(jī);磨盤間隙;測量;調(diào)節(jié)

盤磨機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)，能適應(yīng)多種磨漿工藝，在制漿造紙中有著不可替代的地位，經(jīng)歷了60多年的發(fā)展保持長盛不衰，至今仍然是最主要的磨漿和打漿設(shè)備。

要獲得性能優(yōu)良的漿料，纖維必須受到充分且適度的碾壓、切斷、分絲和帚化，為了保證磨漿質(zhì)量，通常將盤磨機(jī)精磨區(qū)的磨盤間隙 (簡稱磨盤間隙)保持在到1/100 mm。但如果磨盤間隙過小，往往會(huì)發(fā)生碰磨現(xiàn)象而嚴(yán)重影響磨片的使用壽命;另一方面，在磨漿或打漿之前按要求調(diào)節(jié)的磨盤間隙，在磨漿過程中由于漿料壓力和溫度變化、動(dòng)盤受力不均勻、磨盤間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)變形或磨片磨損等原因極易發(fā)生變化，所以實(shí)現(xiàn)磨盤間隙的在線調(diào)節(jié)與實(shí)時(shí)控制很有必要，同時(shí)也是盤磨機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的方向。

本文在分析國內(nèi)外相關(guān)專利和期刊文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，首先介紹了盤磨機(jī)磨盤間隙的測量方法，其中著重介紹了磨盤間隙在線測量的方法和技術(shù)，包括直接測量和間接測量，然后介紹了常用的磨盤間隙調(diào)節(jié)方法，并對(duì)各種磨盤間隙測量和調(diào)節(jié)方法的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍進(jìn)行了分析。以期對(duì)盤磨機(jī)磨盤間隙在線測量和調(diào)節(jié)裝置的開發(fā)提供參考。

1 盤磨機(jī)磨盤間隙的測量方法

盤磨機(jī)磨盤間隙的測量主要是為磨盤間隙的調(diào)節(jié)提供依據(jù)，磨盤間隙的測量分為直接測量和間接測量兩類，也可分為靜態(tài)測量和 (動(dòng)態(tài))在線測量。靜態(tài)測量是在磨漿之前或之間停機(jī)測量磨盤間隙，在線測量是在磨漿過程中測量磨盤間隙。由于在線測量時(shí)難以直接獲取間隙值，所以可以通過磨漿區(qū)內(nèi)的壓力、載荷、溫度或軸承座處振動(dòng)等參數(shù)間接測量磨盤間隙［1］。

1.1 磨盤間隙的直接測量法

1.1.1 游標(biāo)卡尺測量法

游標(biāo)卡尺測量法是將標(biāo)尺固定在基座上，指針固定在主軸軸套上，指針隨軸套移動(dòng)，指針的指示值直接反映了兩磨盤之間的間隙。但隨著磨片的不斷磨損，其間隙實(shí)際值無法獲得，需要頻繁地調(diào)零，對(duì)操作人員的技術(shù)要求很高［2-3］。該方法雖然簡單直接卻存在較大的誤差，對(duì)于新型盤磨機(jī)，這種方法一般只作輔助測量。

1.1.2 電磁感應(yīng)測量法

在盤磨機(jī)開發(fā)的早期，人們主要基于法拉第電磁感應(yīng)定律的原理，發(fā)明了以磁芯和線圈 (如圖1所示)為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)反映或測量盤磨機(jī)磨盤間隙的裝置。本文將此類測量方法統(tǒng)稱為電磁感應(yīng)測量法。

1951年，美國Donald E.Garr等人發(fā)表了磨盤間隙控制的專利，其核心部件如圖1所示。從圖1可見，磁鐵 (U型磁鐵6與軟鐵4)插入定盤2的孔洞內(nèi)，用絕緣介質(zhì)5將其與定盤2隔絕開，由U型磁鐵6、軟鐵4、兩盤間隙和動(dòng)盤3構(gòu)成磁通回路，線圈7纏繞在磁鐵兩側(cè)。絕緣介質(zhì)5要求絕緣、絕熱且耐磨性好，與磨片磨損速度相同。采用惠斯通電橋放大電路，當(dāng)磨盤間隙發(fā)生變化出現(xiàn)電壓不平衡時(shí)，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)磨盤間隙的大小，直至達(dá)到新的平衡［5］。該裝置的發(fā)明為磨盤間隙的測量和調(diào)整提供了新的思路，該方法在早期的盤磨機(jī)上應(yīng)用較廣泛。

1989年，Juhani Karna等人在專利中提出將線圈纏繞在磨齒上進(jìn)行測量的線圈安裝方式［4］，但該方法需要專門設(shè)計(jì)的定盤磨齒來安裝測量裝置。

1970年加拿大William D.May等人發(fā)明了在定盤面圓周上等距安裝數(shù)個(gè)線圈，背面相應(yīng)位置安裝相同數(shù)量的氖氣燈泡并與線圈相連，在動(dòng)盤面等徑圓周上安裝磁芯。工作時(shí)，當(dāng)兩磨盤間隙足夠小，磁通量變化較大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢超過初始設(shè)定值便點(diǎn)亮了背面的氖氣燈泡，氖氣燈泡亮度的強(qiáng)弱便反映了磨盤間隙的大小。當(dāng)個(gè)別燈泡發(fā)光，其他燈泡熄滅，或亮度不一致時(shí)，說明兩盤面不平行，局部間隙不等，可能由于磨盤振動(dòng)或盤面發(fā)生傾斜［6］。這一發(fā)明使得磨盤間隙測量結(jié)果可視化。

1974年美國Jack D.Jewell等人提出用電感差動(dòng)變壓器直線位移傳感器 (LVDT)組成伺服系統(tǒng)，將磨盤間隙的測量信號(hào)與信號(hào)源發(fā)出的理想間隙信號(hào)進(jìn)行比較，從而輸出命令控制伺服閥的開閉，以液壓方式調(diào)節(jié)磨盤間隙;當(dāng)傳感器信號(hào)與理想信號(hào)一致時(shí)便關(guān)閉伺服閥，磨盤間隙保持恒定。如圖2所示，電感直線位移傳感器1和3安裝在U型支架2上，分別測量基座扭曲帶來的定盤位移和主軸軸向移動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)盤位移［7］。

1990年HectorN.Guerrero等人發(fā)明了如圖3所示的磁性鄰接傳感器測磨盤間隙的方法，其特點(diǎn)是傳感器安裝在磨盤外圓表面，既能免除置于磨區(qū)中隔絕磁芯的特殊介質(zhì)的制備，又能測出含有磨片磨損的磨盤間隙。此外傳感器的外形設(shè)置成L型，共有3個(gè)端部。補(bǔ)償線圈1產(chǎn)生的電壓對(duì)次級(jí)線圈2產(chǎn)生的電壓起到補(bǔ)償修正作用，使結(jié)果更加精確［8］。

1989年美國Darryl Dodson-Edgars等人將數(shù)個(gè)電渦流位移傳感器安裝在定盤磨片上 (如圖4所示)，傳感器輸出信號(hào)隨著磨盤間隙的變化而改變，從而根據(jù)信號(hào)幅值大小測出磨盤間隙和磨損位置［9］。國內(nèi)有關(guān)盤磨機(jī)磨盤間隙直接測量方法的研究較少，具有代表性的是2004年王寶金論述了直接將電渦流式位移傳感器置于定盤靠近邊緣圓周上的孔內(nèi)，結(jié)合超聲波測厚儀，將電渦流傳感器測量的距離減去測厚傳感器測得的定磨片的厚度，再加上定磨片背面至電渦流傳感器探頭表面的距離，得到磨盤的實(shí)際間隙。此方法考慮了由兩磨盤磨損帶來的間隙變化，可以得到較精確的測量［2］。還有2008年張輝論述了使用電渦流傳感器直接測量磨盤間隙的方法，并發(fā)表了相關(guān)專利［3］。

電磁感應(yīng)測量法原理簡單，如果將感應(yīng)裝置安裝在定盤上則需要專用特制的磨片，需要解決磨片磨損問題;如果安裝在磨漿區(qū)外部 (磁性鄰接傳感器)則可以避免上述問題，但可能會(huì)受到漿料流動(dòng)的影響;如果安裝在磨漿區(qū)的外部 (LVDT法)，則不會(huì)受到漿料流動(dòng)的影響，但不能測量磨盤的磨損情況。所以，在盤磨機(jī)磨漿區(qū)外部測量磨盤間隙的方法是工程中比較實(shí)用的測量方法。

1.2 磨盤間隙的間接測量法

1.2.1 通過測量振動(dòng)控制磨盤碰磨

由于磨盤間隙的直接測量很難排除誤差，很多專家學(xué)者另辟蹊徑。通過測量磨漿區(qū)漿料的壓力、溫度或磨盤振動(dòng)等參數(shù)間接測量和調(diào)節(jié)磨盤間隙。

1986年新西蘭Donald M.Whyte等人發(fā)表了通過測量磨盤振動(dòng)防止磨盤碰磨的專利［10］，總結(jié)出如圖5所示的規(guī)律:在發(fā)生碰磨前7 s，由于盤間漿料的減少，處于正常工作狀態(tài)下的振幅會(huì)在前2 s內(nèi)降到最低，在接下來的3.5 s內(nèi)保持一個(gè)較低的穩(wěn)態(tài)值，然后快速地在1 s內(nèi)達(dá)到振幅的最大值，此時(shí)即將發(fā)生碰磨，圖中點(diǎn)1為碰磨時(shí)達(dá)到的最大振幅值。該專利將振動(dòng)傳感器安裝在磨漿區(qū)附近或支撐軸承座上，通過碰磨前的振動(dòng)規(guī)律及時(shí)調(diào)大間隙阻止碰磨的發(fā)生。

2007年盧森堡Bruce R.Crossley等人發(fā)表了類似阻止盤磨機(jī)碰磨的專利，測振動(dòng)的傳感器安裝于定盤背面，A/D轉(zhuǎn)換器將測量的振幅值轉(zhuǎn)化為能被計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再與預(yù)先設(shè)定的幅值進(jìn)行比較，當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)立刻對(duì)間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)［11］。

1.2.2 測量磨漿區(qū)壓力或溫度調(diào)節(jié)磨盤間隙

圖5 盤磨機(jī)在發(fā)生碰磨前7 s的振幅變化情況［8］

磨漿區(qū)壓力、溫度、載荷等的變化都間接反映了磨盤間隙的變化。如圖6所示是1971年加拿大Howard W.H.Jones等人的專利，提出了使用壓力傳感器同時(shí)測量工作時(shí)兩磨盤間壓力和加壓裝置液壓油缸提供的壓力，并比較兩者的差值從而控制稀釋進(jìn)水管開關(guān)，通過注入稀釋水的多少來調(diào)節(jié)或者平衡磨漿區(qū)壓力［12］。1996年加拿大Bruce J.Allison等人發(fā)表了使用傳感器測主電機(jī)載荷，并找出主電機(jī)載荷與磨盤間隙的關(guān)系從而控制磨盤間隙的專利［13］。

圖6 單盤磨機(jī)磨盤間隙壓力平衡控制法示意圖［12］

圖7 壓電式力傳感器在磨盤上的布置方式［15］

1998年瑞典Ola Johansson.Timra等人提出使用應(yīng)變材料制成磨齒的形狀并安裝于磨盤磨面上，從而測量磨片磨齒的受力進(jìn)而調(diào)節(jié)磨盤間隙的方法［14］。2005年Alan Henry Bankes等人發(fā)明了使用壓電式傳感器測量工作時(shí)，用磨齒所受的正應(yīng)力和剪切力來調(diào)節(jié)磨盤間隙的方法。該專利介紹了多種傳感器敏感元件和測量磨齒的安裝布置方式，其中4種布置方式如圖7所示，這4種布置方式有一個(gè)共同點(diǎn)為:傳感器頂部1的材質(zhì)、形狀、高度、磨損速度與磨齒的相同［15］。

2009年美國Ola M.Johansson等人發(fā)明了測量磨漿區(qū)溫度的方法。如圖8所示，電阻式溫度傳感器(RTD)包裹在絕緣體1中，再使用耐高溫的物質(zhì)(如環(huán)氧樹脂)粘黏在磨片通孔內(nèi)。絕緣體1要求使用絕緣絕熱且耐腐蝕的材料制成。多個(gè)傳感器的布局方式類似于圖4，不同位置的傳感器測出相應(yīng)區(qū)域的溫度值，輸入計(jì)算機(jī) (包含校準(zhǔn)模塊)處理，從而根據(jù)溫度與間隙的規(guī)律進(jìn)行磨盤間隙的調(diào)節(jié)［16］。

圖8 溫度傳感器局部放大圖［16］

在磨盤間隙間接測量方法中，測量振動(dòng)的方法操作簡便易行，但無法準(zhǔn)確測量磨片間隙變化情況，主要用作避免磨盤碰磨;壓力平衡控制方法主要應(yīng)用于低濃盤磨機(jī);測量磨齒應(yīng)力、磨漿區(qū)溫度的方法(圖7、圖8)可以準(zhǔn)確地測量磨盤間隙，易于實(shí)現(xiàn)在線測量，其缺點(diǎn)是需要采用專用磨片，盡管如此，這兩種方法目前受到多家研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，是盤磨機(jī)的研究熱點(diǎn)。

2 盤磨機(jī)間隙調(diào)節(jié)方法

2.1 機(jī)械式調(diào)節(jié)法

2.1.1 手動(dòng)調(diào)節(jié)法

手動(dòng)調(diào)節(jié)法是依據(jù)游標(biāo)卡尺間隙測量值和主電機(jī)電流手動(dòng)調(diào)節(jié)磨片間隙，現(xiàn)通常只在某些小型盤磨機(jī)上使用，或作為機(jī)械式自動(dòng)調(diào)節(jié)和液壓式調(diào)節(jié)的輔助調(diào)節(jié)方式用于盤磨機(jī)主軸的微進(jìn)給，如圖9所示。其手動(dòng)調(diào)節(jié)可表述為:由于半軸11空套在蝸輪12的孔內(nèi)，兩者間設(shè)有導(dǎo)向鍵，操縱手柄13使半軸11與離合器10脫離，此時(shí)自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)失效;轉(zhuǎn)動(dòng)手輪7，通過零件蝸桿9-蝸輪6-絲杠5的配合，使動(dòng)盤4實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退［17］。與此不同，文獻(xiàn) ［18］使用了一種差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)代替絲杠機(jī)構(gòu)，即在同一根螺桿上兩段螺紋的導(dǎo)程不同，使不能轉(zhuǎn)動(dòng)但能移動(dòng)的定盤與螺桿配合，這樣轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿就會(huì)因?qū)С滩疃鴮?shí)現(xiàn)定盤的移動(dòng)進(jìn)給或后退，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單易于制造［18］。

另外文獻(xiàn)［19］采用杠桿式的調(diào)節(jié)移動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)磨盤間隙。主要由杠桿機(jī)構(gòu)和測微機(jī)構(gòu)組成，可以實(shí)現(xiàn)抬起杠桿手柄兩磨盤合攏，再借助絲杠較精確調(diào)節(jié)磨盤間隙;壓下杠桿手柄，可以迅速拉開磨盤一定距離，用于緊急處理異常情況［19］。

在機(jī)械式調(diào)節(jié)方法中蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)調(diào)整精度較高，目前主要應(yīng)用在中、小型盤磨機(jī)的磨盤間隙調(diào)整。

圖9 典型的磨盤間隙機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖［17］

2.1.2 自動(dòng)調(diào)節(jié)法

機(jī)械式自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)一般是按照預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)換電路或者已編制的控制程序正反向驅(qū)動(dòng)小型電機(jī)帶動(dòng)蝸輪螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)盤的自動(dòng)進(jìn)給和后退。如圖9所示，操作手柄13合上離合器10，進(jìn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，電機(jī)2驅(qū)動(dòng)蝸桿3旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)蝸輪12和同軸的蝸桿9轉(zhuǎn)動(dòng)，再驅(qū)動(dòng)蝸輪6轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪6中心的螺紋孔驅(qū)動(dòng)絲杠5轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)動(dòng)盤4前進(jìn)或者后退。蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)的自鎖功能確保了調(diào)整好的磨盤間隙不受負(fù)載變化的影響。但由于蝸桿、蝸輪和螺紋的加工誤差和磨損的影響，調(diào)節(jié)精度有限。機(jī)械式自動(dòng)調(diào)節(jié)法省時(shí)省力，多用于中小型盤磨機(jī)磨片間隙的調(diào)節(jié)［2-3］。

2.2 液壓式調(diào)節(jié)法

液壓式調(diào)節(jié)法就是采用液壓加壓系統(tǒng)的三位四通電磁換向閥控制油壓，實(shí)現(xiàn)動(dòng)磨盤較精確的進(jìn)給和后退運(yùn)動(dòng)。加壓油缸的空套式活塞桿與前軸承組聯(lián)在一起，在液壓油的作用下實(shí)現(xiàn)主軸移動(dòng)，并在工作時(shí)提供研磨所需的工作壓力。液壓加壓系統(tǒng)一般有定位式和壓力式兩種調(diào)節(jié)方法［20-25］。圖10是舒服華博士針對(duì)某造紙廠Ф500盤磨機(jī)生產(chǎn)中移動(dòng)磨盤進(jìn)刀速度波動(dòng)大、兩磨盤間隙穩(wěn)定性差、易受負(fù)載變化的影響、盤磨機(jī)功率不恒定等問題對(duì)原有液壓系統(tǒng)做的改進(jìn)原理圖，他在原有液壓系統(tǒng)上將進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路改為回流節(jié)流調(diào)速回路，用比例溢流閥代替先導(dǎo)式溢流閥，并增加了1個(gè)液壓鎖，有效克制在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，由于油的泄漏導(dǎo)致油缸左右移動(dòng)帶來的磨盤間隙變化［26］。不同型號(hào)盤磨機(jī)液壓系統(tǒng)與此類似，圖10具有一定的代表性。

圖10 盤磨機(jī)磨盤間隙液壓控制系統(tǒng)示意圖［26］

使用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)磨盤間隙，其結(jié)構(gòu)簡單卻靈活方便，工作壽命長、穩(wěn)定性好、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，目前已成為大、中型盤磨機(jī)主要的調(diào)節(jié)方法［27］。

3 結(jié)論與展望

3.1 磨盤間隙直接測量方法大多簡便易行，但要在新型盤磨機(jī)中再次得到廣泛應(yīng)用，必須解決磨片磨損給間隙測量帶來誤差和特制專用磨片成本高的問題，并保證測量的可行性和穩(wěn)定性。

3.2 在磨盤間隙間接測量方法中，綜合考慮準(zhǔn)確性、可行性和穩(wěn)定性，測量磨齒應(yīng)力、磨漿區(qū)溫度的方法可以準(zhǔn)確地反應(yīng)磨盤間隙，易于實(shí)現(xiàn)在線測量，其缺點(diǎn)是需要采用專用磨片。這兩種方法目前受到多家研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，逐漸成為發(fā)展的方向。

3.3 磨盤間隙的調(diào)節(jié)方法有機(jī)械式加壓和液壓加壓兩類，其中機(jī)械式調(diào)節(jié)方法主要應(yīng)用于中、小型盤磨機(jī);液壓式加壓由于結(jié)構(gòu)簡單靈活、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、使用壽命長，已成為大、中型盤磨機(jī)主要的調(diào)節(jié)方法。

3.4 盤磨機(jī)磨盤間隙在線測量是實(shí)現(xiàn)盤磨機(jī)實(shí)時(shí)控制的關(guān)鍵，是盤磨機(jī)發(fā)展的方向。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)磨盤間隙精確的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制，提高打漿質(zhì)量，延長盤磨機(jī)磨片的使用壽命。

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Methods of Measuring and Adjusting Plate Clearance of Disc Refiner

YAO Jun*WANG Ping
(College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science＆ Technology，Tianjin，300222)

The plate clearance of disc refiner is very easy to be changed as the refiner is affected by many factors in its operation，the plate clearance is the key parameter，its measurement and adjustment are directly related to the refining quality of the pulp and the plate life．Firstly，the paper introduces the methods of measuring plate clearance of disc refiner，especially the methods and technologies of on-line measurement in foreign patents which include direct and indirect measurement;then recommends the general methods of adjusting the plate clearance，and analyses the characteristics and applicability of all these measuring and adjusting methods．

disc refiner;plate clearance;measurement;adjustment

TS734+.1

A

0254-508X(2012)01-0067-05

姚 俊先生，在讀碩士研究生;主要研究方向:機(jī)械制造及其自動(dòng)化。

(*E-mail:yaoyao06015122@126．com)

2011-08-08(修改稿)

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (50675155)。

(責(zé)任編輯:常 青)