中濃液壓盤磨機的改進與升級

黃運賢

(華南理工大學造紙與污染控制國家工程研究中心，廣東廣州，510640)

華南理工大學造紙與污染控制國家工程研究中心(以下稱本中心)自主研發(fā)的系列中濃液壓盤磨機，由于具有打漿能耗低 (節(jié)水省電)、明顯改善打漿質量、提高生產效率等優(yōu)點，使中濃打漿技術在全國范圍內的中小造紙企業(yè)得以成功推廣應用，并取得了明顯的經濟及社會效益。但該盤磨機還是屬于半手工操作，不易控制打漿質量，并且對于不同漿種其打漿操作有所不同，對工人的操作熟練程度要求很高，工人勞動強度較大;另外，隨著我國造紙企業(yè)生產的轉型升級，迫切需要打漿生產線的電氣控制自動化，以保證打漿質量，降低工人勞動強度，提高生產效率。因此，本中心對系列中濃液壓盤磨機 (以下簡稱盤磨機)進行了升級改進，改進后盤磨機升級為自動化控制，并納入造紙廠生產線的中央控制系統(tǒng)。本文介紹了盤磨機改進與升級的技術要點，以供參考。

1 中濃打漿機理及盤磨機結構簡述

盤磨機采用特殊結構，允許濃度6%～15%的漿料通過磨區(qū)和磨室。磨盤之間的漿料呈纖維網狀形態(tài)，且纖維的密度大，纖維的形態(tài)變化依賴纖維與纖維之間的劇烈摩擦，促使纖維產生擠壓、壓潰、細胞壁破裂、分絲、起毛、細纖維化等一系列的變化［1］，而受齒紋刀刃直接作用引起纖維形態(tài)變化的幾率大為減弱。其結果是:纖維的平均長度較長、纖維分絲帚化的作用較強、纖維受切斷較少、細小纖維較少。這種纖維與纖維之間的劇烈摩擦引起纖維形態(tài)的變化稱之為“纖維間的內摩擦效應”［2］，這就是中濃打漿機理。

盤磨機改進前的結構示意圖見圖1。從圖1可見，主體設備由定磨片1、動磨片3、磨室2、主軸4、前后滾動軸承座5、油缸6、調整螺母7、推力筒8、前后滑座9、聯軸器10、電機11和機座12等組成。此外，還配有電氣控制系統(tǒng)和液壓站。磨室里裝有一對磨片，一個固定在磨室上，稱為定磨片，另一個固定在軸端并隨主軸旋轉，稱為動磨片。在液壓系統(tǒng)和主電機的共同驅動下，轉動的主軸同時可沿軸向前、后移動，從而使動磨片向定磨片靠近或離開，正常打漿時兩磨片之間必須保持一定的間隙，不同的漿種，間隙要求不同，由工藝要求確定。漿料進入磨區(qū)時，高速旋轉的動磨片使?jié){料產生巨大的離心力并獲得愈來愈高的線速度，漿料在兩磨片間運動軌跡呈近似螺旋線，同時經受扭轉力、剪切力、摩擦力、擠壓力等作用，引起纖維的疏解分離、橫斷縱裂、吸水膨脹、分絲起毛、帚化和細纖維化等各種變化［3］，從而實現打漿或磨漿效果。

圖1 改進前中濃液壓盤磨機結構示意圖

2 盤磨機存在的問題

2.1 手動調整磨片間隙

兩磨片之間的間隙大小是中濃打漿最重要參數之一，間隙太大或太小都會影響到成漿的質量，打漿的最佳間隙主要靠生產實踐中摸索出來;不同的漿種，間隙要求是截然不同的。即使是同一種漿料，在生產過程中 (包括漿料的調配)受到各種因素的交叉影響，最佳打漿間隙也會發(fā)生變化。因此，兩磨片之間的間隙不僅在開機前要初步調定，在生產過程中也要視成漿的質量變化適當作一些調整。從圖1可知，主軸4通過滾動軸承座5的軸向移動來實現兩磨片的重合或分開，滾動軸承座5與推力筒8固定連接，調整螺母7與推力筒8構成螺紋傳動關系，在螺母軸向位置 (相對機座而言)不變的情況下，通過旋轉調整螺母來實現推力筒的軸向移動，從而使主軸上的動磨片移動，進而實現動、定磨片間隙的調整。從上面的分析可以看出，要調整出磨片的間隙，首先要找出該盤磨機磨片間隙的“零位”，即動、定磨片重合。操作步驟分三步:第一步，向后轉動調整螺母，使動磨片較大偏離原來的位置;第二步，液壓系統(tǒng)驅動主軸向前，使兩磨片重合;第三步，向前旋轉調整螺母，使之回到原來的位置。這時調整螺母在推力筒上所處的位置就是“零位”時的位置，兩磨片重合，間隙為零。

根據工藝要求調出兩磨片的間隙，步驟如下:第一步，液壓系統(tǒng)驅動主軸向后;第二步，向前轉動調整螺母，調整螺母在推力筒上所處的新位置后，再鎖緊調整螺母;第三步，液壓系統(tǒng)再驅動主軸向前，使調整螺母回到原來的位置，這時，兩磨片的間隙就是調整螺母在推力筒上所處的新舊位置之差。由此可見，要調出兩磨片之間的間隙或者生產中不斷地調整磨片間隙的大小，都必須由工人現場手動操作完成，不僅勞動強度較大，而且還會由于每個工人的熟練程度不同而導致打漿質量的不穩(wěn)定。

2.2 軸承溫升異常導致燒壞

盤磨機主軸的高速旋轉常常使軸承發(fā)熱，通常情況下，滑座的水冷卻系統(tǒng)可以帶走軸承產生的熱量，使之達到發(fā)熱與散熱平衡;但當軸承潤滑不夠、軸承本身質量問題或主軸精度低等因素的影響下，可能造成軸承溫升異常而操作人員卻渾然不覺，最后導致軸承燒壞。頻繁的設備維修嚴重影響企業(yè)的正常生產，并且給企業(yè)造成相當大的經濟損失。

3 改進與升級

3.1 電動調整磨片間隙

應用機床上夾緊工件用的三爪卡盤調整磨片間隙?？ㄗΦ囊幻娓某尚泵妫?個卡爪徑向運動的位移量就轉化為主軸的軸向位移量，即兩磨片的間隙變化量。設計出一個電動調整裝置代替手工操作調整磨片間隙，原來的調整螺母僅用作鎖緊功能。改進后的盤磨機結構示意圖如圖2所示。圖2中，7為電動調整裝置，8為鎖緊組件。

電動調整裝置橫向截面示意圖如圖3所示，軸向截面示意圖如圖4所示。電動調整裝置主要由伺服電機、小錐齒輪、大錐齒輪、楔形卡爪和卡盤座組成。小錐齒輪與大錐齒輪嚙合，大錐齒輪的背面有平面螺紋結構，3個卡爪等分安裝在平面螺紋上。伺服電機啟動時，小錐齒輪帶動大錐齒輪轉動，大錐齒輪背面的平面螺紋就使3個楔形卡爪同時向中心靠近或退出磨片間隙變化量的計算。

圖2 改進后中濃液壓盤磨機結構示意圖

假如小錐齒輪與大錐齒輪的速比設為i，平面矩形螺紋的螺距設為N，大錐齒輪轉一圈，它背面的平面螺紋則帶動3個卡爪徑向移動一個螺距N，因此，采用伺服電機驅動，從伺服電機轉過的轉數n就可以計算出楔形卡爪的徑向位移量dy:

圖5為楔形卡爪結構示意圖，從圖5可以看出，楔形卡爪的一面是平面矩形螺紋，螺矩為N;另一面是斜面，斜面的升角α，為一楔形結構。從3個卡爪的運動軌跡可以作出卡爪軸向位移量計算模型，也就是磨片間隙變化量計算模型，如圖6所示。從圖6中可以得出:

tgα=dx/dy

dx=dy·tgα

其中，dy為卡爪徑向位移量，dx為卡爪軸向位移量，α為卡爪斜面升角。

α是一定值，只要知道卡爪的徑向位移量dy，就可以得出它的軸向位移量dx，卡爪的軸向位移量dx就是磨片間隙的變化量。

以上的計算結果只是理論值，由于圓錐齒輪傳動、平面螺紋傳動和零件加工等存在累積誤差，還要對其結果進行必要的修正，才能得到實際的磨片間隙變化量。

伺服電機可以根據指令作出每次絕對值相同調整量，實際操作時先調出“零”值，然后微量一次次增加間隙，也可以一次次減少間隙，根據不同漿種隨時做出相應的調整。

圖7是電動調整裝置的三維軸測圖，圖8是楔形卡爪的三維軸測圖。對電動調整裝置的控制可納入PLC全自動控制系統(tǒng)。

3.2 設立軸承溫度監(jiān)測報警系統(tǒng)

軸承是盤磨機最重要的標準件，軸承損壞有時甚至會影響到與其相連的主軸和軸承座，如若這些主要零件損壞，將導致停機維修，不但影響正常生產，也給企業(yè)造成較大的經濟損失。軸承發(fā)熱是軸承損壞最主要的原因。因此，要隨時能監(jiān)測軸承的溫度，就要設立一套溫度監(jiān)測報警系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫度監(jiān)控模塊、報警器等組成。溫度監(jiān)控模塊對軸承溫度的監(jiān)控通過設于盤磨機主軸軸承上的溫度傳感器實現;當檢測到的實時溫度在盤磨機正常工作的溫度范圍內，系統(tǒng)正常運行;當檢測到的實時溫度超出盤磨機正常工作的溫度范圍時，系統(tǒng)控制報警并控制盤磨機停機或啟動盤磨機的冷卻裝置直接進行冷卻。該系統(tǒng)納入PLC全自動化控制系統(tǒng)。

3.3 建立PLC全自動化控制系統(tǒng)

中濃液壓盤磨機PLC全自動化控制系統(tǒng)，包括溫度監(jiān)控模塊、位移控制模塊、電流檢測模塊、電動調整伺服控制模塊和進退刀控制模塊。由溫度監(jiān)控模塊檢測盤磨機主軸軸承溫度，保證其溫度在軸承的正常工作溫度范圍內，實現對系統(tǒng)的保護;電動調整伺服控制模塊結合位移控制模塊和電流檢測模塊得到的數據進行計算，并將計算結果輸送給進退刀控制模塊，由進退刀控制模塊控制液壓裝置及電動調整裝置動作，從而實現對兩磨片之間間隙的調節(jié)。在生產線上可以納入全線的中央控制系統(tǒng)來集中控制。

4 結語

改進升級后的大功率中濃液壓盤磨機應用在陜西圣龍紙業(yè)有限公司的中濃打漿生產線上，打漿效果好、高效節(jié)能，實現全自動化調節(jié)控制。在此基礎上，本中心將開發(fā)出更大功率的中濃液壓盤磨機，更加完善各種重要參數的監(jiān)測控制，進一步提高中濃液壓盤磨機全自動化控制水平。

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