磨片磨紋設(shè)計(jì)的新動(dòng)向

王成昆 王 平

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

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磨片磨紋設(shè)計(jì)的新動(dòng)向

王成昆 王 平

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

磨片的磨紋設(shè)計(jì)直接決定了磨片的性能,影響磨漿的質(zhì)量、效率和能耗。本文從磨齒的參數(shù)、磨紋的形狀、磨盤的結(jié)構(gòu)等方面,介紹了近年來磨片磨紋設(shè)計(jì)的發(fā)展動(dòng)向，包括磨齒斜面設(shè)計(jì)、深淺不同的齒槽、鋸齒形磨齒、正反轉(zhuǎn)磨片、V形及Z形磨紋等。

磨片；齒形設(shè)計(jì)；磨齒參數(shù)；磨紋形狀

(*E-mail: wangchengkun1990@163.com)

當(dāng)盤磨機(jī)選型和磨片材料確定以后,磨片的磨紋設(shè)計(jì)是影響磨漿質(zhì)量、效率最重要的因素,也是最容易改變和創(chuàng)新的因素。盤磨機(jī)磨片的磨紋參數(shù)主要有磨齒寬度、齒槽寬度、齒槽深度、磨紋傾角、擋壩設(shè)置等。磨紋參數(shù)的設(shè)計(jì)一般是根據(jù)漿料的特性和磨漿質(zhì)量要求進(jìn)行的。根據(jù)長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),針對常用的制漿原料,磨片磨紋設(shè)計(jì)有一些典型的基本齒形,當(dāng)有特殊要求時(shí),對基本齒形進(jìn)行一些變型設(shè)計(jì)。近年來,隨著節(jié)能降耗的要求,人們對磨片齒形進(jìn)行了深入的研究[1],本文在分析國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上,對磨片磨紋設(shè)計(jì)的新動(dòng)向進(jìn)行了論述。

1 磨齒截面形狀改進(jìn)

在打漿過程中，動(dòng)壓作用促進(jìn)了纖維之間的接觸,減少了纖維的切斷。最佳的磨漿條件是：在紙漿潤滑的邊界條件下,摩擦因數(shù)最大,纖維之間的相互作用最強(qiáng),切斷少，疏解作用增強(qiáng),動(dòng)靜磨片分離,降低能耗。初嘉鵬等人[2]在2011年提出,要想利用動(dòng)壓作用實(shí)現(xiàn)最佳打漿,需要改變磨片齒形,改進(jìn)后的齒形如圖1所示。把動(dòng)磨片的齒頂平面改成斜面之后,通過力學(xué)分析可知,漿料與齒頂斜面會(huì)產(chǎn)生垂直動(dòng)壓力,纖維的切斷減少,纖維之間的作用力增強(qiáng),有效促進(jìn)了纖維的分絲和帚化,增加了漿流量,降低了能耗。

圖1 磨片齒形截面在運(yùn)動(dòng)方向增加斜角

Luc Gingras[3]在2012年通過實(shí)驗(yàn)測量,對比了動(dòng)靜磨片磨齒齒面都是平面時(shí)的漿料與靜磨片磨齒齒面為斜面時(shí)的漿料受力情況，如圖2所示。圖2(a)是傳統(tǒng)形狀的磨齒,圖2(b)是齒面有斜面的磨齒，圖2(c)所示的是動(dòng)靜磨片的磨齒在交叉接觸的過程中,漿料受到的剪切力F的變化情況。圖2(c)中，虛線是傳統(tǒng)磨齒的漿料的受力,實(shí)線表示改進(jìn)后帶有斜面的磨齒的漿料受力。由圖2(c)中的受力變化可以看出,由于傳統(tǒng)磨齒齒面與齒槽幾乎垂直,所以在動(dòng)靜磨片磨齒接觸過程中漿料受到的擠壓剪切作用力比較大,有峰值出現(xiàn),而帶有斜面的磨齒中的漿料受力則相對緩和。

圖2 磨齒形狀改變前后漿料受力狀況

顯然這種峰值作用力的出現(xiàn)是不利于打漿的,一方面對漿料會(huì)有過量的切斷作用,影響纖維質(zhì)量,且對磨齒也會(huì)有損害,降低使用壽命。所以Luc Gingras等人也提出并設(shè)計(jì)了幾種帶有一定斜度的齒形,其結(jié)構(gòu)與初嘉鵬等人的設(shè)計(jì)有相似之處,這里不再贅述。

2 齒槽及漿檔形狀變化

齒槽的寬度和深度與齒形有關(guān),并且對磨漿的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用,齒槽較窄可使整個(gè)磨盤齒數(shù)增加,加大了對漿料的切斷作用。雖然能提高漿料的打漿度,但是由于齒槽窄,槽深也淺,從而降低了漿料的通過量；增加齒槽寬度可以加大漿料通過量,但會(huì)削弱打漿作用,所以會(huì)配合漿檔設(shè)計(jì)以延長漿料在磨區(qū)的停留時(shí)間[4-5]。

針對最佳磨片齒寬的選擇和確定,劉士亮等人[6]就不同齒寬的磨片,對短纖維漿中濃打漿的質(zhì)量、保留的纖維長度和打漿能耗方面做了對比分析,并得出了最適宜的磨片齒寬。該方法為新型、高效盤磨磨片磨齒參數(shù)的確定提供了參考。

一般常見的磨盤齒槽無論分幾個(gè)磨區(qū),除破碎區(qū)外其齒槽的深度幾乎都是恒定不變的。所以有學(xué)者提出是否能在提高漿料通過量的同時(shí)保證對纖維較小的損害,提供一個(gè)合理的打漿強(qiáng)度以確保較好的打漿質(zhì)量。Wesley Underberg等人[7]設(shè)計(jì)了一種變齒槽深度的磨齒,具有一定的創(chuàng)新性,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該磨片設(shè)計(jì)原本是為高濃磨漿設(shè)計(jì),但實(shí)際上已經(jīng)在低濃打漿應(yīng)用,從磨片內(nèi)徑到外徑齒槽深度是變化的。其特點(diǎn)可以概括為：相鄰兩個(gè)較深的齒槽中會(huì)有一個(gè)較淺的齒槽,增加了磨齒數(shù)量,提高了打漿度；在高濃磨漿時(shí),較淺的齒槽利于蒸汽的疏散,防止出現(xiàn)過大蒸汽壓力造成沖擊載荷；位于上端的齒槽較淺且窄,能夠抵抗磨齒變形,但磨齒的強(qiáng)度有一定降低。

圖3 不同磨漿區(qū)域的變齒槽深度設(shè)計(jì)

隨后，Luc Glngras等人[8]對這種深淺不同的變齒槽深度設(shè)計(jì)進(jìn)行了更深入的研究,對位于上端較淺齒槽的深度、寬度以及下端較深齒槽的尺寸等內(nèi)容做了分析,確定了可選擇的參數(shù)范圍。Antensteiner Peter等人[9]也設(shè)計(jì)了一種深淺不同的齒槽,并推導(dǎo)出了上端齒槽的深度與其受到的應(yīng)力之間的關(guān)系式,為磨齒參數(shù)的確定提供了理論依據(jù),具有一定的意義。原文介紹較為詳細(xì),此處不再贅述。

漿檔(擋壩)的設(shè)計(jì)受磨齒參數(shù)以及漿料特性等因素的制約,無論是直齒(平行齒和徑向齒)或者弧形齒磨盤,漿檔都不是必需的,而是根據(jù)打漿的實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如,對于無漿檔的直齒磨盤,雖然其泵送作用相對較明顯,但如果磨齒及齒槽的參數(shù)得到合理的設(shè)計(jì),其磨漿效果也是不錯(cuò)的；另外,對于有錯(cuò)位漿檔的磨盤,實(shí)際打漿中,漿料的通過量會(huì)減少,齒槽設(shè)計(jì)較窄時(shí)甚至?xí)斐蓾{料阻塞。

傳統(tǒng)的漿檔呈一定寬度,高度與磨齒齒面平齊地布置在齒槽中。該設(shè)計(jì)對于低濃打漿沒有太大問題,但是在高濃磨漿時(shí),紙漿含水量較少,在磨漿區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量的蒸汽，高速流動(dòng)的蒸汽會(huì)造成漿料的回流或者過早排出磨漿區(qū),甚至產(chǎn)生沖擊載荷,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致載荷控制不穩(wěn)定,所以需要盡快排出[10]。針對以上問題,Luc Gingras等人[11]設(shè)計(jì)了一種帶有缺口的漿檔,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中的1-1和2-2是磨盤上的剖切示意圖,由圖4可知，該漿檔上端和磨齒面平齊,但是一邊留有缺口,便于蒸汽疏散；圖4中2-2 的斜面設(shè)計(jì),有利于漿料翻過漿檔,不會(huì)造成漿料的阻塞。

圖4 磨片漿檔的缺口設(shè)計(jì)

圖5 具有鋸齒狀磨紋的磨片

圖6 磨紋呈V形布置的磨片

磨片類型轉(zhuǎn)速/r·min-1磨漿濃度/%噸漿電耗/kWh·t-1紙張性能緊度/g·cm-3抗張指數(shù)/N·m·g-1裂斷長/km耐破指數(shù)/kPa·m2·g-1V形布置15007.0～7.5204.80.5423.93.791.5ZDP650型15003.0～3.52410.4521.43.451.5

3 磨紋形狀變化

3.1 鋸齒狀磨齒的設(shè)計(jì)

在精磨機(jī)磨片設(shè)計(jì)中,提高能效的傳統(tǒng)方法是改進(jìn)內(nèi)部進(jìn)漿區(qū)域的設(shè)計(jì)特征,目的是加快進(jìn)漿。其結(jié)果是在一定磨漿間隙時(shí),減小了纖維團(tuán)的厚度,纖維之間的相互作用減少,磨齒的切斷作用增加。當(dāng)纖維過快流出精磨區(qū)時(shí),造成磨漿間隙變小,而磨片的使用壽命隨間隙的減小呈指數(shù)降低[12]。

所以對于精磨機(jī)來說,最佳的磨片是既能有較高的能量利用效率,又可以減少纖維切斷,同時(shí)具有較長的工作壽命。安德里茨公司設(shè)計(jì)了一款新型磨片[13],很好地滿足了以上要求,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

該磨紋設(shè)計(jì)已經(jīng)申請了專利,其變型結(jié)構(gòu)有：內(nèi)部粗磨區(qū)的直形齒設(shè)計(jì)、精磨區(qū)進(jìn)一步細(xì)化分區(qū)、磨齒上的鋸齒形改進(jìn)為其他凹凸不規(guī)則形狀等。弧形磨齒的彎曲方向與磨片旋轉(zhuǎn)方向有關(guān),鋸齒狀凹槽分布在磨齒的前緣即運(yùn)動(dòng)方向一側(cè)；獨(dú)特的鋸齒狀設(shè)計(jì),有助于延緩漿料在外部精磨區(qū)的停留時(shí)間,增加纖維束的厚度,減少切斷；允許動(dòng)靜磨片之間較大的磨漿間隙,在實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度磨漿的同時(shí),延長了磨片的使用壽命。

3.2 可正反轉(zhuǎn)的磨紋設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)磨紋的排列形狀,主要是直形齒和弧形齒。華南理工大學(xué)在磨紋設(shè)計(jì)方面做了一定的研究,設(shè)計(jì)了一種磨齒呈V形布置的磨片[14],其結(jié)構(gòu)如圖6所示。該磨片主要用于中高濃度的廢紙(OCC)打漿,可分為3個(gè)磨區(qū),磨齒截面為直角梯形,截面的形狀如圖6中1-1、2-2所示,梯形截面設(shè)計(jì)能增加纖維與齒面的接觸面積,提高纖維與齒面及纖維內(nèi)摩擦的機(jī)率。由于受到疏解區(qū)磨齒彎曲方向的限制,該磨片不能實(shí)現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn),但是可改善磨區(qū)的漿料流動(dòng)混合形式,實(shí)際的打漿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

與傳統(tǒng)磨片對比,磨紋呈V形布置的磨片可有效降低能耗,進(jìn)一步提高成紙性能。結(jié)合其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以得出新型磨片在處理OCC紙漿時(shí)磨漿效果優(yōu)于傳統(tǒng)磨片。

當(dāng)磨片被設(shè)計(jì)制造出來以后,其旋轉(zhuǎn)方向一般都是固定的。在經(jīng)過一段時(shí)間的磨漿之后,磨齒基本上是順著旋轉(zhuǎn)方向齒前刃角受到的磨損最大,呈圓弧狀出現(xiàn)鈍口,而齒后刃磨損不突出,齒面磨損為不規(guī)則狀。國內(nèi)有學(xué)者提出通過精加工復(fù)磨能基本恢復(fù)齒前刃的鋒利狀態(tài),使磨損齒面得到修整[15]。而國外一些廠家則嘗試隔一段時(shí)間改變磨片的旋轉(zhuǎn)方向,以保證磨齒前緣的鋒利,也延長了磨片的使用壽命。

針對以上問題,安德里茨公司設(shè)計(jì)了一種可反轉(zhuǎn)的精漿機(jī)磨片,其結(jié)構(gòu)如圖7所示。由圖7可知,動(dòng)靜磨片的磨紋呈V形,動(dòng)磨片的齒槽深度要比靜磨片的深一些。該磨片的變型結(jié)構(gòu)還有很多,比如疏解區(qū)的設(shè)置、精磨區(qū)的細(xì)化分區(qū)等、V形磨紋結(jié)合再緊湊些呈W形等。無論怎樣變型,該動(dòng)靜磨片都能允許精磨機(jī)以相同的性能反向旋轉(zhuǎn)工作[16]。

3.3 其他的磨紋設(shè)計(jì)

除以上的磨片之外,安德里茨公司還陸續(xù)設(shè)計(jì)了其他一些新型的磨片。

圖7 可正反轉(zhuǎn)的精漿機(jī)磨片

圖8 過渡區(qū)呈X形的逐漸變化形狀的磨片

圖9 磨紋呈Z形磨片

(1)具有逐漸變化形狀的磨片。從內(nèi)部進(jìn)料區(qū)至出口區(qū)的磨齒和齒槽寬度逐漸變小,即在徑向,磨齒和齒槽的密度逐漸增大,過渡區(qū)域形狀呈螺旋線狀、V形、倒V形或者X形等。該設(shè)計(jì)充分利用了磨盤的表面,優(yōu)化了磨漿性能[17]。結(jié)構(gòu)如圖8所示。

(2)磨紋呈Z形的磨片。在磨片中間有一段傾斜形狀的磨齒與徑向排列的磨齒相連呈Z形,在Z型彎曲部分可以根據(jù)需要設(shè)置斜面。有規(guī)律分布的Z形彎曲起到了漿檔的作用,所以磨片徑向沒有漿檔[18-19],結(jié)構(gòu)如圖9所示,其中圖9(a)是Z形彎曲的局部放大圖。

(3)磨齒呈V形立體結(jié)構(gòu)的磨片。該磨齒呈三棱柱狀或是V形的立體,一個(gè)個(gè)單獨(dú)的磨齒按照一定規(guī)律布置在磨盤上,其磨漿效果有待論證,但是設(shè)計(jì)方法比較獨(dú)特,有一定的參考價(jià)值[20]。

在國內(nèi),早在2004年陳永生等人[21]就公布了一項(xiàng)磨片專利,其設(shè)計(jì)理念與上述具有逐漸變化形狀的磨片相類似。每塊磨片可分為3個(gè)或更多的同心圓磨漿區(qū)間,磨區(qū)寬度隨著半徑的增大依次變小,齒槽深度在徑向逐漸減小。該設(shè)計(jì)可以有效解決磨盤表面掛漿不均問題,避免齒面直接摩擦,促進(jìn)纖維分絲帚化。

此外,Ola M Johansson等人[22-23]曾設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)比較獨(dú)特的磨片。第一種是可調(diào)齒形的磨片。其原理是在一塊磨片中,存在一部分可以是圓形、方形及三角形狀,單獨(dú)安裝固定在磨盤上。其上端和磨盤上端面平齊,“填在”磨盤里構(gòu)成一塊完整的磨片,通過對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)來改變磨片的齒紋形狀,進(jìn)而改變打漿效果。第二種是可分離式磨片。其結(jié)構(gòu)是使用螺栓將分塊的扇形磨片固定在磨盤基體上,其中每個(gè)磨片中間呈一定形狀的區(qū)域沒有磨紋,而是篩網(wǎng)式的通孔。當(dāng)漿料從磨片內(nèi)徑向外流出過程中,一部分細(xì)小的漿料將會(huì)穿過漏孔從磨片下方流出,另一部分則流向外徑磨紋,然后排出。以上兩種設(shè)計(jì),都比較新穎,但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,實(shí)際磨漿效果也有待驗(yàn)證。

4 結(jié) 語

(1)將磨齒截面設(shè)計(jì)有一定的斜角,有利于減少纖維切斷,提高漿料通過量,并減小磨片受到的沖擊力,提高磨片的使用壽命。

(2)不同磨區(qū)變齒槽深度的設(shè)計(jì),可以增加磨齒數(shù)量,提高打漿度；帶有缺口的漿檔在熱磨機(jī)械漿或高濃磨漿時(shí)有利于高溫蒸汽的排出。

(3)磨片的鋸齒形磨紋設(shè)計(jì),可延長漿料在外部精磨區(qū)的停留時(shí)間,增加纖維厚度,減少切斷,實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度磨漿；可正反轉(zhuǎn)的磨紋設(shè)計(jì),能夠延長磨片使用壽命,但要求磨漿機(jī)可靈活改變轉(zhuǎn)向。

(4)V形或Z形磨紋以及結(jié)構(gòu)可調(diào)整分離的磨片,結(jié)構(gòu)都比較獨(dú)特,具有一定的參考價(jià)值。

(5)磨片磨紋的創(chuàng)新設(shè)計(jì)對磨片的制造工藝提出了新的要求,如精密鑄造、專用磨削等,新齒形的磨片會(huì)增加磨片的制造成本。在生產(chǎn)中,需要權(quán)衡經(jīng)濟(jì)效益和增加的成本。

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(責(zé)任編輯：常 青)

New Trend of Pattern Design of Refiner Plate

WANG Cheng-kun*WANG Ping

(CollegeofMechanicalEngineering,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300222)

The design of refiner plate pattern directly determines the performance of the refiner, affects the refining quality, efficiency and energy consumption. This article introduced the latest trend in pattern design of refiner plate, from the bar parameters, the shape of plate pattern, structure of refiner plate, etc. including the slope design of grinding bar, alternating depth grooves, jagged bars, reversible plate, V-shaped and Z-shaped plate pattern and so on.

refiner plate; teeth pattern design; bar parameters; plate pattern shape

王成昆先生,在讀碩士研究生；研究方向：制漿造紙機(jī)械的研究。

2015-10-20(修改稿)

TS734+.1

A DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.04.013