盤磨機的碰盤及其預防措施

王 平 林建濤 王高峰 王佳輝

(天津科技大學機械工程學院，天津，300222)

盤磨機碰盤是指在轉盤運轉過程中，盤磨機磨片表面發(fā)生金屬直接碰撞與摩擦的現(xiàn)象，也稱為碰摩或者擦碰。磨漿過程中，兩磨片之間為漿料流動、剪切和擠壓作用，不希望兩磨片直接接觸和碰盤，因此，盤磨機碰盤是一種非正?，F(xiàn)象。

盤磨機在磨漿過程中，為了保證磨漿質量，兩磨片在精磨區(qū)的磨盤間隙很小(可達0.2～0.3 mm)，由于磨片不平衡、主軸振動或者磨片發(fā)生不均勻熱變形等原因，都會導致盤磨機碰盤現(xiàn)象。

盤磨機碰盤會加速磨片磨損，碰盤會導致磨片過燒退火。圖1所示是碰盤在磨片表面留下的劃痕［1］，圖1(c)、圖1(d)分別是圖1(a)、圖1(b)的局部放大圖。碰盤會引起盤磨機振動，有些振動也可能引起盤磨機碰盤。同時，碰盤時還會產(chǎn)生刺耳的噪聲，有時噪聲可達105 dB，使工作環(huán)境惡化，影響操作人員的身心健康［2］;盤磨機碰盤，輕則導致停產(chǎn)，重則導致圓盤、軸承或者機殼損壞［3］。

王艷萍等人［4］的研究表明，磨盤間隙過小，雖然漿料纖維狀態(tài)好，但只有很少的漿料可以進入磨片之間，蒸汽和水無法吸收掉摩擦熱，致使磨片表面溫度急劇升高。繼而磨齒會直接碰撞，碰撞作用又使間隙變大，短時間內(nèi)進入磨區(qū)的漿料迅速增加，致使磨區(qū)溫度迅速降低。磨片局部金屬在受熱和快速冷卻后會被淬火、硬度提高，就會劃傷另一個磨片。另外，磨片碰撞時部分磨齒因齒根裂紋會脫落，脫落的磨齒會劃傷其他磨片。輕度碰撞劃傷的磨片雖可繼續(xù)使用，但磨漿質量下降、功耗增大，使用壽命縮短。由此可知，碰盤伴隨著振動和磨片的非正常磨損，使磨漿質量下降。

1 盤磨機碰盤產(chǎn)生的原因

1.1 磨片熱變形翹曲

張強等人［5］對盤磨機的碰盤現(xiàn)象進行了分析。

圖1 碰盤在磨片上產(chǎn)生的劃痕［1］

結果表明，德國Pallmann公司進口的1473.2 mm(58英寸)盤磨機處理果木和硬雜木時發(fā)生碰盤現(xiàn)象，其主要原因是磨盤間隙過小，磨片之間纖維、水和蒸汽過少，摩擦熱使磨片表面溫度急劇升高，磨片背面和表面溫差增大 (達到816℃)，導致磨片熱膨脹，朝溫度高的磨片表面彎曲，使磨片發(fā)生碰盤現(xiàn)象。碰盤導致磨片齒面磨損、磨齒出現(xiàn)裂紋，碰盤嚴重時造成齒面過燒和磨片開裂。根據(jù)德國磨片公司提供的經(jīng)驗公式估算，碰盤的溫度升高可在幾秒內(nèi)使磨片齒面熔化。

1.2 兩磨片不平行

蔣雄翔等人［6］對磨片的不平行進行了研究。由于磨漿過程中需要消耗大量的能量，會產(chǎn)生過量的蒸汽。在常壓進料的盤磨機中，可能會出現(xiàn)不均勻的反噴 (蒸汽從進料口反向排出)和噴出(蒸汽流經(jīng)轉盤背面排出)現(xiàn)象，如圖2所示。反噴會引起木片輸送暫時中斷，造成磨漿負荷波動。噴出會造成轉盤背面漿料局部、瞬時倒空，引起精磨區(qū)的擾動和相應負荷波動。

圖2 盤磨機的兩種不均勻排汽現(xiàn)象

圖3是磨盤靜力不平行的影響。磨片靜力不平行的原因是:盤磨機結構不對稱，在漿料壓力作用下引起盤磨機機體不對稱的應變和變形，溫度不均勻引起機體和磨片的熱膨脹，以及其他不對稱力的作用。從圖3可以看出，磨片不平行另一個原因是兩磨片軸線不同軸。加工精度低或裝配誤差都可能造成兩磨片軸線不同軸。兩磨片軸線不同軸有兩種情況，一是兩磨片軸線有夾角(如圖3(b)所示)，此時，由于轉盤的轉速較高，磨片不平行導致轉盤不平衡，在磨片間隙較小時，勢必造成盤磨機碰盤;二是兩磨片軸線平行但不同心，此時可能會造成磨漿力不均勻，使轉盤偏斜而導致盤磨機碰盤。

圖3 磨盤靜力不平行的影響

1.3 轉盤不平衡

轉盤運轉時，產(chǎn)生的不平衡慣性力會在盤磨機主軸軸承引起附加動壓力，可能導致盤磨機的強迫振動，不平衡慣性力是由于轉盤回轉中心和轉盤重心偏心所致。由于盤磨機磨片徑向尺寸較大，加上進料的波動，振動形式大多為轉盤的擺動和偏斜，當磨盤間隙較小時很容易產(chǎn)生碰盤，加速磨片磨損。碰盤是磨片磨損的一個重要原因，輕微碰盤可造成磨片擦傷，碰盤嚴重時可造成劃痕、甚至崩齒。

磨片尺寸增大時，磨漿區(qū)域面積增大，為了保證磨片剛度，磨片厚度應相應增大。磨片厚度增大不僅有利于磨片的動平衡，而且可以減少由于溫度不均勻造成的磨片翹曲變形。

1.4 盤磨機主軸系統(tǒng)剛度不足

盤磨機主軸系統(tǒng)包括主軸、軸承、轉盤、密封裝置和間隙調整機構，其中主軸、軸承和轉盤是主要部分。主軸剛度K(靜剛度)是指主軸在抵抗外力F(N)作用引起的變形y(μm)的能力，K=F/y。如圖4所示，D是主軸前端，F(xiàn)相當于轉盤的重力。由于主軸前端的變形y對轉盤的偏斜、與定盤的平行度影響很大，所以提高主軸剛度很重要。影響盤磨機主軸系統(tǒng)剛度的主要因素是主軸的結構尺寸，軸承的類型、配置及預緊，制造和裝配質量等［7］。

圖4 主軸的靜剛度

主軸系統(tǒng)剛度不足時，在磨盤自身質量的作用下，主軸前端變形量大，容易造成轉盤偏斜，導致盤磨機振動或碰盤。反之，當主軸系統(tǒng)剛度足夠大時，即使轉盤有少量偏斜、或者受到漿料流體波動、蒸汽噴出和反噴等影響，也不會造成盤磨機振動或碰盤。在盤磨機使用過程中，軸承的潤滑、熱變形、軸承磨損及間隙調整、密封區(qū)域的熱變形等對主軸系統(tǒng)剛度也有一定的影響。然而，提高盤磨機主軸系統(tǒng)剛度不僅只是設計問題，需要在設計、使用和維護等方面統(tǒng)籌考慮。

主軸的實際回轉軸線相對于平均回轉軸線的變動量稱為主軸回轉誤差。如圖5所示，主軸回轉誤差可分解為徑向跳動、軸向竄動和角度擺動。主軸部件的回轉誤差取決于主軸、軸承等的制造精度和裝配、調整精度。由于磨盤間隙很小，主軸回轉誤差大，會造成轉盤的軸向竄動和角度擺動，從而導致碰盤。由于磨盤間隙要求很小，盤磨機主軸是精密主軸，新生產(chǎn)的盤磨機的主軸回轉誤差符合要求，但在使用一段時間后，由于軸承磨損或受載變形等原因可能出現(xiàn)回轉誤差增大，導致碰盤。

圖5 主軸回轉誤差的三種形式

2 預防盤磨機碰盤的措施

2.1 提高主軸系統(tǒng)的剛度

為了提高盤磨機主軸系統(tǒng)剛度，應按照精密機床主軸部件優(yōu)化設計的方法進行主軸優(yōu)化設計。由于工作轉速較高，盤磨機主軸系統(tǒng)優(yōu)化設計還應考慮其動態(tài)性能，主軸系統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化設計不僅能夠提高主軸系統(tǒng)的剛度，而且能夠明顯提高盤磨機的抗振性。

提高主軸系統(tǒng)剛度是預防盤磨機碰盤的最重要措施，當主軸剛度足夠大時，即使轉盤有少量偏斜、或者受到漿料流體波動等影響，也不會造成盤磨機振動或者碰盤。

2.2 保證轉盤的平衡品質

這里轉盤包括轉盤座和磨片組。轉盤座加工要單獨進行靜平衡，整幅磨片出廠前也要進行靜平衡。平衡以后磨片組合的順序、相鄰位置不能改變，在磨盤座上仍然要按照平衡時的順序安裝，磨損的磨片應整幅更換。磨片在磨盤座上應正確地定位安裝，安裝時，定位面、安裝基面雜質應清理干凈。

我國林業(yè)行業(yè)標準LY/T1315—2002熱磨機制造驗收技術條件規(guī)定，轉盤的靜平衡品質等級應為G1級，轉盤與主軸裝配后，其動平衡品質等級應為G1級。此外，整幅磨片的靜平衡品質也應為G1級。由于轉盤和磨片分別加工，平衡的轉盤和磨片組裝后，轉盤整體的平衡品質可能會降低。

為了保證平衡品質，最好是轉盤組裝后整體進行動平衡。因此，應采用現(xiàn)場動平衡技術，保證轉盤的平衡品質不低于G2.5級，這一點對于1270 mm(50英寸)以上大型盤磨機預防碰盤尤為重要。

現(xiàn)場動平衡是轉子在其自身的軸承和機架上進行動平衡，而不是在動平衡機上進行平衡［8］。當盤磨機更換新磨片之后，應當進行現(xiàn)場動平衡?，F(xiàn)場動平衡避免了拆卸、運輸、檢修時間長、費用高等問題，現(xiàn)場動平衡時轉子的約束和支承符合實際工況，平衡效果好，因此廣泛受到重視。盤磨機的現(xiàn)場動平衡可采用專用的便攜式動平衡儀，打開磨室蓋，在轉盤空載或磨漿的情況下進行測試。經(jīng)過測試分析，找出不平衡原因并進行處理，可以消除振動，有效預防碰盤。

王玉偉等人［9］在分析RL－50大型盤磨機振動及預防時指出;動盤單獨靜平衡實驗的不平衡允差為50 g(磨盤直徑1270 mm);動盤和主軸安裝在一起的動平衡等級應為G2.5(1500 r/min);整幅動盤的靜平衡允差為磨片自身質量的0.05%。磨盤安裝在主軸上的徑向跳動和軸向竄動不大于0.05 mm，磨片安裝的平行度偏差應小于0.05 mm。這些預防盤磨機振動的要求同樣適用于預防盤磨機碰盤。

2.3 盤磨機主軸軸承的潤滑、溫度控制和游隙調整

在磨漿過程中，由于連續(xù)運轉，盤磨機主軸軸承和密封的部位由于摩擦熱使溫度升高，這些熱量會傳遞到主軸，轉盤也會集聚與漿料摩擦作用產(chǎn)生的熱量并傳至主軸，使主軸熱伸長。對于三盤磨漿機，由于主軸軸向浮動，熱伸長影響不大;對于單盤磨漿機(或高濃磨漿機)，由于兩支撐都可承受軸向力，主軸熱伸長可導致主軸彎曲變形，使轉盤發(fā)生偏斜。當轉盤偏斜增大時，會引起轉盤振動，或產(chǎn)生碰盤。

因此，盤磨機軸承的潤滑、冷卻和密封的冷卻很重要。對于盤磨機這種精密主軸，無論哪種情況，主軸溫度均應小于65℃。大型盤磨機一般都有稀油潤滑冷卻系統(tǒng)和密封的冷卻系統(tǒng)。軸承溫度過高會導致滾動體膨脹，摩擦阻力增大，動力消耗增大，加速軸承磨損。大型盤磨機應有主軸軸承溫度檢測裝置，當軸承溫度高于設定值時，加快潤滑冷卻系統(tǒng)的循環(huán)，從而控制軸承溫度不高于設定值。

主軸軸承游隙過小，會導致軸承摩擦阻力增大、溫度升高;主軸軸承游隙過大，在載荷作用下會導致主軸軸線偏移，主軸回轉誤差增大，產(chǎn)生振動甚至碰盤?？紤]到軸承滾動體磨損后軸承游隙的及時調整，最好的方法是采用軸承游隙自動調節(jié)裝置，該裝置一般采用彈簧調節(jié)軸承游隙。

2.4 采用防碰盤的安全保護措施

盡管上述措施考慮了盤磨機設計、使用和維護的各個方面，在很大程度上減少了盤磨機的碰盤，但是盤磨機的碰盤很難完全避免。所以，人們考慮采用一種防碰盤的自動調整裝置，對磨盤間隙進行常態(tài)化的在線測量，當檢測到磨盤間隙過小時，及時地自動調整磨盤間隙，預防碰盤的發(fā)生。

1980年，James H Rogers等人［10］提出了采用測振儀間接檢測盤磨機碰盤的方法;1986年，Donald M Whyte［11］提出了在磨盤上安裝傳感器直接檢測磨盤間隙控制碰盤的方法;2007年Bruce R Crossley等人［12］也提出了類似的控制盤磨機碰盤的方法。

2008年，張輝等人［13］研究了采用電渦流傳感器測量盤磨機磨盤間隙的方法。該方法是將電渦流傳感器安置在定盤磨齒上，進行磨盤間隙的在線測量。文獻［14］表明，將加速度傳感器安裝在磨漿機出漿管上，信號經(jīng)過A/D轉換后傳入計算機，然后進行連續(xù)小波變換 (CWT)處理。該方法經(jīng)過信號處理與分析，對于檢測盤磨機振動、碰盤有一定的意義。

圖6 RFS4及其安裝方式

圖7 磨片表面RFS4的布置、接線孔和安裝RFS4

Dustin Olender等人［15-16］經(jīng)過10多年的研究，開發(fā)了第4代盤磨機專用的壓電式力傳感器 (RFS4)，將其鑲嵌在盤磨機定盤上 (其結構和安裝方式見圖6)，通過測量盤磨機齒紋上作用力的變化情況，檢測磨盤間隙 (RFS4在磨盤的布置方式見圖7)，根據(jù)檢測信號分析處理結果，自動采取預防碰盤的安全措施。這種直接檢測方法頻率響應高、靈敏度高，可以檢測磨片齒紋上作用的動態(tài)磨漿力，檢測準確可靠(RFS4測量結果見圖8)。先前他們采用加速度傳感器預測盤磨機碰盤，現(xiàn)在采用RFS4預測盤磨機的碰盤，兩種方法比較表眀，RFS4靈敏度高，可先于加速度傳感器幾秒鐘預測碰盤;RFS4沒有誤報，而加速度傳感器可能會產(chǎn)生誤報。該方法的缺點是需要在定盤上打孔，此外傳感器頂端容易磨損，需要經(jīng)常更換。

2006年，Andritz公司開發(fā)的數(shù)字式預防磨片碰盤的盤磨機保護系統(tǒng)(RPS，Refiner Protection System)已經(jīng)投入生產(chǎn)應用［3］。2003年時，Andritz的第一臺RPS模擬系統(tǒng)樣機曾進行了生產(chǎn)試驗，但模擬RPS系統(tǒng)傳感器不可靠，傳感器發(fā)出的信號易受干擾，而數(shù)字式RPS系統(tǒng)大大改善了模擬RPS系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)選擇了由專家確定的磨盤間隙臨界值，當磨盤間隙接近該臨界值時，RPS會將盤磨機安全關閉并在30 ms內(nèi)向DCS過程控制系統(tǒng)發(fā)出警報。

圖8 S1位置RFS4測量的磨漿過程力的波動

3 結語

由于磨盤間隙很小，盤磨機很容易發(fā)生碰盤。碰盤是一種非正?，F(xiàn)象，碰盤會加速磨片磨損、引起盤磨機振動，增大噪聲。碰盤輕則導致停機，重則導致圓盤、軸承或者機殼損壞。

盤磨機碰盤的主要原因是間隙過小，磨片受熱彎曲變形，蒸汽排出的擾動，兩磨片不平行，轉盤不平衡和盤磨機主軸系統(tǒng)剛度不足等。其中，磨片熱變形、蒸汽擾動對盤磨機影響較大。

預防盤磨機碰盤的主要措施是:通過主軸參數(shù)優(yōu)化設計提高主軸系統(tǒng)剛度;采用現(xiàn)場動平衡保證轉盤的平衡品質;盤磨機主軸系統(tǒng)的潤滑、冷卻，控制主軸的熱變形;軸承間隙的自動調整;盤磨機磨盤間隙的在線測量和預防碰盤的自動控制安全保護裝置等。預防盤磨機碰盤需要在盤磨機設計、使用和維護等方面統(tǒng)籌考慮。

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