靴壓可控中高輥多油墊流體靜力支承的應(yīng)用研究

李若冰 李曉艷 程 敏

(1.廊坊燕京職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河北廊坊，065200；2.中國(guó)造紙裝備有限公司研究發(fā)展部，河北廊坊，065699)

·可控中高輥·

李若冰女士，講師；主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及制造。

靴壓可控中高輥多油墊流體靜力支承的應(yīng)用研究

李若冰1李曉艷1程 敏2

(1.廊坊燕京職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河北廊坊，065200；2.中國(guó)造紙裝備有限公司研究發(fā)展部，河北廊坊，065699)

靴壓是現(xiàn)代造紙機(jī)的一個(gè)壓榨設(shè)備?；诹黧w靜力原理，靴輥和可控中高輥采用同一個(gè)比例溢流閥輸出壓力，能夠?qū)崿F(xiàn)寬壓區(qū)和高線壓，使靴壓的工作負(fù)載與比例溢流閥的輸出壓力成線性關(guān)系，且油膜厚度不隨負(fù)載變化而變化，相當(dāng)于形成剛度無限大的油膜。該設(shè)計(jì)延長(zhǎng)了靴壓在高負(fù)荷生產(chǎn)中的使用壽命，大大的提高了生產(chǎn)效率。

靴壓；流體靜力學(xué)支承；恒定的油膜厚度

在現(xiàn)代造紙機(jī)械中廣泛應(yīng)用靴壓進(jìn)行壓榨脫水。靴壓的工作線壓是傳統(tǒng)壓榨的10倍，達(dá)到1400 kN/m，脫水能力強(qiáng)，因此靴壓成為現(xiàn)代造紙機(jī)的首選壓榨技術(shù)[1]。

1 可控中高輥中的多油墊流體靜力支承

1.1流體靜力支承理論

紙機(jī)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)不可避免地存在各種摩擦，如靴壓設(shè)備的靴板和靴套的接觸、可控中高輥的輥殼和加壓靴的接觸等。全液體潤(rùn)滑的滑動(dòng)支承，分為靜摩擦和動(dòng)摩擦，靜摩擦是在滑動(dòng)表面之間輸入足以平衡外載荷的高壓潤(rùn)滑劑，人為地迫使兩個(gè)接觸表面完全分離，這種借助流體靜壓力來承載的方法稱為流體“靜”力潤(rùn)滑；而動(dòng)摩擦則利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)副兩表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和幾何形狀，借助流體黏性，把潤(rùn)滑劑帶進(jìn)摩擦面之間，依靠速度差建立起的流體壓力膜將兩表面完全分離。靜壓支承的使用條件是必須有一套液壓系統(tǒng)。而動(dòng)壓支承使用的先決條件之一是必須有足夠大的相對(duì)速度，否則設(shè)備在啟動(dòng)和停車階段難以形成全液體潤(rùn)滑，會(huì)導(dǎo)致表面直接接觸引起摩擦磨損[2]。

1.2靴壓工作原理分析

靴壓是依靠液壓力使靴板和可控中高輥相互作用而產(chǎn)生非常高的線壓以大量去除濕紙幅的水分，其中靴輥的加壓靴和可控中高輥的加壓靴采用的是同一個(gè)液壓油源，靴壓工作原理如圖1所示。靴板通過加壓活塞連接在中心梁上，產(chǎn)生的反作用力由靴輥的中心梁承擔(dān)，中心梁不旋轉(zhuǎn)。靴套由專用軸套固定并張緊，隨著可控中高輥一起高速旋轉(zhuǎn)，靴套與靴板之間采用流體動(dòng)力學(xué)的潤(rùn)滑方式。可控中高輥內(nèi)部有很多加壓靴，通過加壓活塞連接在中心梁上，加壓靴上開孔并裝入毛細(xì)管，通過毛細(xì)管給加壓靴的油袋充滿液壓油，平衡靴輥的線壓力。加壓靴的線壓力也由中心梁承擔(dān)，中心梁不轉(zhuǎn)而輥殼旋轉(zhuǎn)，輥殼和加壓靴之間采用流體靜力學(xué)的潤(rùn)滑方式。當(dāng)可控中高輥加壓時(shí)，靴輥和可控中高輥的兩根中心梁同時(shí)受力，大小相同、方向相反，靴輥和可控中高輥對(duì)紙機(jī)壓榨部機(jī)架不產(chǎn)生額外的力[1-3]。

圖1 靴壓工作原理

圖2 多油腔平面支承的流體分析

1.3多油墊靜壓支承的承載能力和剛度計(jì)算

靜壓支承一般由多個(gè)支承單元組成。根據(jù)靜壓支承的原理，靠油腔及封油面上的靜壓力來平衡外載荷?？煽刂懈咻伒脑O(shè)計(jì)采用了這種多油墊流體靜力支承原理，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中，紙機(jī)橫幅方向上根據(jù)紙機(jī)幅寬采用相應(yīng)數(shù)量的對(duì)稱油墊。這屬于相隔的多油腔靜力支承，采用毛細(xì)管的壓力補(bǔ)償方式防止偏載?？煽刂懈咻伒牧黧w靜力支承計(jì)算可以簡(jiǎn)化成圖2所示的多油腔平面支承，來計(jì)算它的承載能力和剛度[2-3]。

(1)

式中，0表示回油管壓力為零。

油腔壓力P0和進(jìn)油壓力Ps的關(guān)系見式(2)。

(2)

式中，λ0為毛細(xì)管節(jié)流器液阻Rc0和支承間隙縱向回油液阻Rhb0的比值，簡(jiǎn)稱液阻比。

矩形多油腔單元的回油液阻Rhb計(jì)算見式(3)。

(3)

式中，μ為油液的動(dòng)力黏度；b1為矩形油墊的縱向節(jié)流邊的寬度；l1為矩形油墊橫向節(jié)油邊寬度；L為矩形油墊橫向長(zhǎng)度；h為油膜的厚度。

在設(shè)計(jì)狀態(tài)下，各單元油腔壓力都一樣，每個(gè)單元的承載能力We計(jì)算見式(4)。

(4)

式中，Ae為矩形油腔單元的有效承載面積，Ae=L(B-b1)；Te為負(fù)載力；We為承載力；Te和We大小相同，方向相反。

為了計(jì)算方便，在封油邊較窄的情況下，每個(gè)單元在小位移率下的承載能力We′計(jì)算見式(5)。

(5)

式中，ζ為內(nèi)流系數(shù)，對(duì)于多油墊支承，如果不發(fā)生內(nèi)流，就不存在內(nèi)流系數(shù)，可以取消ζ的各項(xiàng)；λ為油腔單元在工作狀態(tài)下毛細(xì)管節(jié)流器液阻Ro和支承間隙縱向回油液阻Rhb的比值。

小位移率下的油膜剛度S計(jì)算見式(6)。

(6)

式中，ε為油膜厚度的變化值與設(shè)計(jì)油膜厚度的比值，簡(jiǎn)稱油膜厚度變化率。

當(dāng)ε=0時(shí)，λ=λ0，設(shè)計(jì)狀態(tài)下的剛度S0計(jì)算見式(7)。

(7)

毛細(xì)管節(jié)流器液阻Rc計(jì)算見式(8)。

(8)

式中，μ為油液的動(dòng)力黏度；l為毛細(xì)管的長(zhǎng)度；d為毛細(xì)管的直徑。

使用毛細(xì)管節(jié)流器的矩形多平面油墊的液阻比λ0計(jì)算見式(9)。

(9)

式中，C是一項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，只與毛細(xì)管和油墊的幾何尺寸有關(guān)；h為油膜厚度。

由式(2)和式(9)可得油腔壓力P計(jì)算見式(10)。

(10)

由剛度計(jì)算公式(7)可知，可控中高輥的初始設(shè)計(jì)剛度與油源壓力或與油腔壓力有關(guān)，油腔壓力又取決于設(shè)計(jì)線壓的大小。當(dāng)初始設(shè)計(jì)剛度確定后，油膜厚度基本上不會(huì)變化。在一般靜壓支承的應(yīng)用中，油膜厚度總是隨著負(fù)載變化而變化，負(fù)載增加，油墊壓力增加，油膜厚度減小，油源壓力不變的情況下，毛細(xì)管的壓差減小，流經(jīng)毛細(xì)管和矩形油墊的液壓油的流量減小，以適應(yīng)負(fù)載的變化。油膜厚度變化，引起油膜剛度發(fā)生變化。如果負(fù)載變化非常大，會(huì)造成油墊壓力增加，流量降低，當(dāng)油膜厚度減小到一定極限時(shí)，會(huì)造成加壓靴和輥殼的直接接觸，失去油膜的潤(rùn)滑，導(dǎo)致輥面或者加壓靴的表面受損，從而影響到紙機(jī)的生產(chǎn)[4-5]。

在靴輥和可控中高輥中，靴壓的線壓來源于靴輥和可控中高輥的相互作用。它們采用的是同一液壓油源，使得負(fù)載就是液壓油源壓力，既是靴輥的加壓力，也是可控中高輥的加壓力。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，壓力油源成比例變化，流量也會(huì)相應(yīng)變化，但是油膜厚度始終保持不變，該設(shè)計(jì)對(duì)油膜的剛度非常有利。油膜厚度取決于液阻比，而液阻比與油墊壓力和油源壓力之比有關(guān)系。當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，油墊壓力減小，油源壓力也減小，負(fù)載的大小與油源壓力成線性關(guān)系，油墊壓力與油源壓力的比值不變，由于負(fù)載減小，毛細(xì)管的壓力差也減小，因此流量也相應(yīng)減小，保持了油膜的厚度不變。

可控中高輥加壓靴靜壓支承的油膜厚度不隨負(fù)載變化而變化。油膜的兩個(gè)重要指標(biāo)是承載能力和剛度，承載能力與壓力有關(guān)。剛度是產(chǎn)生單位油膜厚度變化所需的載荷變動(dòng)量。由于剛度基本不變，所以可以認(rèn)為油膜剛度接近無窮大。事實(shí)上這僅僅是針對(duì)改變靴壓和可控中高輥的加壓壓力，靴壓工作線壓發(fā)生改變，油膜厚度保持不變。當(dāng)負(fù)載由于操作不當(dāng)?shù)仍虍a(chǎn)生變化時(shí)，如靴壓和可控中高輥之間進(jìn)入異物或有外力加載靴壓上，油膜厚度會(huì)發(fā)生變化。負(fù)載大的地方油墊的油膜變薄，流量減??；負(fù)載小的地方油墊的油膜變厚，流量增加壓力減小以適應(yīng)負(fù)載變化。

為了保證整個(gè)靴壓整體受力為零，靴輥加壓活塞的進(jìn)油壓力和可控中高輥加壓活塞的進(jìn)油壓力采用同一壓力油源。這種特殊的設(shè)計(jì)使得負(fù)載的大小跟油源壓力成線性變化的關(guān)系，因此在任意工況和負(fù)載下，油膜厚度幾乎不變。

2 多油墊靜壓支承應(yīng)用實(shí)例

國(guó)內(nèi)某涂布白紙板紙機(jī)，幅寬4600 mm、車速650 m/min采用了這種靴壓配置可控中高輥的形式?？煽刂懈咻伖?4個(gè)毛細(xì)管和油袋，毛細(xì)管的直徑是1.6 mm，長(zhǎng)度為96.7 mm，液壓系統(tǒng)采用ISO VG150液壓油，工作線壓最大為1250 kN/m，當(dāng)操作員設(shè)定線壓為1250 kN/m時(shí)，負(fù)載最大，相應(yīng)的液壓油源壓力輸出最大，設(shè)計(jì)比例閥工作壓力為8.22 MPa，油膜的設(shè)計(jì)厚度為0.15 mm，油墊壓力為3.65 MPa，工作線壓最大時(shí)系統(tǒng)需要的流量最大，由式(1)和式(8)計(jì)算流經(jīng)每個(gè)毛細(xì)管或每個(gè)油墊所需要的流量Q為4.15 L/min，計(jì)算方法見式(11)。

(11)

式中，μ為油液的動(dòng)力黏度，當(dāng)溫度在45°左右時(shí)VG150油的黏度為95.5；l為毛細(xì)管的長(zhǎng)度，96.7 mm；d為毛細(xì)管的直徑，1.6 mm；ΔP為毛細(xì)管的壓力降，4.58 MPa。

同樣根據(jù)式(1)和式(3)也可計(jì)算每個(gè)毛細(xì)管或每個(gè)油墊所需要的流量，結(jié)果與式(11)相同。其中b1是矩形油墊的縱向節(jié)流邊的寬度，53 mm；L為矩形油墊橫向長(zhǎng)度，50 mm；h為油膜的厚度，0.15 mm。

靴壓輥和可控中高輥的設(shè)計(jì)，保證了靴壓液壓系統(tǒng)的工作壓力不隨紙機(jī)幅寬改變。所以當(dāng)紙機(jī)橫幅變化時(shí)，只是機(jī)械結(jié)構(gòu)上的變化，只要靴壓設(shè)計(jì)線壓不變，紙機(jī)橫幅單位長(zhǎng)度的液壓加壓壓力始終保持不變，在8～9 MPa之間。紙機(jī)幅寬增大，靴板和可控中高輥加壓靴的長(zhǎng)度相應(yīng)增加，可控中高輥毛細(xì)管的數(shù)量增加，流量就會(huì)增加，但是每個(gè)毛細(xì)管或油袋所需要的流量幾乎不變或者改變較小，前提是毛細(xì)管的直徑和長(zhǎng)度不發(fā)生改變。

可控中高輥的設(shè)計(jì)使得油墊的油膜厚度在任何工作線壓下都能保持不變。當(dāng)操作員因工藝要求，將靴壓線壓減小到800 kN/m時(shí)，由于工作負(fù)載減小，比例溢流閥的設(shè)定壓力減小，多余的油溢流回油箱，油源壓力減小，造成毛細(xì)管壓力差降低，進(jìn)入可控中高輥的矩形平面油墊的流量相應(yīng)減小。毛細(xì)管節(jié)流器的矩形平面油墊的液阻比只與油膜厚度有關(guān)，毛細(xì)管節(jié)流器和矩形平面油墊的尺寸均不變，壓力比(油墊壓力P0、油源壓力Ps)也不變，油源壓力減小后，油墊壓力也成比例減小，液阻比保持不變，油膜厚度不變，相當(dāng)于油膜的剛度無限大[5-7]。

3 結(jié) 語

多油墊靜壓支承應(yīng)用于紙機(jī)設(shè)備的靴壓模塊，充分利用了帶毛細(xì)管補(bǔ)償?shù)亩嘤蛪|承載能力強(qiáng)和油膜剛度大的特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)的靴壓設(shè)備，提高了紙機(jī)壓榨部的脫水能力，減小了紙機(jī)在高車速下的振動(dòng)，有利于紙機(jī)向更高車速發(fā)展。

[1] CHEN Ke-fu. Pulping & Paper-making Machinery (volume 2)[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2011.

陳克復(fù). 制漿造紙機(jī)械與設(shè)備(下冊(cè))[M]. 北京： 中國(guó)輕工業(yè)出版社, 2011.

[2] XU Shang-xian. Hydrostatic and Hydrodynamic Sliding Bearing Design[M]. Nanjing: Southeast University Press, 1989.

許尚賢. 液體靜壓和動(dòng)靜壓滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)[M]. 南京： 東南大學(xué)出版社, 1989.

[3] LI Chang-guo. Structure Design of the Counter Roll of Shore Press[J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(9)： 45.

李長(zhǎng)國(guó). 靴壓配對(duì)輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)造紙, 2013, 32(9)： 45.

[4] CHEN Yan-sheng. Principle and Design of Hydrostatic bearing[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1980.

陳燕生. 液體靜壓支承原理和設(shè)計(jì)[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社, 1980.

[5] SUN Bao-rong. Application of Proportional Control Hydrostatic Bearing Technology in Crown Controlled Roll(volume 1)[J]. Light Industry Machinery, 2000(2)： 29.

孫寶榮. 比例控制靜壓支承技術(shù)在可控中高輥中的應(yīng)用(上)[J]. 輕工機(jī)械, 2000(2)： 29.

[6] SUN Bao-rong. Application of Proportional Control Hydrostatic Bearing Technology in Crown Controlled Roll(volume 2)[J]. Light Industry Machinery, 2000(3)： 27.

孫寶榮. 比例控制靜壓支承技術(shù)在可控中高輥中的應(yīng)用(下)[J]. 輕工機(jī)械, 2000(3)： 27.

[7] Zhang Ai-hua, REN Gong-chang. The Design of Hydraulic System of the Soft Calender[J]. China Pulp & Paper, 2010, 29(8)： 50.

TheApplicationofMultipleOilPocketHydrostaticBearinginControlledCrownRoll

LI Ruo-bing1,*LI Xiao-yan1CHENG Min2

(1.LangfangYanjingVocationalandTechnicalCollege,Langfang,HebeiProvince, 065200; 2.ChinaPaperMachineryCorporation,Langfang,HebeiProvince, 065699) (*E-mail: 79390244@qq.com)

Shoe press is a key equipment in modern paper making process.Shoe press counter roll is a controlled crown roll, the loading of the shoe press and counter roll is the same presure output by a proportional relief valve, the design is very smart to keep the oil film between the loading shoe and shell of the counter roll allways the same thickness, regardless of the linear presure changes, therefore the stiffness of the oil film is infinitely great, which extends the working life of the equipment．

shoe press; hydraostatic bearing; constant thickness of oil film

TS734+.4

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.10.011

2017- 06- 05(修改稿)

河北省廊坊市2017年度哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究課題(2017096)。

(責(zé)任編輯：董鳳霞)