寬幅紙機(jī)液壓刮刀擺動(dòng)器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

李若冰

(廊坊燕京職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河北廊坊，065200)

·液壓刮刀擺動(dòng)器·

寬幅紙機(jī)液壓刮刀擺動(dòng)器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

李若冰

(廊坊燕京職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河北廊坊，065200)

液壓刮刀擺動(dòng)器由于不采用電氣元件，體積小而輸出力大，防水效果良好，高溫環(huán)境下亦能穩(wěn)定運(yùn)行，廣泛適用于紙機(jī)濕部潮濕的環(huán)境以及烘干部高溫環(huán)境。在寬幅紙機(jī)中，液壓刮刀擺動(dòng)器工作效率高，能降低紙機(jī)的能耗，減小噸紙的耗電量，具有明顯的節(jié)能效果。

液壓刮刀擺動(dòng)器；防水；節(jié)能

造紙?jiān)O(shè)備中擺動(dòng)器的應(yīng)用場(chǎng)合較多，有刮刀擺動(dòng)、高壓噴淋水?dāng)[動(dòng)等，擺動(dòng)速度一般為40～160 mm/min，頻率為3～10次/min。在造紙機(jī)的網(wǎng)部或壓榨部，環(huán)境非常潮濕，對(duì)擺動(dòng)器的可靠性要求非常高；某些輥?zhàn)舆€會(huì)附著很多紙漿，要求擺動(dòng)器輸出力比較大，才能徹底清潔輥?zhàn)颖砻娴募垵{[1-2]。本課題主要介紹了寬幅紙機(jī)液壓刮刀擺動(dòng)器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，以期為紙廠的節(jié)能降耗提供參考。

1 常用刮刀擺動(dòng)器

造紙?jiān)O(shè)備中刮刀的作用是清潔輥面的廢紙毛、灰塵等，保持輥面干凈。目前紙廠普遍使用的刮刀擺動(dòng)器為氣動(dòng)式和機(jī)電式兩種方式。

1.1 氣動(dòng)式刮刀擺動(dòng)器

氣動(dòng)式刮刀擺動(dòng)器通過(guò)機(jī)械杠桿觸發(fā)氣動(dòng)換向閥換向，實(shí)現(xiàn)氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該擺動(dòng)器集成度高、重量輕、維護(hù)簡(jiǎn)單，在進(jìn)口紙機(jī)上應(yīng)用較多，成本較高，主要用在烘干部及完成部，因?yàn)楹娓刹考巴瓿刹抗蔚兜淖饔檬乔鍧嵑娓椎募埫?，?fù)載較小，氣動(dòng)擺動(dòng)器可以滿足要求，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 氣動(dòng)式刮刀擺動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在造紙機(jī)網(wǎng)壓部，輥面有大量水、紙漿等，刮刀擺動(dòng)的負(fù)載較大。刮刀結(jié)構(gòu)具體分為刮刀體、刮刀夾和刮刀片。在寬幅紙機(jī)中，隨著紙機(jī)幅寬增加，為了保證刮刀體不變形，有足夠的剛度，必須加大刮刀體，因此若要求刮刀擺動(dòng)器的輸出力更大，由于氣源壓力無(wú)法增加，必須使用大直徑的氣缸來(lái)提高擺動(dòng)力。而氣缸直徑太大給紙機(jī)設(shè)計(jì)安裝增加難度，還可能與機(jī)架、水盤(pán)等部件發(fā)生干涉，影響紙機(jī)的整體布局。

1.2 機(jī)電式刮刀擺動(dòng)器

機(jī)電式刮刀擺動(dòng)器由電機(jī)、減速器、凸輪結(jié)構(gòu)組成，體積大、質(zhì)量重，維護(hù)起來(lái)比較復(fù)雜，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損，且要求電機(jī)IP(INGRESS PROTECTION)防護(hù)等級(jí)很高，只能使用進(jìn)口電機(jī)[2]。使用機(jī)電式擺動(dòng)器的刮刀還需要增加電機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，投資成本增加，維護(hù)工作量增大[3]。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)電式刮刀擺動(dòng)器結(jié)構(gòu)

2 液壓刮刀擺動(dòng)器

液壓刮刀擺動(dòng)器的設(shè)計(jì)和使用能夠解決傳統(tǒng)機(jī)電式、氣動(dòng)式刮刀擺動(dòng)器存在的體積較大、成本較高和維護(hù)工作量大等問(wèn)題。

2.1 液壓刮刀擺動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)

液壓刮刀擺動(dòng)器采用液壓先導(dǎo)換向閥，比機(jī)電式和氣動(dòng)式刮刀擺動(dòng)器換向速度更快，沒(méi)有換向延遲，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單。該擺動(dòng)器單位質(zhì)量輸出功率大，輸出力達(dá)50～100 kN，適合應(yīng)用于刮刀擺動(dòng)等重載荷場(chǎng)合。它能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)擺動(dòng)行程(一般在16～20 mm之間)。如果每個(gè)擺動(dòng)器行程為20 mm，擺動(dòng)3～8個(gè)行程/min，擺動(dòng)器需采用缸徑和桿徑為70/35 mm液壓缸，液壓系統(tǒng)輸入的高壓液壓油流量約為0.7～2.5 L/min，壓力為3.5～5 MPa，消耗的液壓系統(tǒng)最大功率約為0.26 kW。而機(jī)電式刮刀擺動(dòng)器的耗能較低，以幅寬5600 mm，車(chē)度800 m/min的紙機(jī)為例，機(jī)電式刮刀擺動(dòng)器一般選用0.37 kW的電機(jī)，液壓擺動(dòng)器的耗電量是傳統(tǒng)機(jī)電式擺動(dòng)器的70%左右，按紙機(jī)每天工作24 h，一年工作300天計(jì)算，單個(gè)擺動(dòng)器一年可以節(jié)省約792 kWh的電量，通常紙機(jī)配置有幾十把刮刀，長(zhǎng)期運(yùn)行可以為紙廠降低噸紙耗電量。

液壓擺動(dòng)器的缺點(diǎn)是需要提供液壓壓力油源，而紙機(jī)壓榨部一般配置液壓系統(tǒng)，可利用壓榨部液壓系統(tǒng)的油源供液壓刮刀擺動(dòng)器使用。由于壓榨部液壓系統(tǒng)處于保壓的工況，在紙機(jī)正常工作時(shí)壓榨部液壓系統(tǒng)只需要補(bǔ)充液壓缸和液壓元件泄露油量，以2道大輥壓榨為例，泄漏量大約為0.5～2 L/min。利用現(xiàn)有壓榨部液壓系統(tǒng)給液壓擺動(dòng)器提供動(dòng)力，不增加額外投資，達(dá)到節(jié)能效果，提高設(shè)備利用率。

2.2 液壓擺動(dòng)器的工作原理

液壓擺動(dòng)器由液壓缸和液壓控制閥塊兩個(gè)部分組成，通過(guò)液控?fù)Q向閥進(jìn)行換向，驅(qū)動(dòng)液壓缸來(lái)回?cái)[動(dòng)。其液壓原理圖如圖3所示[4]。

圖3 液壓刮刀擺動(dòng)器原理圖

由圖3可知，液壓的壓力油源通過(guò)壓力油P進(jìn)入液壓控制閥塊，經(jīng)過(guò)調(diào)速閥FV1后進(jìn)入換向閥DV1，圖3所示的換向閥DV1位置，壓力油會(huì)連通B油路，進(jìn)入液壓缸的有桿腔，驅(qū)動(dòng)液壓缸向左運(yùn)動(dòng)。當(dāng)液壓缸運(yùn)動(dòng)到左極限位置時(shí)，壓力升高。當(dāng)壓力升高至順序閥P2的設(shè)定壓力后，順序閥P2打開(kāi)，壓力油進(jìn)入換向閥左邊的先導(dǎo)控制油路，推動(dòng)換向閥DV1進(jìn)行換向。換向閥換向后，壓力油P連通A油路，進(jìn)入油缸的無(wú)桿腔，推動(dòng)油缸向右運(yùn)動(dòng)；當(dāng)油缸運(yùn)動(dòng)到右極限位置后，壓力升高，打開(kāi)順序閥P3，壓力油進(jìn)入換向閥右邊的先導(dǎo)控制油路，推動(dòng)換向閥換向。周而復(fù)始完成擺動(dòng)行程。擺動(dòng)速度可以根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)調(diào)速閥FV1調(diào)節(jié)。

2.3 液壓刮刀擺動(dòng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算

一般應(yīng)用于幅寬5600 mm、車(chē)速800 m/min紙機(jī)刮刀的質(zhì)量在1t左右，考慮負(fù)載最大的情況，真空伏輥常采用的雙刮刀，質(zhì)量在2 t左右。刮刀體采用滑動(dòng)軸承，擺動(dòng)時(shí)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)約為0.2～0.4。紙機(jī)運(yùn)行時(shí)，刮刀片加壓與輥面貼合后擺動(dòng)，相當(dāng)于給刮刀增加了約0.1～0.3的阻尼系數(shù)。按照極限工況計(jì)算，刮刀所需要的輸出力為14000 N。一般紙機(jī)壓榨部液壓系統(tǒng)的壓力為10 MPa，使用壓力為8 MPa，可根據(jù)公式(1)計(jì)算液壓缸的有效面積。

A=F/P

(1)

式中，A為液壓缸有效面積， m2；F為液壓缸的輸出力， N；P為負(fù)載壓力，Pa。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，選擇缸徑和桿徑為70/35 mm的液壓缸可以滿足要求[5- 6]。當(dāng)工作壓力為8 MPa時(shí)，液壓缸的輸出力為：

F=P×A=3.14×(0.07×0.07-0.035×0.035)×8×1000000/4=30773 N>14000 N。

當(dāng)所需的輸出力為14000 N時(shí)，所需的液壓壓力分別為：

油缸無(wú)桿腔P=F/A1=14000/(3.14×0.07×0.07/4)=3.64×106Pa=3.64 MPa

油缸有桿腔P=F/A2=14000/[3.14×(0.07×0.07-0.035×0.035)/4]=4.85×106Pa=4.85 MPa

以上計(jì)算出來(lái)的液壓壓力分別是順序閥P2和P3的設(shè)定工作壓力，計(jì)算液壓缸的設(shè)計(jì)參數(shù)后，最后進(jìn)行液壓缸密封的設(shè)計(jì)選型。

液壓缸密封分為靜密封和動(dòng)密封，靜密封是指端蓋和缸筒、端蓋和閥塊，油管和閥塊之間的密封。動(dòng)密封是指活塞和缸筒的密封、活塞桿與端蓋之間的密封。

液壓缸的靜密封設(shè)計(jì)必須確保固定密封處在正常工作壓力和1.5倍工作壓力下均無(wú)外泄露即可。靜密封通常選用O型橡膠密封圈，其規(guī)格和溝槽的尺寸符合GB3452.3—1988或與之相同的德標(biāo)或者日標(biāo)[4]。

液壓缸的動(dòng)密封設(shè)計(jì)與常規(guī)液壓缸不太一樣，傳統(tǒng)的液壓缸工作頻率較低，一般采用格萊圈作為活塞的密封，密封性能好，缺點(diǎn)是這種接觸型密封會(huì)引起摩擦力，使壓力可達(dá)最大有效負(fù)載的5%～15%，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)造成密封圈磨損老化等問(wèn)題。而刮刀擺動(dòng)器用的液壓缸設(shè)計(jì)采用了活塞間隙密封，類(lèi)似于液壓缸的結(jié)構(gòu)，這是一種非接觸性動(dòng)密封，利用液壓油形成的油膜，對(duì)活塞進(jìn)行密封和潤(rùn)滑。間隙密封原理是基于牛頓的黏性摩擦理論，即依靠液壓油通過(guò)液壓缸筒和活塞之間的縫隙時(shí)，一定的黏性阻力起到密封作用，另外液壓缸有桿腔和無(wú)桿腔之間存在壓差作用，液壓油在活塞和缸筒的表面上形成堅(jiān)固的極化分子吸附層，它使縫隙的間距變小，當(dāng)縫隙的間距等于2倍的極化分子層的厚度時(shí)，縫隙將全被極化分子層填滿，通常小于0.2 mm，這個(gè)數(shù)值就是設(shè)計(jì)的油膜厚度。縫隙的存在會(huì)造成輕微的內(nèi)泄露，從油缸的高壓腔泄露到低壓腔，一般小于0.5 mL/min。輕微的泄露量不影響刮刀擺動(dòng)性能，由于油缸內(nèi)部沒(méi)有密封圈和缸筒的直接接觸，用油膜代替密封圈，工作阻力更小，運(yùn)動(dòng)更平順，工作壽命更長(zhǎng)，不需要定期更換密封圈[5]。

液壓刮刀擺動(dòng)器液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)和三維模型分別如圖4和圖5所示。

圖4 液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5 液壓刮刀擺動(dòng)器的三維模型

液壓刮刀擺動(dòng)器可以根據(jù)刮刀實(shí)際所需的輸出力調(diào)節(jié)壓力和流量，控制擺動(dòng)速度和擺動(dòng)力。液壓刮刀擺動(dòng)器設(shè)計(jì)上選用集成度很高的螺紋插裝閥。液壓閥塊一般采用35#鋼鍛件，而液壓刮刀擺動(dòng)器選擇質(zhì)量較輕的硬鋁合金，因此液壓刮刀擺動(dòng)器體積小，質(zhì)量輕。

3 結(jié) 語(yǔ)

液壓刮刀擺動(dòng)器充分發(fā)揮質(zhì)量小且功率大的特點(diǎn)，不使用任何電氣元件，防水功能強(qiáng)，適合用于紙機(jī)濕部。對(duì)外界來(lái)說(shuō)，液壓刮刀擺動(dòng)器是一個(gè)封閉的結(jié)構(gòu)，降低了紙機(jī)的故障率。在液壓刮刀擺動(dòng)器的設(shè)計(jì)中，選用螺紋插裝閥和硬鋁合金閥塊，具有質(zhì)量輕，集成度較高等優(yōu)點(diǎn)。液壓刮刀擺動(dòng)器的成本較低，所有元件均可國(guó)產(chǎn)，市場(chǎng)前景良好。

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DevelopmentofHydraulicDoctorOscillatorUsedinWidePaperMachine

LI Ruo-bing

(DepartmentofElectro-machineryEngineering，LangfangYanjingVocationalandTechnicalCollege，Langfang，HebeiProvince， 065200)

Traditionally the doctor oscillators in paper machine are electro-mechanical oscillator and pneumatic oscillator, but this two kinds are not suitable for wet-end section due to humid environment. A new kind of hydraulic oscillator was designed, it was small but had a much bigger output force without any electronic device, it also had very good water proof performance to assure a long life time, which contributed to energy saving for the paper mill.

hydraulic doctor oscillator； water proof； energy saving

李若冰女士，講師；主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及制造。

TS734+.8

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.12.011

2017- 06-20(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)。

(E-mail: 79390244@qq.com)

董鳳霞)