盤磨機(jī)磨盤間隙實(shí)時在線檢測技術(shù)研究進(jìn)展

邢宇航 董繼先 劉彥龍 劉 歡 郭西雅 孫 宇 ，*

（1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安，710021；2.中國輕工業(yè)裝備制造智能化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710021；3.河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司，河南許昌，461100）

盤磨機(jī)是磨漿中應(yīng)用最為廣泛的核心設(shè)備之一，隨著新常態(tài)下造紙工業(yè)的發(fā)展以及技術(shù)的更新和產(chǎn)品的需求，盤磨機(jī)開始向低能耗、高速化、高濃化、大型化及自動化等方向發(fā)展[1-2]。目前，盤磨機(jī)在工作過程中存在一些問題，如能耗較大、漿料質(zhì)量不可控、磨片使用壽命較短等問題[3]，提高漿料質(zhì)量的同時降低能耗的要求為盤磨機(jī)的設(shè)計(jì)及操作提供了新的挑戰(zhàn)。磨漿質(zhì)量的好壞對纖維的質(zhì)量有直接影響，進(jìn)而影響紙張的性能。改善紙張性能的方法較多，如向漿料中添加納米纖維素可改善紙張的強(qiáng)度、透氣性、抗水性等[4-5]，但改善紙張性能的根本是磨盤間隙，主要原因是磨漿過程中纖維形態(tài)及性能的改變與磨盤間隙直接相關(guān)。劉歡等人[6]對低濃磨漿過程纖維切斷表征進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為纖維切斷開始可從能耗、磨區(qū)力學(xué)及磨盤間隙3個角度進(jìn)行表征，但磨盤間隙是其他兩者改變的根本原因。因此，磨盤間隙的精確在線測量對于磨漿機(jī)理及磨漿過程的高效控制具有積極意義。

1 盤磨機(jī)的磨盤間隙

盤磨機(jī)磨盤間隙可分為初始間隙和實(shí)際間隙。初始間隙是指移動動盤至與定盤接觸，即“0”狀態(tài)位置，通過位移傳感器等檢測元件記錄此位置，然后再調(diào)整動盤與定盤之間的距離達(dá)到要求距離，即為盤磨機(jī)磨盤初始間隙[7-8]。實(shí)際間隙是指在磨漿過程中，盤磨機(jī)動盤與定盤在精磨區(qū)內(nèi)磨齒表面之間的垂直距離，即為實(shí)際間隙[9]，盤磨機(jī)磨盤間隙示意圖如圖1所示。

圖1 磨盤間隙示意圖

磨盤間隙是保證磨漿質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵參數(shù)，是影響打漿度的主要因素之一[7]。此外，對磨漿能耗及磨片壽命等也有一定的影響，間隙過大時纖維所受磨漿作用較弱、質(zhì)量較差，而間隙過小時漿料纖維切斷過多、功耗較大，且磨片會發(fā)生彎曲形變，容易發(fā)生“碰盤”[10-12]，從而降低磨盤使用壽命。熱磨機(jī)械漿磨漿過程中，在不受任何內(nèi)力或外力的作用下，一般將磨盤間隙控制在0.2～0.5 mm 之間，控制精度應(yīng)為0.01 mm[9]，而低濃磨漿過程的磨盤間隙會更小。由于磨漿過程中，磨漿溫度和壓力的變化、軸承間隙、磨盤受力不均勻以及磨盤磨損等因素，使得磨漿前調(diào)整好的磨盤間隙發(fā)生改變[13-14]，無論磨盤間隙增大或減小均會對磨漿效率和磨漿質(zhì)量有較大影響。

磨漿過程中影響磨盤間隙變化的主要因素為負(fù)載力和磨片磨損[15]。其中負(fù)載力是漿料被壓縮、剪切和摩擦等產(chǎn)生的反作用力及高壓蒸汽對磨片產(chǎn)生的作用力。負(fù)載力可使磨盤軸部發(fā)生軸向形變進(jìn)而影響磨盤間隙。因此，實(shí)際磨盤間隙由初始間隙量、磨盤磨損量、軸向竄動三部分組成，通過以初始間隙為基礎(chǔ)，測量磨盤磨損及軸向竄動并進(jìn)行疊加方能準(zhǔn)確測量磨盤間隙。由于磨漿過程中漿的流量、流速和漿料壓力、溫度及漿料里的雜質(zhì)對磨盤磨損量的測量精度影響較大，使得磨盤磨損成為實(shí)現(xiàn)在線測量間隙的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 磨盤間隙的直接實(shí)時在線測量技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，位移傳感器逐漸成為直接實(shí)時在線測量技術(shù)中檢測磨盤間隙的普遍方法。目前常用的位移傳感器測量法有接觸式測量法和非接觸式測量法。

2.1 接觸式測量法

接觸式測量法就是將量具與被測物體接觸進(jìn)而測量的方法，其精度及穩(wěn)定性較高。將現(xiàn)有接觸式位移傳感器改進(jìn)后可用于測量磨盤間隙。

國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了一定的研究，美國學(xué)者Jewell 等人[16]提出一種用電感差動變壓器位移傳感器組成的間隙檢測控制系統(tǒng)（如圖2 所示），該系統(tǒng)主要以LVDT 位移傳感器檢測盤磨機(jī)軸向竄動進(jìn)而檢測磨盤間隙，再把檢測的盤磨間隙信號與最初的間隙信號作對比，從而檢測磨盤間隙的大小，并可對磨盤間隙進(jìn)行調(diào)整。Guerrero 等人[17]提出了一種運(yùn)用磁性鄰接傳感器檢測磨盤間隙的方法，如圖3所示，其主要是把位移傳感器安裝于磨盤圓周外表面，這樣既能避免磨區(qū)里一些特殊介質(zhì)對磁芯的影響，又可以檢測出包含磨盤磨損量的磨盤間隙。張輝[18]對差動變壓器式位移傳感器測量技術(shù)、光柵式位移傳感器測量技術(shù)以及高精度納米分辨率線位移測量技術(shù)進(jìn)行分析得出，三者都具有良好的環(huán)境適應(yīng)性、使用壽命長、靈敏度和分辨率高的特點(diǎn)；但前兩者由于只能安裝于磨區(qū)外部不能夠檢測間隙磨損，高精度納米分辨率線位移測量技術(shù)目前不夠成熟不適用于間隙檢測。

圖2 LVDT位移傳感器磨盤間隙測量示意圖

圖3 磁性鄰接傳感器測磨盤間隙示意圖

綜合以上研究并結(jié)合磨漿實(shí)際過程，部分接觸式傳感器測量磨盤間隙是不適宜的，其不能反映動態(tài)磨損對磨盤間隙的動態(tài)影響，只能反映初始調(diào)整時的磨盤間隙，如光柵式位移傳感器和高精度納米分辨率線性位移傳感器。而磁性鄰接傳感器可能會受到漿料流動的影響，LVDT 位移傳感器無法測量磨漿過程中的磨損[19]，以上接觸式傳感器都不能精準(zhǔn)的測量磨漿過程的實(shí)際磨盤間隙。LVDT 雖無法檢測磨漿過程的磨盤磨損量，但其具有動態(tài)特性好、耐高溫、線性度好、零位重復(fù)性、分辨率高及使用方便等特點(diǎn)[20-21]，能夠適用于小位移測量，因此，其可為實(shí)現(xiàn)磨盤間隙的實(shí)時在線測量提供有利的技術(shù)。

2.2 非接觸式測量法

非接觸式測量技術(shù)在測量間隙時不與被檢測物體直接接觸，不會對被檢測物體產(chǎn)生損壞，且無需調(diào)零，相比于直接測量方法具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。

國外學(xué)者對于磨漿過程磨盤間隙的非接觸測量方法研究相對較多。Garr 等人[22]提出磨盤間隙控制的方法，主要是運(yùn)用惠斯通電橋放大電路，當(dāng)磨盤間隙增大或減小時電壓發(fā)生波動，再通過驅(qū)動調(diào)整電機(jī)正、反轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)磨盤間隙，一直到電壓平衡為止。Karna等人[23]提出對線圈安裝方式進(jìn)行改變，在磨齒上纏繞線圈進(jìn)行磨盤間隙測量，但這樣做安裝檢測裝置的磨齒需要設(shè)計(jì)一種特定的磨齒。May 等人[24]將幾個數(shù)量相同的線圈和氖氣燈泡安裝在定盤外圓周上和背面，同時將磁芯安裝于動盤面圓周上的相應(yīng)位置，根據(jù)氖氣燈泡燈光的強(qiáng)弱來反映盤磨機(jī)間隙的變化，但不能精確表征及調(diào)節(jié)磨盤間隙。Dadson等人[25]將數(shù)個電渦流位移傳感器安裝在定盤上，將傳感器鑲嵌在定盤中，在動盤相應(yīng)位置挖凹槽，如圖4所示，通過傳感器測出兩段距離a與b，a是傳感器探頭到動盤磨齒距離，b是傳感器探頭到凹槽底部距離。當(dāng)磨盤間隙發(fā)生變化時，傳感器輸出信號也跟著發(fā)生變化，可根據(jù)傳感器輸出a信號的大小檢測磨損位置和磨盤間隙。

圖4 電渦流位移傳感器檢測磨盤間隙示意圖

王寶金[9]在定盤靠近邊緣圓周上的孔內(nèi)直接安裝電渦流式位移傳感器，且結(jié)合超聲波測厚儀對磨盤間隙進(jìn)行檢測，主要是根據(jù)電渦流傳感器檢測的距離和超聲測厚儀檢測的定盤厚度差，以及與定盤背面到電渦輪傳感器探頭之間的距離之和，最終可得到實(shí)際的磨盤間隙。張輝[18]對光學(xué)式位移傳感器、電容式位移傳感器、霍爾式位移傳感器、電渦流式位移傳感器測量檢測磨盤間隙做了分析。光學(xué)式位移傳感器具有探頭小、響應(yīng)速度快、小位移測量等優(yōu)點(diǎn)，但由于正常磨漿時，動、定磨片之間有漿料介質(zhì)等因素，無法使用光纖位移傳感器。電容式位移傳感器具有適應(yīng)性強(qiáng)和可在高、低溫度及強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境中工作等優(yōu)點(diǎn)，但由于溫度、纖維漿料介電常數(shù)的影響也不適用于磨盤間隙測量?；魻柺轿灰苽鞲衅骶哂徐`敏度高、精度高、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)闇囟葘ζ錂z測精度有較大的影響，所以不能檢測磨盤間隙。電渦流式位移傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、無介質(zhì)影響等優(yōu)點(diǎn)，但在磨漿過程中如果探頭端面與定盤磨片面保持平齊則會受到磨損。

綜合以上國內(nèi)外關(guān)于非接觸位移傳感器的研究現(xiàn)狀分析，發(fā)現(xiàn)部分非接觸位移傳感器與接觸式傳感器一樣也不適用于盤磨機(jī)間隙的實(shí)時在線檢測，如光學(xué)式位移傳感器、電容式位移傳感器及霍爾式位移傳感器。Garr[22]、Karna[23]及May[24]所提出的方法核心原件均與位移傳感器類似，可判斷出磨盤增大或減小，但無法測出明確的數(shù)值，且其方法實(shí)施比較困難，其較早利用電磁感應(yīng)原理測量磨盤間隙，為后面的研究提供了基礎(chǔ)。關(guān)于電渦流位移傳感器在國內(nèi)外研究較多，其操作簡單、安裝方便且不需調(diào)零，但若將電渦流位移傳感器安裝在磨區(qū)內(nèi)部，則其探頭會磨損，且探頭周圍的金屬會影響磨盤間隙的測量值，因此電渦流位移傳感器也不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測磨盤間隙。

3 磨盤間隙的疊加實(shí)時在線測量技術(shù)

磨盤間隙的疊加實(shí)時在線測量法是指將磨盤磨損量、軸部發(fā)生的軸向竄動以及初始間隙（原始間隙）三部分進(jìn)行疊加的在線測量方法。其測量基本原理為：盤磨機(jī)在磨漿前首先利用位移傳感器對原始間隙進(jìn)行檢測；在磨漿過程中磨盤發(fā)生磨損時，運(yùn)用位移傳感器將測量磨盤磨損量；當(dāng)盤磨機(jī)磨漿過程中發(fā)生軸向竄動時，軸部應(yīng)變量可通過位移傳感器測得，且磨盤磨損和軸向竄動都以原始間隙為基準(zhǔn)進(jìn)行測量，將三部分進(jìn)行疊加即可獲得實(shí)際磨盤間隙。

3.1 磨損測量技術(shù)

磨盤的磨損檢測是疊加實(shí)時在線測量技術(shù)的重點(diǎn)及難點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中，磨盤磨損可分為正常磨損和非正常磨損[26]，如圖5 所示。非正常磨損在正常磨漿過程中發(fā)生頻率較低，可忽略不計(jì)，本研究只考慮磨盤的正常磨損。

圖5 磨盤的磨損[26]

劉慶立等人[26]設(shè)計(jì)了一種專門能夠檢測磨盤磨損的裝置，被稱作磨損檢測幫，主要是將其安裝在定盤磨齒特定位置上，使其在磨漿過程中對磨盤磨損量進(jìn)行檢測，見圖6(a)。其工作原理（見圖6(b)）為：當(dāng)磨漿過程中出現(xiàn)磨損時，磨損檢測棒與磨齒同時發(fā)生磨損，當(dāng)其每磨損一個階梯時滑動變阻器會出現(xiàn)一個阻值，且阻值與磨損量呈線性關(guān)系。

磨損檢驗(yàn)棒此方法理論上雖然可以測量盤磨機(jī)磨盤磨損問題，但目前其并沒有實(shí)際應(yīng)用，有效性還需要進(jìn)一步研究。由于磨損量少磨損檢測棒移動位移小，其主要的檢測原理是利用滑動變阻器，而滑動變阻器相對于位移傳感器靈敏度較低，無法完成實(shí)時在線測量，但是此方法可為磨漿過程中磨損量的檢測提供有益思路。

圖6 磨損檢驗(yàn)棒示意圖

3.2 疊加實(shí)時在線測量檢測系統(tǒng)

磨漿過程中磨盤間隙控制系統(tǒng)主要應(yīng)具備兩項(xiàng)基本功能。其一，準(zhǔn)確、實(shí)時測量磨盤間隙；其二，根據(jù)檢測的磨盤間隙及時做出精確的調(diào)節(jié)[27]，使其達(dá)到設(shè)定磨盤間隙。考慮到盤磨機(jī)的工作環(huán)境，位移傳感器的輸入輸出信號需要傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)需要快速響應(yīng)以調(diào)整間隙位置，因此必須選用穩(wěn)定性高的位移傳感器?？紤]到LVDT 位移傳感器的特點(diǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)基于LVDT 位移傳感器加以改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)疊加實(shí)時在線測量。

圖7 磨盤間隙的疊加實(shí)時在線檢測系統(tǒng)示意圖

疊加實(shí)時在線測量系統(tǒng)如圖7 所示，其中磨盤磨損、軸向竄動及原始間隙的測量可通過2 個的LVDT位移傳感器實(shí)現(xiàn)，1 個進(jìn)行改進(jìn)，主要在探頭處添加1 個材料與磨齒材料相同的可磨損裝置，將其置于磨盤用來檢測磨盤磨損量，另1個置于軸部用來測量動盤主軸的軸向竄動。2 個位移傳感器同時也承擔(dān)信息采集任務(wù)將檢測到的磨盤間隙信號傳入控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)輸出調(diào)節(jié)信號，進(jìn)而對磨盤間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)。疊加實(shí)時在線測量系統(tǒng)軸部檢測主要是檢測軸向竄動，當(dāng)動盤主軸發(fā)生接觸形變或工作時間較長出現(xiàn)一些特殊情況時，主軸可能會出現(xiàn)軸向竄動，會直接影響磨盤間隙，因此，主軸的軸向竄動檢測是必要的。其測量原理與美國Jewell[16]的LVDT 檢測原理相似。在磨漿過程中主軸出現(xiàn)滾動體磨損或接觸形變等問題會使磨盤間隙增大或減小，此時LVDT 位移傳感器內(nèi)部鐵芯將會右移或左移出現(xiàn)電壓差，從而檢測出磨漿過程中由于主軸軸向竄動產(chǎn)生的磨盤間隙。

磨盤磨損檢測的原理與劉慶立等人[26]的磨損檢驗(yàn)棒相似，如圖8所示。從第二個階梯開始，每個階梯與外殼都有一段距離，此段距離是前面所有階梯之和。旋轉(zhuǎn)螺母使彈簧處于壓縮狀態(tài)，直到彈簧的彈力可以使第一段階梯芯軸與磨齒平行。當(dāng)磨齒出現(xiàn)磨損時，磨盤實(shí)際間隙增大。此時，第一個階梯軸被磨損，彈簧彈力向右推動墊片，墊片帶動主軸移動，以此類推。不同點(diǎn)為本文檢測方法中感應(yīng)裝置為LVDT位移傳感器。每磨損一個階梯時，出現(xiàn)一段位移量，此時主軸會觸發(fā)探頭使LVDT 傳感器鐵芯移動產(chǎn)生電壓差，位移量經(jīng)由LVDT 位移傳感器測得，即為磨盤磨損量。假定動盤與定盤磨損量相同，LVDT 位移傳感器將測量量傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出2倍的測量信號給間隙調(diào)整系統(tǒng)，進(jìn)而對間隙進(jìn)行調(diào)整。此種檢測裝置可以直接嵌入到磨片中測量，且能夠避免磨漿過程中漿料流量、溫度、壓力等對檢測的影響。每個階梯高度值應(yīng)該越小越好，這樣可以更有利于磨盤間隙的精準(zhǔn)檢測，但不能超出位移傳感器的測量范圍，具體最小高度值需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

圖8 磨盤磨損測量裝置圖

直接實(shí)時在線測量技術(shù)其主要是以某一種傳感器進(jìn)行直接測量，部分安裝于磨盤外部，雖然簡單方便但無法測量磨盤磨損，部分安裝于磨盤內(nèi)部可檢測磨損以及初始間隙。但會受磨漿過程中溫度、壓力、鐵制雜質(zhì)等因素的影響。而疊加實(shí)時在線測量技術(shù)綜合考慮可能影響磨盤間隙的磨盤磨損、軸向竄動對磨盤間隙的影響，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時在線測量磨盤間隙。所測得磨盤間隙可通過位移傳感器發(fā)出信號給控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線為間隙控制系統(tǒng)提供精確間隙值進(jìn)而精確調(diào)整磨盤間隙。磨盤磨損、軸向竄動及初始間隙的測量互不干擾，此方法為實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線控制調(diào)整磨盤間隙提供了方向，但還需要進(jìn)行深入研究。

4 結(jié) 語

磨盤間隙是磨漿過程的重要控制參數(shù)，會直接影響磨漿質(zhì)量及磨漿能耗。目前，關(guān)于磨盤間隙的檢測主要為直接測量方法，本文提出的磨盤間隙疊加實(shí)時在線檢測方法，綜合了磨盤磨損量、磨盤主軸軸向竄動及磨盤原始間隙的測量，克服了原有測量技術(shù)的不足，對于盤磨機(jī)間隙的精確在線測量及盤磨機(jī)的精確高效控制提供了一個新的思路。