靴壓液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵要素設(shè)計(jì)及分析

李若冰 賈小龍 程 敏 魏愛(ài)玲，* 宗維亞

（1.廊坊燕京職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北廊坊，065200；2.中國(guó)制漿造紙研究院有限公司，北京，100102；3.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

靴壓液壓系統(tǒng)的作用除了要完成靴壓的加壓功能外，還要提供靴板的潤(rùn)滑，包括靴壓對(duì)輥的流體靜力支承和輥?zhàn)虞S承、減速箱的潤(rùn)滑。靴壓模塊所需要的壓力和流量，是根據(jù)靴壓的設(shè)計(jì)要求確定的。在某些靴壓設(shè)備上，靴壓液壓系統(tǒng)還要具備靴套的張緊和靴壓換輥裝置的提升等功能[1-2]。

1 靴壓液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

1.1 靴輥的液壓設(shè)計(jì)要求

一般來(lái)說(shuō)，靴輥和靴套間為流體動(dòng)力支承潤(rùn)滑，靴輥和靴套間需配置1根橫幅的潤(rùn)滑油管，并在潤(rùn)滑管上安裝噴嘴，對(duì)靴套和靴板之間噴射冷卻后的液壓油，對(duì)壓區(qū)進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，減小磨損，延長(zhǎng)靴套使用壽命。另外，靴輥內(nèi)部加壓活塞的布置有單排和雙排2種結(jié)構(gòu)；根據(jù)紙種及紙幅水分均勻控制要求進(jìn)行壓區(qū)的分區(qū)控制，如果對(duì)紙幅水分均勻要求高，宜采用分區(qū)控制來(lái)調(diào)節(jié)水分；雙排加壓活塞可以提高靴壓峰值加壓密度，減小紙機(jī)回濕現(xiàn)象[3-4]。

1.2 靴壓對(duì)輥的液壓設(shè)計(jì)要求

靴壓對(duì)輥一般采用靜壓支承原理的軸承，線壓的載荷通過(guò)液壓加壓活塞，加載到對(duì)輥的中心梁上，輥殼的軸承基本上只承受輥殼和軸頭的重力，因此選擇較小規(guī)格即可，這種結(jié)構(gòu)的工作線壓可達(dá)1400 kN/m[1]。靴壓對(duì)輥需要液壓系統(tǒng)提供加壓油，通過(guò)計(jì)算靜壓軸承加壓潤(rùn)滑所需要的壓力和流量，確定液壓系統(tǒng)的輸出流量。

1.3 靴套張緊的液壓設(shè)計(jì)要求

靴套是聚合物材料，相對(duì)靴板和對(duì)輥來(lái)說(shuō)，質(zhì)地較軟，需要用液壓控制回路進(jìn)行張緊，并配置壓力傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)張緊力并顯示在控制面板中；靴套內(nèi)需要保持5～8 kPa 壓縮空氣，保證靴套處于膨脹狀態(tài)，防止靴套有折痕被壓潰變形，靴套內(nèi)部通過(guò)設(shè)置虹吸管隔離靴壓回油管和主回油管，防止靴套內(nèi)空氣通過(guò)回油管連通大氣，無(wú)法保持靴套張緊壓力。

1.4 靴壓換輥裝置的提升

根據(jù)不同廠家的結(jié)構(gòu)，有液壓提升和機(jī)電絲杠提升2種方式。

2 液壓系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

本課題以5600 mm箱紙板機(jī)配置的單靴壓帶可控中高輥的配置為例，詳細(xì)說(shuō)明靴壓液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 液壓油選擇

靴壓液壓系統(tǒng)一般選用VG150 的液壓油。由于靴板和靴套間采用流體動(dòng)力支承的形式，靴板為不對(duì)稱的楔形結(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的楔形結(jié)構(gòu)將潤(rùn)滑油帶入壓區(qū)，形成流體動(dòng)力支承，同時(shí)建立潤(rùn)滑油膜，黏度高的油能產(chǎn)生更好的油膜，潤(rùn)滑性能更好。靴板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般為流體靜力支承形式，通過(guò)在靴板的凹槽里通入壓力油，潤(rùn)滑靴板和靴套的同時(shí)在靴板的凹槽里實(shí)現(xiàn)部分流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，提高油膜的剛度和載荷能力。

2.2 靴板潤(rùn)滑所需的流量

所需的流量可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，如式(1)所示。

式中，Q為所需流量，L/min；L為靴板長(zhǎng)度，mm；V為紙機(jī)速度，m/min。潤(rùn)滑油的壓力一般為400～800 kPa，根據(jù)所使用的噴嘴形式來(lái)確定壓力。

已知L= 5937 mm，V= 750 m/min，因此Q為400.7 L/min。靴輥內(nèi)部的軸承潤(rùn)滑流量為24 L/min，所以噴淋油需要的總流量是424.7 L/min。

除了靴板的潤(rùn)滑之外，靴壓設(shè)備上的輥?zhàn)虞S承、減速箱等，也要進(jìn)入集中稀油潤(rùn)滑，對(duì)軸承流量和潤(rùn)滑油溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

由于潤(rùn)滑用油的工作壓力較低，一般采用單獨(dú)的低壓泵，并在回路中設(shè)置好必要的流量計(jì)，實(shí)時(shí)檢測(cè)靴壓各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)是否良好，泵的電機(jī)最好使用變頻電機(jī)，可以方便調(diào)節(jié)潤(rùn)滑流量。

2.3 加壓所需的壓力和流量

根據(jù)靴壓模塊的設(shè)計(jì)線壓（1250 kN/m）和靴板加壓活塞的有效面積，可計(jì)算靴板加壓壓力。計(jì)算靴壓模塊工作所需流量時(shí)，考慮靴輥工作時(shí)加壓本質(zhì)是一個(gè)單作用的大液壓缸，工作時(shí)是保壓狀態(tài)，其余液壓控制回路如靴套張緊、靴板提升等控制回路只需要少量的泄露油保持液壓壓力即可，所以靴壓液壓系統(tǒng)正常工作時(shí)所需流量主要是可控中高輥工作所需流量?？煽刂懈咻亙?nèi)部沿紙機(jī)方向橫幅布置了若干個(gè)油袋，每個(gè)油袋設(shè)計(jì)1 個(gè)毛細(xì)管，如圖1 所示。液壓系統(tǒng)通過(guò)毛細(xì)管建立液壓靜壓支承，并在加載柱塞和內(nèi)輥面之間形成150μm 厚的油膜。靜壓支承的油袋和毛細(xì)管的數(shù)量確定后，根據(jù)帶毛細(xì)管補(bǔ)償?shù)撵o壓支承原理可知，壓力比（加壓壓力和油源壓力之比）為0.5左右，最好不大于0.5[5]。壓力比為0.5時(shí)油膜的剛度和承載能力較大，在工作線壓1250 kN/m 的情況下，根據(jù)加壓活塞面積，計(jì)算加壓活塞的工作壓力為8224 kPa，如果選擇壓力比為0.45，則為3700 kPa；根據(jù)毛細(xì)管的流量公式（如式(2)所示），在壓差一定的情況下，毛細(xì)管的直徑和長(zhǎng)度成正比[6]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，毛細(xì)管直徑一般取1.6 mm，如果直徑太小容易堵塞，且加工難度大；直徑太大則同樣的液阻下要求毛細(xì)管的長(zhǎng)度更長(zhǎng)。毛細(xì)管外徑6 mm，嵌裝在油袋中，油袋安裝毛細(xì)管的內(nèi)孔為6.1 mm，油袋剖視圖如圖2所示。

圖1 可控中高輥油袋橫幅分布圖（局部）Fig.1 Controlled crown roll oil pocket cross machine layout view（section）

圖2 可控中高輥油袋剖視圖Fig.2 Controlled crown roll oil pocket section view

式中，Q為毛細(xì)管流量，L/min；μ為油液的動(dòng)力黏度，當(dāng)溫度在45℃左右時(shí)為0.0955 Pa·s；l為毛細(xì)管的長(zhǎng)度，取0.0967 mm；d為毛細(xì)管直徑，取1.6 mm；ΔP為毛細(xì)管的壓力降，取450 kPa。

由式(2)計(jì)算可得，每個(gè)毛細(xì)管的流量（Q）為4.7 L/min。

根據(jù)輥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，可控中高輥共68 個(gè)毛細(xì)血管和油袋。一般來(lái)說(shuō)，可控中高輥油袋的尺寸大小及間距是標(biāo)準(zhǔn)的，在不同幅寬的紙機(jī)中，紙幅的兩邊油腔寬度不一樣，根據(jù)幅寬減去標(biāo)準(zhǔn)的油袋寬度和間距尺寸得到兩端油袋的寬度。兩端的油腔除了從紙機(jī)橫向的封油邊出油之外，在紙機(jī)的端面封油邊也會(huì)有油流出，所以可控中高輥兩端油腔的流量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)油袋的流量會(huì)增加，一般靠近輥邊的4個(gè)油袋需要的流量是標(biāo)準(zhǔn)油袋的1.3 倍。故中間油袋需求流量為282.02 L/min，邊緣油袋所需流量為24.44 L/min，總流量為306.46 L/min。

可控中高輥內(nèi)還配置了一個(gè)潤(rùn)滑管，當(dāng)可控中高輥開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)或者車速較低時(shí)，活塞加載壓力較低，設(shè)置了潤(rùn)滑管對(duì)壓區(qū)進(jìn)行潤(rùn)滑。根據(jù)這種工況，液壓控制回路采用比例溢流閥控制可控中高輥的壓力，比例溢流閥的溢流管路接入噴油管，對(duì)可控中高輥的壓區(qū)進(jìn)行潤(rùn)滑，低壓運(yùn)行時(shí)，大量的油通過(guò)溢流閥的溢流管連接潤(rùn)滑管對(duì)加壓的壓區(qū)進(jìn)行潤(rùn)滑。當(dāng)車速較高時(shí)，線壓逐漸上升到工作線壓，大部分的油通過(guò)毛細(xì)管和油腔，少部分的油通過(guò)溢流管，因?yàn)橛颓涣髁吭龃?，流?jīng)封油邊的油對(duì)加壓的壓區(qū)起到潤(rùn)滑作用。因此，確定泵的流量時(shí)，需增加30%的流量來(lái)對(duì)可控中高輥進(jìn)行潤(rùn)滑。

2.4 壓區(qū)加壓回路設(shè)計(jì)

靴壓壓區(qū)加壓分為主壓區(qū)和邊壓區(qū)。主壓區(qū)采用比例溢流閥進(jìn)行壓力控制，調(diào)節(jié)靴壓工作線壓。邊壓區(qū)用來(lái)調(diào)節(jié)補(bǔ)償紙機(jī)橫幅方向偏載問(wèn)題，壓力比主壓力小，所以采用比例減壓閥和電磁換向閥進(jìn)行控制，并帶高壓過(guò)載溢流和快速泄壓功能，當(dāng)靴壓壓區(qū)進(jìn)入異物等意外情況時(shí)能夠保護(hù)設(shè)備和快速泄壓。

主壓區(qū)控制原理圖如圖3 所示。主閥芯為DN32插裝式溢流閥，滿足大流量工作要求；先導(dǎo)閥為比例溢流閥，DB 是靴壓加油油路，通往靴壓加壓模塊和可控中高輥的油袋，調(diào)節(jié)比例溢流閥的壓力，就能調(diào)節(jié)靴壓線壓大??；DA 為溢流閥的溢流管路，連接可控中高輥內(nèi)部，對(duì)輥內(nèi)進(jìn)行潤(rùn)滑。當(dāng)靴壓開(kāi)機(jī)，工作壓力較低時(shí)，可控中高輥的毛細(xì)管無(wú)法正常工作，DA管路的油可以潤(rùn)滑可控中高輥，防止輥內(nèi)磨損[7]。

圖3 靴壓主壓區(qū)加壓控制原理圖Fig.3 Shoe press main zone hydraulic loading control diagram

邊壓區(qū)控制原理圖如圖4 所示。采用電磁換向閥和比例減壓閥[7]，滿足實(shí)時(shí)調(diào)壓的工作要求，設(shè)置壓力傳感器進(jìn)行壓力閉環(huán)控制，當(dāng)發(fā)現(xiàn)紙機(jī)橫幅水分有偏差時(shí)，可以調(diào)整邊壓區(qū)線壓，達(dá)到更好的橫幅水分一致性。

圖4 靴壓邊壓區(qū)加壓控制原理圖Fig.4 Shoe press side zone hydraulic loading control diagram

2.5 油箱設(shè)計(jì)及內(nèi)部流體仿真

油箱為靴壓提供清潔和冷卻的液壓油。由于可控中高輥的油經(jīng)過(guò)靜壓支承，摩擦力較大，造成溫升較高。在靴輥中，噴淋油對(duì)靴板和靴套之間的流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行潤(rùn)滑后，同樣產(chǎn)生了大量熱量，一般回油溫度約60℃，所以液壓站配置了板式冷卻器；當(dāng)開(kāi)機(jī)時(shí)，由于液壓油黏度較大，設(shè)置了加熱器，液壓油加熱到35℃后再進(jìn)入靴壓模塊中。

不同于傳統(tǒng)的液壓站，靴壓液壓站需具有除氣的作用。由于靴輥外的靴套是聚合物材料，需要內(nèi)部充滿壓縮空氣，將靴套漲起。靴輥內(nèi)部的油與壓縮空氣充分接觸，使靴輥的回油充滿了氣泡，占10%左右，所以油箱的功能需要除氣。油箱分為凈油箱和回油箱。靴輥模塊的回油依靠自重回到回油箱，經(jīng)過(guò)1個(gè)990 μm 的磁性過(guò)濾器，再通過(guò)一系列油箱內(nèi)部隔板和循環(huán)泵冷卻，然后將油泵到凈油箱，凈油箱也設(shè)置了3個(gè)隔板，最后通過(guò)高壓泵和潤(rùn)滑泵，將油泵入閥盤(pán)以及相應(yīng)的流量控制單元。

液壓系統(tǒng)回油時(shí)，設(shè)置了1～2 m 帶一定角度的回油槽，角度為2°～3°，回油槽內(nèi)設(shè)置若干個(gè)擋油板，加長(zhǎng)油液的流動(dòng)路徑，盡可能析出油中的空氣。

油箱內(nèi)設(shè)置3～5對(duì)隔板，每對(duì)隔板分成上隔板和下隔板，促進(jìn)油液在油箱內(nèi)的流動(dòng)。為優(yōu)化隔板的設(shè)計(jì)，利用了流體仿真功能，防止造成油液流動(dòng)速度太快而油液混入空氣；或油液沖擊力大，對(duì)油箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成影響。

簡(jiǎn)化模型油箱的液壓油內(nèi)部流動(dòng)的流體仿真圖如圖5所示，仿真的邊界條件為回油流量740 L/min，出油口（泵的吸油口）的壓力80 kPa（絕對(duì)壓力）；仿真結(jié)果是內(nèi)部油液的流量速度在0.3 m/s 以內(nèi)，利于油液中氣泡的析出；同時(shí)流體的油液不會(huì)形成對(duì)油箱側(cè)板過(guò)大的沖擊力。

圖5 油箱油液的流體仿真Fig.5 Simulation of oil flow in the tank

2.6 靴壓回油的虹吸管設(shè)計(jì)

虹吸管的功能是維持靴套內(nèi)部的膨脹壓力，一般為0.5～0.8 kPa。由于油箱內(nèi)部和主回油管與大氣相通，而靴套內(nèi)部有一定的膨脹壓力，不能直接與大氣相通，所以需要設(shè)置1個(gè)虹吸管，將靴壓回油管和主回油管進(jìn)行隔離，保證靴壓的回油管一直都是滿油狀態(tài)，維持靴套內(nèi)部壓力。虹吸管的高度一般為0.8～1.2 m，保證靴套內(nèi)部最大的壓力為8 kPa，可以滿足靴壓工作需要。

虹吸管如圖6 所示，一般集成在靴壓液壓系統(tǒng)的回油管中，靴壓回油管的油先進(jìn)入虹吸管的最低點(diǎn)，在從下到上回流到主回油管，設(shè)置了可視液位計(jì)，可以觀察油液流通情況。虹吸管的設(shè)計(jì)參考了某紙廠進(jìn)口靴壓設(shè)備回油管的應(yīng)用，加工簡(jiǎn)單，成本較低，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

圖6 虹吸管液壓控制原理圖Fig.6 Syphon hydraulic control schematic diagram

3 結(jié) 論

本課題詳細(xì)介紹了靴壓液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵要素的設(shè)計(jì)及分析，計(jì)算了各個(gè)關(guān)鍵用油點(diǎn)的流量和壓力，包括靴板的潤(rùn)滑、靴壓和可控中高輥的加壓、可控中高輥的流體靜力支承、靴套液壓張緊等，并通過(guò)液壓流體仿真軟件模擬了油箱內(nèi)液壓油在隔板的流動(dòng)，保證油液在油箱內(nèi)較低的循環(huán)速度和通過(guò)虹吸管隔離靴壓回油管和主回油管，維持靴套膨脹的氣壓壓力等。