靴式壓榨裝置的設(shè)計(jì)與有限元分析

王宏民 黃建坷 林蔚 覃才 何有根 王建生 楊威 陳凡

摘要：靴式壓榨技術(shù)是目前造紙行業(yè)最先進(jìn)的壓榨技術(shù)，保持線壓的穩(wěn)定性和提高脫水率是靴式壓榨技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，有必要通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析，探索優(yōu)化靴式壓榨裝置的結(jié)構(gòu)和性能，以提高造紙過(guò)程中的漿料脫水效率和紙張質(zhì)量。首先進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，回顧了已有的靴式壓榨裝置設(shè)計(jì)和有限元分析方面的研究。然后，根據(jù)研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種新型的靴式壓榨裝置，并使用有限元分析方法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和性能評(píng)估。通過(guò)有限元分析，獲得了靴式壓榨裝置在極限條件下的工況下的靜應(yīng)力變形情況。分析結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的裝置在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面表現(xiàn)良好，能夠有效實(shí)現(xiàn)漿料的脫水和紙張的均勻壓制?；谠O(shè)計(jì)和有限元分析結(jié)果，得出結(jié)論認(rèn)為該靴式壓榨裝置具有優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能，該研究對(duì)于進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化靴式壓榨技術(shù)具有重要的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：靴式壓榨；脫水效率；紙張質(zhì)量；有限元分析

中圖分類號(hào)：TS734.8??????????????? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?????????????? doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.05.010

文章編號(hào)：1006-0316 （2024） 05-0074-07

Design and Finite Element Analysis of Shoe Press Unit

WANG Hongmin1，HUANG Jianke1，LIN Wei1，QIN Cai1，HE Yougen1，

WANG Jiansheng1，YANG Wei2，CHEN Fan3

（ 1. Faculty of Intelligent Manufacturing， Wuyi University， Jiangmen 529020， China;

2. OPD Servo Motor & Energy-Saving System Co.， Ltd.， Jiangmen 529050， China;

3. Jiangmen Polytechnic， Jiangmen 529030， China ）

Abstract：The shoe press technology is the most advanced press technology in the paper industry at present. Maintaining the stability of the line pressure and improving the dewatering rate are the challenges faced in the field of shoe press technology， and it is necessary to explore the optimization of the structure and performance of the shoe press device through structural design and finite element analysis to improve the efficiency of pulp dewatering and paper quality in the papermaking process. In this paper， a literature review on the existing studies on the design and finite element analysis of shoe press devices is first conducted. Then， based on the research objectives， a new shoe press device is designed ， followed by the structural analysis and performance evaluation through the finite element analysis. Through finite element analysis， the static stress deformation of the shoe press device is obtained under the working conditions at the limit conditions. The analysis results show that the designed device performs well in terms of structural stability， and is able to effectively realize the dewatering of pulp and the uniform pressing of paper. Based on the design and finite element analysis results of this paper， it is concluded that the shoe press device has superior structural performance， and the study has important practical value and application potential for further improving and optimizing the shoe press technology.

Key words：shoepress；dewatering efficiency；paperquality；finite element analysis

靴式壓榨簡(jiǎn)稱靴壓，是由20世紀(jì)80年代美國(guó)的Beloit公司研發(fā)出來(lái)的技術(shù)，其目的是為了延長(zhǎng)紙張?jiān)趬赫^(qū)的停留時(shí)間[1]。靴壓最早通過(guò)增大輥?zhàn)又睆絹?lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以增加壓榨區(qū)域的寬度，并延長(zhǎng)紙張?jiān)趬赫^(qū)域的停留時(shí)間。

造紙?jiān)O(shè)備脫水的關(guān)鍵部位是壓榨部分，靴壓是目前造紙行業(yè)最先進(jìn)的壓榨技術(shù)，壓榨紙張中水分的效果最好。一般紙幅出口壓榨部的干度每提高1%，蒸汽消耗量就會(huì)減少約5%，從而直接降低造紙生產(chǎn)成本約0.75%。這種方法的節(jié)能降耗效果十分顯著[2]。所以靴壓很大程度上決定了造紙機(jī)的運(yùn)行成本和經(jīng)濟(jì)效益。

德國(guó)的Voith公司也根據(jù)靴壓技術(shù)設(shè)計(jì)出類似裝置，其開(kāi)發(fā)了一種名為NipcoFlex單靴壓榨方法。該方法利用弧形液壓加壓靴與壓榨輥配合形成壓區(qū)，通過(guò)不透水的尼龍聚氨酯毛毯將加壓靴與濕毛毯隔開(kāi)，同時(shí)利用油膜進(jìn)行潤(rùn)滑。紙張和毛毯在上壓榨輥和毛毯之間運(yùn)行[3-5]。這種寬壓區(qū)壓榨形式不僅確保在需要高度脫水時(shí)無(wú)需過(guò)高的加載壓力，還避免了紙張?jiān)趬簠^(qū)間被壓碎或損壞。

我國(guó)自1998年開(kāi)始在高速大型文化紙機(jī)上采用靴壓技術(shù)，截至2016年，已有超過(guò)250套靴壓裝置應(yīng)用于不同類型的紙機(jī)上[6]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)靴壓技術(shù)的應(yīng)用數(shù)量持續(xù)增加，特別是在新投入使用的大型紙機(jī)上，靴壓裝置成為不可或缺的關(guān)鍵組成部分。國(guó)內(nèi)的靴壓相比于國(guó)外起步較晚，由于缺乏關(guān)鍵技術(shù)理論和關(guān)鍵設(shè)備的研究，只有幾家公司初步研發(fā)出了靴壓造紙裝置，例如中國(guó)造紙裝備有限公司、山東昌華造紙機(jī)械公司、淄博泰鼎造紙機(jī)械廠等[7-9]。

針對(duì)國(guó)內(nèi)在靴壓裝置方面研究缺乏的現(xiàn)狀，本文根據(jù)造紙?jiān)O(shè)備的性能要求，通過(guò)理論分析和有限元分析，深入研究靴壓的結(jié)構(gòu)原理。對(duì)靴壓裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供了靴壓造紙?jiān)O(shè)備電機(jī)的選型依據(jù)，為國(guó)產(chǎn)造紙機(jī)的發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 靴壓裝置主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 靴壓裝置整體結(jié)構(gòu)

靴壓裝置主要由靴輥和背輥組成，靴壓技術(shù)通過(guò)靴輥和背輥之間的擠壓來(lái)減少紙漿中的含水量。靴板并不是和紙頁(yè)直接接觸的，靴壓壓榨區(qū)域的結(jié)構(gòu)從下到上分別是背輥輥殼－毛毯－紙輻－毛毯－靴套－靴板。如圖1所示。靴輥和背輥的兩端通過(guò)軸承座相互加壓鉸接在一起來(lái)保證運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，更好的平衡靴輥和背輥的相互作用力。

1.2 靴輥設(shè)計(jì)

靴板可通過(guò)液壓加載裝置進(jìn)行加壓，靴板通過(guò)上下移動(dòng)來(lái)壓榨紙頁(yè)。靴板安裝在靴輥上，靴輥本身是不旋轉(zhuǎn)的，所以靴板也不旋轉(zhuǎn)，但靴輥上的靴套會(huì)由于背輥的高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。靴輥兩端是軸承座，背輥兩端也是軸承座，兩端用鉸鏈進(jìn)行連接。

靴板中間有凹槽，且凹槽被分成若干部分，靴板和靴套之間的潤(rùn)滑油膜由每個(gè)靴板凹槽的出油孔流出產(chǎn)生。靴板液壓缸的活塞桿頭與靴板固定連接在一起，這樣可以更好傳遞壓力，使線壓力更穩(wěn)定。液壓缸總共兩排，橫向排列在支撐橫梁上，這樣可以通過(guò)控制液壓缸的壓力，從而控制靴板的傾斜角度，以延長(zhǎng)壓榨的時(shí)間。液壓缸的缸體安裝在支撐梁上，出油孔位于缸體底部，所有液壓缸的油管互通且設(shè)置在支撐橫梁內(nèi)部，油管的進(jìn)油孔與支撐橫梁上的回轉(zhuǎn)油缸相連，同樣位于支撐橫梁內(nèi)部。如圖2、圖3所示。

1.3 背輥設(shè)計(jì)

背輥的輥芯相當(dāng)于背輥的支撐部位，和靴輥的支撐梁作用類似，輥芯材質(zhì)是球墨鑄鐵。工作時(shí)，靴輥的線壓力主要作用在輥芯上，所以輥芯要有足夠的強(qiáng)度。而軸承主要起到傳遞線壓力的作用，所以兩端軸承的載荷并不大[10]。

背輥外部主要由端蓋、輥殼和減速箱組成，減速箱是整個(gè)靴式壓榨裝置的動(dòng)力來(lái)源，輥殼靠近減速器的一端內(nèi)嵌內(nèi)齒輪，這樣電機(jī)的動(dòng)力就可通過(guò)減速器傳遞給輥殼。背輥內(nèi)部主要由輥芯和液壓加載單元組成，液壓加載單元就是液壓缸，它橫向排列在輥芯上對(duì)輥殼起加壓的作用。液壓加載單元的活塞是固定的，它是通過(guò)加壓讓液壓缸對(duì)輥殼進(jìn)行擠壓。壓力油是通過(guò)活塞桿上的小孔流出的，活塞桿末端小孔與輥芯內(nèi)置油管相連。液壓缸和輥殼之間也是需要潤(rùn)滑油來(lái)減少摩擦力，它們之間的潤(rùn)滑油是通過(guò)液壓缸上的小孔流出的，液壓缸上的小孔裝有節(jié)流閥。如圖4所示。

2 電機(jī)選型

造紙?jiān)O(shè)備通常是由轉(zhuǎn)動(dòng)件構(gòu)成，這些轉(zhuǎn)動(dòng)件的功率可以通過(guò)計(jì)算驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積來(lái)求得。沒(méi)有必要再寫成牽引力和線速度的乘積，這樣可以使計(jì)算概念清晰，并減少計(jì)算的工作量，從而提高設(shè)計(jì)工作的效率[11]。

根據(jù)靴壓的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)拥尿?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于各種滾動(dòng)摩阻阻力矩和壓榨輥轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的力矩之和。驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)觽鲃?dòng)所需功率計(jì)算如下：

（1）

式中：Mi為摩擦力矩，kN·m；V為背輥轉(zhuǎn)速，m/min；n為摩擦類型數(shù)目；D為背輥直徑，m；η為傳動(dòng)效率。

背輥所受的摩擦力矩可分為三種類型[5]，這三種類型分別為背輥軸承內(nèi)摩擦力矩、靴輥和背輥之間的摩擦力矩和液壓缸和輥殼之間的摩擦力矩，下面對(duì)此一一進(jìn)行計(jì)算。

（1）背輥軸承內(nèi)摩擦力矩為：

（2）

式中；Q為背輥兩側(cè)軸承上的總負(fù)載，kN，包含背輥?zhàn)灾亍⑼ㄟ^(guò)背輥的毛布拉力之和、靴輥的重量以及靴輥施加的壓力[5]，選擇重力系數(shù)為9.8 N/kg；f為軸承的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，對(duì)于圓柱滾珠軸承f＝0.04；d為軸承的直徑，m。

（2）靴輥和背輥之間的摩擦力矩為：

（3）

式中：Q2為靴輥和背輥之間的壓力，kN；K為滾動(dòng)摩擦力臂，m，該值通常為0.007～0.016 m [5]；Da為背輥直徑，m；Db為靴輥直徑，m。

（3）液壓缸和輥殼之間的摩擦力矩為：

（4）

式中：f1為液壓缸和輥殼的摩擦系數(shù)；P1為液壓缸的單位壓力，kN/m；F1為液壓缸和輥殼的接觸面積，m2。

當(dāng)鋼與鋼之間加有潤(rùn)滑劑時(shí)，它們的摩擦系數(shù)為0.05～0.10，液壓缸和輥殼之間的油膜處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)，通過(guò)其它潤(rùn)滑的摩擦系數(shù)區(qū)間，即可獲得混合潤(rùn)滑的系數(shù)區(qū)間，動(dòng)壓潤(rùn)滑的系數(shù)為0.001～0.01，邊界潤(rùn)滑的系數(shù)為0.05～0.10，那么混合潤(rùn)滑的系數(shù)取0.01～0.05，

取液壓缸和輥殼的摩擦系數(shù)為0.05。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩與造紙?jiān)O(shè)備車速的關(guān)系[5]，如圖5所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速很高時(shí)，可用下式來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)矩增加系數(shù)：

（5）

式中：Kv為轉(zhuǎn)矩增加系數(shù)。

在計(jì)算電機(jī)傳動(dòng)軸的輸出功率時(shí)，還需考慮減速機(jī)的傳動(dòng)效率和萬(wàn)向軸聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率，為了確保驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的安全性，采用Km作為極限系數(shù)[5]。因此，電動(dòng)機(jī)軸的功率計(jì)算如下：

（6）

Km、Kv、η根據(jù)減速機(jī)和聯(lián)軸器的類型來(lái)取值。

3 靴輥的有限元分析

雖然靴板比起靴輥小很多，但由于靴板是固定在靴輥上的，且屬于主動(dòng)件，并且靴輥和背輥都是固定在機(jī)架上，靴板不會(huì)受到靴輥的重力作用，所以本文不對(duì)靴板進(jìn)行分析。靴輥是靴壓裝置運(yùn)行過(guò)程中的主要受力構(gòu)件之一，它的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了整個(gè)壓榨系統(tǒng)的性能。因此，靴輥必須具備足夠的剛度和強(qiáng)度，以確保其在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)發(fā)生變形或損壞[5]。下面對(duì)靴輥進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。

3.1 建立靴輥有限元模型

利用Solidworks軟件對(duì)靴輥支撐梁模型進(jìn)行有限元分析。在應(yīng)用材料中，對(duì)靴輥支撐橫梁材料屬性進(jìn)行設(shè)置，定義材料屬性選擇合金鋼材料，密度為7700 kg/m3，彈性模量為2.1×1011 N/m2，泊松比為0.28。如圖6所示。

3.2 添加約束和施加載荷

對(duì)靴輥支撐梁的兩端進(jìn)行固定約束，采取極限條件下的工況進(jìn)行計(jì)算，靴輥支撐梁的受力為自身的重量和兩輥之間的最大壓力，靴輥的重量為1777.3 kg，文獻(xiàn)[12]中Valmet公司在測(cè)試實(shí)驗(yàn)的峰值壓力是5 MPa，故本文兩輥之間的最大壓力選擇5 MPa。如圖7所示。

3.3 網(wǎng)格劃分

生成網(wǎng)格，選擇網(wǎng)格屬性，然后選擇布種密度，網(wǎng)格的參數(shù)選擇基于曲率的網(wǎng)格，計(jì)算會(huì)更加準(zhǔn)確。如圖8所示。

3.4 結(jié)果分析

對(duì)圖9～11進(jìn)行分析，圖9是支撐梁的應(yīng)力分析圖，可以看出支撐梁滿足極限條件下的工況。圖10是位移分析圖，從圖中可以看出，變形主要集中在支撐梁中間，兩端變形基本不變形，最大變形量為4.9 mm，對(duì)于整體長(zhǎng)6 m的支撐梁來(lái)說(shuō)，沒(méi)有明顯變形。圖11是應(yīng)變分析圖，可以看出支撐梁的變形數(shù)據(jù)為0.0013，對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行影響不大。

4 結(jié)論

根據(jù)研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種新型的靴壓造紙裝置，并使用有限元分析方法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和性能評(píng)估。經(jīng)過(guò)對(duì)靴輥的有限元分析，證明了所設(shè)計(jì)的裝置在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面表現(xiàn)良好，能夠有效實(shí)現(xiàn)漿料的脫水和紙張的均勻壓榨。這些結(jié)果分析將為靴壓的國(guó)產(chǎn)化研究以及國(guó)產(chǎn)造紙機(jī)的發(fā)展打下一定的理論基礎(chǔ)，提供參考依據(jù)。使用靴壓技術(shù)不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，還可以節(jié)約能源成本，符合國(guó)家的“雙碳”政策，降低碳排放并減少污染。隨著造紙機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，靴壓技術(shù)也需要不斷優(yōu)化和改進(jìn)。保持線壓的穩(wěn)定性和提高脫水率成為靴壓技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，這也是未來(lái)需要解決的難題。

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