黃運(yùn)賢

(華南理工大學(xué)造紙與污染控制國(guó)家工程研究中心，廣東廣州，510640)

華南理工大學(xué)造紙與污染控制國(guó)家工程研究中心(以下稱本中心)自主研發(fā)的系列中濃液壓盤磨機(jī)，由于具有打漿能耗低 (節(jié)水省電)、明顯改善打漿質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)，使中濃打漿技術(shù)在全國(guó)范圍內(nèi)的中小造紙企業(yè)得以成功推廣應(yīng)用，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。但該盤磨機(jī)還是屬于半手工操作，不易控制打漿質(zhì)量，并且對(duì)于不同漿種其打漿操作有所不同，對(duì)工人的操作熟練程度要求很高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大;另外，隨著我國(guó)造紙企業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，迫切需要打漿生產(chǎn)線的電氣控制自動(dòng)化，以保證打漿質(zhì)量，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。因此，本中心對(duì)系列中濃液壓盤磨機(jī) (以下簡(jiǎn)稱盤磨機(jī))進(jìn)行了升級(jí)改進(jìn)，改進(jìn)后盤磨機(jī)升級(jí)為自動(dòng)化控制，并納入造紙廠生產(chǎn)線的中央控制系統(tǒng)。本文介紹了盤磨機(jī)改進(jìn)與升級(jí)的技術(shù)要點(diǎn)，以供參考。

1 中濃打漿機(jī)理及盤磨機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

盤磨機(jī)采用特殊結(jié)構(gòu)，允許濃度6%～15%的漿料通過磨區(qū)和磨室。磨盤之間的漿料呈纖維網(wǎng)狀形態(tài)，且纖維的密度大，纖維的形態(tài)變化依賴?yán)w維與纖維之間的劇烈摩擦，促使纖維產(chǎn)生擠壓、壓潰、細(xì)胞壁破裂、分絲、起毛、細(xì)纖維化等一系列的變化［1］，而受齒紋刀刃直接作用引起纖維形態(tài)變化的幾率大為減弱。其結(jié)果是:纖維的平均長(zhǎng)度較長(zhǎng)、纖維分絲帚化的作用較強(qiáng)、纖維受切斷較少、細(xì)小纖維較少。這種纖維與纖維之間的劇烈摩擦引起纖維形態(tài)的變化稱之為“纖維間的內(nèi)摩擦效應(yīng)”［2］，這就是中濃打漿機(jī)理。

盤磨機(jī)改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。從圖1可見，主體設(shè)備由定磨片1、動(dòng)磨片3、磨室2、主軸4、前后滾動(dòng)軸承座5、油缸6、調(diào)整螺母7、推力筒8、前后滑座9、聯(lián)軸器10、電機(jī)11和機(jī)座12等組成。此外，還配有電氣控制系統(tǒng)和液壓站。磨室里裝有一對(duì)磨片，一個(gè)固定在磨室上，稱為定磨片，另一個(gè)固定在軸端并隨主軸旋轉(zhuǎn)，稱為動(dòng)磨片。在液壓系統(tǒng)和主電機(jī)的共同驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸同時(shí)可沿軸向前、后移動(dòng)，從而使動(dòng)磨片向定磨片靠近或離開，正常打漿時(shí)兩磨片之間必須保持一定的間隙，不同的漿種，間隙要求不同，由工藝要求確定。漿料進(jìn)入磨區(qū)時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)磨片使?jié){料產(chǎn)生巨大的離心力并獲得愈來愈高的線速度，漿料在兩磨片間運(yùn)動(dòng)軌跡呈近似螺旋線，同時(shí)經(jīng)受扭轉(zhuǎn)力、剪切力、摩擦力、擠壓力等作用，引起纖維的疏解分離、橫斷縱裂、吸水膨脹、分絲起毛、帚化和細(xì)纖維化等各種變化［3］，從而實(shí)現(xiàn)打漿或磨漿效果。

圖1 改進(jìn)前中濃液壓盤磨機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 盤磨機(jī)存在的問題

2.1 手動(dòng)調(diào)整磨片間隙

兩磨片之間的間隙大小是中濃打漿最重要參數(shù)之一，間隙太大或太小都會(huì)影響到成漿的質(zhì)量，打漿的最佳間隙主要靠生產(chǎn)實(shí)踐中摸索出來;不同的漿種，間隙要求是截然不同的。即使是同一種漿料，在生產(chǎn)過程中 (包括漿料的調(diào)配)受到各種因素的交叉影響，最佳打漿間隙也會(huì)發(fā)生變化。因此，兩磨片之間的間隙不僅在開機(jī)前要初步調(diào)定，在生產(chǎn)過程中也要視成漿的質(zhì)量變化適當(dāng)作一些調(diào)整。從圖1可知，主軸4通過滾動(dòng)軸承座5的軸向移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)兩磨片的重合或分開，滾動(dòng)軸承座5與推力筒8固定連接，調(diào)整螺母7與推力筒8構(gòu)成螺紋傳動(dòng)關(guān)系，在螺母軸向位置 (相對(duì)機(jī)座而言)不變的情況下，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺母來實(shí)現(xiàn)推力筒的軸向移動(dòng)，從而使主軸上的動(dòng)磨片移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)、定磨片間隙的調(diào)整。從上面的分析可以看出，要調(diào)整出磨片的間隙，首先要找出該盤磨機(jī)磨片間隙的“零位”，即動(dòng)、定磨片重合。操作步驟分三步:第一步，向后轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整螺母，使動(dòng)磨片較大偏離原來的位置;第二步，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)主軸向前，使兩磨片重合;第三步，向前旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺母，使之回到原來的位置。這時(shí)調(diào)整螺母在推力筒上所處的位置就是“零位”時(shí)的位置，兩磨片重合，間隙為零。

根據(jù)工藝要求調(diào)出兩磨片的間隙，步驟如下:第一步，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)主軸向后;第二步，向前轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整螺母，調(diào)整螺母在推力筒上所處的新位置后，再鎖緊調(diào)整螺母;第三步，液壓系統(tǒng)再驅(qū)動(dòng)主軸向前，使調(diào)整螺母回到原來的位置，這時(shí)，兩磨片的間隙就是調(diào)整螺母在推力筒上所處的新舊位置之差。由此可見，要調(diào)出兩磨片之間的間隙或者生產(chǎn)中不斷地調(diào)整磨片間隙的大小，都必須由工人現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作完成，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度較大，而且還會(huì)由于每個(gè)工人的熟練程度不同而導(dǎo)致打漿質(zhì)量的不穩(wěn)定。

2.2 軸承溫升異常導(dǎo)致燒壞

盤磨機(jī)主軸的高速旋轉(zhuǎn)常常使軸承發(fā)熱，通常情況下，滑座的水冷卻系統(tǒng)可以帶走軸承產(chǎn)生的熱量，使之達(dá)到發(fā)熱與散熱平衡;但當(dāng)軸承潤(rùn)滑不夠、軸承本身質(zhì)量問題或主軸精度低等因素的影響下，可能造成軸承溫升異常而操作人員卻渾然不覺，最后導(dǎo)致軸承燒壞。頻繁的設(shè)備維修嚴(yán)重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，并且給企業(yè)造成相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失。

3 改進(jìn)與升級(jí)

3.1 電動(dòng)調(diào)整磨片間隙

應(yīng)用機(jī)床上夾緊工件用的三爪卡盤調(diào)整磨片間隙。卡爪的一面改成斜面，3個(gè)卡爪徑向運(yùn)動(dòng)的位移量就轉(zhuǎn)化為主軸的軸向位移量，即兩磨片的間隙變化量。設(shè)計(jì)出一個(gè)電動(dòng)調(diào)整裝置代替手工操作調(diào)整磨片間隙，原來的調(diào)整螺母僅用作鎖緊功能。改進(jìn)后的盤磨機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。圖2中，7為電動(dòng)調(diào)整裝置，8為鎖緊組件。

電動(dòng)調(diào)整裝置橫向截面示意圖如圖3所示，軸向截面示意圖如圖4所示。電動(dòng)調(diào)整裝置主要由伺服電機(jī)、小錐齒輪、大錐齒輪、楔形卡爪和卡盤座組成。小錐齒輪與大錐齒輪嚙合，大錐齒輪的背面有平面螺紋結(jié)構(gòu)，3個(gè)卡爪等分安裝在平面螺紋上。伺服電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，小錐齒輪帶動(dòng)大錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大錐齒輪背面的平面螺紋就使3個(gè)楔形卡爪同時(shí)向中心靠近或退出磨片間隙變化量的計(jì)算。

圖2 改進(jìn)后中濃液壓盤磨機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

假如小錐齒輪與大錐齒輪的速比設(shè)為i，平面矩形螺紋的螺距設(shè)為N，大錐齒輪轉(zhuǎn)一圈，它背面的平面螺紋則帶動(dòng)3個(gè)卡爪徑向移動(dòng)一個(gè)螺距N，因此，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從伺服電機(jī)轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)n就可以計(jì)算出楔形卡爪的徑向位移量dy:

圖5為楔形卡爪結(jié)構(gòu)示意圖，從圖5可以看出，楔形卡爪的一面是平面矩形螺紋，螺矩為N;另一面是斜面，斜面的升角α，為一楔形結(jié)構(gòu)。從3個(gè)卡爪的運(yùn)動(dòng)軌跡可以作出卡爪軸向位移量計(jì)算模型，也就是磨片間隙變化量計(jì)算模型，如圖6所示。從圖6中可以得出:

tgα=dx/dy

dx=dy·tgα

其中，dy為卡爪徑向位移量，dx為卡爪軸向位移量，α為卡爪斜面升角。

α是一定值，只要知道卡爪的徑向位移量dy，就可以得出它的軸向位移量dx，卡爪的軸向位移量dx就是磨片間隙的變化量。

以上的計(jì)算結(jié)果只是理論值，由于圓錐齒輪傳動(dòng)、平面螺紋傳動(dòng)和零件加工等存在累積誤差，還要對(duì)其結(jié)果進(jìn)行必要的修正，才能得到實(shí)際的磨片間隙變化量。

伺服電機(jī)可以根據(jù)指令作出每次絕對(duì)值相同調(diào)整量，實(shí)際操作時(shí)先調(diào)出“零”值，然后微量一次次增加間隙，也可以一次次減少間隙，根據(jù)不同漿種隨時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整。

圖7是電動(dòng)調(diào)整裝置的三維軸測(cè)圖，圖8是楔形卡爪的三維軸測(cè)圖。對(duì)電動(dòng)調(diào)整裝置的控制可納入PLC全自動(dòng)控制系統(tǒng)。

3.2 設(shè)立軸承溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

軸承是盤磨機(jī)最重要的標(biāo)準(zhǔn)件，軸承損壞有時(shí)甚至?xí)绊懙脚c其相連的主軸和軸承座，如若這些主要零件損壞，將導(dǎo)致停機(jī)維修，不但影響正常生產(chǎn)，也給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。軸承發(fā)熱是軸承損壞最主要的原因。因此，要隨時(shí)能監(jiān)測(cè)軸承的溫度，就要設(shè)立一套溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫度監(jiān)控模塊、報(bào)警器等組成。溫度監(jiān)控模塊對(duì)軸承溫度的監(jiān)控通過設(shè)于盤磨機(jī)主軸軸承上的溫度傳感器實(shí)現(xiàn);當(dāng)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)溫度在盤磨機(jī)正常工作的溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)正常運(yùn)行;當(dāng)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)溫度超出盤磨機(jī)正常工作的溫度范圍時(shí)，系統(tǒng)控制報(bào)警并控制盤磨機(jī)停機(jī)或啟動(dòng)盤磨機(jī)的冷卻裝置直接進(jìn)行冷卻。該系統(tǒng)納入PLC全自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

3.3 建立PLC全自動(dòng)化控制系統(tǒng)

中濃液壓盤磨機(jī)PLC全自動(dòng)化控制系統(tǒng)，包括溫度監(jiān)控模塊、位移控制模塊、電流檢測(cè)模塊、電動(dòng)調(diào)整伺服控制模塊和進(jìn)退刀控制模塊。由溫度監(jiān)控模塊檢測(cè)盤磨機(jī)主軸軸承溫度，保證其溫度在軸承的正常工作溫度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù);電動(dòng)調(diào)整伺服控制模塊結(jié)合位移控制模塊和電流檢測(cè)模塊得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果輸送給進(jìn)退刀控制模塊，由進(jìn)退刀控制模塊控制液壓裝置及電動(dòng)調(diào)整裝置動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩磨片之間間隙的調(diào)節(jié)。在生產(chǎn)線上可以納入全線的中央控制系統(tǒng)來集中控制。

4 結(jié)語

改進(jìn)升級(jí)后的大功率中濃液壓盤磨機(jī)應(yīng)用在陜西圣龍紙業(yè)有限公司的中濃打漿生產(chǎn)線上，打漿效果好、高效節(jié)能，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化調(diào)節(jié)控制。在此基礎(chǔ)上，本中心將開發(fā)出更大功率的中濃液壓盤磨機(jī)，更加完善各種重要參數(shù)的監(jiān)測(cè)控制，進(jìn)一步提高中濃液壓盤磨機(jī)全自動(dòng)化控制水平。

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