張 鋒 高致富 劉 歡

(1.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安，710021;2.陜西科技大學(xué)陜西省造紙技術(shù)及特種紙開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710021)

搖振裝置是對(duì)成形網(wǎng)上的紙漿懸浮體施加可控的橫向剪切手段，降低纖維在成形網(wǎng)上的絮聚，以改善紙幅成形的勻度和纖維排列的一種輔助脫水元件［1］。由于傳統(tǒng)的搖振裝置受到頻率太低、反作用力大的限制，在高速紙機(jī)中，振動(dòng)特性值并不能達(dá)到要求。為了達(dá)到良好的成紙質(zhì)量，本研究設(shè)計(jì)了一種高速紙機(jī)的新型胸輥搖振裝置。該設(shè)計(jì)的核心機(jī)構(gòu)為兩組4個(gè)相同偏心轉(zhuǎn)子所組成的搖振箱，還包括調(diào)幅機(jī)構(gòu)、調(diào)頻機(jī)構(gòu)、靜壓導(dǎo)軌、偏心聯(lián)軸器及胸輥連接件等。該裝置的重心只能在胸輥中心線方向移動(dòng)，具有無(wú)反力作用的特點(diǎn)，對(duì)高速紙機(jī)紙幅成形有重要的作用。

1 搖振裝置的工作原理及其結(jié)構(gòu)

1.1 搖振裝置的工作原理

新型胸輥搖振裝置的核心部件是按物理重心原理產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)的搖振箱。搖振箱的核心結(jié)構(gòu)由兩組4個(gè)相同的偏心轉(zhuǎn)子組成。在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，兩組4個(gè)偏心轉(zhuǎn)子將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)慣性力，該慣性力通過(guò)搖振桿傳遞到軸向的胸輥上。搖振箱兩組4個(gè)相同偏心轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)受力示意圖如圖1所示。由圖1可知，偏心轉(zhuǎn)子是左右對(duì)稱(chēng)分布，偏心轉(zhuǎn)子可以繞著其軸心高速旋轉(zhuǎn)，它們之間是向著相反的方向旋轉(zhuǎn)，由于反向回轉(zhuǎn)時(shí)，偏心轉(zhuǎn)子垂直分力相互抵消，水平分力相互疊加，使得支撐回轉(zhuǎn)軸的搖振箱體發(fā)生水平方向的振動(dòng)，即在水平方向產(chǎn)生一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)［2］。

圖1 偏心轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)受力示意圖

在圖1中，圖1(a)為單個(gè)偏心轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)受力示意圖，轉(zhuǎn)子受到水平方向和垂直方向偏心力的合力;圖1(b)為一組偏心轉(zhuǎn)子的受力示意圖，因?yàn)檗D(zhuǎn)子完全相同，旋轉(zhuǎn)速度完全相同，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在任何時(shí)間都是上下對(duì)稱(chēng)。因此，它們整體受力情況是垂直方向受力為零，水平方向受到上下兩偏心轉(zhuǎn)子的水平合力;圖1(c)為兩組完全相同的4個(gè)偏心轉(zhuǎn)子。它們的受力情況是水平方向受兩組轉(zhuǎn)子的水平合力，垂直方向不受力。

高速紙機(jī)新型搖振裝置的設(shè)計(jì)，就是通過(guò)圖1的原理達(dá)到搖振功能，并使設(shè)備在垂直方向上不受力，降低了設(shè)備的振動(dòng)。這將會(huì)有效地降低紙機(jī)部件的損壞，使紙機(jī)多個(gè)部件的使用壽命增加。為了達(dá)到成紙質(zhì)量的最佳狀態(tài)，要求振幅是可調(diào)的。由于振幅是由振動(dòng)質(zhì)量力相加的，所以，可以借助偏心轉(zhuǎn)子之間的夾角調(diào)節(jié)相位來(lái)調(diào)節(jié)振幅。換言之，通過(guò)改變偏心轉(zhuǎn)子之間的相位差來(lái)調(diào)節(jié)振幅大小。

1.2 搖振裝置的結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)新型搖振裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)搖振胸輥來(lái)?yè)u振成形網(wǎng)，達(dá)到提高紙張質(zhì)量的目的。該裝置由可以產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)的搖振箱、振幅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及液體靜壓導(dǎo)軌組成。通過(guò)連桿將搖振箱體和胸輥連接起來(lái)，進(jìn)而帶動(dòng)胸輥?zhàn)鐾鶑?fù)高頻搖振。根據(jù)網(wǎng)速和搖振參數(shù)，在線調(diào)節(jié)振幅和頻率。最高頻率可達(dá)600次/min，最高振幅可達(dá)25±12.5 mm。

圖2 新型搖振裝置結(jié)構(gòu)

2 搖振裝置的設(shè)計(jì)

本課題主要包括相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算和對(duì)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵部件主要包括偏心轉(zhuǎn)子、靜壓導(dǎo)軌、平行偏心聯(lián)軸器、胸輥連接件和調(diào)幅裝置。

2.1 搖振裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算

主要包括振動(dòng)特性值計(jì)算、搖振裝置的功率計(jì)算。

2.1.1 搖振特性值計(jì)算

紙機(jī)應(yīng)用中，搖振特性值為3000～4000時(shí)，成紙質(zhì)量最佳。搖振特性值的計(jì)算公式如式 (1)所示。

式中，Ish為振動(dòng)特性值;n2Z為振動(dòng)頻率，次/min;a為行程，mm;v為紙機(jī)網(wǎng)速，m/min。

2.1.2 搖振裝置的功率計(jì)算

在不考慮彈簧剛度時(shí)，搖振裝置的慣性力F的計(jì)算公式如式 (2)所示。

式中，m為受振部件的計(jì)算質(zhì)量，N·s2/m;e為偏心轉(zhuǎn)子的偏心距，m;ω為搖振裝置主傳動(dòng)軸的角速度，rad/s;φ為偏心連線的回轉(zhuǎn)角。

當(dāng)φ等于0°或180°時(shí)，F(xiàn)有最大慣性力，得:

當(dāng)不計(jì)損耗的條件下，功率計(jì)算見(jiàn)式 (4)。

其中速度由式 (5)表示。

將式 (2)、式 (5)代入式 (4)可得搖振裝置的功率為式 (6)。

當(dāng) φ 為 45°、135°、225°和 315°時(shí)，搖振裝置功率P有最大值，即

由式 (7)可知，搖振裝置的功率和偏心連接的回轉(zhuǎn)角呈正弦曲線變化，故搖振裝置的功率由式 (8)表示。

2.1.3 偏心轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)

根據(jù)偏心轉(zhuǎn)子的總激振力Fpmax大于胸輥慣性力Fmax的要求，借鑒經(jīng)驗(yàn)，先確定相關(guān)的外形尺寸，再根據(jù)胸輥的慣性力，計(jì)算所需偏心轉(zhuǎn)子的偏心質(zhì)量，進(jìn)一步設(shè)計(jì)偏心轉(zhuǎn)子的尺寸。在本設(shè)計(jì)中，搖振裝置的核心部位為4個(gè)偏心轉(zhuǎn)子，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。偏心轉(zhuǎn)子的偏心距e、激振力fp和振幅ax計(jì)算［3-4］見(jiàn)式 (9)～式 (12)。

式中，fp為偏心轉(zhuǎn)子的激振力，N;B為偏心轉(zhuǎn)子的厚度，m;ρ為偏心轉(zhuǎn)子的密度，kg/m3;ω為偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad/s。

當(dāng)轉(zhuǎn)角θ為90°或270°時(shí)，水平方向有最大振幅。

圖3 偏心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 靜壓軌道設(shè)計(jì)

2.2.1 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，選用v-平型導(dǎo)軌，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。v-平型導(dǎo)軌具有較好的承受垂直載荷、具有抗拒偏載引起傾覆力矩的能力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工和調(diào)整等特點(diǎn)。底軌單獨(dú)直接固定在搖振裝置外箱體的底部，動(dòng)導(dǎo)軌通過(guò)一個(gè)橫板和搖振箱體連接在一起，從而完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2.2.2 油腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸

圖4 v-平型導(dǎo)軌

一般情況下，對(duì)于作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的靜壓導(dǎo)軌，油腔開(kāi)在動(dòng)導(dǎo)軌上，保證油腔不外露。但是，這樣做就必須配備相應(yīng)的伸縮管，而對(duì)于高速振動(dòng)的搖振裝置，由于需要保證給油壓強(qiáng)，對(duì)管道的要求比較高。因此，本設(shè)計(jì)中，將油腔開(kāi)在定導(dǎo)軌上，由于本設(shè)計(jì)的振幅很小，在定導(dǎo)軌的兩端留有足夠長(zhǎng)的常規(guī)導(dǎo)軌，這樣既可以保證油腔不外露，又可以省去安裝伸縮管的麻煩，簡(jiǎn)單方便。中間不設(shè)計(jì)靜壓軌道，只起連接和固定等作用，而在兩端設(shè)置靜壓導(dǎo)軌。

2.2.3 承載能力計(jì)算

油腔中潤(rùn)滑油的壓強(qiáng)為p，當(dāng)它沿油封邊向外流出時(shí)，壓強(qiáng)逐漸降低，與大氣相通后，壓強(qiáng)降為零。假定壓強(qiáng)的變化符合線性規(guī)律，可用式 (13)［5］表示動(dòng)導(dǎo)軌的受力平衡條件。

式中，P為每個(gè)支座所承受的外部載荷，包括工件的重量和切削力，N;G為每個(gè)支座所承受的動(dòng)導(dǎo)軌 (如工作臺(tái))的重量，N;p為油腔內(nèi)壓強(qiáng)，Pa;F為支座的面積，F(xiàn)=BL，(m2);CF為有效承載面積系數(shù)。

式中，L、B分別為支座的長(zhǎng)度和寬度;l、b分別為油腔的長(zhǎng)度和寬度。

當(dāng)確定了每個(gè)支座所承受的載荷以及制作的油腔尺寸后，就可以按式 (14)計(jì)算油腔內(nèi)潤(rùn)滑油的壓強(qiáng)。根據(jù)式 (14)可得:

由式 (15)可知，油腔內(nèi)的壓強(qiáng)p隨著載荷P的變化而變化。但是在設(shè)計(jì)中，動(dòng)導(dǎo)軌支撐著搖振箱，故而它承受的載荷主要為搖振箱的重力，即4個(gè)偏心轉(zhuǎn)子重量，再加上兩對(duì)相互嚙合的傳動(dòng)齒輪以及搖振箱體的重量，將參數(shù)代入式 (15)，可計(jì)算油腔內(nèi)的壓強(qiáng)p。

2.2.4 液壓油進(jìn)油和回油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在定導(dǎo)軌的側(cè)面設(shè)置進(jìn)油孔，通過(guò)管道連接給油加壓支撐起動(dòng)導(dǎo)軌;排油系統(tǒng)是油液從導(dǎo)軌上流到箱體底部，然后通過(guò)箱體的油孔回收油。進(jìn)而完成油液的循環(huán)利用［6］。

2.3 平行偏心聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)

由搖振裝置的工作原理可以看出，電動(dòng)機(jī)是固定不動(dòng)的，但是電動(dòng)機(jī)的功率是通過(guò)一個(gè)輸出軸傳遞給搖振箱的，搖振箱在垂直于傳動(dòng)軸軸線的方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，故而電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸與搖振箱的連接結(jié)構(gòu)是一個(gè)難點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)不但要滿足傳遞動(dòng)力，還要滿足搖振箱在水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中，選用PXC系列平行偏心聯(lián)軸器。PXC系列平行偏心聯(lián)軸器不會(huì)將徑向振動(dòng)從驅(qū)動(dòng)裝置傳遞到從動(dòng)軸，而且具有優(yōu)良的性能、緊湊的設(shè)計(jì)和較大的偏差補(bǔ)償能力等特點(diǎn)。

2.4 胸輥連接件的結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)中，胸輥與搖振箱的連接結(jié)構(gòu)是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。搖振箱的作用使胸輥沿軸線做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)胸輥要做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為滿足以上的運(yùn)動(dòng)要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)連接件，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 胸輥連接件

連接件分為上下兩部分，通過(guò)螺栓連接在一起。在裝配圖中，連桿與胸輥軸頸之間安裝兩個(gè)推力軸承。首先，無(wú)論搖振箱對(duì)胸輥是拉還是推，胸輥都在高速旋轉(zhuǎn)，因此必須有在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中既帶動(dòng)搖振，又不影響旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。圖5所示的結(jié)構(gòu)，胸輥在軸向受力都會(huì)有推力軸承來(lái)減少摩擦力。設(shè)計(jì)上下機(jī)構(gòu)便于安裝與拆卸。

2.5 調(diào)幅裝置的設(shè)計(jì)

在搖振過(guò)程中，由于漿料的差異，對(duì)搖振振幅的要求不同，這就必須有在線調(diào)幅裝置來(lái)完成這一功能。因此，在搖振裝置設(shè)計(jì)中，振幅的調(diào)節(jié)是非常重要的一部分。調(diào)幅裝置主要通過(guò)調(diào)節(jié)兩組偏心轉(zhuǎn)子的相位差來(lái)調(diào)節(jié)振幅。本設(shè)計(jì)中采用套筒結(jié)構(gòu)的調(diào)幅裝置，其工作原理是圓柱凸輪。在套筒的一端設(shè)計(jì)有氣缸，當(dāng)氣缸推動(dòng)套筒移動(dòng)的時(shí)候，小圓柱會(huì)在軌道中移動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，達(dá)到調(diào)節(jié)兩組偏心轉(zhuǎn)子相位差的目的，見(jiàn)圖6。

圖6中，a表示傳動(dòng)軸，在軸上有兩道螺旋溝槽;b表示調(diào)幅套筒，套筒的內(nèi)壁有兩個(gè)小圓柱。通過(guò)這個(gè)機(jī)構(gòu)，可以有效地調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)中的兩組偏心轉(zhuǎn)子的相位差，調(diào)節(jié)振幅。

圖6 振幅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2.6 其他部件的設(shè)計(jì)

在搖振裝置中，還有其他一些部件，如調(diào)頻裝置、搖振裝置外殼體、底座 (支架)、箱體等都是搖振裝置所必須的部件。本設(shè)計(jì)中，調(diào)頻裝置通過(guò)電機(jī)變頻來(lái)調(diào)節(jié)振幅頻率;搖振裝置的外殼，底板采用鑄鐵，表面噴涂防腐、防銹涂層。調(diào)幅機(jī)構(gòu)和電機(jī)的上半部分采用不銹鋼護(hù)罩。在搖振箱的底部處，外殼有油液回收循環(huán)利用的作用。各個(gè)底座都為鑄鐵材料。

3 結(jié)論

本課題設(shè)計(jì)的胸輥搖振裝置具有以下幾個(gè)特點(diǎn):采用4個(gè)相同的偏心轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的工作原理，使胸輥搖振裝置對(duì)相連部件振動(dòng)很小或者沒(méi)有振動(dòng)，故而它不需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)措施來(lái)承受振動(dòng)力;通過(guò)采用靜壓導(dǎo)軌、偏心聯(lián)軸器和胸輥連接件的設(shè)計(jì)，很好地降低了因搖振運(yùn)動(dòng)而損耗的能量;并且在紙機(jī)車(chē)速很高時(shí)仍然可以具有很高的振動(dòng)特性值，可以有效地減少纖維絮聚，提高紙幅勻度。除了上述優(yōu)點(diǎn)外，還具有在線調(diào)節(jié)振幅技術(shù)，可降低事故的發(fā)生，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，維護(hù)成本低。

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