呂洪玉 天津科技大學(xué)

張馳 卞學(xué)詢 福佳大正機(jī)械有限公司

衛(wèi)生紙機(jī)中的濕紙幅經(jīng)過壓榨脫水后，再進(jìn)入揚(yáng)克缸進(jìn)行干燥，壓榨脫水是最經(jīng)濟(jì)的降低紙幅水分的方法。由于托輥外側(cè)包膠在線荷載作用下要發(fā)生變形，所以托輥與揚(yáng)克缸接觸為面接觸。研究包膠輥面的變形將更新人們對(duì)揚(yáng)克缸上荷載的認(rèn)識(shí)，即托輥與揚(yáng)克缸之間的載荷為面荷載。此外，本文對(duì)包膠變形的研究將對(duì)壓榨性能與包膠輥的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 壓區(qū)計(jì)算分析

1.1 壓區(qū)寬度與壓力峰值

衛(wèi)生紙機(jī)中紙幅成形后，經(jīng)傳送進(jìn)入干燥部。經(jīng)過真空托輥進(jìn)行壓榨脫水后再進(jìn)入揚(yáng)克缸干燥。同時(shí)揚(yáng)克缸上面有氣罩裝置，利用熱風(fēng)的射流強(qiáng)制對(duì)流蒸發(fā)干燥。其中托輥壓榨是機(jī)械脫水，是最為節(jié)能高效的脫水方式。研究壓榨效果的參數(shù)可以為揚(yáng)克缸設(shè)計(jì)提供所需要的邊界條件：托輥為包膠輥，在線荷載作用下與相鄰烘缸之間相互擠壓，使?jié)窦埛鶖D壓脫水。如圖1所示。

圖1 衛(wèi)生紙機(jī)干燥系統(tǒng)

衛(wèi)生紙機(jī)壓榨部設(shè)計(jì)是造紙工藝設(shè)計(jì)師與設(shè)備建造工程師關(guān)注的問題。筆者前期工作有托輥對(duì)于揚(yáng)克缸的應(yīng)力分析計(jì)算[1]，托輥?zhàn)饔孟聯(lián)P克缸變形分析[2]。此后，對(duì)托輥引起揚(yáng)克缸應(yīng)力分析的不同算法進(jìn)行了研究[3]。

首先，壓榨輥的結(jié)構(gòu)一般是在不銹鋼輥芯的外側(cè)包覆一定厚度的橡膠或是聚氨酯等粘彈材料。包覆層材料在壓力作用下發(fā)生變形。由于此類材料為非線性材料，壓區(qū)中不同位置的壓力值[4]分布如圖2所示。

圖2 包膠輥的壓區(qū)與峰值應(yīng)力

研究表明，對(duì)于不同硬度的包膠，其壓區(qū)不同位置的壓力也有所不同[5]。包膠硬度高時(shí)壓區(qū)偏窄，峰值壓力高；包膠硬度低時(shí)壓區(qū)寬度增大，峰值壓力降低。如圖3。

圖3 不同包膠硬度變形

圖3說明：（1）隨著包膠材料硬度降低，壓區(qū)寬度增大；（2）壓區(qū)寬度值與壓力峰值成反比。

1882年赫茲關(guān)于接觸應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型[5]也說明了這一點(diǎn)。

b ——壓區(qū)寬度；N ——線荷載

隨著技術(shù)進(jìn)步以及計(jì)算技術(shù)的提高，人們對(duì)于非線性材料特性的認(rèn)識(shí)以及對(duì)壓榨的分析計(jì)算能力有了很大的提高。安德里茨公司發(fā)布了Nip Cal[6]程序。當(dāng)給定包膠輥與相鄰輥的設(shè)計(jì)參數(shù)，該程序可計(jì)算出壓榨的壓區(qū)寬度、峰值壓力、保壓時(shí)間和壓榨沖量值。

筆者所在的科研團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了具有自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的帶有壓榨輥溫度場分析的壓榨分析軟件Nip Comp[7]。這一計(jì)算分析軟件具有計(jì)算速度快、精度高的特點(diǎn)，它為造紙廠、造紙機(jī)械廠與包膠廠技術(shù)人員提供了壓榨分析工具，計(jì)算輸出如圖4所示。

圖4 Nip Comp壓榨分析計(jì)算

托輥與揚(yáng)克缸之間的載荷并非作用于一條直線上的線荷載，而是作用于一個(gè)壓區(qū)內(nèi)的荷載。線荷載的分布為一似拋物線的形狀。揚(yáng)克缸的強(qiáng)度與剛度有限元計(jì)算依賴于上述計(jì)算出的壓區(qū)寬度與壓力峰值，以面荷載輸入荷載條件。壓區(qū)寬度一般不大于60mm，因此在揚(yáng)克缸計(jì)算中單元?jiǎng)澐忠话阊丨h(huán)向劃分四排或六排單元計(jì)算精度已經(jīng)足夠（如圖5所示），而接觸面壓強(qiáng)取中間值（圖上近似也有足夠的計(jì)算精度）。

圖5 壓區(qū)單元?jiǎng)澐?/p>

1.2 “線荷載”與壓區(qū)荷載的對(duì)比

有限元分析的三維實(shí)體單元?jiǎng)澐峙c應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 有限元分析的網(wǎng)格劃分及應(yīng)力分布

將上述有限元分析結(jié)果與常規(guī)線荷載分析對(duì)比。由于采用了面荷載，沿?fù)P克缸環(huán)向變形區(qū)域加大，而應(yīng)力水平以及徑向變形明顯降低（如表1所示）。所以采用面荷載作有限元計(jì)算更接近揚(yáng)克缸所受荷載的真實(shí)工況。

表1 “線荷載”與壓區(qū)荷載對(duì)比

上述計(jì)算結(jié)果只是說明“線荷載”與壓區(qū)荷載計(jì)算的對(duì)比，“線荷載”只是理論上的概念，并非真實(shí)工況，上述壓區(qū)荷載的計(jì)算值是在給定揚(yáng)克缸直徑、運(yùn)行車速、壓榨輥的直徑、包膠厚度、包膠硬度以及給定線荷載之下的一種計(jì)算值。隨著這些參數(shù)的變化，壓區(qū)寬度、壓力峰值以及最大變形量等數(shù)值也在變化。對(duì)于“線荷載”，可通過有限元計(jì)算或通過近似計(jì)算方法計(jì)算壓力峰值[1-2]及揚(yáng)克缸最大變形量[3]。

2 壓榨的優(yōu)化設(shè)計(jì)

如前所述，當(dāng)給定了包膠輥的結(jié)構(gòu)尺寸、包膠硬度以及相鄰輥的直徑，通過Nip Comp程序計(jì)算分析，可以得出壓區(qū)寬度、壓力峰值、保壓時(shí)間以及壓榨沖擊等數(shù)值。也就是說，在相同線荷載的作用下，不同結(jié)構(gòu)的壓榨輥，其壓榨的效果是不同的。

現(xiàn)階段研究結(jié)果還沒有得到可以用來確定其壓榨后干度值的托輥壓榨的設(shè)計(jì)參數(shù)。這是由于影響托輥壓榨干度的因素很多。除壓榨輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)外，還有輥?zhàn)娱_孔、開溝以及真空設(shè)計(jì)等影響因素。但是工程實(shí)踐表明，在真空托輥的結(jié)構(gòu)一定的前提下，增加峰值壓力會(huì)提高濕紙幅的干度。因此，在托輥壓榨情況下，提高壓力峰值是提高壓榨干度的有效途徑。

工程實(shí)踐與計(jì)算分析結(jié)果表明，真空托輥壓榨應(yīng)控制其峰值壓力在2.5～3.0MPa，最大壓區(qū)寬度為60mm。適當(dāng)?shù)膲簠^(qū)寬度可以保證壓榨的干度與紙幅的松厚度。此外，根據(jù)赫茲原理可知，峰值壓力與壓區(qū)寬度成反比例，因此做壓榨優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分照顧到這兩個(gè)方面。

托輥的透孔與盲孔以及開溝設(shè)計(jì)的優(yōu)化，直接影響著水分收集。已經(jīng)有不少相關(guān)的專利技術(shù)[8]正在實(shí)施中。

壓榨的保壓時(shí)間越長壓榨效果越好，保壓時(shí)間也稱壓區(qū)停留時(shí)間（NRT），其計(jì)算方法是：

其中，紙機(jī)車速易于測量，而紙機(jī)方向壓區(qū)寬度的變化極大。一般大直徑壓榨輥、硬度低的包膠材料會(huì)增加保壓時(shí)間，優(yōu)化設(shè)計(jì)過程也應(yīng)適當(dāng)考慮保壓時(shí)間。

壓榨沖擊值是一個(gè)非常重要的參數(shù)，但是這一參數(shù)往往被忽略了，其定義是：

tb——沖量開始時(shí)間；te——沖量完成時(shí)間；p1、p2——紙幅兩面壓力。

如圖7所示，水的移除能力與p1、p2間的面積成正比例，由此加大壓區(qū)荷載與保壓時(shí)間將增加水的移除能力[9]。為使p2線下移，增加p1、p2之間的面積，同時(shí)減少回濕現(xiàn)象，應(yīng)該采用壓榨專用毛毯，可達(dá)到此目的[10]。

圖7 壓區(qū)荷載影響水的移除能力

綜上所述，濕紙幅通過壓榨移除水分，其線壓力會(huì)影響壓榨效果。但給定線壓力同時(shí)還要考慮其他影響壓榨效果的因素，如壓榨輥的直徑、包膠厚度、包膠硬度等的選擇，優(yōu)化設(shè)計(jì)使壓榨紙幅脫水效果更好。表2所示工程實(shí)例與計(jì)算分析均涉及到壓榨的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。

案例1與案例2為鑄鐵揚(yáng)克缸，并使用燃?xì)鈿庹?，案?為鋼制揚(yáng)克缸蒸汽氣罩。案例1壓區(qū)寬度尚可，但峰值壓力較低，保壓時(shí)間與壓榨沖量均較低；案例2包膠厚度和包膠硬度降低，使得沖量上升。結(jié)合案例1、案例2，改進(jìn)算例1，將線壓提升到120kN/m，壓區(qū)寬度、峰值壓力、保壓時(shí)間及壓榨沖量均達(dá)到較好的效果。

案例3適用于蒸汽氣罩，希望壓榨效果有所提高。為此加大壓榨輥直徑，提高線壓力，其結(jié)果更優(yōu)于案例1、案例2的改進(jìn)算例1，經(jīng)現(xiàn)場測量，壓榨后的干度可達(dá)到42%。

在此基礎(chǔ)上我們又探討了大直徑6,100mm揚(yáng)克缸的高速衛(wèi)生紙機(jī)壓榨設(shè)計(jì)算例2，也得到較好的效果。

表2 工程實(shí)例與算例

3 總結(jié)

揚(yáng)克缸與托輥之間的線荷載的實(shí)際情況是，包膠在壓力作用下發(fā)生變形，托輥與揚(yáng)克缸接觸為面接觸，所以載荷性質(zhì)是面荷載。面荷載作用應(yīng)該用專用程序，如Nip Comp程序進(jìn)行分析，確定其壓區(qū)寬度與壓力峰值等參數(shù)，再進(jìn)行揚(yáng)克揚(yáng)克缸的強(qiáng)度與剛度計(jì)算。大量計(jì)算分析表明，以面荷載計(jì)算結(jié)果，揚(yáng)克缸的應(yīng)力與變形均低于以線荷載計(jì)算數(shù)值，其可靠性較高。

對(duì)于線荷載作用于揚(yáng)克缸，其計(jì)算結(jié)果有壓區(qū)寬度、壓力峰值、保壓時(shí)間與壓榨沖量等參數(shù)，這里存在優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。壓區(qū)力爭寬些，一般數(shù)值應(yīng)接近60mm為優(yōu)，壓力峰值應(yīng)不低于2.5 MPa，保壓時(shí)間與揚(yáng)克缸車速、壓榨輥直徑相關(guān)聯(lián)，應(yīng)盡量控制在1.5ms；壓榨沖量值應(yīng)該控制在3.5kPa·s以上。因此壓榨的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要綜合考慮大量計(jì)算結(jié)果，才可以完成一個(gè)好的壓榨設(shè)計(jì)。

此外，正確選擇壓榨毛毯，以減少回濕現(xiàn)象，增加出壓榨干度，壓榨輥開孔及配置真空輥等設(shè)計(jì)應(yīng)納于優(yōu)化設(shè)計(jì)之中。