基于有限元法的紙機壓榨部機架機械性能分析

蘇雄波 楊 軍 侯順利

(陜西科技大學陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室，陜西西安，710021)

基于有限元法的紙機壓榨部機架機械性能分析

蘇雄波 楊 軍 侯順利

(陜西科技大學陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室，陜西西安，710021)

利用有限元分析的方法，對壓榨部機架及加壓臂的機械性能進行分析。通過對機架和加壓臂的靜力分析，得出在靜力載荷作用下機架及加壓臂的變形及應力分布，校核了機架和加壓臂的靜力剛強度。通過對機架的模態分析，得到機架的模態頻率和模態振型，提出了模型機架的最適宜運行車速為880 m/min，并通過對模態頻率分布的分析，提出在一階模態頻率后還有600 m/min的提速空間。

有限元分析;壓榨部機架;靜力分析;模態分析

造紙工業在國內外都被列入國民經濟的主要支柱產業之一。20世紀90年代后期，我國造紙工業步入高速發展時期，造紙工業技術裝備整體水平也不斷提高。寬幅、高車速、高效率，仍然是近10年來的發展趨勢。壓榨部的主要作用是用機械擠壓的方法降低濕紙幅的含水量，以提高紙幅進入干燥部的干度。壓榨部的脫水沿紙幅的幅寬上應該是均勻的。紙幅有局部過干或過濕現象會產生紙幅局部的過于干燥和壓潰的現象［1］。壓榨部在工作過程中機架及加壓臂上作用了較大的工作載荷，對于大輥徑壓榨，其線壓力為100～400 kPa/m，而靴壓則更高達1000 kPa/m以上，且線壓力的增大隨著幅寬的增加尤其明顯。同時，車速的不斷提高使得壓榨輥轉速增加，壓榨輥由于加工或安裝精度產生的偏重構成了對機架主體的高頻激振［2］。若激振頻率與機架自身頻率一致，則會產生共振導致劇烈的變形，使得壓榨輥兩端施壓不均，造成紙幅橫幅脫水不均，紙幅過于干燥或壓潰，并容易為后續的加工帶來斷紙等故障。本文利用大型有限元分析軟件ANSYS，對干燥部機架及加壓臂進行三維有限元分析。通過分析得出機架和加壓臂在載荷作用下的應力及變形分布情況。并利用動力學模態分析，研究機架的各階固有頻率及模態振型，探討壓榨部機架適宜的車速范圍和車速提高的可能性，為壓榨部的設計制造提供參考。

1 紙機壓榨部機架有限元建模

1.1 壓榨部機架及加壓臂三維CAD建模

紙機壓榨部主要由壓榨輥、壓榨網毯、導輥、校正張緊裝置、加壓臂、機架和加壓及傳動裝置等組成。對于一般的壓榨，工作時由汽缸或加壓墊等通過加壓臂將載荷作用在上壓輥上，在上下壓輥間構成橫幅均勻的壓區。下壓輥通過軸承座固定在機架上。本文以幅寬5500 mm的掛面箱紙板機干燥部為研究對象，壓榨形式為盲孔寬壓區壓榨。采用AutoCAD作為三維建模工具，建立機架的三維模型，如圖1所示。該紙機壓榨部采取門式機架，為了便于安裝及拆卸，機架分為上、下兩部分，中間采用螺栓連接。上下機架只在更換壓榨輥或者檢修時才拆分。加壓臂作為壓榨部重要的載荷施加元件，其靜強度和剛度對壓榨部的運行性能有重大影響，因此本文對加壓臂進行了分析。建立加壓臂的三維模型，如圖2所示。

1.2 壓榨部機架及加壓臂有限元建模

將AutoCAD建立的模型導入ANSYS中，考慮模型結構不是很復雜，直接采用實體單元，選擇單元類型為SOLID45，該單元是三維8節點實體單元［3］。根據機架的加工及工況，在建立有限元模型前，進行以下假設。

(1)連續性假設:機架各梁采取焊接連接，各梁焊接后可視作一個整體，受載后應力變形符合連續性要求［4］。

(2)結構簡化:對于機架上的對整體力學效果作用不大的結構，比如凸臺，倒角等皆進行簡化，以減少計算工作量［5］。

(3)固定約束假設:機架底板與基礎之間采用螺栓連接固定，螺栓連接限制了x、y、z方向的自由度，即機架底板為剛性約束［6］。

設定材料屬性彈性模量EX=200 GPa，泊松比PRXY=0.3，材料密度Dens=7.8×103kg/m3。利用Mesh Tool，根據結構特點，采用自由網格劃分Smart Mesh得到機架和加壓臂的網格化模型，如圖3和圖4所示。

1.3 邊界條件及載荷

機架的底板采用螺栓固定在紙機基礎上，同時由于壓榨部工作狀態下載荷極大且極易產生震動，在壓榨部進行安裝時，機架底部采取了高強度的固定方式。因此對于機架的底板施加約束時，采用零位移約束，即認為機架底板是剛性固定在基礎上的，x、y、z 3個方向均無位移。對于機架其他部分，x、y、z 3個方向均不施加任何自由度約束。分析加壓臂工作時的路徑，由于前后鉸孔帶來的在z向自由度的約束。因此對于加壓臂，進行分析時對它施加z向自由度和位移約束。分析壓榨部的受載情況，在上下壓榨輥的安裝位置上，壓榨輥通過軸承座固定。軸承座與安裝處接觸面較大，即載荷可視為壓力載荷作用。本文研究對象為幅寬5500 mm的掛面箱紙板機壓榨部機架，該紙機壓榨部配置為兩道寬壓區壓榨。壓榨輥直徑1500 mm，長度6050 mm，壓輥及附屬件總重35 t。壓榨部設計線壓力為350 kN/m。加壓臂一端通過絞孔固定在機架上，另一段由加壓汽缸驅動以完成加壓和釋壓動作。壓榨部各部件受載情況如表1所示。

表1 壓榨部各部件受載情況

2 紙機壓榨部機架及加壓臂靜力學分析

2.1 壓榨部機架靜力分析

對機架的網格化模型施加約束和載荷后，利用ANSYS的靜力分析 (Static)模塊，得到在靜力載荷作用下的應變分布情況，如圖5所示。同時，壓榨部工作時機架承受較大的載荷，因此對于機架的靜力學剛強度要求也很高。通過靜力分析，得出靜力作用下機架的應力分布，如圖6所示。

根據靜力載荷作用下機架的應變分布 (圖5)，可見在下壓輥軸承座安裝面上出現了較大的位移，即變形。這是由于上下壓輥的重量，以及壓榨時由加壓汽缸作用在上壓輥的壓力都最終作用在該安裝面，導致該處發生了下凹變形。在操作側和傳動側的門式機架上，兩根立柱上應變出現對稱分布的規律。具體應變表現為由底部向頂部逐步減少，同時兩根立柱出現了一定程度的向內側彎曲變形。這是由于在機架上部加壓臂及汽缸固定鉸孔處，都有較大的力作用，同時底部施加的是零位移約束，因此導致了立柱的內彎變形。機架在靜力載荷作用下的應變及應力分布如表2所示。

表2 機架靜力載荷作用下應變及應力分布

由表2所示應變及應力數據可知，最大的應變出現在門式機架底部下壓榨輥軸承座安裝面上，最大應變值為0.2861 mm，而且應變分布表現為由中間高峰向兩側均勻遞減的規律，如圖7所示。軸承座安裝面上出現的最大應力為53.146 MPa，最小值為5.095 MPa，應力分布與應變分布具有相同的、由中間高峰向兩側均勻遞減的規律，如圖8所示。機架所有材料為碳鋼，其需用安全應力為 ［σ］=200 MPa，遠大于最大的應力值，即該機架靜力強度滿足材料安全要求。同時最大應變值為0.2861 mm，變形量極小，能夠滿足壓榨部對機械剛度的要求。

對于門式機架兩根立柱，在應變及應力分布上都表現出了較為一致的對稱性。最大的應變和應力都出現在立柱的中部，最大應變為0.0954 mm，最大應力值為29.526 MPa，在分布規律上應變與應力都是從底部向頂部首先經歷一個小的增幅，然后呈線性地遞減，如圖9和圖10所示。

2.2 壓榨部加壓臂靜力分析

壓榨部工作時，汽缸驅動加壓臂，通過上壓輥下壓使得上、下壓輥間的紙幅受到擠壓而實現紙幅脫水。因此，為了保證紙幅在橫幅方向的脫水均勻，要求在橫幅方向壓輥下壓壓力及下壓位移均勻一致。本案例壓榨部設計線壓力為350 kN/m，幅寬5500 mm，在如此大的作用力下，加壓臂的剛強度對于壓區的均勻性影響極大。因此分析加壓臂的靜力剛強度，有著重要的意義。對加壓臂施加約束及載荷后，得到其變形及應力分布，如圖11和圖12所示。由圖11可知，加壓臂最大應變位置為兩端鉸孔處，最大的應變值為0.0474 mm，變形量極小。最大應力位置為兩端鉸孔處，最大應力值為7.431 MPa。由此可知，加壓臂的變形滿足壓榨部的運行精度要求，且最大應力值滿足機械安全要求。對于上壓輥軸承座安裝處，其應變的一致性對于上下壓輥中線的平衡非常重要，由圖13所示應變曲線可知，波峰波谷分布及數值變化相對對稱，即該面各處應變較均勻。

3 紙機壓榨部機架動力學模態分析

現代紙機不斷向著高速寬幅的方向發展，壓榨部作為紙機中大載荷、高振動、對成紙性能影響極大的關鍵部件，在高速運行中表現出的動力穩定性是非常重要的。模態是機械結構的固有振動特性，每個模態具有固定的頻率、阻尼和模態振型。通過模態分析得出結構物在某一受影響的頻率范圍內各階主要模態的特性，就可以預知結構在此頻段內在外部或者內部震源作用下的實際振動響應。模態分析是結構動態分析及設備故障診斷的重要方法。通過對壓榨部機架的模態分析，可以得到其在不同頻段的振動變形情況，即可得到對應機架適宜的車速范圍。模態分析可以為紙機機架的設計提供數據參考。通過設定材料參數及對底板實施零自由度約束，得到前四階固有頻率及對應模態振型最大變形量和最大應力，對應的模態振型為圖14～圖17。各階模態的模態頻率、最大變形和應力及對應紙機車速參數見表3所列。

表3 壓榨部機架模態頻率及對應參數

由表3所列壓榨部機架的前四階模態參數及對應的運行車速可知，本案例模型適宜運行車速為低于1256 m/min的中低速紙機干燥部 (按照導輥直徑400 mm換算)［2］。理論上需要因導輥轉動產生的激振頻率小于一階模態頻率16.673 Hz時，機架不會發生共振。但實際操作時，運行頻率一般控制在共振頻率的70%以下才安全，即對應車速為880 m/min以下時機架不產生任何共振，結構動態穩定性好。但是當車速提高，導輥產生的激振頻率接近或達到16.673 Hz時，機架則發生共振。

由圖14所示一階模態振型，即共振下的變形應變分布云圖可知，機架立柱上端發生強烈扭曲和擺動，門式框架頂部變形較大。此時，機架的過量變形將嚴重影響上下壓輥間壓區的均勻和穩定，影響成紙性能。此外，在高速下過量的變形也將影響壓榨輥及軸承的安裝精度，在高載荷和高車速運轉下容易導致軸承發熱甚至過早損壞［7］。若繼續提升車速，則相應的激振頻率也會提高。如以提升車速到2200 m/min為目標，則壓榨部由開機到達到目標車速穩定運行過程中，需要經歷4次共振，對應的模態振型如圖14～圖17。這四階共振中，主要變形發生在機架上部，表現為橫向連接梁的扭曲與擺動和門式框架立柱的擺動。但是分析四階模態頻率分布，在第一階和第二階頻率間，存在600 m/min的速度差距，可以通過對機架結構的調整使得壓榨部能平穩快速地跨過一階共振，則車速還能有600 m/min的提升空間。

4 結論

利用有限元分析軟件ANSYS，對壓榨部機架及加壓臂的靜力學性能及動力學性能進行分析。通過對機架和加壓臂的靜力分析，得出在靜力載荷作用下機架及加壓臂的變形及應力分布，校核了機架和加壓臂的靜力剛強度，證明現有設計方式在靜態載荷作用下，能夠滿足壓榨部的工藝運行精度和機械強度。通過對機架的模態分析得到機架的模態頻率和模態振型，并與生產實踐結合提出模型機架的最優化運行車速為880 m/min。通過對模態頻率分布的分析，提出在一階頻率之后存在600 m/min的速度提升空間。研究結果可以為高速紙機的設計制造提供理論依據，也可以為現有紙機的操作優化和提速改造提供數值參考。

［1］熊 清，劉洪宏，湯 偉．超高速紙機壓榨部結構特點［J］．中國造紙，1999，18(3):63．

［2］張飛超，張 輝．造紙機械旋轉件動平衡技術的發展與應用［J］．中國造紙，2006，25(11):54．

［3］王懷民，劉正士．四棍熱軋機機架動態特性分析［J］．合肥工業大學學報:自然科學版，2009，32(3):351．

［4］李洪軍，李繼軍，陳夢霞．高速紙機干燥部機架焊接應力分析及消除［J］．中國造紙，2007，26(12):42．

［5］周 鵬．雙錐輥碾壓機機架結構的有限元分析［D］．武漢:武漢理工大學，2007．

［6］蒯形成，李美林，潘成筋．大型造紙機振動的三維有限元分析［J］．中國造紙學報，2006，21(2):66．

［7］張 輝，楊 超，陳明邦．紙機壓榨部動態監診方法［J］．中國造紙，2006，23(6):31．

Mechanical Analysis of the Frame of Press Section of Paper Machine Based on FEM

SU Xiong-bo*YANG Jun HOU Shun-li
(The Key Lab of Papermaking Technology and Specialty Paper Product Development in Shaanxi Province，Shaanxi University of Science＆ Technology，Xi'an，Shaanxi Province，710021)
(*E-mail:suxiongbo001@163．com)

Based on finite element method，mechanical property of the frame and the loading arm of press section was analyzed in this paper．The deformation and stress distribution of the frame and loading arm were obtained through the Static analysis，and the static loading stiffness was checked．Through modal analysis，the modal frequency and modal shape of the frame were obtained．The optimum operating speed(880 m/min)of the model fram was found．With the analysis of the modal frequency another speed-increasing space of 600 m/min was presented if the frame could run smoothly over the 1st sub step modal frequency．This research can not only provide a theoretical basis for the design and manufacture of high speed paper machine，but also offer numeric reference for optimizing the operation and speed increasing rebuilding of exist paper machine．

finite element analysis;frame of pressing section;static loading analysis;modal analysis

TS734+.4

B

0254-508X(2011)10-0042-05

蘇雄波先生，在讀碩士研究生;主要研究方向:制漿造紙裝備分析及研發。

2011-06-21(修改稿)

本課題得到陜西科技大學研究生創新基金的資助。

(責任編輯:馬 忻)