盤磨機磨盤間隙的測量與調節方法

姚俊王平

(天津科技大學機械工程學院，天津，300222)

盤磨機磨盤間隙的測量與調節方法

姚俊王平

(天津科技大學機械工程學院，天津，300222)

盤磨機磨漿時受各種因素影響，磨盤間隙極易發生變化，磨盤間隙的測量與調節直接關系到磨漿或打漿質量和磨片壽命。本文首先介紹了盤磨機磨盤間隙的測量方法，著重介紹了國外專利中提到的磨盤間隙在線測量的方法和技術，包括直接測量和間接測量;然后介紹了常用的磨盤間隙調節方法;并對各種磨盤間隙測量和調節方法的特點和應用范圍進行了分析。

盤磨機;磨盤間隙;測量;調節

盤磨機由于結構簡單、穩定性強，能適應多種磨漿工藝，在制漿造紙中有著不可替代的地位，經歷了60多年的發展保持長盛不衰，至今仍然是最主要的磨漿和打漿設備。

要獲得性能優良的漿料，纖維必須受到充分且適度的碾壓、切斷、分絲和帚化，為了保證磨漿質量，通常將盤磨機精磨區的磨盤間隙 (簡稱磨盤間隙)保持在到1/100 mm。但如果磨盤間隙過小，往往會發生碰磨現象而嚴重影響磨片的使用壽命;另一方面，在磨漿或打漿之前按要求調節的磨盤間隙，在磨漿過程中由于漿料壓力和溫度變化、動盤受力不均勻、磨盤間隙調整機構變形或磨片磨損等原因極易發生變化，所以實現磨盤間隙的在線調節與實時控制很有必要，同時也是盤磨機控制技術發展的方向。

本文在分析國內外相關專利和期刊文獻的基礎上，首先介紹了盤磨機磨盤間隙的測量方法，其中著重介紹了磨盤間隙在線測量的方法和技術，包括直接測量和間接測量，然后介紹了常用的磨盤間隙調節方法，并對各種磨盤間隙測量和調節方法的特點和應用范圍進行了分析。以期對盤磨機磨盤間隙在線測量和調節裝置的開發提供參考。

1 盤磨機磨盤間隙的測量方法

盤磨機磨盤間隙的測量主要是為磨盤間隙的調節提供依據，磨盤間隙的測量分為直接測量和間接測量兩類，也可分為靜態測量和 (動態)在線測量。靜態測量是在磨漿之前或之間停機測量磨盤間隙，在線測量是在磨漿過程中測量磨盤間隙。由于在線測量時難以直接獲取間隙值，所以可以通過磨漿區內的壓力、載荷、溫度或軸承座處振動等參數間接測量磨盤間隙［1］。

1.1 磨盤間隙的直接測量法

1.1.1 游標卡尺測量法

游標卡尺測量法是將標尺固定在基座上，指針固定在主軸軸套上，指針隨軸套移動，指針的指示值直接反映了兩磨盤之間的間隙。但隨著磨片的不斷磨損，其間隙實際值無法獲得，需要頻繁地調零，對操作人員的技術要求很高［2-3］。該方法雖然簡單直接卻存在較大的誤差，對于新型盤磨機，這種方法一般只作輔助測量。

1.1.2 電磁感應測量法

在盤磨機開發的早期，人們主要基于法拉第電磁感應定律的原理，發明了以磁芯和線圈 (如圖1所示)為基礎結構反映或測量盤磨機磨盤間隙的裝置。本文將此類測量方法統稱為電磁感應測量法。

1951年，美國Donald E.Garr等人發表了磨盤間隙控制的專利，其核心部件如圖1所示。從圖1可見，磁鐵 (U型磁鐵6與軟鐵4)插入定盤2的孔洞內，用絕緣介質5將其與定盤2隔絕開，由U型磁鐵6、軟鐵4、兩盤間隙和動盤3構成磁通回路，線圈7纏繞在磁鐵兩側。絕緣介質5要求絕緣、絕熱且耐磨性好，與磨片磨損速度相同。采用惠斯通電橋放大電路，當磨盤間隙發生變化出現電壓不平衡時，驅動調節電機正、反轉調節磨盤間隙的大小，直至達到新的平衡［5］。該裝置的發明為磨盤間隙的測量和調整提供了新的思路，該方法在早期的盤磨機上應用較廣泛。

1989年，Juhani Karna等人在專利中提出將線圈纏繞在磨齒上進行測量的線圈安裝方式［4］，但該方法需要專門設計的定盤磨齒來安裝測量裝置。

1970年加拿大William D.May等人發明了在定盤面圓周上等距安裝數個線圈，背面相應位置安裝相同數量的氖氣燈泡并與線圈相連，在動盤面等徑圓周上安裝磁芯。工作時，當兩磨盤間隙足夠小，磁通量變化較大，產生的感應電動勢超過初始設定值便點亮了背面的氖氣燈泡，氖氣燈泡亮度的強弱便反映了磨盤間隙的大小。當個別燈泡發光，其他燈泡熄滅，或亮度不一致時，說明兩盤面不平行，局部間隙不等，可能由于磨盤振動或盤面發生傾斜［6］。這一發明使得磨盤間隙測量結果可視化。

1974年美國Jack D.Jewell等人提出用電感差動變壓器直線位移傳感器 (LVDT)組成伺服系統，將磨盤間隙的測量信號與信號源發出的理想間隙信號進行比較，從而輸出命令控制伺服閥的開閉，以液壓方式調節磨盤間隙;當傳感器信號與理想信號一致時便關閉伺服閥，磨盤間隙保持恒定。如圖2所示，電感直線位移傳感器1和3安裝在U型支架2上，分別測量基座扭曲帶來的定盤位移和主軸軸向移動產生的動盤位移［7］。

1990年HectorN.Guerrero等人發明了如圖3所示的磁性鄰接傳感器測磨盤間隙的方法，其特點是傳感器安裝在磨盤外圓表面，既能免除置于磨區中隔絕磁芯的特殊介質的制備，又能測出含有磨片磨損的磨盤間隙。此外傳感器的外形設置成L型，共有3個端部。補償線圈1產生的電壓對次級線圈2產生的電壓起到補償修正作用，使結果更加精確［8］。

1989年美國Darryl Dodson-Edgars等人將數個電渦流位移傳感器安裝在定盤磨片上 (如圖4所示)，傳感器輸出信號隨著磨盤間隙的變化而改變，從而根據信號幅值大小測出磨盤間隙和磨損位置［9］。國內有關盤磨機磨盤間隙直接測量方法的研究較少，具有代表性的是2004年王寶金論述了直接將電渦流式位移傳感器置于定盤靠近邊緣圓周上的孔內，結合超聲波測厚儀，將電渦流傳感器測量的距離減去測厚傳感器測得的定磨片的厚度，再加上定磨片背面至電渦流傳感器探頭表面的距離，得到磨盤的實際間隙。此方法考慮了由兩磨盤磨損帶來的間隙變化，可以得到較精確的測量［2］。還有2008年張輝論述了使用電渦流傳感器直接測量磨盤間隙的方法，并發表了相關專利［3］。

電磁感應測量法原理簡單，如果將感應裝置安裝在定盤上則需要專用特制的磨片，需要解決磨片磨損問題;如果安裝在磨漿區外部 (磁性鄰接傳感器)則可以避免上述問題，但可能會受到漿料流動的影響;如果安裝在磨漿區的外部 (LVDT法)，則不會受到漿料流動的影響，但不能測量磨盤的磨損情況。所以，在盤磨機磨漿區外部測量磨盤間隙的方法是工程中比較實用的測量方法。

1.2 磨盤間隙的間接測量法

1.2.1 通過測量振動控制磨盤碰磨

由于磨盤間隙的直接測量很難排除誤差，很多專家學者另辟蹊徑。通過測量磨漿區漿料的壓力、溫度或磨盤振動等參數間接測量和調節磨盤間隙。

1986年新西蘭Donald M.Whyte等人發表了通過測量磨盤振動防止磨盤碰磨的專利［10］，總結出如圖5所示的規律:在發生碰磨前7 s，由于盤間漿料的減少，處于正常工作狀態下的振幅會在前2 s內降到最低，在接下來的3.5 s內保持一個較低的穩態值，然后快速地在1 s內達到振幅的最大值，此時即將發生碰磨，圖中點1為碰磨時達到的最大振幅值。該專利將振動傳感器安裝在磨漿區附近或支撐軸承座上，通過碰磨前的振動規律及時調大間隙阻止碰磨的發生。

2007年盧森堡Bruce R.Crossley等人發表了類似阻止盤磨機碰磨的專利，測振動的傳感器安裝于定盤背面，A/D轉換器將測量的振幅值轉化為能被計算機識別的數字信號，再與預先設定的幅值進行比較，當超過設定值時，控制系統立刻對間隙進行調節［11］。

1.2.2 測量磨漿區壓力或溫度調節磨盤間隙

圖5 盤磨機在發生碰磨前7 s的振幅變化情況［8］

磨漿區壓力、溫度、載荷等的變化都間接反映了磨盤間隙的變化。如圖6所示是1971年加拿大Howard W.H.Jones等人的專利，提出了使用壓力傳感器同時測量工作時兩磨盤間壓力和加壓裝置液壓油缸提供的壓力，并比較兩者的差值從而控制稀釋進水管開關，通過注入稀釋水的多少來調節或者平衡磨漿區壓力［12］。1996年加拿大Bruce J.Allison等人發表了使用傳感器測主電機載荷，并找出主電機載荷與磨盤間隙的關系從而控制磨盤間隙的專利［13］。

圖6 單盤磨機磨盤間隙壓力平衡控制法示意圖［12］

圖7 壓電式力傳感器在磨盤上的布置方式［15］

1998年瑞典Ola Johansson.Timra等人提出使用應變材料制成磨齒的形狀并安裝于磨盤磨面上，從而測量磨片磨齒的受力進而調節磨盤間隙的方法［14］。2005年Alan Henry Bankes等人發明了使用壓電式傳感器測量工作時，用磨齒所受的正應力和剪切力來調節磨盤間隙的方法。該專利介紹了多種傳感器敏感元件和測量磨齒的安裝布置方式，其中4種布置方式如圖7所示，這4種布置方式有一個共同點為:傳感器頂部1的材質、形狀、高度、磨損速度與磨齒的相同［15］。

2009年美國Ola M.Johansson等人發明了測量磨漿區溫度的方法。如圖8所示，電阻式溫度傳感器(RTD)包裹在絕緣體1中，再使用耐高溫的物質(如環氧樹脂)粘黏在磨片通孔內。絕緣體1要求使用絕緣絕熱且耐腐蝕的材料制成。多個傳感器的布局方式類似于圖4，不同位置的傳感器測出相應區域的溫度值，輸入計算機 (包含校準模塊)處理，從而根據溫度與間隙的規律進行磨盤間隙的調節［16］。

圖8 溫度傳感器局部放大圖［16］

在磨盤間隙間接測量方法中，測量振動的方法操作簡便易行，但無法準確測量磨片間隙變化情況，主要用作避免磨盤碰磨;壓力平衡控制方法主要應用于低濃盤磨機;測量磨齒應力、磨漿區溫度的方法(圖7、圖8)可以準確地測量磨盤間隙，易于實現在線測量，其缺點是需要采用專用磨片，盡管如此，這兩種方法目前受到多家研究機構的關注，是盤磨機的研究熱點。

2 盤磨機間隙調節方法

2.1 機械式調節法

2.1.1 手動調節法

手動調節法是依據游標卡尺間隙測量值和主電機電流手動調節磨片間隙，現通常只在某些小型盤磨機上使用，或作為機械式自動調節和液壓式調節的輔助調節方式用于盤磨機主軸的微進給，如圖9所示。其手動調節可表述為:由于半軸11空套在蝸輪12的孔內，兩者間設有導向鍵，操縱手柄13使半軸11與離合器10脫離，此時自動進給系統失效;轉動手輪7，通過零件蝸桿9-蝸輪6-絲杠5的配合，使動盤4實現前進或后退［17］。與此不同，文獻 ［18］使用了一種差動螺旋機構代替絲杠機構，即在同一根螺桿上兩段螺紋的導程不同，使不能轉動但能移動的定盤與螺桿配合，這樣轉動蝸桿就會因導程差而實現定盤的移動進給或后退，該機構結構簡單易于制造［18］。

另外文獻［19］采用杠桿式的調節移動機構調節磨盤間隙。主要由杠桿機構和測微機構組成，可以實現抬起杠桿手柄兩磨盤合攏，再借助絲杠較精確調節磨盤間隙;壓下杠桿手柄，可以迅速拉開磨盤一定距離，用于緊急處理異常情況［19］。

在機械式調節方法中蝸桿蝸輪機構調整精度較高，目前主要應用在中、小型盤磨機的磨盤間隙調整。

圖9 典型的磨盤間隙機械調節機構示意圖［17］

2.1.2 自動調節法

機械式自動進給機構一般是按照預先設定的轉換電路或者已編制的控制程序正反向驅動小型電機帶動蝸輪螺旋傳動機構，實現動盤的自動進給和后退。如圖9所示，操作手柄13合上離合器10，進入自動調節模式，電機2驅動蝸桿3旋轉，帶動蝸輪12和同軸的蝸桿9轉動，再驅動蝸輪6轉動，蝸輪6中心的螺紋孔驅動絲杠5轉動，從而帶動動盤4前進或者后退。蝸桿蝸輪機構的自鎖功能確保了調整好的磨盤間隙不受負載變化的影響。但由于蝸桿、蝸輪和螺紋的加工誤差和磨損的影響，調節精度有限。機械式自動調節法省時省力，多用于中小型盤磨機磨片間隙的調節［2-3］。

2.2 液壓式調節法

液壓式調節法就是采用液壓加壓系統的三位四通電磁換向閥控制油壓，實現動磨盤較精確的進給和后退運動。加壓油缸的空套式活塞桿與前軸承組聯在一起，在液壓油的作用下實現主軸移動，并在工作時提供研磨所需的工作壓力。液壓加壓系統一般有定位式和壓力式兩種調節方法［20-25］。圖10是舒服華博士針對某造紙廠Ф500盤磨機生產中移動磨盤進刀速度波動大、兩磨盤間隙穩定性差、易受負載變化的影響、盤磨機功率不恒定等問題對原有液壓系統做的改進原理圖，他在原有液壓系統上將進油節流調速回路改為回流節流調速回路，用比例溢流閥代替先導式溢流閥，并增加了1個液壓鎖，有效克制在穩定狀態時，由于油的泄漏導致油缸左右移動帶來的磨盤間隙變化［26］。不同型號盤磨機液壓系統與此類似，圖10具有一定的代表性。

圖10 盤磨機磨盤間隙液壓控制系統示意圖［26］

使用液壓系統調節磨盤間隙，其結構簡單卻靈活方便，工作壽命長、穩定性好、易于實現自動控制，目前已成為大、中型盤磨機主要的調節方法［27］。

3 結論與展望

3.1 磨盤間隙直接測量方法大多簡便易行，但要在新型盤磨機中再次得到廣泛應用，必須解決磨片磨損給間隙測量帶來誤差和特制專用磨片成本高的問題，并保證測量的可行性和穩定性。

3.2 在磨盤間隙間接測量方法中，綜合考慮準確性、可行性和穩定性，測量磨齒應力、磨漿區溫度的方法可以準確地反應磨盤間隙，易于實現在線測量，其缺點是需要采用專用磨片。這兩種方法目前受到多家研究機構的關注，逐漸成為發展的方向。

3.3 磨盤間隙的調節方法有機械式加壓和液壓加壓兩類，其中機械式調節方法主要應用于中、小型盤磨機;液壓式加壓由于結構簡單靈活、易于實現自動控制、使用壽命長，已成為大、中型盤磨機主要的調節方法。

3.4 盤磨機磨盤間隙在線測量是實現盤磨機實時控制的關鍵，是盤磨機發展的方向。該技術可實現磨盤間隙精確的實時調節和控制，提高打漿質量，延長盤磨機磨片的使用壽命。

［1］ 張 輝．李忠正．盤式磨漿機技術研究進展與趨勢［J］．中國造紙，2007，26(26):40．

［2］ 王寶金．熱磨機磨盤實際間隙精確測量與主軸運行狀態檢測的研究［D］．南京:南京林業大學，2004．

［3］ 張 輝．造紙盤式磨漿機磨漿間隙在線、精確測量技術原理與方法［D］．南京:南京林業大學，2008．

［4］ Juhani Karna．Method and device for measuring the distance between the discs of a refiner using a measurement of the magnetic flux induced between the discs:US，4878020［P］．1989-10-31 ．

［5］ Donald E Garr．Clearance control:US，2548599［P］．1951-04-10．

［6］ William D May．System for displaying out-of-tram measurements in disc refiners:US，3500179［P］．1970-03-10．

［7］ Jack D Jewell．Refiner plate clearance control system:US，3799456［P］．1974-03-26．

［8］ Hector N Guerrero．Magnetic proximity sensor for measuring gap between opposed refiner plates:US，4950986［P］．1990-08-21．

［9］ Darryl Dodson-Edgars．Gap，wear and tram measurement system and method for grinding machines:US，4820980［P］，1989-04-11．

［10］ Donald M Whyte．Methods of and/or apparatus for detecting and controlling refiner plate clearance:US，4627578［P］．1986-12-09．

［11］ Bruce R Crossley．Refining member clash control method:US，7309036B2［P］．2007-12-18．

［12］ Howard W H Jones．Refiner control:US，3617006［P］．1971-11-02．

［13］ Bruce J Allison．Automatic refiner load control:US，5500088［P］．1996-03-19．

［14］ Ola Johansson．Timra．Measuring Device for refiners:US，5747707［P］．1998-05-05．

［15］ Alan Henry Bankes．Refiner force sensor:US，6840470B2 ［P］．2005-01-11．

［16］ Ola M．Johansson．Refiner disk sensor and sensor refiner disk:US，7520460B2［P］．2009-04-21．

［17］ 馬國瑋．關于盤磨機機械結構設計的探討［J］．上海造紙，1991，22(3):64．

［18］ 張汝明．介紹一種新型圓盤磨機［J］．天津造紙，1992(4):43．

［19］ 楊勃堅．ZDP23型高濃度磨漿機［J］．中國造紙，1987(5):23．

［20］ 陳克復．制漿造紙機械與設備［M］．2版．北京:中國輕工業出版社，2003．

［21］ 劉延?。愓椋芤札R．1000雙盤磨漿機液壓系統設計［J］．液壓與氣動，2002(9):17．

［21］ 于順科．梅 莉．高濃盤磨機液壓系統的設計［J］．中國造紙，1997，16(1):24．

［23］ 王澤剛．魏光明．劉延?。娨核欧到y在高濃磨漿機上的應用于維護［J］．中華紙業，2010，31(24):74．

［24］ 秦 利．尚增溫．張秀英．高濃磨漿機液壓控制系統［J］．液壓與氣動，1993(2):22．

［25］ 王澤剛．劉延俊．任慧麗．熱磨機液壓潤滑系統的設計與優化［J］．中華紙業，2008(14):62．

［26］ 舒服華．雙盤磨漿機液壓控制系統的改進設計［J］．紙和造紙，2008，27(1):58．

［27］ 明治凱．HSR-54A/A盤磨結構原理及故障分析處理［D］．成都:四川大學，2006． CPP

Methods of Measuring and Adjusting Plate Clearance of Disc Refiner

YAO Jun*WANG Ping
(College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science＆ Technology，Tianjin，300222)

The plate clearance of disc refiner is very easy to be changed as the refiner is affected by many factors in its operation，the plate clearance is the key parameter，its measurement and adjustment are directly related to the refining quality of the pulp and the plate life．Firstly，the paper introduces the methods of measuring plate clearance of disc refiner，especially the methods and technologies of on-line measurement in foreign patents which include direct and indirect measurement;then recommends the general methods of adjusting the plate clearance，and analyses the characteristics and applicability of all these measuring and adjusting methods．

disc refiner;plate clearance;measurement;adjustment

TS734+.1

A

0254-508X(2012)01-0067-05

姚 俊先生，在讀碩士研究生;主要研究方向:機械制造及其自動化。

(*E-mail:yaoyao06015122@126．com)

2011-08-08(修改稿)

國家自然科學基金資助項目 (50675155)。

(責任編輯:常 青)