無(wú)后座力高速搖振箱在改善紙張性能上的應(yīng)用

樊慧明 徐鑌烽 劉建安

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，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)

從工藝角度來(lái)說(shuō)，網(wǎng)部搖振設(shè)備是現(xiàn)代紙張生產(chǎn)中所用到的一種有效手段。普通的網(wǎng)部搖振系統(tǒng)通過(guò)搖振箱把振動(dòng)傳遞給網(wǎng)案，其頻率和幅度都有限，故對(duì)中高速紙機(jī)的作用效果不明顯，而且還在垂直方向產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)引起跳漿，此外，由于振動(dòng)時(shí)機(jī)械磨損加快，易造成車(chē)架、彈簧鋼板斷裂，影響生產(chǎn)［1］。華南理工大學(xué)在借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上自主研發(fā)的無(wú)后座力高速搖振箱成功地解決了上述問(wèn)題，使最高搖振頻率和最大振幅分別達(dá)到600次/min和25 mm，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)技術(shù)——DuoShakeTM胸輥搖振系統(tǒng)的水平［2］。本文通過(guò)分析使用華南理工大學(xué)研發(fā)的無(wú)后座力高速搖振箱搖振前后所生產(chǎn)的紙張的相關(guān)物理性能，闡述了無(wú)后座力高速搖振箱在改善紙張勻度和紙張縱橫向強(qiáng)度差中的作用。

1 無(wú)后座力高速搖振箱的工作原理及優(yōu)點(diǎn)

無(wú)后座力高速搖振箱由齒輪箱、外箱體、搖振桿、底座、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)組成。搖振桿一端通過(guò)法蘭與齒輪箱相連，連接部位位于齒輪箱的中間，搖振桿的另一端通過(guò)推力軸承與胸輥軸相連;伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括兩臺(tái)伺服電機(jī);齒輪箱內(nèi)設(shè)置有齒輪、偏心塊和固定塊，伺服電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng);齒輪組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)只產(chǎn)生水平方向的力，垂直方向的力完全抵消，從而不會(huì)對(duì)搖振箱基礎(chǔ)及胸輥裝置產(chǎn)生損壞作用。

無(wú)后座力高速搖振箱按物理重心原理工作，保持同一系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)的幾部分質(zhì)量共同的重心不變;在同一傳動(dòng)裝置殼體內(nèi)，使重心只能沿胸輥軸向移動(dòng)，來(lái)達(dá)到普通振動(dòng)器無(wú)法達(dá)到的振動(dòng)頻率和振幅。搖振振幅和頻率取決于被搖振物體的質(zhì)量，根據(jù)每臺(tái)紙機(jī)的操作特點(diǎn)，搖振振幅和頻率能在生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)需要無(wú)級(jí)調(diào)整。圖1為華南理工大學(xué)研發(fā)的無(wú)后座力高速搖振箱，圖2為無(wú)后座力高速搖振箱工程圖。

圖1 無(wú)后座力高速搖振箱

圖2 無(wú)后座力高速搖振箱工程圖

通過(guò)直接在胸輥軸向安裝一臺(tái)無(wú)后座力高速搖振器，使胸輥在軸向進(jìn)行高頻率地往復(fù)振動(dòng)，從而帶動(dòng)成形網(wǎng)振動(dòng)。根據(jù)網(wǎng)速的變化，搖振系數(shù)自動(dòng)調(diào)整振幅和頻率，使上網(wǎng)漿料纖維能夠分散排列，降低絮凝的概率。上網(wǎng)漿料纖維剛著網(wǎng)還未脫水就受到搖振，纖維被分散，且呈橫向排列趨勢(shì)，這樣得到的纖維排列比搖振前或未進(jìn)行搖振的纖維更加無(wú)序，從而形成更好的交織。纖維的均勻分散使成紙勻度得到了提升，同時(shí)，紙張的縱橫向強(qiáng)度差得到了有效的降低。

無(wú)后座力高速搖振箱具有以下特點(diǎn):①搖振時(shí)搖振箱內(nèi)齒輪重心不變，因此無(wú)后座力，對(duì)安裝的基礎(chǔ)要求不高，對(duì)紙機(jī)網(wǎng)部設(shè)備的運(yùn)行無(wú)影響，由于齒輪嚙合穩(wěn)定，所以振動(dòng)極小，壽命長(zhǎng)，維修少;②搖振頻率最高達(dá)到600次/min，搖振幅度為0～25 mm，且能根據(jù)紙機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，隨時(shí)無(wú)級(jí)調(diào)整搖振的振幅和頻率;③適合于中高速紙機(jī)成紙時(shí)改善勻度的需要，大幅改善紙張勻度，改善紙張的縱橫向強(qiáng)度差，降低橫向伸縮率;④使用西門(mén)子的PLC控制系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)及電機(jī)，控制精準(zhǔn)、性能穩(wěn)定。

2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)所用紙張

試驗(yàn)涉及的無(wú)后座力高速搖振箱為華南理工大學(xué)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的搖振設(shè)備，其最高頻率可達(dá)600次/min，振幅范圍為0～25 mm。試驗(yàn)所采取的紙張均來(lái)自河南天邦集團(tuán)紙業(yè)股份有限公司。

為方便下文內(nèi)容，本試驗(yàn)對(duì)所用紙張進(jìn)行分類(lèi)和簡(jiǎn)稱(chēng)，對(duì)比了紙張生產(chǎn)中不同車(chē)速、定量下，搖振前后紙張的勻度及強(qiáng)度變化。表1為各系列紙張搖振參數(shù)表。

表1 各系列紙張搖振參數(shù)表

3 測(cè)量結(jié)果及分析

由于是在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，當(dāng)頻率和振幅過(guò)高時(shí)，會(huì)使紙張的橫向強(qiáng)度不斷提高，再繼續(xù)提高搖振強(qiáng)度，則會(huì)降低縱向強(qiáng)度，直到縱橫向強(qiáng)度比小到1∶1的程度，因此，按照紙張?zhí)匦缘囊螅灰嗽谶^(guò)高的搖振頻率和振幅下運(yùn)行。本試驗(yàn)取自正常連續(xù)生產(chǎn)時(shí)的一些紙張和生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 勻度結(jié)果及分析

采用法國(guó)2D LAB F/SENSOR塵埃勻度儀測(cè)得各紙張勻度，結(jié)果如圖3所示，其數(shù)值越小說(shuō)明勻度越好。

圖3 搖振前后不同紙張的勻度差異

在圖3中，經(jīng)無(wú)后座力高速搖振箱搖振生產(chǎn)的紙張 (即A1、B1、C1、D1、E1)與以相同車(chē)速生產(chǎn)相同定量但未經(jīng)搖振的紙張 (即 A0、B0、C0、D0、E0)相比，勻度值分別減小了14.88、15.40、5.44、10.64和34.57，分別較未搖振生產(chǎn)的紙張降低了14.0%、13.3%、5.8%、12.0%和27.7%。雖然對(duì)不同紙種改善的勻度量有所差別，但就定性上而言，無(wú)后座力高速搖振箱的搖振作用可以改善紙張的勻度。除了C系列紙張外，其他紙張勻度改善的幅度均大于10%，尤其是E系列紙張更是達(dá)到27.7%。這說(shuō)明無(wú)后座力高速搖振箱搖振可以有效地提高紙張勻度。無(wú)后座力高速搖振箱紙機(jī)能有效地提高紙張勻度，可以從以下兩點(diǎn)進(jìn)行解釋?zhuān)?］:①上網(wǎng)漿料纖維剛著網(wǎng)還未脫水就受到搖振，纖維被分散，且呈橫向排列趨勢(shì)，這樣得到的纖維排列比搖振前或未經(jīng)搖振的纖維更加無(wú)序，從而形成更好的交織;②無(wú)后座力高速搖振箱在網(wǎng)部搖振產(chǎn)生橫向剪切作用，剪切作用衰減后的微湍動(dòng)能有效地分散纖維絮聚，使紙漿在過(guò)濾時(shí)的均勻分布效應(yīng)更加突出，紙張勻度變好。試驗(yàn)所測(cè)結(jié)果亦證明經(jīng)搖振生產(chǎn)的的紙張具有更好的勻度。

3.2 抗張強(qiáng)度結(jié)果及分析

采用瑞典L＆W CE062抗張強(qiáng)度測(cè)試儀分別測(cè)量搖振前后生產(chǎn)紙張的縱橫向抗張強(qiáng)度。搖振前后不同紙張縱向、橫向抗張強(qiáng)度及其縱橫向強(qiáng)度比如圖4、圖5和表2所示。

圖4 搖振前后不同紙張縱向抗張強(qiáng)度

從圖4可知，經(jīng)無(wú)后座力高速搖振箱搖振生產(chǎn)的紙張比未經(jīng)搖振生產(chǎn)的紙張?jiān)诳v向抗張強(qiáng)度上會(huì)有所降低。其中A、B、C、D和E系列紙張縱向抗張強(qiáng)度分別從2.67、2.98、2.71、2.65和2.80 kN/m降到1.81、2.35、2.68、2.18和2.62 kN/m，分別降低了32.2%、21.1%、1.1%、17.7%和6.4%。由此可知除了A、B兩系列的紙張，在搖振后其他 (即C、D、E)紙張縱向抗張強(qiáng)度減少的都相對(duì)較小。說(shuō)明無(wú)后座力高速搖振箱的搖振作用會(huì)使紙張的縱向抗張強(qiáng)度降低。這是由于未經(jīng)搖振生產(chǎn)的紙張成形時(shí)大部分纖維呈縱向排列，此時(shí)紙張的縱向抗張強(qiáng)度好，經(jīng)搖振后纖維實(shí)現(xiàn)更多的無(wú)序排列，從而使紙張的縱向強(qiáng)度有所降低。

圖5為搖振前后不同紙張橫向抗張強(qiáng)度的情況。由圖5可知，經(jīng)無(wú)后座力高速搖振箱搖振后生產(chǎn)的紙張橫向抗張強(qiáng)度有了明顯的提高，A、B、C、D、E系列紙張的橫向抗張強(qiáng)度分別從1.09、1.50、1.70、0.88和1.32 kN/m提高到1.71、1.67、1.93、1.42和1.67 kN/m，分別提高56.9%、11.3%、12.4%、61.4%和26.5%。由此可知，無(wú)后座力高速搖振箱的搖振作用可以明顯提高紙張的橫向抗張強(qiáng)度，尤其是A、D兩系列紙張，可以提高50%以上，這是因?yàn)榻?jīng)搖振后上網(wǎng)的纖維實(shí)現(xiàn)了更多的無(wú)序排列，使之在橫向上纖維的相對(duì)數(shù)量增加。相對(duì)縱向抗張強(qiáng)度的減小，橫向抗張強(qiáng)度的提高更加明顯。根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得出搖振前后不同紙張縱橫向抗張強(qiáng)度比，如表2所示。

圖5 搖振前后不同紙張橫向抗張強(qiáng)度

表2 搖振前后不同紙張縱橫向抗張強(qiáng)度比

從圖4和圖5可知，無(wú)后座力高速搖振箱的搖振作用降低了紙張的縱向抗張強(qiáng)度，提高了紙張的橫向抗張強(qiáng)度，且提高橫向抗張強(qiáng)度比降低縱向抗張強(qiáng)度明顯。從表2可知，無(wú)論是哪一系列的紙張，在經(jīng)無(wú)后座力高速搖振箱搖振后，其抗張強(qiáng)度縱橫向比都減小，除C系列紙張外，其他系列紙張?jiān)诳箯垙?qiáng)度縱橫向比的降幅都較大。這說(shuō)明經(jīng)搖振后生產(chǎn)的紙張抗張強(qiáng)度的縱橫向差減小，這有利于提高紙張的物理性能。

3.3 耐折度結(jié)果及分析

采用美國(guó)MIT/U213耐折度儀測(cè)量搖振前后生產(chǎn)的不同紙張縱橫向耐折度的情況，結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7和表3。

圖6 搖振前后不同紙張縱向耐折度

圖7 搖振前后不同紙張橫向耐折度

表3 不同紙張耐折度縱橫向比

在進(jìn)行耐折度測(cè)試時(shí)，由于耐折度檢測(cè)的影響因素較多且復(fù)雜，每個(gè)檢測(cè)值之間的差異較大，往往存在成倍數(shù)的差別，試驗(yàn)結(jié)果按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用以10為底耐折次數(shù)的對(duì)數(shù)來(lái)表示紙張的耐折度［3］。圖6和圖7也對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了取對(duì)數(shù)處理。由圖6和圖7可知，經(jīng)無(wú)后座力高速搖振箱搖振，生產(chǎn)的A和C系列紙張的縱向耐折度有所提高，B、D和E的縱向耐折度有所下降。但是無(wú)論提高還是下降，它們之間的差值都不大，這與紙張纖維的復(fù)雜分布有所關(guān)聯(lián)。由圖7可知，經(jīng)搖振生產(chǎn)的所有紙張的橫向耐折度都明顯增大，取對(duì)數(shù)后的耐折度分別從 1.14、0.83、1.14、0.76 和 0.96 增 至 1.41、1.00、1.3、1.04和1.05。這是由于紙張耐折度除取決于纖維的平均長(zhǎng)度和強(qiáng)度外，還決定于纖維間的結(jié)合強(qiáng)度、交織情況和彈性［3］。無(wú)后座力高速搖振箱的搖振作用使纖維之間得到更好的分散和交織，特別是在橫向上，搖振作用使得纖維在成形過(guò)程得到更多、更好的交織分散，故而能使橫向耐折度得到明顯的提高。

根據(jù)圖6、圖7各系列紙張縱橫向耐折度數(shù)據(jù)計(jì)算得出不同紙張耐折度縱橫向比見(jiàn)表3。由表3可知，經(jīng)搖振生產(chǎn)的所有紙張所對(duì)應(yīng)的耐折度縱橫向比都有所下降，且耐折度縱橫向比接近于1，符合理論上的認(rèn)知。這也說(shuō)明無(wú)后座力高速搖振箱的搖振作用可以有效地降低紙張耐折度的縱橫向比。

4 結(jié)論

華南理工大學(xué)研發(fā)的無(wú)后座力高速搖振箱的搖振作用可以有效改善成形紙張的勻度，降低紙張的縱橫強(qiáng)度差。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)搖振生產(chǎn)的紙張抗張強(qiáng)度和耐折度縱橫向比都比未搖振生產(chǎn)的紙張縱橫向比小，這說(shuō)明無(wú)后座力高速搖振箱的搖振作用使成形紙張?jiān)跈M向方向的纖維分布相對(duì)增加，從而使紙張橫向抗張強(qiáng)度和耐折度都得到提升。

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