盤磨機(jī)的碰盤及其預(yù)防措施

王 平 林建濤 王高峰 王佳輝

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津，300222)

盤磨機(jī)碰盤是指在轉(zhuǎn)盤運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，盤磨機(jī)磨片表面發(fā)生金屬直接碰撞與摩擦的現(xiàn)象，也稱為碰摩或者擦碰。磨漿過程中，兩磨片之間為漿料流動(dòng)、剪切和擠壓作用，不希望兩磨片直接接觸和碰盤，因此，盤磨機(jī)碰盤是一種非正常現(xiàn)象。

盤磨機(jī)在磨漿過程中，為了保證磨漿質(zhì)量，兩磨片在精磨區(qū)的磨盤間隙很小(可達(dá)0.2～0.3 mm)，由于磨片不平衡、主軸振動(dòng)或者磨片發(fā)生不均勻熱變形等原因，都會(huì)導(dǎo)致盤磨機(jī)碰盤現(xiàn)象。

盤磨機(jī)碰盤會(huì)加速磨片磨損，碰盤會(huì)導(dǎo)致磨片過燒退火。圖1所示是碰盤在磨片表面留下的劃痕［1］，圖1(c)、圖1(d)分別是圖1(a)、圖1(b)的局部放大圖。碰盤會(huì)引起盤磨機(jī)振動(dòng)，有些振動(dòng)也可能引起盤磨機(jī)碰盤。同時(shí)，碰盤時(shí)還會(huì)產(chǎn)生刺耳的噪聲，有時(shí)噪聲可達(dá)105 dB，使工作環(huán)境惡化，影響操作人員的身心健康［2］;盤磨機(jī)碰盤，輕則導(dǎo)致停產(chǎn)，重則導(dǎo)致圓盤、軸承或者機(jī)殼損壞［3］。

王艷萍等人［4］的研究表明，磨盤間隙過小，雖然漿料纖維狀態(tài)好，但只有很少的漿料可以進(jìn)入磨片之間，蒸汽和水無法吸收掉摩擦熱，致使磨片表面溫度急劇升高。繼而磨齒會(huì)直接碰撞，碰撞作用又使間隙變大，短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入磨區(qū)的漿料迅速增加，致使磨區(qū)溫度迅速降低。磨片局部金屬在受熱和快速冷卻后會(huì)被淬火、硬度提高，就會(huì)劃傷另一個(gè)磨片。另外，磨片碰撞時(shí)部分磨齒因齒根裂紋會(huì)脫落，脫落的磨齒會(huì)劃傷其他磨片。輕度碰撞劃傷的磨片雖可繼續(xù)使用，但磨漿質(zhì)量下降、功耗增大，使用壽命縮短。由此可知，碰盤伴隨著振動(dòng)和磨片的非正常磨損，使磨漿質(zhì)量下降。

1 盤磨機(jī)碰盤產(chǎn)生的原因

1.1 磨片熱變形翹曲

張強(qiáng)等人［5］對(duì)盤磨機(jī)的碰盤現(xiàn)象進(jìn)行了分析。

圖1 碰盤在磨片上產(chǎn)生的劃痕［1］

結(jié)果表明，德國Pallmann公司進(jìn)口的1473.2 mm(58英寸)盤磨機(jī)處理果木和硬雜木時(shí)發(fā)生碰盤現(xiàn)象，其主要原因是磨盤間隙過小，磨片之間纖維、水和蒸汽過少，摩擦熱使磨片表面溫度急劇升高，磨片背面和表面溫差增大 (達(dá)到816℃)，導(dǎo)致磨片熱膨脹，朝溫度高的磨片表面彎曲，使磨片發(fā)生碰盤現(xiàn)象。碰盤導(dǎo)致磨片齒面磨損、磨齒出現(xiàn)裂紋，碰盤嚴(yán)重時(shí)造成齒面過燒和磨片開裂。根據(jù)德國磨片公司提供的經(jīng)驗(yàn)公式估算，碰盤的溫度升高可在幾秒內(nèi)使磨片齒面熔化。

1.2 兩磨片不平行

蔣雄翔等人［6］對(duì)磨片的不平行進(jìn)行了研究。由于磨漿過程中需要消耗大量的能量，會(huì)產(chǎn)生過量的蒸汽。在常壓進(jìn)料的盤磨機(jī)中，可能會(huì)出現(xiàn)不均勻的反噴 (蒸汽從進(jìn)料口反向排出)和噴出(蒸汽流經(jīng)轉(zhuǎn)盤背面排出)現(xiàn)象，如圖2所示。反噴會(huì)引起木片輸送暫時(shí)中斷，造成磨漿負(fù)荷波動(dòng)。噴出會(huì)造成轉(zhuǎn)盤背面漿料局部、瞬時(shí)倒空，引起精磨區(qū)的擾動(dòng)和相應(yīng)負(fù)荷波動(dòng)。

圖2 盤磨機(jī)的兩種不均勻排汽現(xiàn)象

圖3是磨盤靜力不平行的影響。磨片靜力不平行的原因是:盤磨機(jī)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，在漿料壓力作用下引起盤磨機(jī)機(jī)體不對(duì)稱的應(yīng)變和變形，溫度不均勻引起機(jī)體和磨片的熱膨脹，以及其他不對(duì)稱力的作用。從圖3可以看出，磨片不平行另一個(gè)原因是兩磨片軸線不同軸。加工精度低或裝配誤差都可能造成兩磨片軸線不同軸。兩磨片軸線不同軸有兩種情況，一是兩磨片軸線有夾角(如圖3(b)所示)，此時(shí)，由于轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速較高，磨片不平行導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤不平衡，在磨片間隙較小時(shí)，勢(shì)必造成盤磨機(jī)碰盤;二是兩磨片軸線平行但不同心，此時(shí)可能會(huì)造成磨漿力不均勻，使轉(zhuǎn)盤偏斜而導(dǎo)致盤磨機(jī)碰盤。

圖3 磨盤靜力不平行的影響

1.3 轉(zhuǎn)盤不平衡

轉(zhuǎn)盤運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的不平衡慣性力會(huì)在盤磨機(jī)主軸軸承引起附加動(dòng)壓力，可能導(dǎo)致盤磨機(jī)的強(qiáng)迫振動(dòng)，不平衡慣性力是由于轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)中心和轉(zhuǎn)盤重心偏心所致。由于盤磨機(jī)磨片徑向尺寸較大，加上進(jìn)料的波動(dòng)，振動(dòng)形式大多為轉(zhuǎn)盤的擺動(dòng)和偏斜，當(dāng)磨盤間隙較小時(shí)很容易產(chǎn)生碰盤，加速磨片磨損。碰盤是磨片磨損的一個(gè)重要原因，輕微碰盤可造成磨片擦傷，碰盤嚴(yán)重時(shí)可造成劃痕、甚至崩齒。

磨片尺寸增大時(shí)，磨漿區(qū)域面積增大，為了保證磨片剛度，磨片厚度應(yīng)相應(yīng)增大。磨片厚度增大不僅有利于磨片的動(dòng)平衡，而且可以減少由于溫度不均勻造成的磨片翹曲變形。

1.4 盤磨機(jī)主軸系統(tǒng)剛度不足

盤磨機(jī)主軸系統(tǒng)包括主軸、軸承、轉(zhuǎn)盤、密封裝置和間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，其中主軸、軸承和轉(zhuǎn)盤是主要部分。主軸剛度K(靜剛度)是指主軸在抵抗外力F(N)作用引起的變形y(μm)的能力，K=F/y。如圖4所示，D是主軸前端，F(xiàn)相當(dāng)于轉(zhuǎn)盤的重力。由于主軸前端的變形y對(duì)轉(zhuǎn)盤的偏斜、與定盤的平行度影響很大，所以提高主軸剛度很重要。影響盤磨機(jī)主軸系統(tǒng)剛度的主要因素是主軸的結(jié)構(gòu)尺寸，軸承的類型、配置及預(yù)緊，制造和裝配質(zhì)量等［7］。

圖4 主軸的靜剛度

主軸系統(tǒng)剛度不足時(shí)，在磨盤自身質(zhì)量的作用下，主軸前端變形量大，容易造成轉(zhuǎn)盤偏斜，導(dǎo)致盤磨機(jī)振動(dòng)或碰盤。反之，當(dāng)主軸系統(tǒng)剛度足夠大時(shí)，即使轉(zhuǎn)盤有少量偏斜、或者受到漿料流體波動(dòng)、蒸汽噴出和反噴等影響，也不會(huì)造成盤磨機(jī)振動(dòng)或碰盤。在盤磨機(jī)使用過程中，軸承的潤滑、熱變形、軸承磨損及間隙調(diào)整、密封區(qū)域的熱變形等對(duì)主軸系統(tǒng)剛度也有一定的影響。然而，提高盤磨機(jī)主軸系統(tǒng)剛度不僅只是設(shè)計(jì)問題，需要在設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)等方面統(tǒng)籌考慮。

主軸的實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于平均回轉(zhuǎn)軸線的變動(dòng)量稱為主軸回轉(zhuǎn)誤差。如圖5所示，主軸回轉(zhuǎn)誤差可分解為徑向跳動(dòng)、軸向竄動(dòng)和角度擺動(dòng)。主軸部件的回轉(zhuǎn)誤差取決于主軸、軸承等的制造精度和裝配、調(diào)整精度。由于磨盤間隙很小，主軸回轉(zhuǎn)誤差大，會(huì)造成轉(zhuǎn)盤的軸向竄動(dòng)和角度擺動(dòng)，從而導(dǎo)致碰盤。由于磨盤間隙要求很小，盤磨機(jī)主軸是精密主軸，新生產(chǎn)的盤磨機(jī)的主軸回轉(zhuǎn)誤差符合要求，但在使用一段時(shí)間后，由于軸承磨損或受載變形等原因可能出現(xiàn)回轉(zhuǎn)誤差增大，導(dǎo)致碰盤。

圖5 主軸回轉(zhuǎn)誤差的三種形式

2 預(yù)防盤磨機(jī)碰盤的措施

2.1 提高主軸系統(tǒng)的剛度

為了提高盤磨機(jī)主軸系統(tǒng)剛度，應(yīng)按照精密機(jī)床主軸部件優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行主軸優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于工作轉(zhuǎn)速較高，盤磨機(jī)主軸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮其動(dòng)態(tài)性能，主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅能夠提高主軸系統(tǒng)的剛度，而且能夠明顯提高盤磨機(jī)的抗振性。

提高主軸系統(tǒng)剛度是預(yù)防盤磨機(jī)碰盤的最重要措施，當(dāng)主軸剛度足夠大時(shí)，即使轉(zhuǎn)盤有少量偏斜、或者受到漿料流體波動(dòng)等影響，也不會(huì)造成盤磨機(jī)振動(dòng)或者碰盤。

2.2 保證轉(zhuǎn)盤的平衡品質(zhì)

這里轉(zhuǎn)盤包括轉(zhuǎn)盤座和磨片組。轉(zhuǎn)盤座加工要單獨(dú)進(jìn)行靜平衡，整幅磨片出廠前也要進(jìn)行靜平衡。平衡以后磨片組合的順序、相鄰位置不能改變，在磨盤座上仍然要按照平衡時(shí)的順序安裝，磨損的磨片應(yīng)整幅更換。磨片在磨盤座上應(yīng)正確地定位安裝，安裝時(shí)，定位面、安裝基面雜質(zhì)應(yīng)清理干凈。

我國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T1315—2002熱磨機(jī)制造驗(yàn)收技術(shù)條件規(guī)定，轉(zhuǎn)盤的靜平衡品質(zhì)等級(jí)應(yīng)為G1級(jí)，轉(zhuǎn)盤與主軸裝配后，其動(dòng)平衡品質(zhì)等級(jí)應(yīng)為G1級(jí)。此外，整幅磨片的靜平衡品質(zhì)也應(yīng)為G1級(jí)。由于轉(zhuǎn)盤和磨片分別加工，平衡的轉(zhuǎn)盤和磨片組裝后，轉(zhuǎn)盤整體的平衡品質(zhì)可能會(huì)降低。

為了保證平衡品質(zhì)，最好是轉(zhuǎn)盤組裝后整體進(jìn)行動(dòng)平衡。因此，應(yīng)采用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)，保證轉(zhuǎn)盤的平衡品質(zhì)不低于G2.5級(jí)，這一點(diǎn)對(duì)于1270 mm(50英寸)以上大型盤磨機(jī)預(yù)防碰盤尤為重要。

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是轉(zhuǎn)子在其自身的軸承和機(jī)架上進(jìn)行動(dòng)平衡，而不是在動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行平衡［8］。當(dāng)盤磨機(jī)更換新磨片之后，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡。現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡避免了拆卸、運(yùn)輸、檢修時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高等問題，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡時(shí)轉(zhuǎn)子的約束和支承符合實(shí)際工況，平衡效果好，因此廣泛受到重視。盤磨機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡可采用專用的便攜式動(dòng)平衡儀，打開磨室蓋，在轉(zhuǎn)盤空載或磨漿的情況下進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過測(cè)試分析，找出不平衡原因并進(jìn)行處理，可以消除振動(dòng)，有效預(yù)防碰盤。

王玉偉等人［9］在分析RL－50大型盤磨機(jī)振動(dòng)及預(yù)防時(shí)指出;動(dòng)盤單獨(dú)靜平衡實(shí)驗(yàn)的不平衡允差為50 g(磨盤直徑1270 mm);動(dòng)盤和主軸安裝在一起的動(dòng)平衡等級(jí)應(yīng)為G2.5(1500 r/min);整幅動(dòng)盤的靜平衡允差為磨片自身質(zhì)量的0.05%。磨盤安裝在主軸上的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)不大于0.05 mm，磨片安裝的平行度偏差應(yīng)小于0.05 mm。這些預(yù)防盤磨機(jī)振動(dòng)的要求同樣適用于預(yù)防盤磨機(jī)碰盤。

2.3 盤磨機(jī)主軸軸承的潤滑、溫度控制和游隙調(diào)整

在磨漿過程中，由于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，盤磨機(jī)主軸軸承和密封的部位由于摩擦熱使溫度升高，這些熱量會(huì)傳遞到主軸，轉(zhuǎn)盤也會(huì)集聚與漿料摩擦作用產(chǎn)生的熱量并傳至主軸，使主軸熱伸長(zhǎng)。對(duì)于三盤磨漿機(jī)，由于主軸軸向浮動(dòng)，熱伸長(zhǎng)影響不大;對(duì)于單盤磨漿機(jī)(或高濃磨漿機(jī))，由于兩支撐都可承受軸向力，主軸熱伸長(zhǎng)可導(dǎo)致主軸彎曲變形，使轉(zhuǎn)盤發(fā)生偏斜。當(dāng)轉(zhuǎn)盤偏斜增大時(shí)，會(huì)引起轉(zhuǎn)盤振動(dòng)，或產(chǎn)生碰盤。

因此，盤磨機(jī)軸承的潤滑、冷卻和密封的冷卻很重要。對(duì)于盤磨機(jī)這種精密主軸，無論哪種情況，主軸溫度均應(yīng)小于65℃。大型盤磨機(jī)一般都有稀油潤滑冷卻系統(tǒng)和密封的冷卻系統(tǒng)。軸承溫度過高會(huì)導(dǎo)致滾動(dòng)體膨脹，摩擦阻力增大，動(dòng)力消耗增大，加速軸承磨損。大型盤磨機(jī)應(yīng)有主軸軸承溫度檢測(cè)裝置，當(dāng)軸承溫度高于設(shè)定值時(shí)，加快潤滑冷卻系統(tǒng)的循環(huán)，從而控制軸承溫度不高于設(shè)定值。

主軸軸承游隙過小，會(huì)導(dǎo)致軸承摩擦阻力增大、溫度升高;主軸軸承游隙過大，在載荷作用下會(huì)導(dǎo)致主軸軸線偏移，主軸回轉(zhuǎn)誤差增大，產(chǎn)生振動(dòng)甚至碰盤。考慮到軸承滾動(dòng)體磨損后軸承游隙的及時(shí)調(diào)整，最好的方法是采用軸承游隙自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，該裝置一般采用彈簧調(diào)節(jié)軸承游隙。

2.4 采用防碰盤的安全保護(hù)措施

盡管上述措施考慮了盤磨機(jī)設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)的各個(gè)方面，在很大程度上減少了盤磨機(jī)的碰盤，但是盤磨機(jī)的碰盤很難完全避免。所以，人們考慮采用一種防碰盤的自動(dòng)調(diào)整裝置，對(duì)磨盤間隙進(jìn)行常態(tài)化的在線測(cè)量，當(dāng)檢測(cè)到磨盤間隙過小時(shí)，及時(shí)地自動(dòng)調(diào)整磨盤間隙，預(yù)防碰盤的發(fā)生。

1980年，James H Rogers等人［10］提出了采用測(cè)振儀間接檢測(cè)盤磨機(jī)碰盤的方法;1986年，Donald M Whyte［11］提出了在磨盤上安裝傳感器直接檢測(cè)磨盤間隙控制碰盤的方法;2007年Bruce R Crossley等人［12］也提出了類似的控制盤磨機(jī)碰盤的方法。

2008年，張輝等人［13］研究了采用電渦流傳感器測(cè)量盤磨機(jī)磨盤間隙的方法。該方法是將電渦流傳感器安置在定盤磨齒上，進(jìn)行磨盤間隙的在線測(cè)量。文獻(xiàn)［14］表明，將加速度傳感器安裝在磨漿機(jī)出漿管上，信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳入計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行連續(xù)小波變換 (CWT)處理。該方法經(jīng)過信號(hào)處理與分析，對(duì)于檢測(cè)盤磨機(jī)振動(dòng)、碰盤有一定的意義。

圖6 RFS4及其安裝方式

圖7 磨片表面RFS4的布置、接線孔和安裝RFS4

Dustin Olender等人［15-16］經(jīng)過10多年的研究，開發(fā)了第4代盤磨機(jī)專用的壓電式力傳感器 (RFS4)，將其鑲嵌在盤磨機(jī)定盤上 (其結(jié)構(gòu)和安裝方式見圖6)，通過測(cè)量盤磨機(jī)齒紋上作用力的變化情況，檢測(cè)磨盤間隙 (RFS4在磨盤的布置方式見圖7)，根據(jù)檢測(cè)信號(hào)分析處理結(jié)果，自動(dòng)采取預(yù)防碰盤的安全措施。這種直接檢測(cè)方法頻率響應(yīng)高、靈敏度高，可以檢測(cè)磨片齒紋上作用的動(dòng)態(tài)磨漿力，檢測(cè)準(zhǔn)確可靠(RFS4測(cè)量結(jié)果見圖8)。先前他們采用加速度傳感器預(yù)測(cè)盤磨機(jī)碰盤，現(xiàn)在采用RFS4預(yù)測(cè)盤磨機(jī)的碰盤，兩種方法比較表眀，RFS4靈敏度高，可先于加速度傳感器幾秒鐘預(yù)測(cè)碰盤;RFS4沒有誤報(bào)，而加速度傳感器可能會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)。該方法的缺點(diǎn)是需要在定盤上打孔，此外傳感器頂端容易磨損，需要經(jīng)常更換。

2006年，Andritz公司開發(fā)的數(shù)字式預(yù)防磨片碰盤的盤磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)(RPS，Refiner Protection System)已經(jīng)投入生產(chǎn)應(yīng)用［3］。2003年時(shí)，Andritz的第一臺(tái)RPS模擬系統(tǒng)樣機(jī)曾進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，但模擬RPS系統(tǒng)傳感器不可靠，傳感器發(fā)出的信號(hào)易受干擾，而數(shù)字式RPS系統(tǒng)大大改善了模擬RPS系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)選擇了由專家確定的磨盤間隙臨界值，當(dāng)磨盤間隙接近該臨界值時(shí)，RPS會(huì)將盤磨機(jī)安全關(guān)閉并在30 ms內(nèi)向DCS過程控制系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。

圖8 S1位置RFS4測(cè)量的磨漿過程力的波動(dòng)

3 結(jié)語

由于磨盤間隙很小，盤磨機(jī)很容易發(fā)生碰盤。碰盤是一種非正常現(xiàn)象，碰盤會(huì)加速磨片磨損、引起盤磨機(jī)振動(dòng)，增大噪聲。碰盤輕則導(dǎo)致停機(jī)，重則導(dǎo)致圓盤、軸承或者機(jī)殼損壞。

盤磨機(jī)碰盤的主要原因是間隙過小，磨片受熱彎曲變形，蒸汽排出的擾動(dòng)，兩磨片不平行，轉(zhuǎn)盤不平衡和盤磨機(jī)主軸系統(tǒng)剛度不足等。其中，磨片熱變形、蒸汽擾動(dòng)對(duì)盤磨機(jī)影響較大。

預(yù)防盤磨機(jī)碰盤的主要措施是:通過主軸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高主軸系統(tǒng)剛度;采用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡保證轉(zhuǎn)盤的平衡品質(zhì);盤磨機(jī)主軸系統(tǒng)的潤滑、冷卻，控制主軸的熱變形;軸承間隙的自動(dòng)調(diào)整;盤磨機(jī)磨盤間隙的在線測(cè)量和預(yù)防碰盤的自動(dòng)控制安全保護(hù)裝置等。預(yù)防盤磨機(jī)碰盤需要在盤磨機(jī)設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)等方面統(tǒng)籌考慮。

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