靴壓可控中高輥多油墊流體靜力支承的應用研究

李若冰 李曉艷 程 敏

(1.廊坊燕京職業(yè)技術學院機電工程系，河北廊坊，065200；2.中國造紙裝備有限公司研究發(fā)展部，河北廊坊，065699)

·可控中高輥·

李若冰女士，講師；主要研究方向：機械設計及制造。

靴壓可控中高輥多油墊流體靜力支承的應用研究

李若冰1李曉艷1程 敏2

(1.廊坊燕京職業(yè)技術學院機電工程系，河北廊坊，065200；2.中國造紙裝備有限公司研究發(fā)展部，河北廊坊，065699)

靴壓是現(xiàn)代造紙機的一個壓榨設備。基于流體靜力原理，靴輥和可控中高輥采用同一個比例溢流閥輸出壓力，能夠實現(xiàn)寬壓區(qū)和高線壓，使靴壓的工作負載與比例溢流閥的輸出壓力成線性關系，且油膜厚度不隨負載變化而變化，相當于形成剛度無限大的油膜。該設計延長了靴壓在高負荷生產(chǎn)中的使用壽命，大大的提高了生產(chǎn)效率。

靴壓；流體靜力學支承；恒定的油膜厚度

在現(xiàn)代造紙機械中廣泛應用靴壓進行壓榨脫水。靴壓的工作線壓是傳統(tǒng)壓榨的10倍，達到1400 kN/m，脫水能力強，因此靴壓成為現(xiàn)代造紙機的首選壓榨技術[1]。

1 可控中高輥中的多油墊流體靜力支承

1.1流體靜力支承理論

紙機設備的旋轉不可避免地存在各種摩擦，如靴壓設備的靴板和靴套的接觸、可控中高輥的輥殼和加壓靴的接觸等。全液體潤滑的滑動支承，分為靜摩擦和動摩擦，靜摩擦是在滑動表面之間輸入足以平衡外載荷的高壓潤滑劑，人為地迫使兩個接觸表面完全分離，這種借助流體靜壓力來承載的方法稱為流體“靜”力潤滑；而動摩擦則利用相對運動副兩表面之間的相對運動和幾何形狀，借助流體黏性，把潤滑劑帶進摩擦面之間，依靠速度差建立起的流體壓力膜將兩表面完全分離。靜壓支承的使用條件是必須有一套液壓系統(tǒng)。而動壓支承使用的先決條件之一是必須有足夠大的相對速度，否則設備在啟動和停車階段難以形成全液體潤滑，會導致表面直接接觸引起摩擦磨損[2]。

1.2靴壓工作原理分析

靴壓是依靠液壓力使靴板和可控中高輥相互作用而產(chǎn)生非常高的線壓以大量去除濕紙幅的水分，其中靴輥的加壓靴和可控中高輥的加壓靴采用的是同一個液壓油源，靴壓工作原理如圖1所示。靴板通過加壓活塞連接在中心梁上，產(chǎn)生的反作用力由靴輥的中心梁承擔，中心梁不旋轉。靴套由專用軸套固定并張緊，隨著可控中高輥一起高速旋轉，靴套與靴板之間采用流體動力學的潤滑方式。可控中高輥內部有很多加壓靴，通過加壓活塞連接在中心梁上，加壓靴上開孔并裝入毛細管，通過毛細管給加壓靴的油袋充滿液壓油，平衡靴輥的線壓力。加壓靴的線壓力也由中心梁承擔，中心梁不轉而輥殼旋轉，輥殼和加壓靴之間采用流體靜力學的潤滑方式。當可控中高輥加壓時，靴輥和可控中高輥的兩根中心梁同時受力，大小相同、方向相反，靴輥和可控中高輥對紙機壓榨部機架不產(chǎn)生額外的力[1-3]。

圖1 靴壓工作原理

圖2 多油腔平面支承的流體分析

1.3多油墊靜壓支承的承載能力和剛度計算

靜壓支承一般由多個支承單元組成。根據(jù)靜壓支承的原理，靠油腔及封油面上的靜壓力來平衡外載荷。可控中高輥的設計采用了這種多油墊流體靜力支承原理，所以在實際設計中，紙機橫幅方向上根據(jù)紙機幅寬采用相應數(shù)量的對稱油墊。這屬于相隔的多油腔靜力支承，采用毛細管的壓力補償方式防止偏載。可控中高輥的流體靜力支承計算可以簡化成圖2所示的多油腔平面支承，來計算它的承載能力和剛度[2-3]。

(1)

式中，0表示回油管壓力為零。

油腔壓力P0和進油壓力Ps的關系見式(2)。

(2)

式中，λ0為毛細管節(jié)流器液阻Rc0和支承間隙縱向回油液阻Rhb0的比值，簡稱液阻比。

矩形多油腔單元的回油液阻Rhb計算見式(3)。

(3)

式中，μ為油液的動力黏度；b1為矩形油墊的縱向節(jié)流邊的寬度；l1為矩形油墊橫向節(jié)油邊寬度；L為矩形油墊橫向長度；h為油膜的厚度。

在設計狀態(tài)下，各單元油腔壓力都一樣，每個單元的承載能力We計算見式(4)。

(4)

式中，Ae為矩形油腔單元的有效承載面積，Ae=L(B-b1)；Te為負載力；We為承載力；Te和We大小相同，方向相反。

為了計算方便，在封油邊較窄的情況下，每個單元在小位移率下的承載能力We′計算見式(5)。

(5)

式中，ζ為內流系數(shù)，對于多油墊支承，如果不發(fā)生內流，就不存在內流系數(shù)，可以取消ζ的各項；λ為油腔單元在工作狀態(tài)下毛細管節(jié)流器液阻Ro和支承間隙縱向回油液阻Rhb的比值。

小位移率下的油膜剛度S計算見式(6)。

(6)

式中，ε為油膜厚度的變化值與設計油膜厚度的比值，簡稱油膜厚度變化率。

當ε=0時，λ=λ0，設計狀態(tài)下的剛度S0計算見式(7)。

(7)

毛細管節(jié)流器液阻Rc計算見式(8)。

(8)

式中，μ為油液的動力黏度；l為毛細管的長度；d為毛細管的直徑。

使用毛細管節(jié)流器的矩形多平面油墊的液阻比λ0計算見式(9)。

(9)

式中，C是一項結構參數(shù)，只與毛細管和油墊的幾何尺寸有關；h為油膜厚度。

由式(2)和式(9)可得油腔壓力P計算見式(10)。

(10)

由剛度計算公式(7)可知，可控中高輥的初始設計剛度與油源壓力或與油腔壓力有關，油腔壓力又取決于設計線壓的大小。當初始設計剛度確定后，油膜厚度基本上不會變化。在一般靜壓支承的應用中，油膜厚度總是隨著負載變化而變化，負載增加，油墊壓力增加，油膜厚度減小，油源壓力不變的情況下，毛細管的壓差減小，流經(jīng)毛細管和矩形油墊的液壓油的流量減小，以適應負載的變化。油膜厚度變化，引起油膜剛度發(fā)生變化。如果負載變化非常大，會造成油墊壓力增加，流量降低，當油膜厚度減小到一定極限時，會造成加壓靴和輥殼的直接接觸，失去油膜的潤滑，導致輥面或者加壓靴的表面受損，從而影響到紙機的生產(chǎn)[4-5]。

在靴輥和可控中高輥中，靴壓的線壓來源于靴輥和可控中高輥的相互作用。它們采用的是同一液壓油源，使得負載就是液壓油源壓力，既是靴輥的加壓力，也是可控中高輥的加壓力。當負載變化時，壓力油源成比例變化，流量也會相應變化，但是油膜厚度始終保持不變，該設計對油膜的剛度非常有利。油膜厚度取決于液阻比，而液阻比與油墊壓力和油源壓力之比有關系。當負載減小時，油墊壓力減小，油源壓力也減小，負載的大小與油源壓力成線性關系，油墊壓力與油源壓力的比值不變，由于負載減小，毛細管的壓力差也減小，因此流量也相應減小，保持了油膜的厚度不變。

可控中高輥加壓靴靜壓支承的油膜厚度不隨負載變化而變化。油膜的兩個重要指標是承載能力和剛度，承載能力與壓力有關。剛度是產(chǎn)生單位油膜厚度變化所需的載荷變動量。由于剛度基本不變，所以可以認為油膜剛度接近無窮大。事實上這僅僅是針對改變靴壓和可控中高輥的加壓壓力，靴壓工作線壓發(fā)生改變，油膜厚度保持不變。當負載由于操作不當?shù)仍虍a(chǎn)生變化時，如靴壓和可控中高輥之間進入異物或有外力加載靴壓上，油膜厚度會發(fā)生變化。負載大的地方油墊的油膜變薄，流量減小；負載小的地方油墊的油膜變厚，流量增加壓力減小以適應負載變化。

為了保證整個靴壓整體受力為零，靴輥加壓活塞的進油壓力和可控中高輥加壓活塞的進油壓力采用同一壓力油源。這種特殊的設計使得負載的大小跟油源壓力成線性變化的關系，因此在任意工況和負載下，油膜厚度幾乎不變。

2 多油墊靜壓支承應用實例

國內某涂布白紙板紙機，幅寬4600 mm、車速650 m/min采用了這種靴壓配置可控中高輥的形式。可控中高輥共34個毛細管和油袋，毛細管的直徑是1.6 mm，長度為96.7 mm，液壓系統(tǒng)采用ISO VG150液壓油，工作線壓最大為1250 kN/m，當操作員設定線壓為1250 kN/m時，負載最大，相應的液壓油源壓力輸出最大，設計比例閥工作壓力為8.22 MPa，油膜的設計厚度為0.15 mm，油墊壓力為3.65 MPa，工作線壓最大時系統(tǒng)需要的流量最大，由式(1)和式(8)計算流經(jīng)每個毛細管或每個油墊所需要的流量Q為4.15 L/min，計算方法見式(11)。

(11)

式中，μ為油液的動力黏度，當溫度在45°左右時VG150油的黏度為95.5；l為毛細管的長度，96.7 mm；d為毛細管的直徑，1.6 mm；ΔP為毛細管的壓力降，4.58 MPa。

同樣根據(jù)式(1)和式(3)也可計算每個毛細管或每個油墊所需要的流量，結果與式(11)相同。其中b1是矩形油墊的縱向節(jié)流邊的寬度，53 mm；L為矩形油墊橫向長度，50 mm；h為油膜的厚度，0.15 mm。

靴壓輥和可控中高輥的設計，保證了靴壓液壓系統(tǒng)的工作壓力不隨紙機幅寬改變。所以當紙機橫幅變化時，只是機械結構上的變化，只要靴壓設計線壓不變，紙機橫幅單位長度的液壓加壓壓力始終保持不變，在8～9 MPa之間。紙機幅寬增大，靴板和可控中高輥加壓靴的長度相應增加，可控中高輥毛細管的數(shù)量增加，流量就會增加，但是每個毛細管或油袋所需要的流量幾乎不變或者改變較小，前提是毛細管的直徑和長度不發(fā)生改變。

可控中高輥的設計使得油墊的油膜厚度在任何工作線壓下都能保持不變。當操作員因工藝要求，將靴壓線壓減小到800 kN/m時，由于工作負載減小，比例溢流閥的設定壓力減小，多余的油溢流回油箱，油源壓力減小，造成毛細管壓力差降低，進入可控中高輥的矩形平面油墊的流量相應減小。毛細管節(jié)流器的矩形平面油墊的液阻比只與油膜厚度有關，毛細管節(jié)流器和矩形平面油墊的尺寸均不變，壓力比(油墊壓力P0、油源壓力Ps)也不變，油源壓力減小后，油墊壓力也成比例減小，液阻比保持不變，油膜厚度不變，相當于油膜的剛度無限大[5-7]。

3 結 語

多油墊靜壓支承應用于紙機設備的靴壓模塊，充分利用了帶毛細管補償?shù)亩嘤蛪|承載能力強和油膜剛度大的特點，相比傳統(tǒng)的靴壓設備，提高了紙機壓榨部的脫水能力，減小了紙機在高車速下的振動，有利于紙機向更高車速發(fā)展。

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TheApplicationofMultipleOilPocketHydrostaticBearinginControlledCrownRoll

LI Ruo-bing1,*LI Xiao-yan1CHENG Min2

(1.LangfangYanjingVocationalandTechnicalCollege,Langfang,HebeiProvince, 065200; 2.ChinaPaperMachineryCorporation,Langfang,HebeiProvince, 065699) (*E-mail: 79390244@qq.com)

Shoe press is a key equipment in modern paper making process.Shoe press counter roll is a controlled crown roll, the loading of the shoe press and counter roll is the same presure output by a proportional relief valve, the design is very smart to keep the oil film between the loading shoe and shell of the counter roll allways the same thickness, regardless of the linear presure changes, therefore the stiffness of the oil film is infinitely great, which extends the working life of the equipment．

shoe press; hydraostatic bearing; constant thickness of oil film

TS734+.4

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.10.011

2017- 06- 05(修改稿)

河北省廊坊市2017年度哲學社會科學研究課題(2017096)。

(責任編輯：董鳳霞)