揚克烘缸衛生紙機的托輥壓榨優化設計探討

呂洪玉 天津科技大學

張馳 卞學詢 福佳大正機械有限公司

衛生紙機中的濕紙幅經過壓榨脫水后，再進入揚克缸進行干燥，壓榨脫水是最經濟的降低紙幅水分的方法。由于托輥外側包膠在線荷載作用下要發生變形，所以托輥與揚克缸接觸為面接觸。研究包膠輥面的變形將更新人們對揚克缸上荷載的認識，即托輥與揚克缸之間的載荷為面荷載。此外，本文對包膠變形的研究將對壓榨性能與包膠輥的優化設計提供依據。

1 壓區計算分析

1.1 壓區寬度與壓力峰值

衛生紙機中紙幅成形后，經傳送進入干燥部。經過真空托輥進行壓榨脫水后再進入揚克缸干燥。同時揚克缸上面有氣罩裝置，利用熱風的射流強制對流蒸發干燥。其中托輥壓榨是機械脫水，是最為節能高效的脫水方式。研究壓榨效果的參數可以為揚克缸設計提供所需要的邊界條件：托輥為包膠輥，在線荷載作用下與相鄰烘缸之間相互擠壓，使濕紙幅擠壓脫水。如圖1所示。

圖1 衛生紙機干燥系統

衛生紙機壓榨部設計是造紙工藝設計師與設備建造工程師關注的問題。筆者前期工作有托輥對于揚克缸的應力分析計算[1]，托輥作用下揚克缸變形分析[2]。此后，對托輥引起揚克缸應力分析的不同算法進行了研究[3]。

首先，壓榨輥的結構一般是在不銹鋼輥芯的外側包覆一定厚度的橡膠或是聚氨酯等粘彈材料。包覆層材料在壓力作用下發生變形。由于此類材料為非線性材料，壓區中不同位置的壓力值[4]分布如圖2所示。

圖2 包膠輥的壓區與峰值應力

研究表明，對于不同硬度的包膠，其壓區不同位置的壓力也有所不同[5]。包膠硬度高時壓區偏窄，峰值壓力高；包膠硬度低時壓區寬度增大，峰值壓力降低。如圖3。

圖3 不同包膠硬度變形

圖3說明：（1）隨著包膠材料硬度降低，壓區寬度增大；（2）壓區寬度值與壓力峰值成反比。

1882年赫茲關于接觸應力的數學模型[5]也說明了這一點。

b ——壓區寬度；N ——線荷載

隨著技術進步以及計算技術的提高，人們對于非線性材料特性的認識以及對壓榨的分析計算能力有了很大的提高。安德里茨公司發布了Nip Cal[6]程序。當給定包膠輥與相鄰輥的設計參數，該程序可計算出壓榨的壓區寬度、峰值壓力、保壓時間和壓榨沖量值。

筆者所在的科研團隊，開發了具有自有知識產權的帶有壓榨輥溫度場分析的壓榨分析軟件Nip Comp[7]。這一計算分析軟件具有計算速度快、精度高的特點，它為造紙廠、造紙機械廠與包膠廠技術人員提供了壓榨分析工具，計算輸出如圖4所示。

圖4 Nip Comp壓榨分析計算

托輥與揚克缸之間的載荷并非作用于一條直線上的線荷載，而是作用于一個壓區內的荷載。線荷載的分布為一似拋物線的形狀。揚克缸的強度與剛度有限元計算依賴于上述計算出的壓區寬度與壓力峰值，以面荷載輸入荷載條件。壓區寬度一般不大于60mm，因此在揚克缸計算中單元劃分一般沿環向劃分四排或六排單元計算精度已經足夠（如圖5所示），而接觸面壓強取中間值（圖上近似也有足夠的計算精度）。

圖5 壓區單元劃分

1.2 “線荷載”與壓區荷載的對比

有限元分析的三維實體單元劃分與應力分布如圖6所示。

圖6 有限元分析的網格劃分及應力分布

將上述有限元分析結果與常規線荷載分析對比。由于采用了面荷載，沿揚克缸環向變形區域加大，而應力水平以及徑向變形明顯降低（如表1所示）。所以采用面荷載作有限元計算更接近揚克缸所受荷載的真實工況。

表1 “線荷載”與壓區荷載對比

上述計算結果只是說明“線荷載”與壓區荷載計算的對比，“線荷載”只是理論上的概念，并非真實工況，上述壓區荷載的計算值是在給定揚克缸直徑、運行車速、壓榨輥的直徑、包膠厚度、包膠硬度以及給定線荷載之下的一種計算值。隨著這些參數的變化，壓區寬度、壓力峰值以及最大變形量等數值也在變化。對于“線荷載”，可通過有限元計算或通過近似計算方法計算壓力峰值[1-2]及揚克缸最大變形量[3]。

2 壓榨的優化設計

如前所述，當給定了包膠輥的結構尺寸、包膠硬度以及相鄰輥的直徑，通過Nip Comp程序計算分析，可以得出壓區寬度、壓力峰值、保壓時間以及壓榨沖擊等數值。也就是說，在相同線荷載的作用下，不同結構的壓榨輥，其壓榨的效果是不同的。

現階段研究結果還沒有得到可以用來確定其壓榨后干度值的托輥壓榨的設計參數。這是由于影響托輥壓榨干度的因素很多。除壓榨輥結構設計參數外，還有輥子開孔、開溝以及真空設計等影響因素。但是工程實踐表明，在真空托輥的結構一定的前提下，增加峰值壓力會提高濕紙幅的干度。因此，在托輥壓榨情況下，提高壓力峰值是提高壓榨干度的有效途徑。

工程實踐與計算分析結果表明，真空托輥壓榨應控制其峰值壓力在2.5～3.0MPa，最大壓區寬度為60mm。適當的壓區寬度可以保證壓榨的干度與紙幅的松厚度。此外，根據赫茲原理可知，峰值壓力與壓區寬度成反比例，因此做壓榨優化設計時應該充分照顧到這兩個方面。

托輥的透孔與盲孔以及開溝設計的優化，直接影響著水分收集。已經有不少相關的專利技術[8]正在實施中。

壓榨的保壓時間越長壓榨效果越好，保壓時間也稱壓區停留時間（NRT），其計算方法是：

其中，紙機車速易于測量，而紙機方向壓區寬度的變化極大。一般大直徑壓榨輥、硬度低的包膠材料會增加保壓時間，優化設計過程也應適當考慮保壓時間。

壓榨沖擊值是一個非常重要的參數，但是這一參數往往被忽略了，其定義是：

tb——沖量開始時間；te——沖量完成時間；p1、p2——紙幅兩面壓力。

如圖7所示，水的移除能力與p1、p2間的面積成正比例，由此加大壓區荷載與保壓時間將增加水的移除能力[9]。為使p2線下移，增加p1、p2之間的面積，同時減少回濕現象，應該采用壓榨專用毛毯，可達到此目的[10]。

圖7 壓區荷載影響水的移除能力

綜上所述，濕紙幅通過壓榨移除水分，其線壓力會影響壓榨效果。但給定線壓力同時還要考慮其他影響壓榨效果的因素，如壓榨輥的直徑、包膠厚度、包膠硬度等的選擇，優化設計使壓榨紙幅脫水效果更好。表2所示工程實例與計算分析均涉及到壓榨的優化設計問題。

案例1與案例2為鑄鐵揚克缸，并使用燃氣氣罩，案例3為鋼制揚克缸蒸汽氣罩。案例1壓區寬度尚可，但峰值壓力較低，保壓時間與壓榨沖量均較低；案例2包膠厚度和包膠硬度降低，使得沖量上升。結合案例1、案例2，改進算例1，將線壓提升到120kN/m，壓區寬度、峰值壓力、保壓時間及壓榨沖量均達到較好的效果。

案例3適用于蒸汽氣罩，希望壓榨效果有所提高。為此加大壓榨輥直徑，提高線壓力，其結果更優于案例1、案例2的改進算例1，經現場測量，壓榨后的干度可達到42%。

在此基礎上我們又探討了大直徑6,100mm揚克缸的高速衛生紙機壓榨設計算例2，也得到較好的效果。

表2 工程實例與算例

3 總結

揚克缸與托輥之間的線荷載的實際情況是，包膠在壓力作用下發生變形，托輥與揚克缸接觸為面接觸，所以載荷性質是面荷載。面荷載作用應該用專用程序，如Nip Comp程序進行分析，確定其壓區寬度與壓力峰值等參數，再進行揚克揚克缸的強度與剛度計算。大量計算分析表明，以面荷載計算結果，揚克缸的應力與變形均低于以線荷載計算數值，其可靠性較高。

對于線荷載作用于揚克缸，其計算結果有壓區寬度、壓力峰值、保壓時間與壓榨沖量等參數，這里存在優化設計問題。壓區力爭寬些，一般數值應接近60mm為優，壓力峰值應不低于2.5 MPa，保壓時間與揚克缸車速、壓榨輥直徑相關聯，應盡量控制在1.5ms；壓榨沖量值應該控制在3.5kPa·s以上。因此壓榨的優化設計是一個系統工程，需要綜合考慮大量計算結果，才可以完成一個好的壓榨設計。

此外，正確選擇壓榨毛毯，以減少回濕現象，增加出壓榨干度，壓榨輥開孔及配置真空輥等設計應納于優化設計之中。