一种高速纸机新型摇振装置的设计

张 锋 高致富 刘 欢

(1.陕西科技大学轻工与能源学院，陕西西安，710021;2.陕西科技大学陕西省造纸技术及特种纸开发重点实验室，陕西西安，710021)

摇振装置是对成形网上的纸浆悬浮体施加可控的横向剪切手段，降低纤维在成形网上的絮聚，以改善纸幅成形的匀度和纤维排列的一种辅助脱水元件［1］。由于传统的摇振装置受到频率太低、反作用力大的限制，在高速纸机中，振动特性值并不能达到要求。为了达到良好的成纸质量，本研究设计了一种高速纸机的新型胸辊摇振装置。该设计的核心机构为两组4个相同偏心转子所组成的摇振箱，还包括调幅机构、调频机构、静压导轨、偏心联轴器及胸辊连接件等。该装置的重心只能在胸辊中心线方向移动，具有无反力作用的特点，对高速纸机纸幅成形有重要的作用。

1 摇振装置的工作原理及其结构

1.1 摇振装置的工作原理

新型胸辊摇振装置的核心部件是按物理重心原理产生往复运动的摇振箱。摇振箱的核心结构由两组4个相同的偏心转子组成。在运动系统中，两组4个偏心转子将会产生一个惯性力，该惯性力通过摇振杆传递到轴向的胸辊上。摇振箱两组4个相同偏心转子旋转受力示意图如图1所示。由图1可知，偏心转子是左右对称分布，偏心转子可以绕着其轴心高速旋转，它们之间是向着相反的方向旋转，由于反向回转时，偏心转子垂直分力相互抵消，水平分力相互叠加，使得支撑回转轴的摇振箱体发生水平方向的振动，即在水平方向产生一个往复运动［2］。

图1 偏心转子旋转受力示意图

在图1中，图1(a)为单个偏心转子的旋转受力示意图，转子受到水平方向和垂直方向偏心力的合力;图1(b)为一组偏心转子的受力示意图，因为转子完全相同，旋转速度完全相同，旋转的转子在任何时间都是上下对称。因此，它们整体受力情况是垂直方向受力为零，水平方向受到上下两偏心转子的水平合力;图1(c)为两组完全相同的4个偏心转子。它们的受力情况是水平方向受两组转子的水平合力，垂直方向不受力。

高速纸机新型摇振装置的设计，就是通过图1的原理达到摇振功能，并使设备在垂直方向上不受力，降低了设备的振动。这将会有效地降低纸机部件的损坏，使纸机多个部件的使用寿命增加。为了达到成纸质量的最佳状态，要求振幅是可调的。由于振幅是由振动质量力相加的，所以，可以借助偏心转子之间的夹角调节相位来调节振幅。换言之，通过改变偏心转子之间的相位差来调节振幅大小。

1.2 摇振装置的结构

本设计新型摇振装置结构如图2所示。通过摇振胸辊来摇振成形网，达到提高纸张质量的目的。该装置由可以产生往复运动的摇振箱、振幅调节机构、齿轮传动系统、电动机传动机构及液体静压导轨组成。通过连杆将摇振箱体和胸辊连接起来，进而带动胸辊做往复高频摇振。根据网速和摇振参数，在线调节振幅和频率。最高频率可达600次/min，最高振幅可达25±12.5 mm。

图2 新型摇振装置结构

2 摇振装置的设计

本课题主要包括相关设计计算和对关键部件的设计，其关键部件主要包括偏心转子、静压导轨、平行偏心联轴器、胸辊连接件和调幅装置。

2.1 摇振装置的设计计算

主要包括振动特性值计算、摇振装置的功率计算。

2.1.1 摇振特性值计算

纸机应用中，摇振特性值为3000～4000时，成纸质量最佳。摇振特性值的计算公式如式 (1)所示。

式中，Ish为振动特性值;n2Z为振动频率，次/min;a为行程，mm;v为纸机网速，m/min。

2.1.2 摇振装置的功率计算

在不考虑弹簧刚度时，摇振装置的惯性力F的计算公式如式 (2)所示。

式中，m为受振部件的计算质量，N·s2/m;e为偏心转子的偏心距，m;ω为摇振装置主传动轴的角速度，rad/s;φ为偏心连线的回转角。

当φ等于0°或180°时，F有最大惯性力，得:

当不计损耗的条件下，功率计算见式 (4)。

其中速度由式 (5)表示。

将式 (2)、式 (5)代入式 (4)可得摇振装置的功率为式 (6)。

当 φ 为 45°、135°、225°和 315°时，摇振装置功率P有最大值，即

由式 (7)可知，摇振装置的功率和偏心连接的回转角呈正弦曲线变化，故摇振装置的功率由式 (8)表示。

2.1.3 偏心转子的设计

根据偏心转子的总激振力Fpmax大于胸辊惯性力Fmax的要求，借鉴经验，先确定相关的外形尺寸，再根据胸辊的惯性力，计算所需偏心转子的偏心质量，进一步设计偏心转子的尺寸。在本设计中，摇振装置的核心部位为4个偏心转子，其结构如图3所示。偏心转子的偏心距e、激振力fp和振幅ax计算［3-4］见式 (9)～式 (12)。

式中，fp为偏心转子的激振力，N;B为偏心转子的厚度，m;ρ为偏心转子的密度，kg/m3;ω为偏心块转动的角速度，rad/s。

当转角θ为90°或270°时，水平方向有最大振幅。

图3 偏心转子结构示意图

2.2 静压轨道设计

2.2.1 导轨结构设计

在本设计中，选用v-平型导轨，其结构如图4所示。v-平型导轨具有较好的承受垂直载荷、具有抗拒偏载引起倾覆力矩的能力、结构简单、便于加工和调整等特点。底轨单独直接固定在摇振装置外箱体的底部，动导轨通过一个横板和摇振箱体连接在一起，从而完成往复运动。

2.2.2 油腔的结构设计和尺寸

图4 v-平型导轨

一般情况下，对于作直线往复运动的静压导轨，油腔开在动导轨上，保证油腔不外露。但是，这样做就必须配备相应的伸缩管，而对于高速振动的摇振装置，由于需要保证给油压强，对管道的要求比较高。因此，本设计中，将油腔开在定导轨上，由于本设计的振幅很小，在定导轨的两端留有足够长的常规导轨，这样既可以保证油腔不外露，又可以省去安装伸缩管的麻烦，简单方便。中间不设计静压轨道，只起连接和固定等作用，而在两端设置静压导轨。

2.2.3 承载能力计算

油腔中润滑油的压强为p，当它沿油封边向外流出时，压强逐渐降低，与大气相通后，压强降为零。假定压强的变化符合线性规律，可用式 (13)［5］表示动导轨的受力平衡条件。

式中，P为每个支座所承受的外部载荷，包括工件的重量和切削力，N;G为每个支座所承受的动导轨 (如工作台)的重量，N;p为油腔内压强，Pa;F为支座的面积，F=BL，(m2);CF为有效承载面积系数。

式中，L、B分别为支座的长度和宽度;l、b分别为油腔的长度和宽度。

当确定了每个支座所承受的载荷以及制作的油腔尺寸后，就可以按式 (14)计算油腔内润滑油的压强。根据式 (14)可得:

由式 (15)可知，油腔内的压强p随着载荷P的变化而变化。但是在设计中，动导轨支撑着摇振箱，故而它承受的载荷主要为摇振箱的重力，即4个偏心转子重量，再加上两对相互啮合的传动齿轮以及摇振箱体的重量，将参数代入式 (15)，可计算油腔内的压强p。

2.2.4 液压油进油和回油系统设计

在定导轨的侧面设置进油孔，通过管道连接给油加压支撑起动导轨;排油系统是油液从导轨上流到箱体底部，然后通过箱体的油孔回收油。进而完成油液的循环利用［6］。

2.3 平行偏心联轴器的设计

由摇振装置的工作原理可以看出，电动机是固定不动的，但是电动机的功率是通过一个输出轴传递给摇振箱的，摇振箱在垂直于传动轴轴线的方向做往复运动，故而电动机传动轴与摇振箱的连接结构是一个难点。该结构不但要满足传递动力，还要满足摇振箱在水平方向的往复运动。本设计中，选用PXC系列平行偏心联轴器。PXC系列平行偏心联轴器不会将径向振动从驱动装置传递到从动轴，而且具有优良的性能、紧凑的设计和较大的偏差补偿能力等特点。

2.4 胸辊连接件的结构

本次设计中，胸辊与摇振箱的连接结构是一个设计难点。摇振箱的作用使胸辊沿轴线做往复运动，同时胸辊要做高速旋转运动。为满足以上的运动要求，设计了一个连接件，其结构如图5所示。

图5 胸辊连接件

连接件分为上下两部分，通过螺栓连接在一起。在装配图中，连杆与胸辊轴颈之间安装两个推力轴承。首先，无论摇振箱对胸辊是拉还是推，胸辊都在高速旋转，因此必须有在旋转过程中既带动摇振，又不影响旋转的机构。图5所示的结构，胸辊在轴向受力都会有推力轴承来减少摩擦力。设计上下机构便于安装与拆卸。

2.5 调幅装置的设计

在摇振过程中，由于浆料的差异，对摇振振幅的要求不同，这就必须有在线调幅装置来完成这一功能。因此，在摇振装置设计中，振幅的调节是非常重要的一部分。调幅装置主要通过调节两组偏心转子的相位差来调节振幅。本设计中采用套筒结构的调幅装置，其工作原理是圆柱凸轮。在套筒的一端设计有气缸，当气缸推动套筒移动的时候，小圆柱会在轨道中移动，进而推动传动轴旋转，达到调节两组偏心转子相位差的目的，见图6。

图6中，a表示传动轴，在轴上有两道螺旋沟槽;b表示调幅套筒，套筒的内壁有两个小圆柱。通过这个机构，可以有效地调节旋转中的两组偏心转子的相位差，调节振幅。

图6 振幅调节机构

2.6 其他部件的设计

在摇振装置中，还有其他一些部件，如调频装置、摇振装置外壳体、底座 (支架)、箱体等都是摇振装置所必须的部件。本设计中，调频装置通过电机变频来调节振幅频率;摇振装置的外壳，底板采用铸铁，表面喷涂防腐、防锈涂层。调幅机构和电机的上半部分采用不锈钢护罩。在摇振箱的底部处，外壳有油液回收循环利用的作用。各个底座都为铸铁材料。

3 结论

本课题设计的胸辊摇振装置具有以下几个特点:采用4个相同的偏心转子高速旋转的工作原理，使胸辊摇振装置对相连部件振动很小或者没有振动，故而它不需要复杂的结构措施来承受振动力;通过采用静压导轨、偏心联轴器和胸辊连接件的设计，很好地降低了因摇振运动而损耗的能量;并且在纸机车速很高时仍然可以具有很高的振动特性值，可以有效地减少纤维絮聚，提高纸幅匀度。除了上述优点外，还具有在线调节振幅技术，可降低事故的发生，设备结构简单，安装方便，维护成本低。

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