靴式压榨装置的设计与有限元分析

王宏民 黄建坷 林蔚 覃才 何有根 王建生 杨威 陈凡

摘要：靴式压榨技术是目前造纸行业最先进的压榨技术，保持线压的稳定性和提高脱水率是靴式压榨技术面临的挑战，有必要通过结构设计和有限元分析，探索优化靴式压榨装置的结构和性能，以提高造纸过程中的浆料脱水效率和纸张质量。首先进行了文献综述，回顾了已有的靴式压榨装置设计和有限元分析方面的研究。然后，根据研究目标，设计了一种新型的靴式压榨装置，并使用有限元分析方法进行了结构分析和性能评估。通过有限元分析，获得了靴式压榨装置在极限条件下的工况下的静应力变形情况。分析结果显示，设计的装置在结构稳定性方面表现良好，能够有效实现浆料的脱水和纸张的均匀压制。基于设计和有限元分析结果，得出结论认为该靴式压榨装置具有优越的结构性能，该研究对于进一步改进和优化靴式压榨技术具有重要的实用价值和应用潜力。

关键词：靴式压榨；脱水效率；纸张质量；有限元分析

中图分类号：TS734.8                  文献标志码：A               doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.05.010

文章编号：1006-0316 （2024） 05-0074-07

Design and Finite Element Analysis of Shoe Press Unit

WANG Hongmin1，HUANG Jianke1，LIN Wei1，QIN Cai1，HE Yougen1，

WANG Jiansheng1，YANG Wei2，CHEN Fan3

（ 1. Faculty of Intelligent Manufacturing， Wuyi University， Jiangmen 529020， China;

2. OPD Servo Motor & Energy-Saving System Co.， Ltd.， Jiangmen 529050， China;

3. Jiangmen Polytechnic， Jiangmen 529030， China ）

Abstract：The shoe press technology is the most advanced press technology in the paper industry at present. Maintaining the stability of the line pressure and improving the dewatering rate are the challenges faced in the field of shoe press technology， and it is necessary to explore the optimization of the structure and performance of the shoe press device through structural design and finite element analysis to improve the efficiency of pulp dewatering and paper quality in the papermaking process. In this paper， a literature review on the existing studies on the design and finite element analysis of shoe press devices is first conducted. Then， based on the research objectives， a new shoe press device is designed ， followed by the structural analysis and performance evaluation through the finite element analysis. Through finite element analysis， the static stress deformation of the shoe press device is obtained under the working conditions at the limit conditions. The analysis results show that the designed device performs well in terms of structural stability， and is able to effectively realize the dewatering of pulp and the uniform pressing of paper. Based on the design and finite element analysis results of this paper， it is concluded that the shoe press device has superior structural performance， and the study has important practical value and application potential for further improving and optimizing the shoe press technology.

Key words：shoepress；dewatering efficiency；paperquality；finite element analysis

靴式压榨简称靴压，是由20世纪80年代美国的Beloit公司研发出来的技术，其目的是为了延长纸张在压榨区的停留时间[1]。靴压最早通过增大辊子直径来实现，这样可以增加压榨区域的宽度，并延长纸张在压榨区域的停留时间。

造纸设备脱水的关键部位是压榨部分，靴压是目前造纸行业最先进的压榨技术，压榨纸张中水分的效果最好。一般纸幅出口压榨部的干度每提高1%，蒸汽消耗量就会减少约5%，从而直接降低造纸生产成本约0.75%。这种方法的节能降耗效果十分显著[2]。所以靴压很大程度上决定了造纸机的运行成本和经济效益。

德国的Voith公司也根据靴压技术设计出类似装置，其开发了一种名为NipcoFlex单靴压榨方法。该方法利用弧形液压加压靴与压榨辊配合形成压区，通过不透水的尼龙聚氨酯毛毯将加压靴与湿毛毯隔开，同时利用油膜进行润滑。纸张和毛毯在上压榨辊和毛毯之间运行[3-5]。这种宽压区压榨形式不仅确保在需要高度脱水时无需过高的加载压力，还避免了纸张在压区间被压碎或损坏。

我国自1998年开始在高速大型文化纸机上采用靴压技术，截至2016年，已有超过250套靴压装置应用于不同类型的纸机上[6]。近年来，国内靴压技术的应用数量持续增加，特别是在新投入使用的大型纸机上，靴压装置成为不可或缺的关键组成部分。国内的靴压相比于国外起步较晚，由于缺乏关键技术理论和关键设备的研究，只有几家公司初步研发出了靴压造纸装置，例如中国造纸装备有限公司、山东昌华造纸机械公司、淄博泰鼎造纸机械厂等[7-9]。

针对国内在靴压装置方面研究缺乏的现状，本文根据造纸设备的性能要求，通过理论分析和有限元分析，深入研究靴压的结构原理。对靴压装置进行了结构设计，提供了靴压造纸设备电机的选型依据，为国产造纸机的发展提供参考依据。

1 靴压装置主要结构设计

1.1 靴压装置整体结构

靴压装置主要由靴辊和背辊组成，靴压技术通过靴辊和背辊之间的挤压来减少纸浆中的含水量。靴板并不是和纸页直接接触的，靴压压榨区域的结构从下到上分别是背辊辊壳－毛毯－纸辐－毛毯－靴套－靴板。如图1所示。靴辊和背辊的两端通过轴承座相互加压铰接在一起来保证运行时的稳定性，更好的平衡靴辊和背辊的相互作用力。

1.2 靴辊设计

靴板可通过液压加载装置进行加压，靴板通过上下移动来压榨纸页。靴板安装在靴辊上，靴辊本身是不旋转的，所以靴板也不旋转，但靴辊上的靴套会由于背辊的高速转动产生转动。靴辊两端是轴承座，背辊两端也是轴承座，两端用铰链进行连接。

靴板中间有凹槽，且凹槽被分成若干部分，靴板和靴套之间的润滑油膜由每个靴板凹槽的出油孔流出产生。靴板液压缸的活塞杆头与靴板固定连接在一起，这样可以更好传递压力，使线压力更稳定。液压缸总共两排，横向排列在支撑横梁上，这样可以通过控制液压缸的压力，从而控制靴板的倾斜角度，以延长压榨的时间。液压缸的缸体安装在支撑梁上，出油孔位于缸体底部，所有液压缸的油管互通且设置在支撑横梁内部，油管的进油孔与支撑横梁上的回转油缸相连，同样位于支撑横梁内部。如图2、图3所示。

1.3 背辊设计

背辊的辊芯相当于背辊的支撑部位，和靴辊的支撑梁作用类似，辊芯材质是球墨铸铁。工作时，靴辊的线压力主要作用在辊芯上，所以辊芯要有足够的强度。而轴承主要起到传递线压力的作用，所以两端轴承的载荷并不大[10]。

背辊外部主要由端盖、辊壳和减速箱组成，减速箱是整个靴式压榨装置的动力来源，辊壳靠近减速器的一端内嵌内齿轮，这样电机的动力就可通过减速器传递给辊壳。背辊内部主要由辊芯和液压加载单元组成，液压加载单元就是液压缸，它横向排列在辊芯上对辊壳起加压的作用。液压加载单元的活塞是固定的，它是通过加压让液压缸对辊壳进行挤压。压力油是通过活塞杆上的小孔流出的，活塞杆末端小孔与辊芯内置油管相连。液压缸和辊壳之间也是需要润滑油来减少摩擦力，它们之间的润滑油是通过液压缸上的小孔流出的，液压缸上的小孔装有节流阀。如图4所示。

2 电机选型

造纸设备通常是由转动件构成，这些转动件的功率可以通过计算驱动转矩和转速的乘积来求得。没有必要再写成牵引力和线速度的乘积，这样可以使计算概念清晰，并减少计算的工作量，从而提高设计工作的效率[11]。

根据靴压的结构，系统内驱动辊子的驱动转矩等于各种滚动摩阻阻力矩和压榨辊转动所需要的力矩之和。驱动辊子传动所需功率计算如下：

（1）

式中：Mi为摩擦力矩，kN·m；V为背辊转速，m/min；n为摩擦类型数目；D为背辊直径，m；η为传动效率。

背辊所受的摩擦力矩可分为三种类型[5]，这三种类型分别为背辊轴承内摩擦力矩、靴辊和背辊之间的摩擦力矩和液压缸和辊壳之间的摩擦力矩，下面对此一一进行计算。

（1）背辊轴承内摩擦力矩为：

（2）

式中；Q为背辊两侧轴承上的总负载，kN，包含背辊自重、通过背辊的毛布拉力之和、靴辊的重量以及靴辊施加的压力[5]，选择重力系数为9.8 N/kg；f为轴承的滚动摩擦系数，对于圆柱滚珠轴承f＝0.04；d为轴承的直径，m。

（2）靴辊和背辊之间的摩擦力矩为：

（3）

式中：Q2为靴辊和背辊之间的压力，kN；K为滚动摩擦力臂，m，该值通常为0.007～0.016 m [5]；Da为背辊直径，m；Db为靴辊直径，m。

（3）液压缸和辊壳之间的摩擦力矩为：

（4）

式中：f1为液压缸和辊壳的摩擦系数；P1为液压缸的单位压力，kN/m；F1为液压缸和辊壳的接触面积，m2。

当钢与钢之间加有润滑剂时，它们的摩擦系数为0.05～0.10，液压缸和辊壳之间的油膜处于混合润滑状态，通过其它润滑的摩擦系数区间，即可获得混合润滑的系数区间，动压润滑的系数为0.001～0.01，边界润滑的系数为0.05～0.10，那么混合润滑的系数取0.01～0.05，

取液压缸和辊壳的摩擦系数为0.05。

根据转矩与造纸设备车速的关系[5]，如图5所示，当转速很高时，可用下式来计算转矩增加系数：

（5）

式中：Kv为转矩增加系数。

在计算电机传动轴的输出功率时，还需考虑减速机的传动效率和万向轴联轴器的传动效率，为了确保驱动转矩的安全性，采用Km作为极限系数[5]。因此，电动机轴的功率计算如下：

（6）

Km、Kv、η根据减速机和联轴器的类型来取值。

3 靴辊的有限元分析

虽然靴板比起靴辊小很多，但由于靴板是固定在靴辊上的，且属于主动件，并且靴辊和背辊都是固定在机架上，靴板不会受到靴辊的重力作用，所以本文不对靴板进行分析。靴辊是靴压装置运行过程中的主要受力构件之一，它的稳定性和可靠性直接决定了整个压榨系统的性能。因此，靴辊必须具备足够的刚度和强度，以确保其在运行过程中不会发生变形或损坏[5]。下面对靴辊进行静强度分析。

3.1 建立靴辊有限元模型

利用Solidworks软件对靴辊支撑梁模型进行有限元分析。在应用材料中，对靴辊支撑横梁材料属性进行设置，定义材料属性选择合金钢材料，密度为7700 kg/m3，弹性模量为2.1×1011 N/m2，泊松比为0.28。如图6所示。

3.2 添加约束和施加载荷

对靴辊支撑梁的两端进行固定约束，采取极限条件下的工况进行计算，靴辊支撑梁的受力为自身的重量和两辊之间的最大压力，靴辊的重量为1777.3 kg，文献[12]中Valmet公司在测试实验的峰值压力是5 MPa，故本文两辊之间的最大压力选择5 MPa。如图7所示。

3.3 网格划分

生成网格，选择网格属性，然后选择布种密度，网格的参数选择基于曲率的网格，计算会更加准确。如图8所示。

3.4 结果分析

对图9～11进行分析，图9是支撑梁的应力分析图，可以看出支撑梁满足极限条件下的工况。图10是位移分析图，从图中可以看出，变形主要集中在支撑梁中间，两端变形基本不变形，最大变形量为4.9 mm，对于整体长6 m的支撑梁来说，没有明显变形。图11是应变分析图，可以看出支撑梁的变形数据为0.0013，对设备正常运行影响不大。

4 结论

根据研究目标，设计了一种新型的靴压造纸装置，并使用有限元分析方法进行了结构分析和性能评估。经过对靴辊的有限元分析，证明了所设计的装置在结构稳定性方面表现良好，能够有效实现浆料的脱水和纸张的均匀压榨。这些结果分析将为靴压的国产化研究以及国产造纸机的发展打下一定的理论基础，提供参考依据。使用靴压技术不仅可以提高产品质量，还可以节约能源成本，符合国家的“双碳”政策，降低碳排放并减少污染。随着造纸机技术的不断发展，靴压技术也需要不断优化和改进。保持线压的稳定性和提高脱水率成为靴压技术面临的挑战，这也是未来需要解决的难题。

参考文献：

[1]E J JUSTUS，邢骥. Beloit公司造纸机部件的最新设计[J]. 国际造纸，1982（3）：19-22.

[2]陈克复，黄石茂，张宏，等. 制浆造纸机械与设备（下册）[M]. 2版. 北京：中国轻工业出版社，2003.

[3]TAAVILA A. Shoe Press Technology and Market Development[D]. Tampereen Ammattikorkeakoulu，2017.

[4]STENSTR?M S. Drying of paper： A review 2000–2018[J]. Drying Technology，2019（Issue 7）：825-845.

[5]苏云峰. 造纸机靴式压榨的设计及研究[D]. 石家庄：河北科技大学，2015.

[6]诸葛宝钧. 造纸靴式压榨与国产化[J]. 中华纸业，2023，44（14）：1-3.

[7]张辉，赵小玲. 国产制浆造纸装备的最新进展[J]. 中国造纸，2014，33（12）：63-69.

[8]淄博泰鼎机械科技有限公司压光机[J]. 造纸装备及材料，2017，46（3）：40.

[9]戴传东，董玉洲，李广为，等. 首台国产靴压的自主研发及调试运行[J]. 中华纸业，2013，34（11）：47-50.

[10]李长国. 靴压配对辊的结构设计[J]. 中国造纸，2013，32（9）：45-47.

[11]边占川. 造纸机传动所需功率的计算[J]. 天津造纸，1991（2）：15-17.

[12]POIKKEUS O. Pressure curve optimization for increased pressing solids in a pulp machine shoe press[D]. Aalto University，2023.