磨片磨紋設計的新動向

王成昆 王 平

(天津科技大學機械工程學院,天津,300222)

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·磨片磨紋設計·

磨片磨紋設計的新動向

王成昆 王 平

(天津科技大學機械工程學院,天津,300222)

磨片的磨紋設計直接決定了磨片的性能,影響磨漿的質量、效率和能耗。本文從磨齒的參數、磨紋的形狀、磨盤的結構等方面,介紹了近年來磨片磨紋設計的發展動向，包括磨齒斜面設計、深淺不同的齒槽、鋸齒形磨齒、正反轉磨片、V形及Z形磨紋等。

磨片；齒形設計；磨齒參數；磨紋形狀

(*E-mail: wangchengkun1990@163.com)

當盤磨機選型和磨片材料確定以后,磨片的磨紋設計是影響磨漿質量、效率最重要的因素,也是最容易改變和創新的因素。盤磨機磨片的磨紋參數主要有磨齒寬度、齒槽寬度、齒槽深度、磨紋傾角、擋壩設置等。磨紋參數的設計一般是根據漿料的特性和磨漿質量要求進行的。根據長期的實踐經驗,針對常用的制漿原料,磨片磨紋設計有一些典型的基本齒形,當有特殊要求時,對基本齒形進行一些變型設計。近年來,隨著節能降耗的要求,人們對磨片齒形進行了深入的研究[1],本文在分析國內外相關文獻資料的基礎上,對磨片磨紋設計的新動向進行了論述。

1 磨齒截面形狀改進

在打漿過程中，動壓作用促進了纖維之間的接觸,減少了纖維的切斷。最佳的磨漿條件是：在紙漿潤滑的邊界條件下,摩擦因數最大,纖維之間的相互作用最強,切斷少，疏解作用增強,動靜磨片分離,降低能耗。初嘉鵬等人[2]在2011年提出,要想利用動壓作用實現最佳打漿,需要改變磨片齒形,改進后的齒形如圖1所示。把動磨片的齒頂平面改成斜面之后,通過力學分析可知,漿料與齒頂斜面會產生垂直動壓力,纖維的切斷減少,纖維之間的作用力增強,有效促進了纖維的分絲和帚化,增加了漿流量,降低了能耗。

圖1 磨片齒形截面在運動方向增加斜角

Luc Gingras[3]在2012年通過實驗測量,對比了動靜磨片磨齒齒面都是平面時的漿料與靜磨片磨齒齒面為斜面時的漿料受力情況，如圖2所示。圖2(a)是傳統形狀的磨齒,圖2(b)是齒面有斜面的磨齒，圖2(c)所示的是動靜磨片的磨齒在交叉接觸的過程中,漿料受到的剪切力F的變化情況。圖2(c)中，虛線是傳統磨齒的漿料的受力,實線表示改進后帶有斜面的磨齒的漿料受力。由圖2(c)中的受力變化可以看出,由于傳統磨齒齒面與齒槽幾乎垂直,所以在動靜磨片磨齒接觸過程中漿料受到的擠壓剪切作用力比較大,有峰值出現,而帶有斜面的磨齒中的漿料受力則相對緩和。

圖2 磨齒形狀改變前后漿料受力狀況

顯然這種峰值作用力的出現是不利于打漿的,一方面對漿料會有過量的切斷作用,影響纖維質量,且對磨齒也會有損害,降低使用壽命。所以Luc Gingras等人也提出并設計了幾種帶有一定斜度的齒形,其結構與初嘉鵬等人的設計有相似之處,這里不再贅述。

2 齒槽及漿檔形狀變化

齒槽的寬度和深度與齒形有關,并且對磨漿的質量起著至關重要的作用,齒槽較窄可使整個磨盤齒數增加,加大了對漿料的切斷作用。雖然能提高漿料的打漿度,但是由于齒槽窄,槽深也淺,從而降低了漿料的通過量；增加齒槽寬度可以加大漿料通過量,但會削弱打漿作用,所以會配合漿檔設計以延長漿料在磨區的停留時間[4-5]。

針對最佳磨片齒寬的選擇和確定,劉士亮等人[6]就不同齒寬的磨片,對短纖維漿中濃打漿的質量、保留的纖維長度和打漿能耗方面做了對比分析,并得出了最適宜的磨片齒寬。該方法為新型、高效盤磨磨片磨齒參數的確定提供了參考。

一般常見的磨盤齒槽無論分幾個磨區,除破碎區外其齒槽的深度幾乎都是恒定不變的。所以有學者提出是否能在提高漿料通過量的同時保證對纖維較小的損害,提供一個合理的打漿強度以確保較好的打漿質量。Wesley Underberg等人[7]設計了一種變齒槽深度的磨齒,具有一定的創新性,其結構如圖3所示。該磨片設計原本是為高濃磨漿設計,但實際上已經在低濃打漿應用,從磨片內徑到外徑齒槽深度是變化的。其特點可以概括為：相鄰兩個較深的齒槽中會有一個較淺的齒槽,增加了磨齒數量,提高了打漿度；在高濃磨漿時,較淺的齒槽利于蒸汽的疏散,防止出現過大蒸汽壓力造成沖擊載荷；位于上端的齒槽較淺且窄,能夠抵抗磨齒變形,但磨齒的強度有一定降低。

圖3 不同磨漿區域的變齒槽深度設計

隨后，Luc Glngras等人[8]對這種深淺不同的變齒槽深度設計進行了更深入的研究,對位于上端較淺齒槽的深度、寬度以及下端較深齒槽的尺寸等內容做了分析,確定了可選擇的參數范圍。Antensteiner Peter等人[9]也設計了一種深淺不同的齒槽,并推導出了上端齒槽的深度與其受到的應力之間的關系式,為磨齒參數的確定提供了理論依據,具有一定的意義。原文介紹較為詳細,此處不再贅述。

漿檔(擋壩)的設計受磨齒參數以及漿料特性等因素的制約,無論是直齒(平行齒和徑向齒)或者弧形齒磨盤,漿檔都不是必需的,而是根據打漿的實際需求進行設計。例如,對于無漿檔的直齒磨盤,雖然其泵送作用相對較明顯,但如果磨齒及齒槽的參數得到合理的設計,其磨漿效果也是不錯的；另外,對于有錯位漿檔的磨盤,實際打漿中,漿料的通過量會減少,齒槽設計較窄時甚至會造成漿料阻塞。

傳統的漿檔呈一定寬度,高度與磨齒齒面平齊地布置在齒槽中。該設計對于低濃打漿沒有太大問題,但是在高濃磨漿時,紙漿含水量較少,在磨漿區會產生大量的蒸汽，高速流動的蒸汽會造成漿料的回流或者過早排出磨漿區,甚至產生沖擊載荷,嚴重時導致載荷控制不穩定,所以需要盡快排出[10]。針對以上問題,Luc Gingras等人[11]設計了一種帶有缺口的漿檔,其結構如圖4所示。圖4中的1-1和2-2是磨盤上的剖切示意圖,由圖4可知，該漿檔上端和磨齒面平齊,但是一邊留有缺口,便于蒸汽疏散；圖4中2-2 的斜面設計,有利于漿料翻過漿檔,不會造成漿料的阻塞。

圖4 磨片漿檔的缺口設計

圖5 具有鋸齒狀磨紋的磨片

圖6 磨紋呈V形布置的磨片

磨片類型轉速/r·min-1磨漿濃度/%噸漿電耗/kWh·t-1紙張性能緊度/g·cm-3抗張指數/N·m·g-1裂斷長/km耐破指數/kPa·m2·g-1V形布置15007.0～7.5204.80.5423.93.791.5ZDP650型15003.0～3.52410.4521.43.451.5

3 磨紋形狀變化

3.1 鋸齒狀磨齒的設計

在精磨機磨片設計中,提高能效的傳統方法是改進內部進漿區域的設計特征,目的是加快進漿。其結果是在一定磨漿間隙時,減小了纖維團的厚度,纖維之間的相互作用減少,磨齒的切斷作用增加。當纖維過快流出精磨區時,造成磨漿間隙變小,而磨片的使用壽命隨間隙的減小呈指數降低[12]。

所以對于精磨機來說,最佳的磨片是既能有較高的能量利用效率,又可以減少纖維切斷,同時具有較長的工作壽命。安德里茨公司設計了一款新型磨片[13],很好地滿足了以上要求,其結構如圖5所示。

該磨紋設計已經申請了專利,其變型結構有：內部粗磨區的直形齒設計、精磨區進一步細化分區、磨齒上的鋸齒形改進為其他凹凸不規則形狀等。弧形磨齒的彎曲方向與磨片旋轉方向有關,鋸齒狀凹槽分布在磨齒的前緣即運動方向一側；獨特的鋸齒狀設計,有助于延緩漿料在外部精磨區的停留時間,增加纖維束的厚度,減少切斷；允許動靜磨片之間較大的磨漿間隙,在實現高強度磨漿的同時,延長了磨片的使用壽命。

3.2 可正反轉的磨紋設計

傳統磨紋的排列形狀,主要是直形齒和弧形齒。華南理工大學在磨紋設計方面做了一定的研究,設計了一種磨齒呈V形布置的磨片[14],其結構如圖6所示。該磨片主要用于中高濃度的廢紙(OCC)打漿,可分為3個磨區,磨齒截面為直角梯形,截面的形狀如圖6中1-1、2-2所示,梯形截面設計能增加纖維與齒面的接觸面積,提高纖維與齒面及纖維內摩擦的機率。由于受到疏解區磨齒彎曲方向的限制,該磨片不能實現反向旋轉,但是可改善磨區的漿料流動混合形式,實際的打漿實驗數據如表1所示。

與傳統磨片對比,磨紋呈V形布置的磨片可有效降低能耗,進一步提高成紙性能。結合其他實驗數據,可以得出新型磨片在處理OCC紙漿時磨漿效果優于傳統磨片。

當磨片被設計制造出來以后,其旋轉方向一般都是固定的。在經過一段時間的磨漿之后,磨齒基本上是順著旋轉方向齒前刃角受到的磨損最大,呈圓弧狀出現鈍口,而齒后刃磨損不突出,齒面磨損為不規則狀。國內有學者提出通過精加工復磨能基本恢復齒前刃的鋒利狀態,使磨損齒面得到修整[15]。而國外一些廠家則嘗試隔一段時間改變磨片的旋轉方向,以保證磨齒前緣的鋒利,也延長了磨片的使用壽命。

針對以上問題,安德里茨公司設計了一種可反轉的精漿機磨片,其結構如圖7所示。由圖7可知,動靜磨片的磨紋呈V形,動磨片的齒槽深度要比靜磨片的深一些。該磨片的變型結構還有很多,比如疏解區的設置、精磨區的細化分區等、V形磨紋結合再緊湊些呈W形等。無論怎樣變型,該動靜磨片都能允許精磨機以相同的性能反向旋轉工作[16]。

3.3 其他的磨紋設計

除以上的磨片之外,安德里茨公司還陸續設計了其他一些新型的磨片。

圖7 可正反轉的精漿機磨片

圖8 過渡區呈X形的逐漸變化形狀的磨片

圖9 磨紋呈Z形磨片

(1)具有逐漸變化形狀的磨片。從內部進料區至出口區的磨齒和齒槽寬度逐漸變小,即在徑向,磨齒和齒槽的密度逐漸增大,過渡區域形狀呈螺旋線狀、V形、倒V形或者X形等。該設計充分利用了磨盤的表面,優化了磨漿性能[17]。結構如圖8所示。

(2)磨紋呈Z形的磨片。在磨片中間有一段傾斜形狀的磨齒與徑向排列的磨齒相連呈Z形,在Z型彎曲部分可以根據需要設置斜面。有規律分布的Z形彎曲起到了漿檔的作用,所以磨片徑向沒有漿檔[18-19],結構如圖9所示,其中圖9(a)是Z形彎曲的局部放大圖。

(3)磨齒呈V形立體結構的磨片。該磨齒呈三棱柱狀或是V形的立體,一個個單獨的磨齒按照一定規律布置在磨盤上,其磨漿效果有待論證,但是設計方法比較獨特,有一定的參考價值[20]。

在國內,早在2004年陳永生等人[21]就公布了一項磨片專利,其設計理念與上述具有逐漸變化形狀的磨片相類似。每塊磨片可分為3個或更多的同心圓磨漿區間,磨區寬度隨著半徑的增大依次變小,齒槽深度在徑向逐漸減小。該設計可以有效解決磨盤表面掛漿不均問題,避免齒面直接摩擦,促進纖維分絲帚化。

此外,Ola M Johansson等人[22-23]曾設計了兩種結構比較獨特的磨片。第一種是可調齒形的磨片。其原理是在一塊磨片中,存在一部分可以是圓形、方形及三角形狀,單獨安裝固定在磨盤上。其上端和磨盤上端面平齊,“填在”磨盤里構成一塊完整的磨片,通過對其進行適當的旋轉來改變磨片的齒紋形狀,進而改變打漿效果。第二種是可分離式磨片。其結構是使用螺栓將分塊的扇形磨片固定在磨盤基體上,其中每個磨片中間呈一定形狀的區域沒有磨紋,而是篩網式的通孔。當漿料從磨片內徑向外流出過程中,一部分細小的漿料將會穿過漏孔從磨片下方流出,另一部分則流向外徑磨紋,然后排出。以上兩種設計,都比較新穎,但是結構比較復雜,實際磨漿效果也有待驗證。

4 結 語

(1)將磨齒截面設計有一定的斜角,有利于減少纖維切斷,提高漿料通過量,并減小磨片受到的沖擊力,提高磨片的使用壽命。

(2)不同磨區變齒槽深度的設計,可以增加磨齒數量,提高打漿度；帶有缺口的漿檔在熱磨機械漿或高濃磨漿時有利于高溫蒸汽的排出。

(3)磨片的鋸齒形磨紋設計,可延長漿料在外部精磨區的停留時間,增加纖維厚度,減少切斷,實現高強度磨漿；可正反轉的磨紋設計,能夠延長磨片使用壽命,但要求磨漿機可靈活改變轉向。

(4)V形或Z形磨紋以及結構可調整分離的磨片,結構都比較獨特,具有一定的參考價值。

(5)磨片磨紋的創新設計對磨片的制造工藝提出了新的要求,如精密鑄造、專用磨削等,新齒形的磨片會增加磨片的制造成本。在生產中,需要權衡經濟效益和增加的成本。

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(責任編輯：常 青)

New Trend of Pattern Design of Refiner Plate

WANG Cheng-kun*WANG Ping

(CollegeofMechanicalEngineering,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300222)

The design of refiner plate pattern directly determines the performance of the refiner, affects the refining quality, efficiency and energy consumption. This article introduced the latest trend in pattern design of refiner plate, from the bar parameters, the shape of plate pattern, structure of refiner plate, etc. including the slope design of grinding bar, alternating depth grooves, jagged bars, reversible plate, V-shaped and Z-shaped plate pattern and so on.

refiner plate; teeth pattern design; bar parameters; plate pattern shape

王成昆先生,在讀碩士研究生；研究方向：制漿造紙機械的研究。

2015-10-20(修改稿)

TS734+.1

A DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.04.013